Effet de la variabilité spatiale des états de surface du sol sur le partage infiltration-ruissellement PDF Download
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La répartition des pluies entre infiltration, détention superficielle et ruissellement sous contrôle dynamique des états de surface doivent être mieux compris et intégrés dans les modèles de ruissellement. D’un point de vue expérimental, il manque une mesure effective de la detention superficielle qui nécessite une mesure fiable du microrelief du sol. D’un point de vue théorique, les lois utilisées dans les modèles en considérant un milieu homogène peuvent être inadéquates car le sol est un milieu complexe et hétérogène. L’objectif de ce travail concernait ces deux aspects. Dans un premier temps nous avons développé un capteur photogrammétrique (matériel et logiciel) d’une part pour obtenir des modèles numériques de terrain à petite échelle (surface de 1 m2), précis et avec une résolution spatiale fine (1 mm dans les deux directions horizontales), et d’autre part poursuivre l’évolution de la détention superficielle d’eau au cours de la pluie. Ce capteur a été validé par comparaison avec un capteur de référence (rugosimètre laser). Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé l’effet de l’hétérogénéité du sol et du microrelief de sa surface dans le partage infiltration-ruissellement. Pour mieux comprendre le rôle des heterogeneities du sol dans le partage infiltration–ruissellement, nous avons travaillé sous simulation de pluie sur une parcelle naturelle de 1 m2, horizontale, sans rugosité marquée ni variabilité apparente des états de surface. Les résultats ont montré qu’il existe une forte variabilité locale des propriétés hydrodynamiques (courbes de rétention et de conductivité hydraulique). L’influence de ces hétérogénéités sur le ruissellement a été déterminée par l’utilisation du modèle PASTIS. Des expérimentations en conditions contrôlées sur une maquette physique de sol ont permis de mettre en relation l’infiltration distribuée dans le sol et la genèse du ruissellement à la surface. Un code a finalement été développé et validé pour gérer la redistribution latérale des excès d’eau à la surface du sol. Ce code peut être couplé à un modèle mécaniste d’infiltration distribuée 3D
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La répartition des pluies entre infiltration, détention superficielle et ruissellement sous contrôle dynamique des états de surface doivent être mieux compris et intégrés dans les modèles de ruissellement. D’un point de vue expérimental, il manque une mesure effective de la detention superficielle qui nécessite une mesure fiable du microrelief du sol. D’un point de vue théorique, les lois utilisées dans les modèles en considérant un milieu homogène peuvent être inadéquates car le sol est un milieu complexe et hétérogène. L’objectif de ce travail concernait ces deux aspects. Dans un premier temps nous avons développé un capteur photogrammétrique (matériel et logiciel) d’une part pour obtenir des modèles numériques de terrain à petite échelle (surface de 1 m2), précis et avec une résolution spatiale fine (1 mm dans les deux directions horizontales), et d’autre part poursuivre l’évolution de la détention superficielle d’eau au cours de la pluie. Ce capteur a été validé par comparaison avec un capteur de référence (rugosimètre laser). Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé l’effet de l’hétérogénéité du sol et du microrelief de sa surface dans le partage infiltration-ruissellement. Pour mieux comprendre le rôle des heterogeneities du sol dans le partage infiltration–ruissellement, nous avons travaillé sous simulation de pluie sur une parcelle naturelle de 1 m2, horizontale, sans rugosité marquée ni variabilité apparente des états de surface. Les résultats ont montré qu’il existe une forte variabilité locale des propriétés hydrodynamiques (courbes de rétention et de conductivité hydraulique). L’influence de ces hétérogénéités sur le ruissellement a été déterminée par l’utilisation du modèle PASTIS. Des expérimentations en conditions contrôlées sur une maquette physique de sol ont permis de mettre en relation l’infiltration distribuée dans le sol et la genèse du ruissellement à la surface. Un code a finalement été développé et validé pour gérer la redistribution latérale des excès d’eau à la surface du sol. Ce code peut être couplé à un modèle mécaniste d’infiltration distribuée 3D
