E4 Zone insaturée et infiltration

Topique

La zone non saturée, également appelée zone vadose, est le volume de sol situé entre la surface et la nappe phréatique. Dans ce volume, les pores du sol contiennent à la fois de l'eau et de l'air, au lieu d'être entièrement remplis de l'un ou de l'autre.

Le mouvement de l'eau au sein de cette zone non saturée obéit à l'équation de Richards, déjà mentionnée dans les documents précédents. Cette équation de diffusion non linéaire combine l'écoulement gravitaire, toujours dirigé vers le bas, avec l'écoulement matriciel, dirigé vers la zone de potentiel matriciel le plus faible, quelle que soit son orientation. C'est précisément cette équation qui révèle une non-linéarité extrême, car la conductivité hydraulique du sol peut varier considérablement lors du passage de l'état saturé à l'état sec.

L'infiltration est le processus par lequel l'eau de pluie ou d'irrigation pénètre à la surface de cette même zone non saturée. C'est précisément l'intensité du gradient de succion matricielle qui explique le taux d'infiltration initialement élevé, lorsque le sol est encore sec, et sa diminution asymptotique jusqu'à ce qu'il se rapproche de la conductivité hydraulique du sol à saturation, à mesure que le sol s'humidifie.

Il existe trois modèles classiques décrivant l'infiltration : le modèle de Green-Ampt, qui suppose un front d'humidification abrupt et peut être résolu analytiquement ; le modèle de Philip, qui développe l'infiltration en série de puissances de la racine carrée du temps ; et le modèle de Horton, qui décrit l'infiltration par une décroissance exponentielle ajustée empiriquement.

Lorsque l'intensité des précipitations dépasse la capacité d'infiltration du sol, c'est précisément cet excès d'eau qui forme le ruissellement de surface, du même type que celui décrit dans la discussion sur les inondations, et que l'on appelle ici ruissellement hortonien, en référence à ce même modèle de décroissance exponentielle.

L'écoulement préférentiel, quant à lui, se produit lorsque l'eau se déplace rapidement à travers les macropores (fissures, canaux racinaires ou galeries creusées par les vers de terre), contournant complètement la matrice du sol décrite par l'équation de Richards. C'est précisément cette capacité à éviter la matrice du sol qui permet à l'écoulement préférentiel de transporter les contaminants vers les aquifères beaucoup plus rapidement que ne le prédit l'équation de Richards. L'évaporation directe du sol se déroule en trois étapes successives : dans un premier temps, elle est contrôlée par la demande atmosphérique et son taux est égal à l'évapotranspiration potentielle ; dans un second temps, la conductivité hydraulique du sol régule un taux d'évaporation qui diminue progressivement ; et dans un troisième temps, l'évaporation chute à des taux très faibles, limités uniquement par la diffusion de la vapeur d'eau à travers un sol presque sec. Ainsi, de la zone non saturée qui ouvre ce document jusqu'à cette dernière étape d'évaporation qui le conclut, en passant par l'équation de Richards, les modèles d'infiltration et l'écoulement préférentiel qui l'évite, la zone non saturée et l'infiltration impliquent que le devenir de chaque goutte de pluie — s'infiltrer, ruisseler ou s'évaporer — est déterminé par le sol même qu'elle traverse.

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