Physique du sol Prof. Xanthoulis Dimitri Unité d’Hydrolog ie et Hydraulique agricole FUSAGX
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Physique du sol
Prof. Xanthoulis Dimitri
Unité d’Hydrologie et Hydrauliqueagricole
FUSAGX
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Physique du sol
Ref: Prof. MERMOUD (EPFL)Ref: Prof. MUZY (EPFL)Ref: Prof. DAUTREBANDE (FUSAGX)
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Physique du solScience qui étudie l’état et le mouvement de matièreet d’énergie dans le sol
Matière: eau, solutés, substances chimiques, gaz,… Energie: chaleur
Objectifs Compréhension et modélisation des processus qui se
déroulent dans le sol Fourniture des bases nécessaires à la mise en œuvre des
techniques de génie rural, de protection des sols et desauvegarde des eaux souterraines
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APPLICATIONS DE LA
PHYSIQUE DU SOL Sauvegarde des eaux souterraines
Pollution (fertilisants, pesticides, sels, métaux lourds,…) Réalimentation (recharge)
Captage des eaux souterraines Quantité d’eau extractible Débit de pompage
Protection et amélioration des sols Erosion Dégradation (contamination, salinisation, dégradation de la structure,…)
Techniques d’hydraulique agricole Irrigation Drainage
etc …
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Le stock au niveau planétaire:en 1015 m³
Océans : 1350
Glaciers: 25
Eaux souterraines: 9,4
Lacs et rivières: 0,2
Humidité du sol: 0,016
= stock de la zone racinaire
Atmosphère: 0,013Eau biologique: 0,001
portance
titative du stock u dans la zone racines est faible chelle du globe
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Transfert
« quantité »
Interfacesol-air C
o ur s d ’
e a u , é g o u t s , pl a n s d ’ e a u
Zone
racinaire
ETr
PLUIES, ETP,
apports anthropiques
Production eau de
ruissellement et
d’infiltration
Infiltration
Production et
Transfert eaux
Hypodermiques
rapides
Surface bassin versant
Transfert des eaux de
Surface (ruissellement)
+Hypodermiques rapides
Nappe de base
Production et Transfert eaux Hypodermiques lentes
Zone non
saturée
Géologique
P e r c o l a t i o n
P e r c o l a t i o n
Le cycle de l’eau
Importancequantitative du stock
d’eau dans cette zoneest faible maisLe mouvement demouvement dell’ ’ eaueau dans la zone desracines des plantes estune des composantescomposantes
essentiellesessentielles de ladynamique du cycle del’eau
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Phase solide (matrice du sol) Eléments minéraux: particules de taille et de forme diverses.
- éléments grossiers (> 2mm) - terre fine (< 2 mm); argile (< 2 μm) - Analyse granulométrique
Eléments organiques: débris végétaux ou animaux en état dedécomposition plus ou moins avancée.
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Triangle des texturesFigure II.2b
Classification belge Classification USA
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Relation texture - K
K=8.10-6 m/s
T=60 min/cm
K=6.10-5 m/s
T=45 min/cm
K=2.10-4 m/s
T=25 min/cm
K=4.10-4 m/s
T=15 min/cm
K=1.10-3 m/s
T=10 min/cm
K=4.10-3 m/s
T=4 min/cm
K=1.10-2 m/sT=1.5 min/cm
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Phase liquide
Composé d’eau et d’éléments dissous : Sels minéraux, composés organiques et gaz.
