Soutenance mémoire
Les trois phases de l’évaporation
Afin d’étudier le processus d’évaporation dans les plus simples conditions, on s’intéresse d’abord au cas où il n’y a pas de nappe phréatique et les conditions climatiques ne changent pas durant l’expérimentation. Ces conditions ne peuvent être obtenues qu’en laboratoire sachant qu’en place, le cycle journalier naturel ne permet pas de les avoir. Hillel (1980 d’après Wilson et al. 1994) a réalisé une expérimentation où la surface du sol est initialement saturée. Cet essai est répété quatre fois en faisant varier les conditions atmosphériques : la température, le vent et l’humidité relative. La Figure I.12 présente la relation entre le rapport AE/PE (taux d’évaporation réel/taux d’évaporation potentiel) avec la variation de la teneur en eau. On observe que l’évaporation peut être divisée en trois phases. La première phase correspond à un taux d’évaporation constant et maximal. Cette phase apparaît quand le sol est saturé ou quasi saturé. En général, la première phase se termine après quelques heurs ou quelques jours. La deuxième phase est caractérisée par un taux d’évaporation décroissant. On constate une chute relativement importante. Ceci montre que le sol n’est plus saturé à la surface et il n’est plus capable de répondre à la demande de l’atmosphère. Le taux d’évaporation est donc limité par des propriétés hydrauliques du sol. La troisième phase est la phase résiduelle avec un taux d’évaporation faible. Cette phase peut être atteinte, en fonction des sols et des conditions climatiques, après une longue durée d’évaporation de quelques semaines voire de quelques mois. Elle commence quand la surface du sol est suffisamment sèche et quand le transfert d’eau en phase liquide cesse. Le transfert se passe en phase vapeur seulement. Bref, le processus d’évaporation comprend trois phases relativement bien distinctes par la valeur du taux d’évaporation. L’ampleur et la durée de chaque phase sont gouvernées soit par les conditions atmosphériques soit par le sol ou par les deux.
Proposition d’un modèle physique : chambre environnementale
L’objectif principal de ce chapitre est de présenter le dispositif expérimental développé en laboratoire : la chambre environnementale. L’étude bibliographique réalisée dans le chapitre I montre que l’évaporation est un processus physique complexe et interactif pour lequel aucune méthode d’estimation universelle n’existe. En analysant les méthodes trouvées dans la littérature, on voit qu’il manque soit la base physique, soit un champ de validité assez large. Il est donc nécessaire de développer un modèle physique approprié permettant à la fois le développement théorique et sa validation expérimentale. Si le taux d’évaporation est calculé en s’inspirant de la méthode développée par Aluwihare et Watanabe (2003), on voit qu’il est nécessaire de contrôler l’humidité relative et la température à l’entrée et à la sortie de la chambre environnementale. On note qu’il s’agit dans cette méthode des paramètres de l’air seulement. Or, on voit que le processus d’évaporation est fortement lié à l’interaction sol-atmosphère. Ainsi, les réactions du sol durant l’évaporation sont importantes à comprendre afin de bien interpréter le phénomène d’évaporation. L’ensemble des paramètres du sol doit être fourni par la chambre environnementale. Parmi ces paramètres du sol, on cite la succion, la teneur en eau, la température et les paramètres de transfert comme la conductivité hydraulique et thermique. On note que la connaissance de la succion et de la température à la surface du sol est primordiale. Comme l’indique la section I.5.2 du chapitre I, la prise en compte de la fissuration dans le calcul du taux d’évaporation est indispensable pour certains sols fins comme les argiles. Il est ainsi nécessaire de prévoir un dispositif permettant de caractériser la fissuration du sol en surface. Les paramètres les plus importants à déterminer sont le taux de fissuration, la largeur et la profondeur des fissures. On a observé qu’en général, les 20 – 50 premiers centimètres du sol connaissent les variations les plus importantes de température et de succion. Cependant, dans des cas extrêmes de la sécheresse, on observe des variations significatives jusqu’à plus d’un mètre (Blight 1997). Il est donc préférable que le massif du sol dans la chambre environnementale puisse avoir une profondeur de plus d’un mètre. On note que, parmi les résultats de AE/PE(s), on observe rarement la troisième phase d’évaporation. Ceci pourrait expliqué soit par la durée de l’essai trop courte, soit par la non représentativité du massif de sol, c’est-à-dire, l’épaisseur du sol est trop faible comme dans le cas de Wilson et al. (1997). L’étude menée avec cette chambre environnementale est composée de deux parties : une partie sur l’humidification et une autre partie sur le séchage. L’étude sur l’humidification a pour l’objectif principal de préparer un grand massif de sol relativement homogène. Pour cela, la structure de la chambre environnementale composée de plaques en plexiglas est d’abord montée et renforcée. Puis le sol sec tamisé y est compacté à une densité proche de celle in situ. Après la mise en place par compactage, le massif du sol est humidifié depuis la surface par des précipitations artificielles. Durant cette phase, différents paramètres dans le sol sont mesurés comme la teneur en eau, la succion, la température ainsi que le gonflement à la surface du sol. Ces mesures permettent une étude approfondie sur l’infiltration du sol. Dans l’étude sur le séchage, on fait des simulations de sécheresse en appliquant un courant d’air chauffé. La vitesse du vent et la température sont contrôlées, tandis que l’humidité relative est mesurée. Ces mesures sont effectuées à l’entrée et à la sortie de la chambre environnementale et elles permettent de calculer le taux d’évaporation. Comme le séchage provoque des fissures en surface, on a suivi l’évolution des fissures par un dispositif d’imagerie spécifique. En parallèle, les essais élémentaires à l’œdomètre sont réalisés permettant la caractérisation hydromécanique du matériau étudié.
