Utilisation des méthodes tensiollneutroniques pour l`étude

Transcription

Utilisation des méthodes
tensiollneutroniques pour l'étude
des transferts hydriques dans le sol
en milieu ferrallitique Guyanais
J.-M. GUEHL *
SOMMAIRE
Des essais de caractérisation hyârodynami,que (détermination âe l,a relation
conductivité hydrauli'que - potentiel matriciel) ont été effectués après coupe rase
de la forêt primaire dans deux types de sols représentatifs de la région des
schistes Bonidoro en Guyane française septentrionale.
Les relations obtenues ont permis âe confirmer l'opposition entre sols à
drainage vertical libre (couverture ferrallitique initiale) et sols à drainage vertical
fortement ralenti (couverture transformée), où l'on note, lors des saisons des
pluies, la .présence d'une nappe d'eau perchée avec une composante latérale d'écoulement.
INTRODUCTION.
La quan1:'ificatiün de,s flux hydriques dlans I,e Sblll répond à deux préoc:cup,at,ions
majeureis dans !"étude des conditions' et dies ifa'oteursl die Il.a produ'CItion rvégéltJallle :
- Ellfa;luation de Il'intensité des transferts des éléments so,luhles ou de$ co'IIoïdes
dans ,I,e 'cadire I(]'étu!des pédoll'ogiques ou agmnomiques (HOOSE, 1979; ROOSE,
1981) ;
-
ETlR
Estimation de 'l'é:vapotr,ans!pirationrée,''''e dü couvert végétaL l'équation du
hi'lian hydrique cf'un volume de sOII' in~ére,ssanil: une profondeur Z s·upérieure au
domaine de prospection racinaire s'écrit pour une période considérée :
:= -
AS
+
p, -
Dy -
'DL -
R
(l'l
El1R : IévapotJranspiration réelilie du couv,ert végétall., y 'compris il"inMrüepti>on par ij'e
couv,ert.
AS : variation du sto'ck d'eau dans 'I,e vo'lüme cons'idéré.
p,
pré'dpitationsin,c'i!d'entes au-<de,ssus du couvert.
!Dy : hi'lian des fl.ux hydrique,s vertfi!oaux à Ilia cote Z compté pos'itivement en oas
de ,cf[rain'age et nég,ativement en cals de remontées capi;!ll'aires.
DL : !bill·an des flux ~,atérauD(.
H : !bill,an du rui's'se:lll'ement à Il,a surfac,e du SOI"L'estimation de 'i'E'1'R néüessite donc une évaluation de il'ensembl'e des termes
du second membre de l'équation (1).
En miHeu tropic,al p'luvieux, Il 'évalluation des flux hydriques dans lire so'l ('termes
Dy et DL) a généra'l·ement 'é1!é entreprise à "'aide de ,dis:positi,fs d.e recuei'il d!es eaux
cf"écouIement ('8ILANCANEIAUX, 1979; ROOSE, 1979; CAl'E'S, 1982) dans ,le cadre
d'études des transferts de matière, Mais, ces méthodes entraînent une perru~hation
descondii,tions de "'écouliement (JOUHOAN et al., 1979) et not.amment ne penmevtenll:
pas lia mi,se en évidence de tflux hydriques ascen~dants ('remonl!é8's oa:p'i'111Iaires). Les
méthodes tens'io-neutroni'ques s.ant plus sat,is,fais'antes' à cet égard, mais néc,essitent
l,a dlét,enmination de lia conductivité hy;cf!rauillique du SO'II (K) tanll: en condiUon!s ISiéltJurées
que non saturées (DAUDE'T et VAiCHAUD, 1977) .
• I.N.R.A. - C.N.R.F., Station de sylviculture et de production, Champenoux - 54280 SEICHAMPS.
Association Française pour l'Etude du Sol - www.afes.fr - 2010
35
J.-M.
GUEHL
Le présent arti'ole Im:~port,e Ines résul,Mts de teilis es,sa'is die camcté!",isatiûn hydrodlynamique ,dies so'l,s ,eff·ec.t'U'és en zone fe'rrailliitique guy.anaise (région des schistes
Bonidbro), dans 'l'e but de préC'iseir Il'es flux hydriques verti:caux dans: un 'Système
pédologi'que dont ,l'e fonctionnement ohyd'roilogique a déjà fait 'l'o'bJet d'une premièr,e
présentation (GUEHL, sous pres'se), et fa'it état de's probll'ème's' soul'evés parleur
uti!llis'at-ion ,en mill:ï'eu fores,ti'e,r (IfO'rêt p~imair,e). Cette étude fait partie d'une opération IpluridiscilpiUnai,re (*) men'ée sm :l'Ecosys,tème forestier guyanais et s,a mis'e
en y,al,eur (S\l\RoR'AI>LH, 1980).