Anions prédominants : NO3 -, HCO3 -, CO3 --, PO4--, Cl- and SO4 – (spécialement en zones arides)
Cations prédominants : Ca++, Mg++, K +, Na+,NH4+
Matière organique dissoute Gaz dissous Fertilisants, pesticides, etc…
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Zone saturée – zone non saturéeΨ = Potentiel capillaire
= Succion capillaire
= Hauteur de succion
Ψ
> 0
Ψ = 0
Ψ < 0
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1 : Profil au point de flétrissement,2 : Profil limite d’assèchement (prairie)3 : Profil à la capacitéau champ4 : Profil à la saturation
Les profils d’humidité caractéristiques
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Nappe surmontée d’un Sol non
saturéZ=0
θTeneur en eauvolumétrique
θFC θsSurfacedu sol
Zone contenant de l’eaugravitaire
Zone d’eau retenue par lesforces de capillarité
Epaisseur de la frangecapillaire
Surface dela nappe
Ψ = 0
Eaucapillaire
Profil d’humidité en ns;pression interstitielle < àpression atmosphérique
Eau gravitaireEau de
capillarité
NappeZ
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Principaux termes du bilan hydrique
(du point de vue du sol)
Infiltration
Redistribution
Percolation
Remontée capillaire
Evapotranspiration
}Humidité du sol
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Termes du bilan hydrique
infiltration évapotranspiration,…
L’humidité du sol va conditionner les transfertshydriques
redistribution percolation (recharge des aquifères) remontée capillaire
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RU
1 : Profil au point de flétrissement,2 : Profil limite d’assèchement (prairie)3 : Profil à la capacitéau champ4 : Profil à la saturation
Les profils d’humidité caractéristiques
EU (%)=θFC - θWP
RU (mm) = Z. (θFC - θWP)
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Caractéristiques hydrodynamiques de
quelques sols
Sol Texture Humidité pondérale (%)
Eau Utilecapacité auchamp θFC
point de
flétrissement
θWP θFC - θWP
argileux fine 43 30 13
argilo-limoneux fine 31 22 9
limoneux moyenne 17 7 10
sablo-argileux moyenne 12 4 8
sableux grossière 4 1 3
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RU
RFU = y*RU =
dose d’irrigation
y dépend de laplante
1 : Profil au point de flétrissement,2 : Profil limite d’assèchement (prairie)3 : Profil à la capacitéau champ4 : Profil à la saturation
Les profils d’humidité caractéristiques
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Les profils d’humidité caractéristiques
Culture (Z) (m) Fraction Y RFU en mm/m ou (% Vol . 10)
1/ fin moyen grossier Alfalfa 1.0 - 2.0 0,55 110 75 35
Banana 0.5 - 0.9 0,35 70 50 20
Barley 2/ 1.0 - 1.5 0,55 110 75 35
Beans 2/ 0.5 - 0.7 0,45 90 65 30
Beets 0.6 - 1.0 0,5 100 70 35
Cabbage 0.4 - 0.5 0,45 90 65 30
Carrots 0.5 - 1.0 0,35 70 50 20
Celery 0.3 - 0.5 0,2 40 25 10
Citrus 1.2 - 1.5 0,5 100 70 30
Clover 0.6 - 0.9 0,35 70 50 20
Cacao 0,2 40 30 15
Cotton 1.0 - 1.7 0.65* 130 90* 40
Cucumber 0.7 - 1.2 0,5 100 70 30
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Vérification d’un potentiel de capillarité en
sols non saturés : le tensiomètre
Membraneporeuse
Manomètre(eau - mercure)Tube
transparent
mercure
Z1
Z2
Plan de référence
indications fidèles de l'évolution
de la pression interstitielle du sol inertie de la réponse dutensiomètre (temps de réponse)
condition non respectée lors d’une
pluie ou irrigation condition respectée en conditiond’assèchement (avertissement àl’irrigation)
z – ψ = z + p/δ =hZ0
z + p/δ =constante (entremanomètre et bougie)
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Vérification d’un potentiel de capillarité en sols
non saturész – ψ = z + p/δ =h(hauteur piézométrique)
Evolution des profils de hauteurspiézométriques en sol limoneux(Gembloux)du 8/06 au 10/07