Discussions sur les résultats obtenus lors de l’infiltration
La phase d’infiltration est réalisée avec le suivi de h,θ, s, T à différentes positions dans le sol, ainsi que le gonflement à la surface du sol. On discute dans cette section la performance et le fonctionnement des capteurs ainsi que la pertinence de la chambre environnementale. La variation de h dans le temps (Figure III.1b) est similaire à celle observée par Loiseau et al. (2002) : l’humidité h proche de la source d’eau augmente rapidement tandis que le taux d’augmentation est plus faible à une distance plus importante de la source d’eau. La similitude existe aussi entre les résultats de θ obtenus par les capteurs TP (Figure III.1c) et ceux de Kröhn (2003). La concordance entre l’évolution des résultats de θ et des résultats de succion d’une part confirme la performance des capteurs et d’autre part, valide la procédure expérimentale développée. En réalité, la performance des sondes TP utilisées in-situ a été démontrée dans plusieurs travaux (Lukangu et al. 1999; Robinson et al. 1999; Smethurst et al. 2006; Verhoef et al. 2006; Zhan et al. 2006). Les résultats obtenus dans notre travail montrent que la procédure de compactage et la procédure d’installation des capteurs développées permettent de s’affranchir des effets de la densité liés à la mise en place par compactage. D’autre part, on observe que le volume des capteurs TP enterrés dans le sol étant négligeable en comparaison avec la dimension importante de la chambre environnementale, les capteurs n’ont pas d’influence significative sur le transfert hydraulique. En effet, la similarité des valeurs initiales de θ mesurées sur l’ensemble de la hauteur du massif de sol par TP et EC confirme l’homogénéité de la colonne du sol en termes de teneur en eau et de densité. Comme indiqué sur la Figure III.1, quand la valeur de θ devient supérieure à 50%, les réponses des capteurs EC sont différentes de celles des capteurs TP et cela ne peut pas être expliqué par le comportement du sol. D’après DECAGON (2007) et Kizito et al. (2008), le capteur EC donne des mesures correctes dans la gamme de θ de 0 à 50%. Pour des valeurs de θ supérieure, des étalonnages supplémentaires sont nécessaires. Une autre explication possible est que la couche d’or à la surface des capteurs EC aurait pu être légèrement endommagée lors de la mise en place, ce qui cause un fonctionnement moins satisfaisant de ces capteurs. Le gonflement dans le temps (Figure III.1e) est analogue aux résultats obtenus par Abduljauwad et al. (1998) et Kim et al. (1999) : l’humidification provoque un gonflement rapide au début du processus et après, le taux du gonflement est décroissant progressivement. La présentation en 3-D du gonflement à t = 283 jours (Figure III.4) montre un effet de bord important : le gonflement mesuré dans la zone au milieu de la surface (120 – 130 mm) est deux fois plus grand que celui dans les coins (60 – 80 mm). Cet effet peut être lié au frottement entre le sol et les parois ; ce frottement diminue le gonflement du sol comme ce qui est souvent observé durant un essai de gonflement à l’œdomètre. En fait, la plupart de travaux indiquent que le gonflement maximal dû à l’humidification à l’œdomètre diminue significativement quand la contrainte verticale augmente. L’effet du frottement sur le gonflement peut être également identifié à travers les mesures de θ par les capteurs TP (Figure III.1c et Figure III.3). La teneur en eau volumique mesurée par TP5 (proche de la surface) augmente continuellement et atteint 78% à la fin de l’infiltration. La valeur finale de θ est beaucoup moins importante en profondeur. En effet, la valeur de θ mesurée par TP2 à l’équilibre est légèrement inférieure (48%) à la valeur estimée à l’état saturé (49% avec la considération d’une densité sèche initiale de 1,35 Mg/m3), tandis que celles mesurées par TP3 et TP4 sont légèrement supérieures (50% et 52% respectivement). Supposons qu’à l’état d’équilibre le sol est saturé, les densités sèches peuvent donc être