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LES METHODES TRADITIONNELLES DE MESURE DE PROFILS HYDRIQUES DE SOLS 1 - Les prélèvements de cylindres de sol
On prélève des échantillons de sol de volume connu à différentes profondeurs. Pour cela, il faut :
  1. creuser un profil de sol
  2. prélever les échantillons à l’aide d’un cylindre métallique (carottage)

  3. déterminer l’humidité des cylindres par pesée et séchage
    • très destructeurs
    • très lourds en main d’œuvre
    • non automatisables !

     
    2 - Les mesures neutroniques peu destructrices
    étalonnage spécifique nécessaire
    précision limitée, surtout en surface
    lourdes contraintes réglementaires
    automatisation limitée
      3 - Les mesures par réflectométrie temporelle         a - Par tube de mesure
     
     
     
      peu destructrices
    existence d’un étalonnage quasi-universel
    possibilité d’établir un étalonnage spécifique d’un site pour augmenter la précision des mesures
    non automatisables
      b - Par guides d'onde enterrés installation lourde
    relativement chères
    automatisables
    semi-destructrices
     
      PRINCIPES DES MESURES D'HUMIDITE DU SOL PAR REFLECTOMETRIE TEMPORELLE

    La réflectométrie dans le domaine temporel (TDR : Time Domain Reflectometry) a été adaptée en agronomie et en hydrologie depuis une vingtaine d’années pour mesurer l'humidité des sols. Elle vient au secours d’une technique de prélèvements destructive et peu précise sans un grand nombre de répétitions, et de sondes neutroniques en voie d’interdiction.

        Divers capteurs de type capacitifs ont par ailleurs fait leur apparition, avec plus ou moins de succès, mais c’est la réflectométrie temporelle qui se montre actuellement la plus performante et la plus souple d’utilisation.     Convaincus que ses possibilités n’ont pas encore été pleinement exploitées, et devant la nécessité d’une méthode alternative aux sondes neutroniques pour le suivi de l’état hydrique des horizons de sol superficiel, des projets de recherche ont été mis en place en France dès 1995. Ils  visent à obtenir, à partir d’une seule mesure par réflectométrie temporelle, un profil hydrique de sol, et non plus une mesure ponctuelle moyenne.

    Un réflectomètre est constitué d'un générateur de signal, d'un guide d'onde, d'un coupleur, d'un oscilloscope et d'un échantillonneur (qui permet à l'oscilloscope d'atteindre des fréquences d'échantillonnage de l'ordre de plusieurs dizaines de GHz). Le générateur de signal émet une impulsion de type échelon qui se propage via un câble coaxial le long des guides d'ondes constitués de tiges métalliques parallèles (en général au nombre de 2 ou 3) Arrivé à l'extrémité finale des guides, le front d'onde est réfléchi et repart vers l'oscilloscope qui enregistre les variations d'amplitude du signal en fonction du temps, en début du câble.
    On obtient ainsi des courbes similaires à celle de la figure ci-contre.

      On détermine le temps de propagation T des ondes en repérant le moment de leur arrivée au début des guides et le moment du retour des ondes réfléchies en bout de guides. Ce temps varie selon la valeur de la permittivité relative du sol er (aussi notée Ka)

     
      La permittivité mesurée du sol est fonction des permittivités de ses constituants, c'est à dire de l'air (er =1), des particules minérales (er=3-5) et de l'eau (er=80). Celle de l'eau dominant largement, c'est la teneur relative en eau qui impose la permittivité globale, ou effective, du sol. Un étalonnage permet de relier celle-ci à la teneur en eau volumique du sol. Exemple de l’étalonnage "universel" de Topp et al. (1980) :
    Wv = -5,3.10-2 + 2,92.10-2 er -5,5.10-4 er2 + 4,3.10-6 er3
    (avec W v = humidité volumique en m3 d’eau /m3 de sol)


    L’idée est d’analyser en détail la courbe de signal réfléchi enregistrée par le réflectomètre, en tenant compte de l’ensemble de ses coordonnées (temps de propagation et tension électrique) et non pas uniquement du temps de propagation total de l’onde dans le milieu, comme c’est le cas actuellement. Ces travaux ont aboutis au développement d’un modèle numérique d’inversion de courbes de signal réfléchis, calculant la répartition d’humidité volumique du milieu le long des guides d’ondes utilisés pour la mesure.

    Les enjeux majeurs de telles recherches, aussi bien en hydrologie (étude des transferts hydriques, transferts de solutés, des interactions sol-atmosphère, etc…), qu’en agronomie (calcul et modélisation de bilans hydriques, d’interactions sol-plante, suivi d’irrigation, etc…) ont mobilisé la plupart des membres de la communauté scientifique française liée à l’agronomie et à l’hydrologie.
     