Author: Bouchra Ali Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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Les états de surface du sol [EDS] ont une influence importante sur les propriétés d’infiltration, de ruissellement et d’érosion. Elles résultent de l’interaction de facteurs naturels et agronomiques, dans le cas des sols cultivés, qui contrôlent la structure de la surface et plus particulièrement le système poral. Les EDS peuvent être décrits à partir de l’observation d’un certain nombre de caractéristiques : rugosité, croûtes, mottes de labour, résidus végétaux, macropores. Dans un contexte donné, il est possible de réduire la variabilité des états de surface du sol à un nombre limité de « types » traduisant des combinaisons de ces caractéristiques. L’identification de ces types doit fournir des clés de compréhension de la forte variabilité spatiale des propriétés hydrologiques de surface. L’objectif principal de ce travail est d’élaborer et de tester une méthodologie générique permettant d’identifier les principaux types d’état de surface et de qualifier leur réponse hydrologique et ce dans des contextes variés, cultivés on non. Trois jeux de données d’observation ont été exploités, provenant de sites tunisiens et de sites français en Alsace et dans les Alpes. Chacun des jeux réunit des données d’observation des caractéristiques des EDS ainsi que des données concernant les propriétés hydrologiques de surface acquises sous simulation de pluie ou par infiltrométrie Beerkan ou TRIMS. Pour définir les types d’EDS, nous nous appuyons sur une approche statistique divisée en deux étapes : une analyse en composantes principales (ACP) des variables observées, suivie d’une classification ascendante hiérarchique (CAH). Cette approche permet de définir des types d’EDS qui s’avèrent nettement distincts. Ces types sont ensuite comparés aux propriétés hydrologiques de surface mesurées sous simulation de pluie ou par l’infiltrométrie Beerkan et TRIMS. Pour les trois jeux de données, les résultats, obtenus à partir de l’analyse statistique des relations entre propriétés hydro-érosives et types d’EDS, montrent que la classification des EDS est pertinente par rapport à ces propriétés. Les différents types présentent des propriétés significativement différentes. Cependant, en fonction du paramètre retenu (infiltration, ruissellement ou érosion), le classement des types varie. La gamme de variation des valeurs de conductivité hydraulique à saturation est la plus importante pour le jeu de données du versant alpin de Super-Sauze (2 à 155 mm h-1). Elle s’étend de 6 à 90 mm h-1 pour le jeu de données de Tunisie et de 7 à 32 mm h-1 pour celui des sols limoneux d’Alsace. Concernant les différentes méthodes de mesures des propriétés d’infiltration utilisées, les résultats montrent que, dans un contexte donné, les classements relatifs des différents types d’EDS sont identiques, ce qui est un résultat important. Les valeurs de conductivité obtenues sont cependant différentes. La typologie obtenue par l’approche statistique développée dans cette thèse constitue une référence permettant de différencier et de spatialiser au sein du contexte étudié, les propriétés de ruissellement et d’érosion à partir de trois variables : infiltrabilité des sols, pluie d’imbibition et concentration en sédiment. La démarche proposée est convergente avec celle résultant d’une bonne expertise ; elle présente cependant l’avantage d’être généralisable à un nouveau contexte pour lequel l’expertise n’existe pas.