estimées selon leurs θ mesurées : ρd = 0,58 Mg/ m3 (TP5) ; 1,28 Mg/m3 (TP4) ; 1,33 Mg/m3 (TP3) et 1,39 Mg/m3 (TP2). Cela signifie que l’humidification entraîne un gonflement important dans la zone proche de la surface (TP5), un léger gonflement aux niveaux inférieurs (TP4, TP3) et un tout petit effondrement au niveau de TP2. Dans le travail de Lemaire et al. (2004) où l’essai d’infiltration est aussi effectué en condition de gonflement libre, la densité sèche finale dans la zone proche de la surface est également inférieure à celle du sol au niveau inférieur. Dans le travail de Kröhn (2003), un léger effondrement est aussi relevé dans la zone loin de la surface ; cet effondrement peut être lié à la déformation des agrégats argileux sous l’effet combiné de la diminution de la succion et de la contrainte (Cui et al. 2002). L’effet de bord peut être également observé à travers les mesures de température (Figure III.5) : la variation journalière de la température T dans le sol (±0,1°C) est significativement inférieure à celle mesurée aux parois (±1°C). De plus, la valeur de T mesurée dans la zone proche de la surface du sol (PT10) fluctue plus que celle mesurée par les autres capteurs PT en profondeur. Quant aux tensiomètres (TS), on constate que le temps nécessaire pour atteindre l’équilibre avec la succion mesurée est assez long : 15 jours (Figure III.5). En fait, ce temps d’équilibre est lié à la perméabilité du sol qui est faible pour un sol gonflant compacté (Kuriyan et Singh 2003; Oliveira et Marinho 2008). A part la faible gamme de mesure de succion (inférieure à 1,5 MPa), ce temps d’équilibre important est un autre inconvénient des tensiomètres utilisés pour les sols gonflants. C’est probablement la raison pour laquelle les tensiomètres sont rarement utilisés dans les études sur sols gonflants.
Fonctionnement de la chambre environnementale : capacités et limites
L’air comprimé peut produire un débit d’air maximal de 100 l/min, ce qui correspond à une vitesse moyenne du vent dans la chambre de 0,5 m/s. Cette vitesse est relativement faible mais elle est dans le même ordre de grandeur par rapport à celles souvent relevées sur certains sites en France où la vitesse est de 2 m/s (Cui et al. 2005). Cette vitesse est également dans l’ordre de grandeur avec celles utilisées dans la littérature : 1 m/s pour Yamanaka et al. (1997) ou 4 m/s pour Kondo et al. (1992). Quant à la température produite par le tuyau chauffant, on arrive à imposer des valeurs importantes jusqu’à 32°C dans la chambre avec une température imposée à 200°C au niveau du tuyau chauffant (Figure III.19c). On note qu’une température de 32°C constitue déjà une valeur importante par rapport à des valeurs relevées sur certains sites en France (Cojean et al. 2009; Cui et al. 2005). Durant les deux derniers séchages (3 et 4), des fissures apparaissent à la surface du sol et leur évolution est suivie par un appareil photo numérique. Les images prises régulièrement permettent la caractérisation de fissuration avec deux paramètres : le taux de fissures et la largeur pondérée. On note que la fissure la plus petite traitée a une largeur d’ordre de 1 mm. On note également que la lumière naturelle est souvent utilisée pour prendre des photos (Lakshmikantha 2009; Tang et al. 2008b). Dans cette étude, afin de minimiser l’effet de l’ambiance sur la chambre environnementale, la lumière est coupée et le sol est seulement éclairé par les lampes LED qui génèrent très peu de chaleur. En ce qui concerne les fissures, on note que les plus profondes se trouvent aux bords de la surface du sol. Ceci indique une influence importante des conditions aux limites. Les largeurs et les profondeurs des fissures au centre de la surface ont des valeurs relativement similaires à celles aux bords. Ceci semble montrer un effet similaire de l’ensemble des fissures, aux bords et au centre, sur le phénomène d’évaporation. L’effet des conditions aux limites peut être également constaté sur les résultats de température enregistrés dans la chambre