MILIEU ET METHODES D'ETUDE.
1. - lE MILIEU.
:Le dimatest de type 'suib-'éiquatoria'i ave'c Ulne moyenne du totall l dies preCI'pltatilonls annue'lil,es voi's'ine de 3.000 mm dans Iha zone étudiée, une « granld:e sa'ison
S'èche » d''8oût à nov,embre, général,ement bien a'C:cusée, et un « petit étlé· die mars »
d'e~pres'sliûn p'llus al\.é'8toire. lLa t,empérature moyenne annuellil,e eSIt voisine de 26 oC
avec une ,amplitude sa'isûnnière d'envi,ron 1,5 ~C.
Les sols die la région dies bassins-vers'ants ECERiEX s'e caractérisent par "'existence d'une forte ldiitférenoilat-ion Il,atérall:e entre des zones à dynamique de l'eau
vertiioa,I,e ,et des zones' à dynamique d'eau es,s,entie,liIement Il,atéraolle Il'Ürs: des, périodes de
fortes préoipitations (BOUILPr,10978; HUMBR, 1978; BOUILET et al.,10979; GUEHL,
sous pres,se).
Dans un précédent articll:e (GUEIHiL, sous preslse), nous avons déCi~it ,l,a dyn1amique
de ,l',e'au Idans un sys'tème die transition entre cesl dieux types de zones dans une
s'ituation Il:éigè.l''ement ,en 'co'ntrebas' dlu sommet d',inteorflUive du bass'in-versant 1 de
l'opér,ation ECEREX. 'Le 1!ran'Sect ,étUldiié e'8't caractéris!é d"amont en aval, d'une part,
par un ,aminc,i,ssement pro.gressif (incisi'Ün de Il'a su·rface 1'0p'og:raphique in:iti'al'e), puis
l,a dii'sparition d'une couv'erture pédo,llogique de type ferral!:l'iNque hien ,strucvurée ,et à
forte porosiol'é inter-ag.ré:gats et dont :La dens'ité apparente ne dépass,e pas 1,35 en profondeur et, d'au:~re part, par La remontée progressliiVe ve'rs, Il,a surface d'un matériau
s,a!blo~limono-argj.l.eux 'pnés!eontant une structure d'al,tération de :I,a rooheJmère (pegmatite)
de :densi1ié apparente plus éll,evée (1.,65') et d'aspect pHus compa'clt. lLa lIrèrs, faibll,e
peorméafbiHté (méthode:de MUNTZ) de ,oe matJéri'au entr,aÎne ,I:'ap:parition, l'ors' dies pér·iodes
plluvi'euses, d'une nappe Id'eoau perchée s'é'coull'ant l,atéra'l,ement 'Vers llie bas de ,la pente.
Pour 'la prés'ente étu'de, nous ,avons ,ret'enu deux sites ,e~trêmes de oe tran:sect
d'étude distants de 21 m horizontaol,ementavec une pente moyenne de 10 %; nous
n'en donnerons ici qu'une deS'cl~ilpti:on péd'ologi'que 'sommaire (les numéros des horizons
sont ceux de GUEIH'L, sous p.res'se)
-
15 : horizon 1 de 0 à 70 cm : humilfère, puis sa'Mo,argHeux, brun }aune à
micro-agréga~s,.
horizon 2 de 70 à 1'105 cm : arg'iilio,sabileux à micro-ag,régats.
horizon 3 die 115 à 1-80 cm : angi'l,eux (kaO'liinite) à mi'cro-agrég,ats, muge.
-
l,
h'Orizon 7 de 0 à 65 om : ensemble humi:fère, puis sablo-arg'i'l·eux à agré,
gation biologique pül'yédrique, porosi,té tubuLaire et 'inter-agrég,ats bien
dével,oppée. Arg'illlo"s'abl:eux à :l'a base.
horizon 9 de 65 à 80 cm : sa!b:lleux à sab'I,e gros,sier, chenaux mill:l,imétriques
dans 'I:e se'ns de Il,a pente.
horizon 6 au-diell'à de 80 cm : s,ab'l:o~lii'mono-ar'gill:eux, hl'6nc à vO'lumes rouges,
faoes structura:les verti'c.a,lles 'I,issées au sommet.
(*) Projet ECEREX (ECologie, ERosion, EXpérimentation) supporté financièrement par le Comité
• Gestion des ressources naturelles renouvelables,. de la D.G.R.S.T.
36
Yt
cm
-400
-300
8 3
C)
+....
-200
+.......+.
'-'"
". ~
-100
s
7
.... ~.~.
20
"'-
....... ::: ..
~
..... .
Figure 1 A
60
.::'
...
100
140
Z
'ft
c.m
cm
-300
-200
-100
s ,
3
o
2
o
20
Figure 1 B
60
100
11.,0
Z
cm
Evolution des profils verticaux de 'Pt lors des essais de caractéri·
sation hydrodynamique.