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Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation distribuée de la partition ruissellement-infiltration en milieu naturel. Notre démarche consiste à étudier la réponse de systèmes naturels complexes à partir de mesures locales, d'expérimentations numériques et de modèles distribuées. Les expériences de la parcelle de Thiès (40m2), au Sénégal, montrent que les hétérogénéités de rugosités mettent en défaut les lois de friction classiques (Manning, Darcy- Weisbach) des modèles de ruissellement qui sous estiment les hautes vitesses. Deux lois qui prennent en compte la hauteur de submersion de la rugosité de manière physique ou empirique sont testées. Dans le bassin versant de Houay Pano, les données obtenues sous pluie simulées, sur des placettes de 1m2, permettent de mettre en évidence l'effet des hétérogénéités, en particulier en terme d'encroutement du sol et de végétation, sur le ruissellement intégré spatialement. L'infiltration moyenne apparait comme dépendante de l'intensité de pluie et l'effet d'une distribution statistique d'infiltrabilité sur le transitoire et le permanent d'infiltration est étudié. La distribution exponentielle d'infiltrabilité semble la plus adaptée, elle est utilisée pour analyser la variabilité spatiale et temporelle de la production de ruissellement dans le bassin versant sous pluie naturelle. Enfin, ce modèle exponentiel, simple mais pertinent à l'échelle du mètre, est implémenté pour représenter un pixel de base dans un modèle de ruissellement-infiltration à l'échelle d'un sous bassin versant de 0.5 ha et différents scénarios de modélisation sont envisagés.
Author: Matthieu Nicolas Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 215
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A travers une approche transversale, une étude de l'effet de la dynamique des pluies et de l'effet de la longueur de versant sur le ruissellement est réalisée à l'échelle de la parcelle. Dans cet objectif, une parcelle de vigne en Ardèche est instrumentée afin de mener à bien des expériences de ruissellement sous pluies simulées et sous pluies naturelles. Des simulations de pluie en laboratoire complètent ces expériences à l'aide d'un milieu poreux artificiel reproductible constitué de briques de céramique. Une modélisation du ruissellement est ensuite effectuée par l'utilisation d'un modèle distribué à base physique (PSEM_2D) et par la création d'un modèle conceptuel constitué d'un assemblage de cuvettes de profil triangulaire. En régime permanent, les résultats des simulations de pluie sur le terrain montrent que l'intensité de ruissellement est identique pour toutes les longueurs collectées. La responsabilité du régime transitoire dans la non-proportionnalité du volume ruisselé avec la longueur de versant est mise en évidence. Une augmentation de l'infiltration en régime permanent avec l'intensité de pluie est observée sur le terrain et en laboratoire. En présence de microtopographie, les résultats de la modélisation montrent qu'une augmentation de la conductivité hydraulique avec l'altitude du point considéré peut expliquer la gamme de variation de l'infiltration observée sur le terrain. Une pluie intermittente génère plus de ruissellement qu'une pluie continue de même intensité moyenne selon les expériences sous pluies simulées. Cet effet est cependant fortement atténué aux fortes intensités de par l'augmentation de l'infiltration avec l'intensité de pluie et de par l'infiltration de la détention superficielle entre deux averses (estimée par le déficit de ruissellement par intermittence entre deux pluies intermittente et continue de même cumul). Cette observation valide l'utilisation d'un coefficient de ruissellement indépendamment du hyétogramme dans les modèles.