environnementale (dans l’air, dans le sol, à la surface, à l’entrée et à la sortie). En effet, ces résultats montrent une influence importante de la température ambiante : les courbes suivent bien les variations de la température ambiante. Ainsi, la température dans le sol est non seulement influencée par le phénomène d’évaporation mais également par la variation de la température ambiante. Cette influence est souvent observée dans les essais in-situ (Alvenas et Jansson 1997) ou en laboratoire (Kondo et al. 1992) où la température de la salle n’est pas contrôlée. Tous les capteurs de mesure de température et d’humidité de l’air et de la surface du sol présentent des fluctuations dans leurs réponses. Ce phénomène est également constaté sur d’autres chambres environnementales ayant des dimensions similaires (Aluwihare et Watanabe 2003; van de Griend et Owe 1994). En fait, dans ces études, comme le vent est souvent turbulent, les mesures fluctuent en conséquence. Néanmoins, sur l’ensemble des résultats obtenus, la fluctuation est relativement petite et n’efface donc pas la tendance générale de la grandeur physique mesurée. Les mesures dans l’air montrent une bonne performance des capteurs RS. En effet, le capteur RS peut mesurer des valeurs d’humidité relative très faibles de l’ordre de 1% (à l’entrée de la chambre dans le quatrième séchage) et des valeurs de température importantes de l’ordre de 50, 60°C (dans la boîte hermétique à l’entrée) pour une longue durée. On note également que dans le sol, pendant la phase d’humidification, ce capteur indique des valeurs d’humidité relative jusqu’à 100%. Cette performance est conforme à la spécification donnée par le fabriquant (Comet 2008). La plupart des capteurs fonctionnent bien et arrivent à couvrir leurs gammes de mesure complètes. En effet, pour la succion, le PS peut atteindre 8000 kPa et le TS peut atteindre 1500 kPa. En outre, au niveau de la teneur en eau volumique, le TP peut monter jusqu’à 80% et descendre jusqu’à 5%. Les capteurs EC ne fonctionnent pas pendant la phase de séchage. Il paraît que ces capteurs basés sur le principe capacitif à 70 Mhz présentent de problèmes techniques dans un matériau contenant des minéraux argileux (Ta et al. 2008a).
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Table des matières
Introduction
Chapitre I Evaporation et interaction sol – atmosphère. Application à l’étude de la sécheresse
I.1 Phénomène d’évaporation
I.2 Dispositifs expérimentaux utilisés pour étudier le phénomène d’évaporation
I.3 Processus d’évaporation et évaporation potentielle
I.3.1 Les trois phases de l’évaporation
I.3.2 Evaporation potentielle à partir de différentes surfaces et sous différentes conditions atmosphériques
I.4 Evolution de différents paramètres durant l’évaporation
I.4.1 Evolution de différents paramètres lors d’essais d’évaporation en laboratoire
I.4.1.1 Teneur en eau et succion
I.4.1.2 Température
I.4.2 Evolution de la teneur en eau durant l’évaporation dans le cas naturel
I.5 Paramètres influençant l’évaporation
I.5.1 Paramètres physiques
I.5.2 Paramètres géométriques : fissures
I.6 Utilisation du bilan d’eau pour estimer le taux d’évaporation
I.7 Utilisation du bilan d’énergie pour estimer le taux d’évaporation
I.7.1 Flux de rayonnement net
I.7.1.1 Rayonnement global de courtes ondes Rs
I.7.1.2 Albédo a
I.7.1.3 Rayonnement des longues ondes ou terrestre
I.7.2 Flux de chaleur dans l’air
I.7.3 Flux de chaleur latente
I.7.3.1 Chaleur latente de vaporisation Lv
I.7.3.2 Coefficient de diffusion de la vapeur d’eau dans l’air
I.7.3.3 Rapport de Bowen
I.7.4 Flux de chaleur du sol
I.7.4.1 Méthode du gradient de température
I.7.4.2 Méthodes de calorimétrie
I.7.4.3 Méthode « force restore »
I.7.4.4 Relations empiriques
I.7.4.5 Solution analytique pour les cas simplifiés
I.7.4.6 Comparaison des méthodes
I.8 Utilisation des méthodes aérodynamiques pour estimer le taux d’évaporation
I.8.1 Vent
I.8.2 Rugosités de surface
I.8.2.1 Longueur de rugosité de surface
I.8.2.2 Estimation de z0