Figure 1 a : méthode du plan de flux nul au site 1•.
~ : niveau d'apparition du matériau d'altération
Figure 1 b : méthode du drainage interne au site ls.
Les intervalles de temps f::,. t compris entre deux profils successifs sont les sui·
vants :
Figure .1 a : profils
'1·2
2·3
5-6
1-8
9-10
8-9
4·5
M (heures) 24.0
143.3
47.2
13.0
121.2
23.7
144
Figure 1 b : profils
Q..l
2-3
34
1·2
4·5
f::,.t (heures) 20.8
22.5
23.5
20.5
73.0
FIGURE 1. -
FIG. 1. -
Evolution of the vertical profil.es of 'Pt during the hydrodynamic
characterization tests.
Fig. 1 a : «natural balance» method for site 1•.
~ : appearance of the altered rock material.
Française
pour l'Etude
du Sol
www.afes.fr
- 2010
Fig. 1 b Association
: « internai
drainage»
method
for - site
ls.
37
J.-iM. GUiEHlL
iii. - METHODES ET MATERIEL DIETUDE.
ILo~s dI'une étulde antérieur,e (mai 1980 à juin 1981), nous avons, pour chacun de
oes deux si,te'slet en 's'it:uaNon de forêt primaire, effectué un suivi d'es Iprofiliis d'humidité
volumique (®, cm 3 /cm') ,à Il''aide ,d'un hUlmidimè'tre neutronique SOLO 20 et de tubes
di',8Jccèsen durallumin d'une profondeur utille die 170 cm, et des rprofHs du potenJ:ij'e:1
hyldirique totall,àl'aide de tensiomè1Jres à manomèt,re à mercure 'instal'Iés aux profondeurs
10, 20, 40, 60, 80, 100, 120 et 150 cm.
Nous nous, proposons ici :
-
de d'étermin,er Il'a COn!diUic't>ivité hydra'Uillique du SOli pour il,es horizons 3 et 6 à ~,a
cote - 135 cm;
-
de -reveni,r sur l'es ,dionn'ées rp:réoédemment acquis'es en s:ituation die forêt primaire,;
afin die déte'nminer à c,ellte même cote ,l,a composante V'erNcail'e des flux hydrique'S
(Dv) 'et d'étabtl:jr un bi'ian h~d:rique compll'et [é'quation (1)] dans certaines
s'it.uaNons favorabl,es.
En eff,et, pour une pério'de ll.t = t2 t1 ,et une profondeur z données (,l''axe
vertical oz es't orienté posHhrement vers l'e bas), 'l'e bi,lan des flux v'eorNcaux est :
t2
Dv
!.1.
(z)
(z,
t) dt
(2)
tl
où t re'Présenlle I,e temps et (z, t) est !lla compos,ante verHca'I,e die Ilia dens,ité
,du fl,ux hydlrique inst,antaflté' à 'lia cote z déterminé par Il,a 'loi de Darcy étendue
aux conditions non saturées :
J.
Cl
(z, t) = - K
'l't
(3)
('l'm)
où K 'est l'a conductivité hydraul'i'que du s'o'l qu'on se 'Propose de dléte,rminer
en fonct,ion du potentiell, mat,rioie:I, 'l'm, 'l't es,t :l'e potentie,l: hydri:que totall, exprimé
en cm de hauteur dI'eau,
On remarquera, à propos de ,j:'équation (3), qu'en rai'S'on de Il'hystérés'is canacténisanlt ,la re'iaNon ® ('l'm) , N eût été pnMérahhe d"utili'j's'er ,l,a rell,ation K (®) (VAIGHAUD
et al., 1978) . :Le choix de K ('l'm) est IHé au fait que l'on aura à negroUipe,r pilusiieurs
niveaux ,die mesure d'un m'ême horizon pour IIi'é'tahl,is's'ement :de ce,s relations; en rai'Son
des var,iations spatial,es 'brusques de ® ohs,erV'ées Iparfois dans un même horizon (f'i:g. l'Il,
nous avons utHis'é 'l'm variabhe intens,ive s'PaNalement pillus stab:l,e.
Détermination de K ('l'm) .
Dans Il'e 'cas d'un é.ooullemen't mon odli:recti 0 nnelli verticall en mill.ieu non fo'i'Sonnant
(l1:a kaO'I,iniùe ,est une argill,e non gonflante) et en f'abslenoe de 'S'ource ou de puits
h~dlrique (,extraction rac.inaire), !l'équation de conservation de ,l,a masse s'écrit:
de
(z,
d z,)
z2
-
1
!
dt
z2
zl
d SZl (t)
d El (z, t) dz
---=--- = 1
(zl, t) -
1
(Z2' t)
dt
z,
où S
(t)représ'ente I,e stock d'eau ins:tan1:ané ,entre Il'es cot'es z, ,et z,.
z,
38
(5)
lIRIAiNSFERiPS HYIJJHIQUES DANS DES SOI.JS DE GUY ANiE
1~5
.•.•. ,. , ........................ ___ ;.;..:.:.;;:.;.•.
