Caractérisation spatio-temporelle par panneaux électriques 2D des écoulements d’eau dans un sol

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Caractérisation spatio-temporelle par panneaux électriques 2D des écoulements d’eau dans un sol agricole armoricain : une étude à l’échelle décimétrique 1 12 1 Nicolas GUIHOT, Didier MICHOT, Roger GUÉRIN, Vincent HALLAIRE 1 UMR «Sol, Agronomie, Spatialisation», ENSA-INRA, 65, rue de Saint-Brieuc, 35042, Rennes cedex, France 2 UMR 7619 Sisyphe, Université Pierre et Marie Curie, case courrier 105, 4 place Jussieu, 75252 Paris cedex 05 Abstract The 2-D electrical resistivity tomography method was applied to an agricultural soil of Brittany with a small electrode spacing of 10cm. This non destructive method was tested jointly with tensiometers to realize a spatial and temporal study of water flow. The results show that this method allows a good vertical delineation of the soil horizons. But the delineation of lateral structures in a complex horizon remains rather difficult. During an irrigation, it was also possible to follow the moistening of the soil and to evidence zones of preferential water flow. Introduction L’objectif de cette étude est de caractériser les écoulements d’eau dans un sol au cours du temps et dans l’espace en couplant des méthodes hydrométriques classiques (tensiométrie, infiltrométrie à disques) avec une méthode géophysique s’appuyant sur des mesures diachroniques de la résistivité électrique du sol par panneaux électriques. Description du domaine d’étude L’étude est menée sur un site expérimental de l’INRA, situé sur la commune de Plomelin, au sud-ouest de Quimper (lycée agricole de Kerbernez). L’expérience s’effectue sur une parcelle en monoculture de maïs. Le sol est un brunisol sain, sablo-limoneux, développé sur une arène granitique. Trois principaux horizons se distinguent: un horizon cultural LA d’épaisseur comprise entre 25 et 35 cm, un horizon structural S d’épaisseur comprise entre 40 et 60 cm en contact avec un horizon C d’arène granitique sous-jacent. Matériel et méthodes Le suivi de la résistivité électrique d’un profil du sol après une irrigation est effectué du 7 au 12 février 2005. L’irrigation est réalisée à l’aide d’un arroseur oscillant posé sur le sol qui fournit une lame d’eau d’environ 48 mm sur le profil étudié à raison de 18 mm/h. Avant, pendant et après l’irrigation, le suivi temporel de la résistivité électrique du sol est effectué grâce à des panneaux électriques en configuration pôle-dipôle. Le dispositif

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électrique est constitué de 64 électrodes espacées de 10 cm alignées sur un profil qui recoupe perpendiculairement 9 rangs de maïs des années précédentes. Les mesures sont pilotées par un + résistivimètre SYSCAL R1(Iris Instruments). Pour limiter l’effet dû à l’asymétrie de la configuration, deux séquences inverses sont réalisées puis combinées l’une à l’autre pour obtenir un panneau. Le temps d’acquisition d’un panneau complet est de 2h20. Les pseudosections de résistivité apparente sont filtrées avec le logiciel X2ipi afin de s’affranchir des hétérogénéités de sub-surface (Ritzet al., 1999). L’inversion est ensuite effectuée avec le logiciel RES2DINV (Loke and Barker, 1996). Pour faciliter la comparaison des panneaux, des sections de variation relative de la résistivité interprétée sont calculées. Sur ces sections, les valeurs négatives (diminution de la résistivité sur un panneau par rapport à un panneau antérieur) sont interprétées par une augmentation de l’humidité du sol, et vice versa. Pendant chaque panneau de résistivité électrique, six profils tensiométriques et un profil thermique (pour une éventuelle correction des mesures de résistivité lors de l’inversion) sont mesurés. Les tensiomètres sont implantés à 10, 22, 40 et 60cm de profondeur et les thermosondes à 10, 20, 30, 40, 50 et 60 cm. Des prélèvements d’eau sont effectués à 20, 40 et 60 cm de profondeur à l’aide de bougies poreuses. Une fois le suivi géophysique effectué, le profil cultural est décrit sur la base de la méthode de Gautronneau et Manichon (1987). Des mesures de conductivité hydraulique en non saturé sont ensuite réalisées avec des infiltromètres à disques (Coquetetal., 2000). Trois potentiels (-0,05 kPa, -0,2 kPa et -0,6 kPa) sont utilisés aux 36 emplacements de mesure. Des prélèvements au cylindre (Ø = 5 cm) sont réalisés en fin d’expérience selon une grille de 347 points pour mesurer la densité apparente. Résultats et discussion -5 La conductivité hydraulique au potentiel de -0,05 kPa varie de 8,5E(-4,1 en log 10 ) à -7 4,1E m/s(-6,4 en log 10 ). Elle ne montre pas d’organisation spatiale nette, avec une variabilité latérale parfois aussi forte que la variabilité verticale (Fig. 1). Le profil cultural met en évidence un horizon principal H5 présentant une alternance entre des milieux ouverts sous les anciens rangs de maïs et des milieux continus sous les inter- rangs. Un horizon H1 et une semelle de labour se distinguent localement ainsi que quelques mottesΔ(mottes compactes) principalement situées dans les milieux ouverts (Fig. 2a). Les prélèvements au cylindre conduisent à une carte de densité apparente par interpolation des mesures par krigeage (Fig. 2b). L’horizon de labour LA se distingue de l’horizon structural S sous-jacent par de plus fortes valeurs de densité et par une plus forte hétérogénéité. Il est globalement possible de retrouver la géométrie des zones massives continues visibles sur le profil cultural dans les zones de densité apparente supérieure à 1,4. La section inversée de résistivité interprétée mesurée avant l’irrigation différencie trois horizons (Fig. 2c). L’horizon de labour LA présente localement des structures résistantes (> 550Ω.m), mais dont la géométrie et l’emplacement ne se retrouvent pas dans le profil cultural ou dans la carte de densité apparente. L’horizon structural S, dont la limite supérieure est en accord avec le profil cultural et la carte de densité apparente, est moins résistant avec des valeurs inférieures à 400Ω.m. L’horizon C d’arène granitique, au-delà de 90cm de profondeur est, comme l’horizon de labour, assez résistant, excepté à 4,3m où se situe une zone d’arène plus tendre. La section de variation relative de la résistivité interprétée entre deux profils, avant (P1) et après irrigation (P6 : 11 heures après irrigation, i.e. 14 heures et 10 minutes après P1), met en évidence l’augmentation globale de la teneur en eau du sol par des variations de résistivité de -40% à -5% (Fig. 2d). Cette humectation est confirmée par les profils tensiométriques T1 et T6 mesurés respectivement pendant les panneaux P1 et P6. Les trois horizons pédologiques précédemment distingués se caractérisent par des variations

