E3 Physique du sol comme milieu poreux

Topique

Le sol est un milieu poreux composé simultanément de trois phases : solide, liquide et gazeuse. Ce sont précisément les propriétés hydrauliques de ce milieu poreux qui déterminent la circulation de l’eau, de la chaleur et des solutés dissous.

La texture du sol, c’est-à-dire la proportion de sable, de limon et d’argile qui le composent, contrôle la distribution de la taille des pores. C’est précisément cette distribution qui détermine à la fois la conductivité hydraulique à saturation du sol et sa courbe de rétention d’eau. La structure du sol, formée par ses agrégats et ses macropores, peut modifier profondément ces mêmes propriétés, notamment en créant des voies préférentielles où l’eau s’écoule beaucoup plus rapidement que dans le reste du sol.

La courbe de rétention d’eau décrit la relation entre la teneur en eau volumique du sol et son potentiel matriciel : lorsque cette teneur en eau est élevée, dans un sol humide, le potentiel matriciel tend vers zéro et l’eau s’écoule librement. Lorsque la teneur en eau est faible, dans un sol sec, le potentiel matriciel peut atteindre -1 500 kilopascals, seuil appelé flétrissement permanent, au-delà duquel les racines ne peuvent plus extraire d'eau du sol.

Le modèle de van Genuchten est l'approximation empirique la plus couramment utilisée pour décrire cette courbe de rétention d'eau. Ses paramètres, comme tous les autres éléments de ce document, dépendent de la texture spécifique de chaque sol. La conductivité hydraulique non saturée, quant à elle, chute brutalement à mesure que le sol sèche, conformément à la relation de Mualem. C'est précisément cette chute brutale qui rend la circulation de l'eau de plus en plus difficile dans un sol ayant déjà perdu une part importante de son humidité.

Dans la couche superficielle du sol, entre les vingt et cinquante premiers centimètres de profondeur, la chaleur et la vapeur d'eau sont transportées de manière couplée : la chaleur se propage par conduction, selon la loi de Fourier décrite précédemment, et c'est précisément la température du sol qui provoque le déplacement de la vapeur d'eau, au sein même du sol, vers les zones plus froides.

Le comportement attendu de ce système comprend une onde de chaleur qui pénètre dans le sol, perdant de l'amplitude de façon exponentielle et étant de plus en plus retardée à mesure qu'elle progresse en profondeur – un comportement caractérisé par la diffusivité thermique de chaque type de sol. Ainsi, des trois phases initiales de ce document à l'onde de chaleur amortie qui le conclut, en tenant compte de la texture, de la courbe de rétention d'eau et de la conductivité hydraulique non saturée, la physique du sol en tant que milieu poreux implique que les mouvements d'eau, de chaleur et de solutés souterrains sont finalement régis par la même structure poreuse qui définit chaque sol.

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