------105 -115
135
--- ---
;..:,.;.:..:..u;..~.~
..... ~
30
25
75
35 ...
_._.-_
20
't'm
-500
-400
-300
-200
-100
cm
FTGUR,E II. FIG. II. -
Relations 'l'm (<8» pour le tube d'accès neutronique NI" à
tes profondeurs (cm).
â~ff.éren
Soil matric potential - soil water content 'l'm (<8» relationships al
different depths (cm) for the neutron tube NI".
Deux condliNonsexpérimentHII,es intéressantes peurvent ê1:re cnéées
1 er cas: Méthode d'e drainage interne (HIIUlJE'l et al., 1972).
Aprè's inHI'traNon d'une ,l'ame 'd"eau ,apportée en quantité sumsante pour hume'cter
l'ensemblle du tpmfH, on recou'v're Le sol die ifaçon à annu'her I:e flux hydir,i'que à Ilia sunface
du sol [cI> (0, t) = QlL'é'quation (5) dev,ient ,a'lms, appl,iquée entre ,l,a sutifaoe du so!1
et une profondeur z et en combinai'son avec (3) :
d SZ (t)
d 'l't
o
=-1
(6)
(Z, t)
dt
dz
Dans 'I,a pratique, pour 'l'estimation de K ('l'm) , on conslildère deux états suffisamment
rapprnchés dans ,I,e t,emps pour pourvoir écrire
!:J. SZ
o
--= K
!:J.t
d 'l't
('l'm)
(7)
dz
39
J.oM. GUEHL
d 'l't
dz
représentant 'I:a va,Leur moyenne au c'ours de Il'a :période t, t + At du
,gradient du potentiell: totall i'ndii1qU'é par ,d'eux tensiomètres .s,itués die part et
d'autres de Z (moy,enne ari,thmétiqU'e entre 'l'instant t et !l'ins'tant t + .6. t).
2' cas: Méthode du p/l'an de flux nul (DAUDET et VA!CHAUD, 19717).
On étudie 'icoi 'l'e res'suy,age du sol en partant d'un état initia~ ana!liogue au c.as precec
dent et en Ilaiss!ant Il,e s'QlI àdiécouvert, i'I y a a:lorsé'tarb'lliss'emenlt d'un pli/an die flux nUlI'
(Za) progre's,s'ant p:lu's ou moins rapidiement en profondeur et séparant deux zones hy'dlrodynami'quementind'épendantes : au.dessus de Za, i,l y a flux ascendant d'orig'ine évaporatoÎ're, e'n des'sous' de Zo, j!J y a drainage (Fi'g. 1 a).
En 'considiérant ici pour oJ'équabi'on (5) ,un ni'veau z, (prise en compte die l,a zone
slituée sous Za, ce qui ser,a toujour's ,Ile cas d'ans Ilia pr'és'ente étude) ou z, (pri's'e en
compte de Il'a zone s'Îtuée au,dessus die zo), contfondu avec Za, on, se ramène â dies
condiNons très vois'ines de celllles' du cas précédent (mais Za v,arie dans le ,temps
ioi)" pour chaque déte'rm'i'on.ation Ide K on considère allors Ja vallieur moyenne
+
Za (t)
Zo
Zo (t
+
At)
=
2
RESULTATS.
1. • DETERMINATION DES RElATIONS K ('l'm).
A la suite du défrichement du bassiin l'en jui'lll,et 19801
type tradiNonneil), i,1 'nous a été pos·sihlle de mainteni,r une
du s:ite d'étudie ('suppress,ion de l'extrao1'Î'on racinaiire) et
oaracuérisat.ion hydrodynamique en septembre·octobre 1982
(,aménagement en abattis de
zone sans végétation autour
d'y effectuer des essai's de
(grandie saison .sèche).
1,1. En l, (méthode du p.lan de flux nul).
L'lé,vo'lution des profi,lis verticaux de 'l't au cour'.s de ,l'a période 'd'étude du 9 septembre au 2,1 octobre 1982 e.st ,représentée sur l,a figure 1 a. En raison de :l'oc.cmence
de p:l,ui,e'S' orageuses dunant cette périO'de, ,nous avons' ét-é amenés à conMd'ér,e,r 3 .séries
dli!stinctes ,de profiil.s correspondant chacune à de,s p'has'es sans précipitations, Il'e passage dl'une s'éri'e è Vautre (profil,s 3-4, puis 6-7) ne faisant pas ,l'obJet d"une détermination
de K.
