Le potentiel capillaire et la mesure de l'humidité

La mesure du volume d'eau contenue dans un sol peut se faire, dans une première étape, facilement en égouttant l'échantillon: on récupère alors l'eau gravitaire. Mais la teneur en eau de rétention est beaucoup plus difficile à mesurer, tant sur un échantillon que bien sûr sur le terrain. Les échantillons sont en général soumis à la centrifugation pour chasser et récupérer l'eau liée; par exemple on mesure la teneur en eau partielle à différentes accélérations g : Teneur en eau partielle Argile Limon dans les vides: Vr/Vv (en %) - à 400 g 40 % 31 % - à 1000 g 35 % 24 % - à 35000 g 23 % 17 % On observe ainsi qu'il subsiste après cette opération une quantité non négligeable d'eau, l'eau hygroscopique que l'on peut mesurer par étuvage ou dessiccation. Une autre manière de mesurer l'humidité du sol consiste à utiliser la sonde à neutrons (voir plus bas). Généralement cependant, on caractérise d'une autre façon l'humidité du sol en mesurant la force qui lie l'eau à la roche, ce que l'on appelle la mesure du potentiel capillaire. Cette mesure se fait en laboratoire ou sur le terrain. Le potentiel capillaire permet de caractériser l'humidité d'un milieu poreux par un rapport d'énergie, c'est-à-dire qu'on l'exprime par l'énergie potentielle spécifique de l'eau du sol par rapport à celle de l'eau libre qui est prise comme référence. Le potentiel représente l'énergie que le sol applique à l'eau de rétention qu'il contient. Rappelons que l'étude des fluides implique que l'on prenne en considération en chaque point du liquide en mouvement, l'altitude ou élévation z, la hauteur du liquide au-dessus de ce point h et la charge hydraulique H, figure 20. Dans un sol on considère que le potentiel total est la somme de 3 composantes: (total = (g + (p + (o (g = potentiel gravitationnel; indépendant de (p et (o (p = potentiel de pression; dépend de la submersion, de l'adsorption et de la capillarité (o = potentiel osmotique exprimant une diminution d'énergie suite à la présence de soluté dans l'eau du sol. On observe que le potentiel de l'énergie cinétique est "remplacé" par le potentiel d'énergie osmotique. En transformant l'énergie potentielle totale en équivalent hauteur d'eau, on obtient: H = h - z (1) en considérant pour simplifier que (o = 0 (2) avec h Pw - Pa lié à un plan de référence. On peut placer le plan de référence soit au niveau du sol (avec z positif vers le bas) soit plus généralement dans des cas semblables au niveau statique. Ainsi figure 54, on distingue 3 cas: a) Surface de l'eau libre: z = 0, h = 0, pw = pa b) En milieu saturé, sous la surface libre: pw > pa, alors h > 0 (dessin figure 54). La pression effective de l'eau du sol est positive, elle correspond à la profondeur de submersion au-dessous du niveau statique. c) En milieu non saturé: pw < pa, alors h < 0 La pression effective de l'eau est négative. Elle traduit les efforts conjugués des forces d'adsorption et de capillarité. Ces forces fixent l'eau à la matrice poreuse et abaissent ainsi son énergie potentielle à des valeurs inférieures à celle de l'eau libre. On nomme ( = _ h _ la tension ou la succion. Généralement, ( et h sont exprimés en cm de colonne d'eau. On les mesure avec des tensiomètres. Comme la succion h peut être très élevée, on a défini un paramètre plus approprié, le potentiel capillaire, pF: pF = -log h avec h exprimé en cm. Si on résume les caractéristiques des zones saturées et non saturées on peut observer: En zone saturée: 1) on est situé sous le niveau statique 2) les pores sont saturés et la teneur en eau ( est égale à la porosité efficace 3) la pression du fluide est supérieure à la pression atmosphérique, d'où h > 0 4) la charge hydraulique est mesurée avec un piézomètre 5) la perméabilité K est constante, non fonction de h. En zone non saturée: 1) on est situé au-dessus du niveau statique et au-dessus de la frange capillaire 2) le sol est partiellement saturé en eau, ( est inférieur à la porosité efficace 3) la pression du fluide est inférieure à la pression atmosphérique, d'où h <0 4) la charge hydraulique doit être mesurée avec un tensiomètre 5) la perméabilité K et la teneur en humidité ( sont tous deux fonction de h.