I.8.2.3 Rugosité de vitesse et rugosité scalaire
I.8.3 Group 1. Méthodes pour une grande surface – Echelle régionale
I.8.4 Group 2. Méthodes dite Dalton modifiées
I.8.5 Group 3. Méthode de résistances
I.8.5.1 Résistance atmosphérique Ra
I.8.5.2 Résistance à la surface d’évaporation Rs
I.9 Utilisation de la succion à la surface pour l’estimation du taux d’évaporation
I.10 Conclusions
Chapitre II Chambre environnementale
II.1 Proposition d’un modèle physique : chambre environnementale
II.2 Matériau : Argile verte de Romainville
II.3 Capteurs utilisés dans la chambre environnementale
II.3.1 Introduction
II.3.2 ThetaProbe (TP) et ECH2O-TE (EC)
II.3.3 Tensiomètre
II.3.3.1 Première saturation simultanée pour plusieurs tensiomètres
II.3.3.2 Etalonnage du tensiomètre de haute capacité
II.3.3.3 Resaturation du tensiomètre de haute capacité
II.3.4 Psychromètre
II.3.4.1 Principe du fonctionnement du système
II.3.4.2 Procédure de mise en marche
II.3.4.3 Etalonnage des psychromètres
II.3.5 Thermomètre infrarouge
II.4 Dispositifs expérimentaux et procédure expérimentale en phase d’humidification
II.4.1 Dispositifs expérimentaux
II.4.2 Procédure expérimentale
II.5 Dispositifs expérimentaux et procédure expérimentale en phase de séchage
II.5.1 Dispositifs expérimentaux
II.5.2 Procédure expérimentale
II.5.3 Traitement d’image
II.6 Conclusions
Chapitre III Résultats expérimentaux
III.1 Résultats pendant la phase d’humidification
III.1.1 Présentation des résultats
III.1.2 Discussions sur les résultats obtenus lors de l’infiltration
III.1.3 Exploitation des résultats
III.1.3.1 Courbe de rétention d’eau
III.1.3.2 Conductivité hydraulique en fonction de la succion totale
III.2 Résultats pendant la phase de séchage
III.2.1 Méthode de calcul du taux d’évaporation
III.2.2 Séchage 1
III.2.3 Séchage 2
III.2.4 Séchage 3
III.2.5 Séchage 4
III.2.6 Discussions
III.2.6.1 Mise au point de la chambre environnementale : dispositifs expérimentaux et matériau
III.2.6.2 Fonctionnement de la chambre environnementale : capacités et limites
III.2.6.3 Résultats de mesures et de calculs
III.2.7 Exploitation des résultats
III.3 Conclusions
Chapitre IV Développement théorique
IV.1 Développement d’une nouvelle approche
IV.1.1 Effet de la succion à la surface du sol sur l’évaporation
IV.1.2 Démonstration théorique de la relation AE/PE(s)
IV.1.3 Considération du profil de température dans l’évaporation
IV.1.4 Influence du vent sur le taux d’évaporation
IV.2 Proposition des procédures de calcul et de validation
IV.2.1 Développement d’une formule de calcul du taux d’évaporation potentiel
IV.2.2 Validation de la formule [IV.6] avec des données expérimentales en tenant compte de la température et de la fissuration
IV.2.3 Proposition d’un algorithme généralisé de calcul numérique pour calculer le taux d’évaporation
IV.3 Conclusions
Chapitre V Développement d’une formule de calcul du taux d’évaporation potentiel
V.1 Utilisation de quelques formules de la littérature
V.2 Calibration des paramètres des deux formules de Penman
V.3 Vérification et utilisation de la formule de Romanenko
V.4 Développement d’une formule basée sur la formule de Choudhury et Monteith
V.5 Développement d’une formule basée sur la formule de Penman
V.6 Développement d’une formule basée sur la formule de Romanenko (1961)
V.7 Comparaison et analyse des formules développées
V.8 Validation de la formule développée avec les données existantes dans la littérature
V.9 Conclusions
Chapitre VI Développement d’une formule de calcul du taux d’évaporation avec prise en compte de la fissuration
VI.1 Evolution du taux PE et des rapports AE/PE du séchage 3 et du séchage 4
VI.2 Prise en compte de la fissuration dans le calcul de l’évaporation
VI.3 Utilisation des profils de succion dans le sol
VI.4 Utilisation de la similitude du profil de succion entre les deux séchages 3 et 4
VI.4.1 Profils de succion
VI.4.2 Application du profil de succion du séchage 4 au séchage 3
VI.5 Discussions et conclusions
Conclusion générale
Références
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