A cause d'une panne de il,''humldimètre neutronique, ill, ne nous a pas été possible
d'étabtllior de façon indlé,pend!antel'évo1Iution 'des profiolos d'humidité. Nous a.vons alors
z,
déte~miné
S
à par~ir des mesures tens'iométriques par 'l'intermédiaire de's reilations
Z,
'l'om (8) étahlli'es préa'l.abllement en phase de désorption comme dans I,e présent essai
pour chaque nive'aude mesures neutroniques. L'ensemb'l'e de ces cout1besapparais,sent
pour 'le sHe l, (tube NI Il) dans 'lia figure III.
'Une condition nécessaire de vali'diité d'un tell: ess'ai de caracrérisation hydrod~
nami'que es't, /hien entendu, <I/a vertlical ité de 'l'écoul,emeont qui ne saurait être considérée
comme réalisée ,a priori dans un te,1 système de pente et de fortes vari'atioons pédologiques ,Latéwl,e,s.
Nous avons v,u (GUEHL, sous presse) que, dans 'le système hydrop'édologique
é1Judié, il, est possible, pour ILes s'ituations non torop èJ,oi'gnées de ,l,a saturation, de
donner une de,scription de Ilia dlirec1:ion et du sens générall' des flux hydlriques grâce
à Il,a représentation des :Iignes équipotentie'l<les (potentiel total,). Sans pouvoi'r s'ap:puyer
sur 'une démonsnration rigoureU'se, cette représentation, reposant sur une interpo'I'ation
linéaire suivant ,ha pente topographique entre :Les sites de mesure, se jus1Jifie par l,a
~rès bonne conti'nuité du potenUell i hydrique entre "es sites de mesure Ua à 15 ) . Le tracé
des é'quipotentie,I,les' ains'i obtenues ne prend pas en compte, bien entendu, d'éventueN,es
hétérogénéités locales du matériau entre les sites de mesure.
40
f
A
-----
~---------:-==
- <!: .:.:!: .: : .!~;:. -- - - - - - - ,
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--- --- ---
---
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---
-
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_ _ _ .UQ - - - - -
8
~-----~
--- -----------
_----.. .1"'0-------
-18"
_-_os
=
-no
c
FIGURE III. - Champ du potentiel hyârique total (lignes équipotentielles) correspondant aux situations des profils 1 (3 a), 9 (3 b) et 10 (3 c) de la figure la.
~ : niveau d'apparition du matériau d'altération
- - - : surface de flux vertical nul.
Le potentiel de gravité est annulé à la surface du sol en 1•.
FIG. III. - Two-dimensional fie,ld of the total water potential (equipotentials)
corresponding ta the situations of the profiles 1 (3 a), 9 (3 b) and 10 (3 c)
of figure 1 a.
~ :appearance of the altered rock mate rial
- - - : surface of vertical zero flux.
Association
Française
l'Etudeatduthe
Sol -sail
www.afes.fr
The gravitational
potential
is set pour
ta zero
surface- 2010
of 1..
41
J.-<M. GUiEHt
Nous, avons représe,nté id (Fig. HI) 'lie .champ du pot,enNe·1 hyldri'que tota'l, entre l, et l,
uni'quement ('l'al,titude de ré'fér·ence est la surface du sol. en 1,) au début (1'1'1 a) et à la
fin (HI b et HI IC) Ide ,l'essai, j,es 3 s'ituations r,eprés,entée·s oorrespondant reslpecrthrement
aux profi.Jls 1, get 10 de II·a Hgure :1 a. t·es figures IlliI a, !b et cacorédj,tent de façon ItOut
à fait s·atisfaisantella ,verticanté de 'l'écoullement (flux nonmaux aux équipotenti'e[lIIles' rlans
rhYlPoùhèse d',i!sotropie ,du miHeu) sous 'Ioe niveau Za en Il, tout au c'Üurs de ress·ai.
La re[l,ation K ('l'm) d"alillure [llinéaire en représentat,ion semi-ilog·ari~h!mique obtenue
pour 'I 'horizon 6 (110 et 1·36 cm) par ·lla méthode du ,pil.an die flux nu[1 apparaît s'Ur lié!
figure IV.
La 're~llation 'Übtenue est : ,Iiog K = -
1.0&3
+
0.00621. 'l'm
(8)
E[III;e fournit par extrapollation une v,al.eur ·dela conductivité hYldiraUiloique à s,aturation
('l'm = 0) Ks égal[e à 0.0&3 mm. h-1 = 2 mm. j-1.
