Soutenance mémoire
La relation entre les précipitations et le ruissellement, est un problème clé de l’hydrologie d’un bassin versant. Du point de vue scientifique, les mécanismes mis en jeu doivent être mieux compris. Du point de vue ingénierie, il est nécessaire de prévoir le ruissellement induit par une pluie. La genèse d’un écoulement en surface est contrôlée par trois compartiments du sol : la zone saturée, la zone non saturée qui contrôle l’infiltration et la surface.
L’analyse physique de terre est un paramètre important, car elle conditionne d’une part l’activité biologique du sol et joue ainsi un rôle majeur dans l’assimilation des éléments nutritifs des plantes. Elle consiste à suivre les processus hydrologiques sur le sol et à déterminer le comportement de l’eau sur ce sol. D’autre part, en génie civil et urbanisme, connaitre le comportement hydrologique du sol est préalable. Selon la nature du projet, à part la connaissance du type de sol, certains niveaux de perméabilité forte ou faible du sol peuvent s’imposer pour des raisons à la fois environnementales et économiques.
Ainsi l’étude des processus hydrologiques sur un sol donnée contribue directement au développement durable. C’est dans ce cadre que nous classons « l’étude comparative des processus hydrologiques entre un sol volcanique de la grande Comore et un sol ferralitique de Madagascar » dont fait l’objet de notre étude.
CYCLE DE L’EAU
Les mers et les océans couvrent le trois-quarts de la surface terrestre, sous l’effet de l’énergie solaire, l’eau des océans, l’eau dans l’atmosphère, les eaux des lacs, les cours d’eau, les nappes d’eaux souterraines et les glaciers s’évaporent. L’immense vapeur d’eau ainsi dégagée se répartit dans l’atmosphère. A leur tour, par condensation, ces vapeurs se transforment en nuages. Par les courants d’air, les particules de nuage au-tour de la Terre se heurtent, s’amoncellent et retombent en tant que précipitation.
Les apports d’eau à la surface
Principalement, la surface d’un bassin versant est alimentée en eau par les précipitations. Cependant, autant que les pluies, la neige, ainsi que toutes autres sources doivent être considérées. Ainsi, les eaux usées dégagées par les activités de l’homme et les eaux d’irrigation constituent eux aussi des apports pour l’alimentation des bassins. Selon la nature géologique et l’occupation d’un terrain, une partie des eaux reçues à la surface est captée par les végétaux ou s’évapore et une autre partie se répartit entre infiltration et ruissellement.
Le devenir des gouttelettes de pluie
Les causes des transferts hydrologiques dans un bassin
Rappelons que tout corps immobile ou en mouvement l’est à cause d’une ou plusieurs forces. Pour les transferts hydriques dans un bassin, des études réalisées ont montré que trois principales forces sont à l’origine de ces transferts :
– Relativement à la topographie d’un sol, l’énergie potentielle de pesanteur, peut générer des écoulements ;
– L’énergie atmosphérique, relative à la pression atmosphérique ; Elle contrôle le retour de l’eau sous forme de vapeur dans l’atmosphère. C’est grâce à cette énergie que l’eau peut retourner à l’atmosphère ;
– l’énergie de rétention hydrique: elle indique la capacité d’un sol à retenir l’eau. Cette énergie agit contre le drainage. Couramment, on utilise le terme de potentiel hydrique pour signifier l’énergie à appliquer à un sol pour y libérer 1 gramme d’eau. Le potentiel hydrique peut être décomposé en potentiel osmotique et potentiel matriciel. La force osmotique est du milieu le moins concentré en ion vers le milieu le plus concentré. Mais le potentiel matriciel est lié à la taille des pores ou la capillarité.
Ainsi, en l’absence du potentiel hydrique, l’eau issue des précipitations serait rapidement drainée et il n’y aurait aucune eau disponible pour les végétaux. Alors le devenir des eaux de pluie reçues sur le sol, peut être défini comme la résultante de ces trois forces .
Processus de transferts hydrologiques
Comme tout système physique, l’eau tend toujours vers sa position d’équilibre statique. Ce qui lui attribue des mouvements perpétuels relativement à la nature et à la pente du sol en contact.
Processus d’infiltration
Elle se définit comme le transfert de l’eau à travers les couches superficielles du sol, lorsque celui-ci est soumis à un quelconque débit d’eau. Pendant l’infiltration, l’eau remplit d’abord les interstices (les pores) du sol en surface et pénètre par la suite dans le sol sous l’action de la gravité et des forces de succion. En effet, lorsque le sol est perméable, l’eau, sous l’effet de la gravitation, suivant le gradient de potentiel matriciel, pénètre dans le sol jusqu’à remplir le volume poreux de la matrice du sol. Lorsque le maximum de remplissage des pores est atteint, on dit que le sol est saturé. A ce niveau, l’eau peut encore s’infiltrer par l’effet de la gravitation en poussant l’eau déjà présente tout en formant des fronts d’infiltration. L’infiltration ne s’arrête que lorsque le débit source s’interrompt ou lorsque l’eau rencontre une couche imperméable. Dans ce dernier cas, l’eau stockée dans cette couche constitue une nappe. Ainsi, la conductivité hydraulique et l’état hydrique du milieu sont des paramètres limitant du flux d’infiltration.
