Mouvement de l'eau dans le sol et infiltration

L'eau se déplace dans le sol par infiltration à la surface et par écoulement saturé et non saturé à l'intérieur du profil, redistribuant l'humidité, rechargeant les couches plus profondes et alimentant les racines.

Definition

Le mouvement de l'eau dans le sol est l'écoulement de l'eau à travers le réseau poral du sol, entraîné par des gradients de potentiel hydraulique ; l'infiltration est l'entrée de l'eau par la surface du sol, la première étape de ce mouvement.

Scope

Ce sujet couvre l'infiltration de l'eau dans le sol, l'écoulement saturé décrit par la loi de Darcy, l'écoulement non saturé décrit par l'équation de Richards, et la redistribution de l'eau après humidification. Il explique comment l'eau pénètre et circule à travers le réseau poral du sol et comment cet écoulement répartit les précipitations entre l'infiltration et le ruissellement.

Core questions

• Qu'est-ce qui contrôle la vitesse d'infiltration de l'eau dans le sol ?
• Comment la loi de Darcy décrit-elle l'écoulement saturé dans le sol ?
• Comment l'équation de Richards étend-elle la loi de Darcy à l'écoulement non saturé ?
• Comment l'eau se redistribue-t-elle dans le profil après la pluie ou l'irrigation ?

Key concepts

• Taux et capacité d'infiltration
• Conductivité hydraulique saturée et non saturée
• Loi de Darcy
• Équation de Richards
• Front d'humectation et redistribution
• Écoulement préférentiel

Key theories

Loi de Darcy dans le sol

Pour un sol saturé, l'écoulement est proportionnel au gradient hydraulique et à la conductivité hydraulique saturée, la même loi constitutive qui régit l'écoulement des eaux souterraines.

Équation de Richards pour l'écoulement non saturé

Richards a combiné la loi de Darcy avec la conservation de la masse pour les sols partiellement saturés, où la conductivité hydraulique diminue fortement à mesure que la teneur en eau diminue, produisant l'équation régissant l'infiltration et la redistribution.

Dynamique de l'infiltration

Le taux d'infiltration est initialement élevé et diminue vers la conductivité saturée à mesure que le sol s'humidifie et que le gradient matriciel s'affaiblit, un comportement capturé par les modèles d'infiltration et essentiel pour la répartition des précipitations en infiltration et ruissellement.

Mechanisms

Lorsque l'eau atteint la surface du sol, elle est aspirée par la gravité et par le gradient matriciel prononcé au front d'humectation. Le taux d'infiltration commence donc élevé et diminue vers la conductivité hydraulique saturée à mesure que le profil s'humidifie. Dans un sol non saturé, la conductivité dépend fortement de la teneur en eau car seuls les pores remplis conduisent, de sorte que l'écoulement ralentit fortement à mesure que le sol s'assèche. Les fissures structurelles et les macropores peuvent créer un écoulement préférentiel qui contourne la matrice du sol.

Clinical relevance

L'infiltration et l'écoulement de l'eau dans le sol déterminent la quantité de précipitations qui pénètre dans le sol par rapport à celle qui ruisselle, provoquant l'érosion et les inondations, la profondeur à laquelle l'eau d'irrigation pénètre, et l'efficacité avec laquelle l'eau atteint les racines des plantes ; leur gestion est essentielle pour l'irrigation, le drainage et la conservation des sols.

History

La loi de Darcy de 1856 pour l'écoulement saturé a été étendue aux sols non saturés par Buckingham et a reçu sa forme différentielle partielle moderne par Richards en 1931. La théorie de l'infiltration du XXe siècle et la solution numérique de l'équation de Richards ont rendu possible la prédiction quantitative de l'écoulement de l'eau dans le sol.

Key figures

• Lorenzo A. Richards
• Daniel Hillel
• Henry Darcy

Seminal works

• richards1931
• hillel1998

Frequently asked questions

Pourquoi l'eau ruisselle-t-elle sur certains sols au lieu de s'infiltrer ?

Lorsque les précipitations arrivent plus vite que le sol ne peut les absorber, ou lorsque la surface est compactée, encroûtée ou déjà saturée, la capacité d'infiltration est dépassée et l'excès d'eau ruisselle, ce qui est un facteur majeur d'érosion et d'inondation.

Pourquoi l'eau se déplace-t-elle si lentement à travers un sol sec ?

Dans un sol non saturé, seuls les pores remplis d'eau conduisent l'écoulement ; ainsi, à mesure que le sol s'assèche, les voies conductrices se rétrécissent et la conductivité hydraulique diminue de plusieurs ordres de grandeur, rendant le mouvement à travers un sol sec très lent.