1.2. En l, (méthode du drainage interne).
Onétudlie Il'e ressuyage du 5'01, après apport d'eau mtMiciel1 ('140 mm enllfiwon sur
une sudace ,die 10 m' centrée sur 'I:e site de mesure). 'l'évolution du [pro.fill[ die 'l't du
30 s,eptemlhre àu 7 octobre 1982 es,t rapportée paf 'la figure ·1 b. On notera que oette
éivol[urbian est bien en ,aclcord! avecJ!'léJ1abl[i'ssement dI'un9'ra:dHent null ·et donc d'un flux
null à lia surf aoe du sol.
Le nuage de points obtenu en 'Is (,reliJatiif aux deux tubes d'aC'Cès neutroniques Iles
plus proches diu site tens[iométri'que : NI 5I et NI,,) pour [l'horizon 3 (120 à 15'0 cm)
(Fig. IV) couvr'e une plage de 'l'm rellati[vement f'aihlle (pas' die points notamment au
vois'i'nage ·de 'I·a s.aturation), mais pré'sente une a!llurel'intéalre bien en 'accord: avec II[es
v.all,eurs fournies parla méthode d'es:timation de Ks (cond!ucl'ivité h~dinaU'liique à s·atur'aNan)
du doubtlle ann,eau de MUNTZ (GUEHL, sous presse). Ces dernières, ,v.aILeur·s ont ég'alement
été r,e'Prés,entées sur Il'a figure IV (v.a[l,eur centrale à 135 cm de profondeur éQ'al·e à 3,5 mm.
1
I5
---
__ .?.o- --------- --- -- -
10 -1
00
---
ym
-150
cm
-100
-50
Relations K ('l'm) pour les sites l, (aux profondeurs 110 et U5 cm :
horizon 6) et l, (profondeurs 120, 130, 140 et 150 cm : horizon 3).
FIGURE l,V. -
FIG. IV, - Hydraulic conductivity - matric potential K ('l'm) relationship for
the l, site (depths 110 and 135 cm: horizon 6) and l, (depths 120, 130, 140 and 150:
horizon 3),
42
l'RIANSiFERllSHYlDRiIQUES DANS DES SOLS DE GUYANE
h-1 et amipllitude de variation die Ks dans 'l''horizon 3). On 'noter.a que ces val,eurs de
Ks sont de ,l'ordre de 40 ,fois ,plilusimportantes qu'en l, pour <J'horizon 6.
L'équation de régression obtenue est :
'ilog K = 0.'545
+
0,01663 'l'm
II. - ESTIMATION DU DRAINAGE VERTICAL.
Lors d'une campagne de mesure antérieure, nous ,avions effectué,en s,itua~ion de
forêt primaire, un suivi des profiil,s de 'l't et 'l'm pour Ilia période du 21 jamrier au 31 mai
1<981. En utillisant à lia pro'fon'deur 13'5 cm (prise en compte des tensliomètres sHués aux
profondeurs 120 et 150 ,cm) lJ,e,s reillations K ('l'm) die Q!a figure IV, 'ill, est possibLe de
oalllcu:ler il> (135, t) pour Illes ,différents rell'evés (faits Il'e mat:inà 9 h 00 envi'ron) en 15
et ,l, par appllication de ,I:a ,I,oi de Daroy [équation (31)].
'Ji m, __
Cl Wt
_
La figure V re,prés,ente Il'évo:liution au cours de c'ett,e périüdie de
et
~e ,rég'ime plluviométrique. Nous n'avüns
représenté oette évol,ution sous forme de trait continu que pour Illes périodes pour
l,esqu'e,lII,es nous pouvions être ,a's'surés ,d'une variaN'on monoctone des grandeurs· (11,e pillus
souvent, périodes ,de r,e,l,evés, quotidliens). Pour c'es périodes, l'intéi9rallie die Il,a courbe
il> (135, t) pourra être considérée comme une va'l,eur d'e Dv.
il> (1G5, t) pour ,les deux s.ites et en re'laNon avec
- En 15 , >durant -les 2 saisons ,dies pl!iuies (séparées par ,le « peti't été die mars n),
·I,e Idrai'nag'e s'effeetue en pe,rmanenceen mi'I,ieu non ,saturé ('l'm
0), Illes variations
de il> (135, t) sont brutaLes en re'l,at:ion ,avec I·es v,ariaNons plluviométriques. L'établ'issement ,de's b'iiJ,ans rée,J,s die Dvà Il'éclhellll:e dé'cadaire ou mensue,I,l,e 's'upposerait donc' un
suli'vi tensiométrique au moins quoti:dien.
<
Au cours dlu
«
petit été de mars
ré'g'ime de remonMes capill,aires
n,
on note, à partir du 23 mars, Il'apparition d'un
o)
mais', en raison des v,alleurs f,aibJ,es de
'l'm et donc égaliement de K (fig. IV), 'I,es flux sont vois'ins de O. Ces faibl·e's· v.al'eurs de
'l'm ont ,pu être attribuées à une extraction ,racinai're encore activ'e à 135 cm de profondeur (GUEHL, sous presse). Des remontées caplill'I,aires pl,us 'importan'tes aur·aient
oer·t.ainement été mises ,en évidence à 'l,a Ilimite inférieure du domaine die prospeetion
raC'inaire n'ayant pu être atteilnte par nos '8pparei'ls de mesure.