relation teneur en humidité potentiel matriciel
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relation teneur en humidité - potentiel matricielCoubes pF
mesure la teneur en humidité d'équilibre d'un sol placé sur une plaque poreuse
et soumis à différentes tensions Après établissement de l'équilibre, on mesure la teneur en humidité θ de
l'échantillon point par point, et on établit le diagramme ψ(θ) la courbe ψ(θ) présente un hystérésis, la relation étant différente selon que les
tensions successives vont en croissant ou en décroissant
Drainage
pF
θ
humectation
relation teneur en humidité potentiel matriciel
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relation teneur en humidité - potentiel matricielCoubes pF
Mesure par l'appareil de Richards
relation teneur en humidité potentiel matriciel
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relation teneur en humidité - potentiel matricielCoubes pF
l ti t h idité t ti l t i i l
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relation teneur en humidité - potentiel matricielCoubes pF
Pression(cm) Pf
Poids
humidebrut
Poidshumide
Teneur en
eaupondérale
Teneur en
eauvolumétrique
10 1,0 256,8 188,4 24,9 37,6
40 1,6 256,6 188,4 24,9 37,6
70 1,8 255,3 187,2 24,1 36,4
100 2,0 255,3 187,3 24,2 36,5
300 2,5 250,5 182,5 21,0 31,7
700 2,8 245,1 177,1 17,4 26,3
1000 3,0 243,1 175,1 16,1 24,3
5000 3,7 237,8 169,8 12,6 19
15000 4,2 235,8 167,8 11,3 17
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,03,5
4,0
4,5
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0
Teneur en eau pondérale
p F
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Teneur en eau volumétrique
p F
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Courbes pF
4.2
θvo
l
2.0
Sol
Limoneux
Sol
limono-
argileux
pF
Sol
sableux
Figure II I .13a. Exemples de courbes de rétention en eau (courbes de pF)= teneur en eau et pF à la capacité de rétention (capacité au champ) (field capacity)
= teneur en eau et pF au point de flétrissement (wilting point)
Sol sableux : faible porosité
totale, faible capacité derétention et faible « eau utile » ;
Sol limoneux : bonne porosité
totale, bonne capacité, « eau
utile élevée
Sol limono-argileux : porositétotale élevée, capacité de
rétention élevée, eau utile
moindre que le sol limoneux.
C b F
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Courbes pF
Tension de succion selon la texture du sol, d'après Duchaufour
relation teneur en humidité - potentiel matriciel
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relation teneur en humidité potentiel matricielCoubes pF
méga = porosité (trous de vers, racines, fissures)
DEC > 300µm;
macro = macro-porosité : 30 µm < DEC < 300 µm; 1 < pF < 2
méso = méso-porosité < 0,1 µm < DEC < 30 µm; 2 < pF < 4,2
micro = micro-porosité DEC < 0,1 µm; pF > 4,2
DEC = diamètre équivalent de pore cylindrique.
M d l t
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Mesure de la teneur en eau
des sols
Mesure directe (labo): méthodegravimétrique Mesure indirecte (terrain):
Méthode nucléaire (sonde à neutrons –n’est plus utilisée)
Méthode diélectrique (TDR) Tensiomètres
M d l t
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Mesure de la teneur en eau
des sols
Mesure directe (labo): méthodegravimétrique La méthode de référence Elle sert à l'étalonnage des autres
méthodes
Pesée avant et après passage à l’étuve à105°C pendant 24heures (teneur en eaupondérale)
M d l t
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Mesure de la teneur en eau
des sols Mesure indirecte (terrain):
Méthode diélectrique (TDR Réflectométrieen Domaine Temporel )
Le principe de base : repose sur la détermination de la vitesse de
propagation des ondes électromagnétiques lelong d’une sonde enfoncée dans le sol.