◆ Impacts du processus d’infiltration :
Les infiltrations contribuent à la reconstitution des réserves d’eau dans le sol. Il est évident que si une eau est chargée par des polluants solubles, alors ces dernières seront transférées dans le sous-sol pendant l’infiltration.
Processus de ruissellement
Le phénomène de ruissellement apparait, lorsque l’apport d’eau en surface devient plus important qu’à la capacité d’infiltration du sol. En effet, chaque sol a son état structurel qui peut être plus ou moins poreux, plus ou moins concentré en minerais. Dès que l’infiltrabilité est dépassée, la surface se sature, la rétention devient négligeable. L’eau en surplus s’écoule en surface sous l’effet des gradients de potentiel gravitaire. C’est le ruissellement par dépassement de l’infiltrabilité. Dans le cas où la partie basse atteint sa saturation, les eaux qui tombent sur les zones saturées ruissellent aussi par le même effet de gravitation, directement ou tendent à recharger la nappe sous-jacente. Il est aussi possible qu’une nappe déborde et entraine de ruissellement. C’est ce qui arrive lorsque la montée d’une nappe atteint, par sa surface libre, la surface topographique.
◆ Impacts et phénomènes du ruissellement
Plusieurs phénomènes et impacts sont engendrés par le ruissellement. Citons par exemple :
– L’érosion des terrains : sous l’effet de l’énergie cinétique de l’eau et les frottements favorisés par la rétention, des petites particules sont emportées par le courant d’eau relativement à la nature du sol, à la pente du terrain et au débit du courant ;
– Aggravation des pollutions par le transport : les engrais et divers autres produits issus de différentes sources d’activité, sont entraînés par le ruissellement. La distance de transport dépend de l’énergie mécanique de l’eau, du relief et de la pente ;
– La sédimentation : C’est le dépôt des grosses et petites particules transportées par le courant. En aval, dans la plaine, quand le courant perd son débit, les particules emportées se déposent des plus grosses au plus fines.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre I : CYCLE DE L’EAU
I.1. Les apports d’eau à la surface
I.2. Le devenir des gouttelettes de pluie
I.2.1. Les causes des transferts hydrologiques dans un bassin
I.2.2. Processus de transferts hydrologiques
I.2.2.1. Processus d’infiltration
I.2.2.2. Processus de ruissèlement
I.2.2.3. Infiltration et ruissellement en zone volcanique
I.2.2.4. Variation de l’écoulement
I.2.2.5. Recharge de la nappe
I.2.2.6. Processus d’évapotranspiration
I.3. Les facteurs hydrologiques
I.4. Les types de sol et les cultures relatives
I.4.1. Sols Ferralitiques
I.4.2. Sol Volcaniques
Chapitre II : Description physique des processus
II.1. Dynamique des fluides
a. Termes spécifiques à la dynamique des fluides
b. Écoulement laminaire
c. Écoulement turbulent
d. Viscosité dans un fluide en mouvement
II.2. Equation générale du mouvement d’un fluide
a. Fluide parfait
b. Dérivée particulaire
c. Équation de continuité
d. Relation de Bernoulli
II.3. Écoulements rampants
II.3.1. Comportement de l’eau dans la zone non saturée
a. Pression capillaire
b. Action de la ???? et de la pesanteur sur un fluide sur un sol incliné
c. Relation entre teneur en eau, pression capillaire et conductivité
d. Potentiel hydraulique
II.3.2. Comportement de nappe dans la zone saturée
II.4. Étude des infiltrations
II.4.1. Régime d’infiltration et Infiltration cumulative
II.4.2. Conductivité Hydraulique(K) et Porosité d’un sol
a. Calcul de la porosité
b. Degré de saturation (Ds) et teneur en eau (Ω)
c. Calcul de la conductivité hydraulique (?)
II.5. Étude des ruissellements
Chapitre III : Modèles et expériences hydrologiques
III.1. Les types de modèles existant
III.1.1. Les modèles globaux
III.1.2. Les modèles à représentation spatiale
III.2. Les difficultés de la modélisation
III.2.1. Difficultés relatives aux modèles
III.2.2. Problèmes liés aux données
III.3. Études expérimentales des écoulements souterrains
III.3.1. Schéma de l’expérience de Darcy
III.3.2. Evaluation de l’évapotranspiration
III.4. Utilisation du sol et environnement
III.4.1. Méthode d’analyse physico-chimique du sol
III.4.2. Domaine d’application de l’analyse
Chapitre IV : Analyse des processus hydrologiques sur un sol volcanique et Comores et sol ferralitique de Madagascar
IV.1. Granulométrie
IV.2. Détermination de la porosité
IV.2.1. Densité réelle
IV.2.2. Densité apparente
IV.2.3. Porosités des deux sols
IV.2.4. Conductivité électrique
IV.3. Conductivité hydraulique
a. Principe de la mesure
b. Résultats des mesures de perméabilité
c. Confirmation des résultats
d. Activités possibles sur les deux terrains
IV.4. Infiltrations et ruissellements sur les deux sols
IV.4.1. Principe de l’expérience
IV.4.2. Résultats de mesures des processus hydrologiques produits
IV.4.3. Evaluation de l’erreur et validation des résultats
IV.4.4. Relation entre pluie, infiltration, ruissellement et inclinaison
IV.4.5. Vérification numérique des relations (44) et (45)
Conclusion sur les manipulations
Critiques
Conclusion générale