En .1" Il.'écoulement s'effe:ctue ,en mi:Heu saturé durant Ilia majeure part:ie de Ilia
saison des pl,ui,es ('l'm 2:: 0). Dans' untrav,ai,l précédent, nous a~ions en effet pu attribuer
à Il,a ,faihl'e perméabi,lHé de ,l'horizon 6 l,a prés'enoe di'une nappe perchée durant ,l'es périodes
p'huv.ieuses. La méthode du p'1,an de ,flux nul fournit dans Ilia présente étude une val:eur
par extrapO'I,ation de Ks voisine de 2 mm. j-1 cette v,a:l'eur représente aus's'i ,l'importance
Cl
'J1t
du drainage verUoa'l· journalier 'lorsque II·a nappe est présenfe,
reste all:ars très
Clz
proche de - 1 (récou'l'ement ,est Il'imlité ici par ,l'es oaractéristique,s du SOI!'). Le drainage
v.ertical apparaît ainsi comme 'nettement inf.érieur aux v,al'eurs obserll'ées en Is , mais
ne sau~ait ,être néglhi'gé dans Il'écoul,ement 'générall, de Il'a nappe.
On not'era que ·l'e maximum de il> (135, t) (4 mm. J-1 environ ,le 15 ,avrill:) ne
correspond paS' ic'i' à une vall,eur maximall'e de K (K
Ks en :présenoe de Il,a nappe),
Cl 'J1t
=
Ilors ,du retour d:es plujes après 'I:e
Clz
« petit été die mars
réhumectation) .
»
(état transitoire de progres'S'i'on ·vers le bas du front de
43
J.-M. GUiEHIl
60
40
20
o
20
31
JAN 81
5
15
15
5
FEV
S
i~
:;=-
15
5
MAR
~
:1
A
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5
AVR
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,
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--J
FIGURE V. - Evolution du potentiel matriciel ('l'm), du gradient du potentiel
total et de la densité des flux hydriques verticaux v estimés à la profondeur
135 cm en l, et 1. de janvier à fin mai 1981, en relation avec le régime pluviométrique.
FIG. V. - Evolution of the matric potential 'l'm, total potential gradient and of
the vertical water flow density v estimated at 135 cm depth for l, and !, from
January to May 1981, as related to the rainfall regime.
En outre, on ne note ,pas en l, fapparitiond'un ré'gime de remontées capi'lll'aires au
cours du « petit été de mars n.
Hl. - BILAN HYDRIQUE.
L'est:imation de l'E"fIR suiv,ant .J'équation (1) est pos's'ibl,e :
- En l, pour ,l,a période du 6 mars -au 30 mars 1981 durant l,aque'I'I'e le Mrme
 (135, t) a été déterminé avec une fréquence satis,faisante (Fig. V) et durant laquelle,
44
r1
THlANSHRTS HYDRIQUES DANS D'8S SOLS DE GUYANE
d'une part, 'I,e terme DL peut être cons'idéré ,comme négilligea'hle (,la nappe est encore
présenrte en profon,<feur jusqu'au 12 mars, mais à 'l'intérieur du matéri,au d'alMrration
seul,ement, 'l'écoulement est alorsV'erticall' (GU8Hil, sous press'el',et, d'autre part,
VextracNon ra'c'inair'e n'est pas senslibJ,e sous ,l'a cote 135 cm.
- En '1 5 pour 'la période dru 6 mars au 15 mars 's.eul,ement; ,l'extraction ra'C'inah<e
affecte des profondeurs supérieures à 1'35 cm après cette date,
Les résulltats apparaiiss'ent dans ,I,e tabllre.au 1. On a éga,lement fa'it figurer sur c·e
ta'IJJ,eau, pour ,Iesdrifférentes périodes, une valeur de févapouranspiration potentiellille
(HP) estimée d'après' une formuille de BOUCHET modifiée (GUEH'L, sous presse), ains'i
HR
que ,l,e rapport - - . Ce ,rapport n'a p,as grande s,ign'ification absolue 'i'ci, puisque Il,es
HP
valeurs d'E'llRsont déterminées très lJ,ocallement et n'inrtègrenrt pas YhétérogélnéHé spa1Jia,lie de 'la forêt Ainsi', par r.apport ,à I" ;J'enrvironnement d'e 15 se caracMrise par ,lia prés,ence d'arbres de fai.lYlies diimens'ions dont ,le feuhlll,age est a1bri,té de la pileine Ilumière.