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d’humidité différentes. L’horizon LA présente la plus forte variation de teneur en eau avec des évolutions de résistivité de -40% à -5%. Les variations de résistivité de l’horizon structural, entre -20 % et -5 %, témoignent d’une plus faible augmentation d’humidité. Les variations de résistivité laissent apparaître une zone d’écoulement préférentiel à la distance x = 260-310cm également visible sur le profil tensiométrique T6 mesuré à x = 245 cm.Malgré un profil tensiométrique similaire à x= 375 cm,la section de variation relative ne met pas en évidence une seconde zone d’écoulement préférentiel. La densité apparente y est pourtant plus faible et le profil cultural présente une zone plus ouverte qu’à 260 cm.Une des hypothèses est que les tensiomètres, notamment ceux à 40 et 60cm de profondeur, chacun distants de 30 cm perpendiculairement au profil d’électrodes ne sont pas représentatifs, à 375 cm, de la variation de la teneur en eau du sol à l’aplomb des électrodes. Conclusion D’après les résultats, la méthode du panneau électrique est applicable sur un sol agricole en contexte armoricain avec une distance inter-électrode très faible. Comme le montrent Bessonet al. (2004), elle permet d’obtenir une bonne délimitation des différents horizons pédologiques, mais la distinction des structures d’un horizon cultural complexe reste toutefois moins évidente. Sensible aux variations d’humidité du sol, elle permet également de distinguer des zones d’écoulements préférentiels. La modélisation des écoulements d’eau dans un sol s’appuie sur une représentation du sol, de sa structure et de ses propriétés de transport. Une perspective à cette étude est de tester si les informations obtenues à l’aide de l’imagerie géophysique permettent de simuler les écoulements d’eau de façon satisfaisante. Références Besson A., Cousin I., Samouëlian A., Boizard H., Richard G., 2004. Structural heterogeneity of the soil tilled layer as characterized by 2D electrical resistivity surveying.Soil & Tillage Research, 79, 239–249. Coquet Y., Boucher A., Labat C., Vachier P., Roger-Estrade J., 2000. Caractérisation hydrodynamique des sols à l’aide de l’infiltromètre à disques. Aspects théoriques et pratiques.Etude et Gestion des Sols, 7 (1), 7-24. Gautronneau Y., Manichon H., 1987.Guide méthodologique du profil cultural, Paris, 130 p. Loke M.H., Barker R.D., 1996. Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections using a quasi-Newton method.Geophysical Prospecting, 44, 131-152. Ritz M., Robain H., Pervago E., Albouy Y., Camerlynck C., Descloitres M., Mariko A, 1999. Improvement to resistivity pseudosection modelling by removal of near-surface inhomogeneity effects: application to a soil system in south Cameroon.Geophysical Prospecting, 47, 85-101. Figure 1 : Emplacement et valeurs de conductivités hydrauliques en log 10 mesurées sur le profil au potentiel la plus proche de la saturation à 0, 15, 22 et 50 cm de profondeur

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(a (b) (c)

(d) Figure 2 : (a) Profil cultural. (b) Carte des densités apparentes et localisation des prélèvements. (c) Section de résistivité interprétée du profil avant irrigation (section de référence). (d) Section de variation relative de la résistivité vraie entre la section de référence et la section n°6 (ΔT = 14 heures et 10 minutes) et profils tensiométriques correspondants. T1 et T6 : profils avant et après irrigation

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