Vitesse propagation = f(constante diélectrique)
80=eauueDiélectriqCte solueDiélectriqCte
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TDR
Mesure sur une zonelimitée
Mesure de la teneuren eau volumique
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TDR – mesure d’un profil
Mesure d’un profild’humidité
Mesure de la teneuren eau volumique
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TDR en place
Mesure de la teneur en eau
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Mesure de la teneur en eau
des sols (tensiomètre)
Manomètre(eau - mercure)Tube
transparent
Membraneporeuse
mercure
Z1
Z2
Plan de référence
Méthode tensiométrique
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Méthode tensiométrique
Méthode tensiométrique
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Méthode tensiométrique
Méthode tensiométrique
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Méthode tensiométrique
Watermark
Mesure de la teneur en eau
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Mesure de la teneur en eau
des sols Mesure indirecte (terrain): Tensiomètres
Exemple du Watermark
chambre supérieure renferme
deux parties métalliques,constituant un dipôle +matériau saturé en gypse donton mesure l’impédance (liée à
la teneur en eau)
Bloc de gypse
Sable
Mesure de la teneur en eau
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Mesure de la teneur en eau
des sols Mesure indirecte (terrain): Tensiomètres
Exemple du Watermark Bonne corrélation entre lepourcentage d’épuisement de
la réserve utile en fonction dela tension de l’eau dusol mesurée par les sondeswatermark sur des parcelles de
blé chez des agriculteurs.
Ref: B. Ben Nouna
Projet INCO-WADEMED
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SYSTEMES LYSIMETRIQUES1. Système ouvert 2. Système fermé
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2. Bougie poreuse
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Avantages et inconvénients des différents sytèmes
SYSTEMES
OUVERT
FERME
BOUGIE POREUSE
AVANTAGES INCONVENIENTS
- Mesure directe desvol et conc.
- Calcul des bilans
- Loudeur de mise en œuvre
- Gêne dans les pratiquesagricoles
- Conservation de lastructure du sol
- Pas de gêne pour lespratiques agricoles
- ! Info de concentration
- Bilans directs difficiles
- Prob vol drainés/qtés less.
- Perturbation du site
minimale- Pas de gêne pour lespratiques agricoles
- Nécessité de répétitions
- Gd soin à la mise en œuvre/ fragilité/ remplacementsdifficiles
- ! Mesures de conc.
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1. Type remanié
2. Type non remanié
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Demi ceinture
10cm ht
Tuyaux drainant en inox,
avec pointe inox, perforation 0,6 cm
30 cm Diamètre 1’
1,5 m Ht totale
10 cm
Rayon = 56 cm
Renforts
latéraux
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Installation Remanié
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Installation Non Remanié
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Installation Chambres de visite
Les
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Les
lysimètres
Substrat
imperméable
I NF I L T RA T I ON
Pluie
P E R C OL A T I ON
E a u p el l i c ul ai r e
E a u
c a pi l l ai r e
E a u gr
av i f i q u e
Zone
d’évapo-
transpiration
Frange
capillaire
Couche
Aquifère
Surface
hydrostatiqu
e
Ψ = 0
Z on e d ’ a é r a t i on
Z on e d e s
a t ur a t i on
Z on e d e
s e a ux
s o u t en u e s
Z on e d e s e a ux s u s p
en d u e s
( e a u+ ai r )
Schéma de la répartition de l’eau dans le sol et le sous-sol
Batterie de lysimètres en Tunisie
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y
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L’infiltration L'infiltration qualifie le transfert de
l'eau à travers les couches superficiellesdu sol, lorsque celui-ci reçoit une averse
ou s'il est exposé à une submersion. L'infiltration influence
de nombreux aspects de l'hydrologie, du génie rural de l'hydrogéologie.
L’Infiltration et Infiltration
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∫ ==
t
ttdttiZ
0
)(
L Infiltration et Infiltration
cumulative au cours du temps
Temps [h]
Z = Volume infiltré
cumulé [mm]
i
Z
I = vitesse d’infiltration
[mm/h]
Conductivitéhydraulique à saturation(if)
Type de sol i0
(mm/h) if (mm/h)
Sable, silt 250 12 – 8
Limon sableux 200 8 – 4
Limon argileux 130 4 – 1
Argile, sols salins 75 1 – 0
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L’infiltrationLe régime d'infiltration i(t) , (ou taux d'infiltration), désigne le flux d'eau pénétrant
dans le sol en surface. Il est généralement exprimé en mm/h. Le régime d'infiltration dépend Le type de sol (structure, texture, porosité) –
influence les forces de capillarité et d'adsorption sur les forces de succion. La compaction de la surface du sol due
à l'impact des gouttes de pluie (battance) À l'utilisation de lourdes machines agricoles
La couverture du sol - La végétation influence positivement l'infiltration Ralentissement de l'écoulement de l'eau à la surface, le système radiculaire améliore la perméabilité du sol le feuillage protège le sol de l'impact de la pluie (diminue le phénomène de
battance)
La topographie - La pente agit à l'opposé de la végétation. Une forte pentefavorise les écoulements au dépend de l'infiltration. Le débit d'alimentation (intensité de la précipitation, débit d'irrigation). La teneur en eau initiale du sol (conditions antécédentes d'humidité) - Les
forces de succion sont aussi fonction du taux d'humidité du sol.