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L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE EST LA MODELISATION MECANISTE DU PROCESSUS D'INFILTRATION DANS LES SOLS ENCROUTES ET CE A DIFFERENTES ECHELLES SPATIALES: L'ECHELLE DE LA COLONNE DE SOL DE LABORATOIRE, L'ECHELLE METRIQUE CORRESPONDANT A UNE SECTION TRANSVERSALE DE SILLON ET L'ECHELLE REGIONALE DU VERSANT. DANS LE PREMIER CAS, DEUX MODELES SIMULANT LE COMPORTEMENT HYDRODYNAMIQUE DE LA CROUTE SONT DEVELOPPES ET CONFRONTES: MODELE D'IMPEDANCE ET DE BI-COUCHES. L'ETUDE MONTRE QUE DU COTE THEORIQUE CES DEUX MODELES SE VALENT MAIS, DU COTE PRATIQUE, LE PREMIER S'AVERE PLUS INTERESSANT. DANS LE SECOND CAS, L'INFLUENCE DE LA GEOMETRIE DE LA SURFACE DU SOL ET DE LA VARIABILITE SPATIALE DE L'APAISSEUR DE LA CROUTE SONT EXAMINEES. LES RESULTATS D'UN MODELE PLAN VERTICAL SONT COMPARES A DEUX D'UN MODELE UNIDIMENSIONNEL AFIN D'EVALUER LA PERTE DE PRECISION INDUITE PAR CETTE DERNIERE APPROCHE. DANS LE DERNIER CAS, L'INFILTRATION EST SITUEE DANS UN CONTEXTE HYDROLOGIQUE. ELLE EST COUPLEE AU RUISSELLEMENT ET A L'ECOULEMENT DANS LA NAPPE PHREATIQUE. L'ACCENT EST MIS SUR LE ROLE JOUE PAR LA VARIABILITE SPATIALE DES PARAMETRES HYDRODYNAMIQUES DU SOL ET SUR LA PERTINENCE DU CONCEPT DE MILIEU HOMOGENE EQUIVALENT
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L'élaboration et la validation de modèles capables de s'adapter à des conditions en évolution constitue un enjeu majeur en hydrologie. Dans ce cadre, l'expérimentation mise en place sur le site d'Herbeys vise à une meilleure connaissance du fonctionnement hydrodynamique d'un versant prairial en l'absence d'hétérogénéité apparente de la couverture pédologique. Quatre parcelles de 1 m2 sont équipées de gouttières de collecte des écoulements, de tensiomètres, de tubes neutroniques et de sondes capacitives ainsi que d'un pluviographe. Il s'agit d'observer in situ, au cours d'épisodes pluvieux naturels ou simulés, les flux écoulés en surface et dans la couche superficielle du sol (à 50 cm de profondeur) ainsi que leur variabilité à courte distance. Par ailleurs, des investigations numériques à l'aide d'un modèle simulant le ruissellement et l'infiltration à l'échelle d'une parcelle ont conduit à valider ou non certaines hypothèses de fonctionnement. En définitive, les études expérimentales et numériques meées dans le cadre de cette thèse permettent de mieux comprendre les processus physiques responsables de la partition infiltration/ruissellement dans les milieux prairiaux, en qualifiant notamment les effets de la variabilité des propriétés du sol, de l'état de la végétation, des caractéristiques pluviométriques et du climat sur les écoulements dans et à la suface du sol. Les résultats mettent notamment en évidence une variabilité spatio-temporelle marquée des processus ainsi qu'une certaine persistance temporelle des réactions hydrologiques des transects. L'hétérogénéité de la conductivité à saturation en surface et en profondeur et celle des propriétés texturales et structurales du sol, la hauteur du couvert végétal et le stade d'humidité initiale, ainsi que les caractéristiques pluviométriques sont mis en cause. Par ailleurs, l'étude de l'écoulement hypodermique révèle deux modes de fonctionnement : matriciel et macroporal.
