Imaging techniques and infiltration experiments for the integration of non-uniform flow phenomena in mass transfer models applied to heterogeneous porous media : the case of structured soil | Imagerie quatitative non invasive et expérimentation pour l'intégration des phénomènes d'écoulement non uniforme dans les modèles de transfert de masse en milieux poreux hétérogènes : Application aux sols structurés

French. Mieux comprendre les écoulements d’eau dans les milieux poreux hétérogènes tels que les sols est nécessaire. Aussi bien pour piloter l’irrigation des cultures, améliorer la prédiction des modèles climatiques et météorologiques ou gérer quantitativement et qualitativement les ressources en eaux et leurs évolutions sous l’effet des changements globaux, notamment en zone Méditerranéenne. Cependant, la complexité des écoulements dans les sols, découlant de la complexité de leur système poral, constitue un frein à la connaissance complète du système. Les objectifs de ce travail sont de progresser sur ce dernier point en : (i) réalisant des expériences d’infiltration – drainage sur des colonnes décimétriques de sols non remaniés en tomographie médicale et observer au mieux les écoulements au sein de la macroporosité du sol, (ii) en étudiant la structure macroporeuse des sols et déterminer des indicateurs structuraux sur les images tomographiques et (iii) en intégrant les indicateurs structuraux dans un modèle d’écoulement à double compartiment Darcy-Richards – KDW. Les sols étudiés sont prélevés dans trois parcelles différentes : (i) un sol argileux travaillé en grande culture, (ii) un sol argileux non travaillé utilisé en verger et (iii) un sol limono – sableux non travaillé non cultivé. Trois expériences d’infiltration – drainage ont été faites dans un scanner médical à acquisition d’images rapide (~15 sec). Elles sont réalisées à une intensité de 20 mm.h-1 pour 30 mm d’eau apporté, soit 90 min d’infiltration et une phase de drainage de 30 min. Les expériences sont faites à trois humidités initiales : (1) capacité au champ, (2) potentiel matriciel moyen – 4 m et (3) potentiel matriciel moyen – 8 m. La macroporosité des sols augmente de 2 à 5% avant chaque infiltration lorsque la teneur en eau initiale diminue. Cette augmentation est plus grande pour les deux sols argileux que pour le sol limono – sableux. L’hypothèse avancée est que la texture des sols influence ces différences de réponse. Les sols argileux présentent la structure la plus variable dans le temps au contraire des sols sableux qui semblent plus stables. Le suivi tomographique temporel a permis d’observer des phénomènes de mouvements très rapides de la structure durant l’infiltration et le drainage. Pendant le passage de l’eau, le volume de macroporosité diminue de 7 à 30%, et augmente rapidement durant la phase de ressuyage de 30 min. La diminution de macroporosité durant l’infiltration est plus marquée lorsque la teneur en eau initiale est la plus importante. L’augmentation de macroporosité durant la phase de ressuyage est moins marquée pour les conditions initiales les plus sèches. L’hypothèse avancée est que le passage de l’eau le long des parois des macropores les déstabilise et entraine un « sur – gonflement » des parois, qui s’inverse durant le drainage. L’étude des indicateurs structuraux globaux montre que le suivi temporel de la densité de macropores et de leur volume permet, pour ces trois sols, de discriminer des comportements selon la texture et le travail du sol. Les modélisations réalisées avec l’ajout de paramètres mesurés sur les images tomographiques dans le modèle d’écoulement montrent qu’elles permettent de reconstruire les données expérimentales. Ce travail montre que les écarts subsistant entre la modélisation et l’observation des expériences les plus sèches montrent que la dynamique des échanges entre macropores et matrice du sol doit être mieux comprise, surtout en condition insaturée. Cela nécessite de poursuivre l’étude des mouvements de la structure durant les cycles d’humectation – dessication mais aussi pendant le passage rapide d’un flux d’eau.

English. Predicting the evolution of groundwater resource due to future climate change requires a better knowledge of water flows in soils which are highly complex porous medium. A lot of research has been conducted about soil water flow complexity over the last decades but predicting water flow in soils whatever soil texture, soil structure and rainfall intensities still remains a challenge. The objective of this work is to improve the modeling of water flow in structured soils by accounting to water flow from macropores to the soil matrix. We follow three successive steps : (i) to perform infiltration – drainage experiments on decimetric undisturbed soils columns under a medical tomograph to better observe flow phenomena within the soil macroporosity, (ii) to extract structural indicators from tomographic images, and study the macroporous soil structure, and (iii) to integrate structural indicators into a Darcy-Richards – KDW dual compartment flow model. Undisturbed soils studied are sampled from three different plots: (i) a clay soil worked in a field crop, (ii) a clay soil not worked in an orchard and (iii) a silt – sandy soil not worked and not cultivated. Three infiltration – drainage experiment are performed in a medical tomograph with fast image acquisition (~15 sec), 30 mm of water is supplied with a rainfall simulator and an intensity of 20 mm.h-1. Infiltration duration was of 90 min followed by 30 min of drainage. In total, the tomographic follow-up takes 120 min. Each experiment is done at three initial moisture conditions: (1) field capacity, (2) matrix potential at – 4 m, and (3) matrix potential at – 8 m. The initial structure observed before each infiltration shows that the soil macroporosity increases from 2 to 5% with the decrease of the initial water content. This increase is higher for the two clay soils compared to the silty – sandy soil. The hypothesis is that soil texture influences the evolution of the soil structure according to the matric water content. Thus, clay soils have the most variable soil structure over time, unlike silt – sandy soils which seem more structurally stable. Rapid movements of the soil structure during the infiltration and drainage phases was observed thanks to the time lapse tomographic monitoring. During water flow, soil macroporosity decreases between 7 to 30 % and increases again during drainage. The decrease of soil macroporosity during infiltration is more pronounced for the most saturated initial condition. The increase is less marked for the driest conditions. The hypothesis is that water flow along the macropores’ walls destabilizes causes an ‘over-swelling’ of the walls, which reverses during drainage. The study of overall indicators show that temporal monitoring of macropores density and their volumes makes it possible to discriminate specific texture and tillage behaviors different for the three soils. Models performed with the addition of profiled data measured on tomographic image in water flow model show that these measurements allow to reconstruct experimental data. Although the gap between modelling and observation for the driest experiments seems to indicate that it is necessary to continue the study of macropores – matrix exchanges in unsaturated conditions. This requires further study of the movements of the structure during wetting – drying cycles but also during the fast water flux transit.