     

    ENJEUX DES MESURES DE PROFILS HYDRIQUES DE SOL



      L’HUMIDITE DU SOL permet de connaître :
    • la quantité d’eau disponible dans le sol pour la plante, et donc d’ajuster les doses d’irrigation
    • les risques de

    • - drainage en profondeur,
      - lessivage des éléments minéraux
      - déficit hydrique.
     Les variations d’humidité du sol nous informent sur les pertes ou les apports en eau. On peut ainsi estimer la consommation en eau des plantes, l’évaporation du sol, etc…  L’accès au PROFIL HYDRIQUE permet de mieux localiser les phénomènes, de les isoler et de les mesurer avec une meilleure précision. L’intérêt de mesures NON-DESTRUCTIVES est de pouvoir suivre les phénomènes sur de longues périodes, de travailler en conditions réelles et avec peu de main d’œuvre. Ces conditions sont aujourd’hui nécessaires pour répondre aux exigences d’une agronomie moderne et renseigner des modèles de bilan hydrique, de transfert hydrique et minéral de plus en plus précis afin d’optimiser la conduite des cultures, et d’en maîtriser les effets sur l’environnement
      Voir aussi LTHE,
    Copyright © TODOROFF


    Réflectométrie dans le domaine temporel

    Les sondes qui fonctionnent en réflectométrie dans le domaine temporel ou sondes TDR (time domain reflectometry) mesurent l'humidité volumique q du sol en place. Utilisée à l'origine pour tester des câbles de circuit électrique, la méthode TDR s'est développée rapidement à partir des années 1980 car elle est d'un emploi relativement simple et permet une mesure de l'humidité volumique avec une incertitude inférieure à ± 2%  et avec une très bonne résolution spatiale et temporelle.
    Le principe de la méthode repose sur la relation existant entre la constante diélectrique relative des sols et la teneur en eau volumique.
    Rappel:
    La constante diélectrique est donnée par la formule :
    F = force d'attraction entre deux charges électriques
    D = constante diélectrique
    Q1, Q2 = les 2 charges séparées par une distance r dans un milieu uniforme
    Comme il l'a été vu, le sol peut être considéré comme constitué par une matrice solide, ainsi que de l'air et de l'eau. La constante diélectrique de l'air est égale à 1, celle de la matrice solide oscille entre 2 et 5 tandis que celle de l'eau est d'environ 80. Ainsi, les variations de la teneur en eau du sol affectent de façon prépondérante la constante diélectrique de celui-ci. La technique consiste à envoyer une impulsion électromagnétique dans un guide d'ondes généralement formé de deux électrodes (parfois trois) métalliques de longueur connue l et à analyser le temps de transit t, soit à partir du signal de retour de l'impulsion, soit en mesurant le temps de transit pour différentes tensions (Auzet A.V., 1998).
    Schéma de transit du signal TDR Source : Auzet A.V. et al, 1998
    Les électrodes sont identiques et parallèles, en acier inoxydable (diamètre externe de l'ordre de 3 à 4 mm, espacement de 3 à 5 cm) et leur longueur choisie en fonction de l'épaisseur de sol à explorer. Elles sont reliées par un transformateur d'adaptation et un câble coaxial à un générateur d'impulsions de courant alternatif à une fréquence de l'ordre de 1 GHz (domaine des hyperfréquences).
    La sonde TDR Trime employée sur le terrain

    Représentation schématique d'un TDR à 2 et à 3 conducteurs - In Guyot, 1997
    La vitesse de propagation c d'une impulsion électromagnétique le long du guide d'ondes est donné par la relation :
    er = constante diélectrique
    mr = perméabilité magnétique : elle est égale à 1 pour les matériaux non magnétiques
    c0 = vitesse de la lumière
    Connaissant la longueur l du guide d'ondes, la distance parcourue est connue (=2l) et la constante diélectrique er du sol peut être déduite du temps de transfert t.
    Parmi les sondes disponibles sur le marché, les géométries bi-tiges et tri-tiges sont d'usage courant, mais leur mise en place pour le suivi des profils hydriques suppose généralement l'ouverture d'un fosse, ce qui perturbe assez fortement le milieu.
    La nécessité de suivi de routine des profils d'humidité a poussé au développement d'un nouvelle génération de sondes telle la sonde tube TRIME employée sur les sites du Strengbach et de l'Illwald.
    La sonde tube se compose d'un corps cylindrique en PVC muni de part et d'autre de deux plaques en aluminium servant de guide d'ondes.
    La sonde tube TRIME et son volume de mesure (doc. fabriquant, IMKO) Source : Auzet A.V. et al, 1998
    L'insertion des tubes d'accès en fibre de verre doit être réalisée avec précaution et patience, afin d'obtenir le meilleur contact possible avec le sol. En particulier, le piégeage de vides au contact des tubes d'accès ou la modification de la densité apparente compromettrait sérieusement la qualité des mesures (Auzet A.V. et al, 1996). Le système d'insertion pour l'installation des tubes d'accès (doc. fabriquant IMKO) Source : Auzet A.V. et al, 1998
    La méthode TDR présente l'avantage de mesures peu affectées par la composition du sol ou sa salinité. En revanche, des difficultés surviennent dans les sols hétérogènes où les perturbations du milieu lors de l'insertion des tiges ou du tube sont conséquentes et se répercutent sur la qualité des mesures. 


    Copyright © 1999 Jean Melounou
    Dernière révision de la page: 25 October 1998