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Double anneau
Modélisation du processus
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p
d'infiltration une approche basée sur des relations
empiriques, à 2, 3 ou 4 paramètres, La formule de Horton La formule de Kostiakov
une approche à base physique
Le modèle de Philip Le modèle de Green et Ampt
La formule de Horton
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(3 paramètres)
tf f eiiiti .0 ).()( γ −−+=i(t) : capacité d'infiltration au temps t [mm/h],i o : capacité d'infiltration respectivement initialedépendant surtout du type de sol [mm/h],i f : capacité d'infiltration finale [mm/h],t : temps écoulé depuis le début de l'averse [h],γ : constante empirique, fonction de la nature du sol[min-1].
L'utilisation de ce type d'équation, quoique répandue, reste limitée, car ladétermination des paramètres, i 0 , i f , et γ présente certaines difficultés pratiques.
Temps [h]
i
i = [mm/h]
i f
La formule de Kostiakov
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(3 paramètres)
oa f tkati += − )1(..)(
i(t) : capacité d'infiltration au temps t [mm/h],f o : capacité d'infiltration finale [mm/h],t : temps écoulé depuis le début de l'averse [h],a, k: constantes empiriques, fonction de la nature du sol.
Equation beaucoup utilisée en irrigation. Fonction non linéaire.
Temps [h]
i
i = [mm/h]
f o
Le modèle de Philip
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(2 paramètres)
Atsti += − 5.0.2
1)(
i(t) : capacité d'infiltration au temps t [cm/s],t : temps écoulé depuis le début de l'averse [h],s : sorptivité [cm.s-0,5]
A : composante gravitaire fonction de la conductivitéhydraulique à saturation [cm/s]
La sorptivité représente la capacité d'un sol à absorber l'eau lorsquel'écoulement se produit uniquement sous l'action du gradient de pression. Lasorptivité est définie par la lame infiltrée en écoulement horizontal.
Temps [h]
i
i = [mm/h]
A
Le modèle de Philip
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(2 paramètres)
Atsti += − 5.0.21)(
Classes texturales So [cm s-1/2] A [cm s-1]
Sable grossier 1,7.10-1 1,3.10-3Sable fin 7,3.10-2 3,5.10-4
Limon sableux 6,5.10-2 2,1.10-4
Silt limoneux 4,9.10-2 6,2.10-5
Limon 4,0.10-2 4,6.10-5
Limon sablo-argileux 6,5.10-2 1,9.10-4
Limon silto-argileux 2,1.10-2 1,4.10-5
Limon argileux 1,6.10-2 8,8.10-6
Argile légère 3,6.10-2 3,4.10-5
Argile limoneuse 1,4.10-2 9,8.10-6 Argile lourde 6,5.10-3 1,7.10-6
Tourbe 2,5.10-2 2,2.10-6
⎟⎟ ⎠ ⎞
⎜⎜⎝ ⎛ −=
0
0 1θ
θ iss θi = teneur en eau initialeθ0 = teneur en eau de surface
Le modèle de Green et Ampt
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(2 paramètres)
⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+=)(
1)(0
tZ
hhK ti
f
f s
K s : conductivité hydraulique à saturation [mm/h]h0 : charge de pression en surface [mm]
hf : charge de pression au front d'humidification [mm]zf : profondeur atteinte par le front d'humidification [mm]
Méthode empirique puisqu'elle nécessite la détermination expérimentalede la valeur de la charge de pression au front d'humidification.