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L'ANALYSE DES DIFFERENTS FACTEURS DE DEGRADATION DU MILIEU NATUREL DANS LE SUD SALOUM (SENEGAL) MET EN EVIDENCE LE ROLE MAJEUR DU RUISSELLEMENT DANS LES PROCESSUS ACTUELS. DES ETUDES, MENEES EN MODE SYNCHRONIQUE OU DIACHRONIQUE, PERMETTENT DE QUANTIFIER LES FLUX EN PRESENCE A L'ECHELLE DE LA SURFACE ELEMENTAIRE OU DE LA PARCELLE DE CULTURE. LA VARIABILITE SPATIALE DES ETATS DE SURFACE LE LONG D'UNE TOPOSEQUENCE REPRESENTATIVE EXPLIQUE, EN GRANDE PARTIE, LES DIFFERENTES CONDITIONS DE GENESE DU RUISSELLEMENT RENCONTREES. CEPENDANT, L'EVOLUTION DU COUVERT VEGETAL DURANT LA SAISON DES PLUIES ET SON INTERACTION AVEC LES TECHNIQUES CULTURALES INFLUENCENT L'APTITUDE DU SOL AU RUISSELLEMENT. LES OBSERVATIONS SOUS PLUIES NATURELLES CONFIRMENT LES RESULTATS DES EXPERIMENTATIONS SOUS PLUIES SIMULEES. UN MODELE EMPIRIQUE DE DETERMINATION DES LAMES RUISSELEES EST ELABORE MAIS SON UTILISATION EST LIMITEE PAR LA FORTE VARIABILITE SPATIALE DES CARACTERISTIQUES DES CROUTES SABLEUSES SUPERFICIELLES. LEUR COMPORTEMENT PHYSIQUE ET HYDRAULIQUE EST DECRIT A L'AIDE DE QUELQUES EXEMPLES. CES ELEMENTS DE DIAGNOSTIC PERMETTENT D'ETABLIR LES PRINCIPAUX OBJECTIFS DEVOLUS A UNE GESTION DU RUISSELLEMENT A L'ECHELLE DE LA PARCELLE AGRICOLE. DES TECHNIQUES D'AMENAGEMENT SONT MISES EN PLACE SUR DEUX BASSINS VERSANTS ELEMENTAIRES (2,5 HA). LEUR INFLUENCE EST ETUDIEE GRACE A UNE ANALYSE COMPARATIVE DES PARAMETRES HYDROLOGIQUES ET AGRONOMIQUES AVANT ET APRES AMENAGEMENT
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L'objectif de cette thèse est de modéliser mathématiquement et numériquement le ruissellement généré par dépassement d'infiltration sur des sols plans à infiltrabilité aléatoire. En particulier, on s'intéresse à la production de la lame d'eau, son organisation dans l'espace et ses propriétés de connexité. La théorie des files d'attente est utilisée comme cadre théorique pour résoudre l'équation de ruissellement-infiltration pour une pluie uniforme, sur un domaine uni- et bi-dimensionnel, et en régime permanent ou transitoire. Elle nous permet de faire le lien entre les statistiques de l'infiltrabilité et de la lame d'eau. Plusieurs distributions d'infiltrabilité, représentatives des propriétés du sol à différentes échelles, sont simulées et comparées en fonction de l'intensité de la pluie. L'influence des conditions aux limites, de la longueur du domaine, de la corrélation spatiale et d'un effet pépite dans le champ d'infiltrabilité sont également étudiés. Les simulations numériques valident les résultats théoriques développés pour les distributions exponentielle et bimodale.
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L'étude de l'infiltration de l'eau dans le sol en fonction des états de surface a été abordée sous différents climats (Mexique, Equateur, Afrique du Sud, Thaïlande, Vietnam) en testant l'influence des déterminants physiques (gradient de pente, pratiques culturales) et biologiques (couvert végétal, ingénieurs du sol) sur l'infiltration. La simulation de pluie et la description des états de surface ont été utilisées pour tester et analyser les comportements hydrodynamiques superficiels et la détachabilité des sols. Les faibles gradients de pente et certaines pratiques culturales sensés favoriser une structure bien agrégée ne sont pas synonymes de faible infiltration. En effet, ceux-ci ne permettent pas nécessairement de limiter l'impact des gouttes de pluie et la formation de croûtes favorables au ruissellement. Par contre, le couvert végétal et les ingénieurs du sol jouent un rôle majeur pour un maintien durable de l'infiltration y compris sur des sols à la structure superficielle dégradée.
Author: MohammadReza Mirzaei Gharehlar
Author: MohammadReza Mirzaei Gharehlar![Typologie fonctionnelle des états de surface du sol [EDS] pour l’extrapolation des propriétés hydro-érosives PDF](https://books.google.com/books/content/images/frontcover/iVEqzgEACAAJ?fife=w80-h100)
Author: Bouchra Ali
Author: Jérémy Patin
Author: Matthieu Nicolas
Author: Adel Aboujaoudé
Author: Anne-Julie Schipman
Author: PASCAL.. PEREZ
Author: Laurent Garcia-Sanchez (auteur(e) en mécanique).)
Author: Marie-Alice Harel
Author: Jean-Louis Janeau