L,a demande transpirato'ire Illo'c'al'e y 'est probabl'ement très faiblie et peut elCp'H'quer 1ra faiblie
v,a'J,eur du rapport EiTR/EliP qu'on y o'bs'erve du 6 au 15 mars,
On notera que, pour 1J'·ens'em'brl,e 'dres s'Îtuatlions' présentées par ,I,e tab'le.au 1, Il,e t'e,rme
Dt ,~este s'ensihl,e par rapport aux autres term'e's ,de Il'équation (1). Cela mont're bien
l,a nécessité de son évailluat<ion pour Il''étab'llissement d'un billan hyidlrique comp,I,et.
Estimation des termes du bilan hydrique (en mm) au cours de
la :petite saison sèche de mars 198..1.
Les données relatives au tube NI'2 sont indiquées entre parenthèses.
TABLEAU 1. -
Estimation of the water balance components (mm) during the short
dry season 1981. Theresults relative to the NI'2 tube are given in brackets.
TABLE 1. -
Période
6.03
P,
LS
Tube NI"
-
Dv
ETH
HP
-
15.û3
15.03
38
31.3
18
51.3
45.9
-
.
23.03
1
35.5
10.3
26.2
47.5
23.03
-
-
30.03
9
11.2
3.8
16.4
43.3
:ETH
--
1.m
0.38
0.55
HP
Périodle
6.03
IP ,
Tubes NI
et NI 5,
LS
51
Dv
ETH
EliP
ETIR
--
-
15.03
38
-
23,
(- 24.3)
40,2
20,8 (
22.1 )
45.9
0.45 (
0.48)
ETP
45
J.-'M. GUEiHIL
,o'aurtJre part, en l, ,appar.aît une nette diminution du rapport ErnR/ET>p durant Ille petit
éiM de mars (:de 1.12 à 0:38) traduis'ant une diiminuN'On sensillyhe dies dli'sponibillli1!és
hydriques. CeNe -diminution tend à confirmer IVexis1'ence de problèmes de sécheressle
Ims des s'aisons sèches en Guyane '(FOUGiEHOUZE, 1966).
DISCUSSION ET CONCLUSIONS.
iues méthodes tens:io"neutr.oniques de c·aracté-risation h~drodynamique apparaiss'ent
comme utililisahles :dans :Ie mill:i:elu que nous avons étudlié en 'l'abseneoe die couve'rture
vég'étale. ·La méi!hode de drainage 'interne génémllement utill,iséeavec suc:cès dans' Ille
cas de sol,s 'Iégers (VACHA'UID et al., 1978 et 198i1) a pu permettJre il'étab'l,iss·emenrt de
relltations K ('l'm) dans un mHi'eu ·argoj!J,eux à k.ao'liinite. Cepen.dant, IllOrs de quell:ques
mesures que nous ,avons effe'ctuées é:pisodiquement après 'le 7 octobre (profill, 5 de lia
figure 1 b), i'lest apparu que Il,e profi,l de 'l't tendait rapildement vers une ail liure \/'ertilcale
(!profill, d'équiil'i'bre pour rl'a tranche de so'létudiiée) avec, en pllus, apparftion d'un p'llan
de flux null peu ·accentué, mais rélv'é'lant l'exis-t'enae d'un Ilég<er flux évaporatoire à Ilia
sunface :du sol (écran .de fillm p'l'asti'que couve'rt de feuiolll,es de pa:lmier non parf.ait). La
tendance Iraphde ve'rs .J'équill,ilbre Idu profi'l de 'l'tréd1ui't 'lia ,gamme des val,e urs. de
'l'm pouv,ant être atteinte pour ,lia rell'ation K ('l'm). ·lil pourrait all.ors être 'intéres'sant de
ahercher à établij:r cette relllaNonpar " s'egments sUlc'aessiifs » 'en effe'ctuant pour un sHe
donné pl,us·ieurs essais avec des apports d'eau soi'gneusement contrMés (contrÔ1lle des
profilJ,s de 'l't au cours de Il'infiltration) pour pe·nmettre roMention àe .profill,s ini,tiaux du
dirainage int·erne plus ou moinls !proches della s,atur.abian. lA'inos'i, dans notre cas (Fig. IV),
aurait-i,l: sans doute été profitab'le d"eff·e,ctuer un se'cond' essa'i en partant d'un état pli us
proche Ide Il,a saturation (absenc'e de valleurs de K dans ce domaine, sau~ ce'llI,es fournie,s
par lia méùhod'e de MUNrZ).
La méthode Idu plan de flux nul apparaît comme très l'bien adlaptée ,au Gas du slite l,
où IJ,e pllan de flux nul (Fig. 1 a) ne pénètre pas d.ans le matèriau d,'a:ltération de Il:a
pe,gmatite tout ·au cours' de n,a grande saison s'èche.
Nous a'V1ions déjià indiqué quel'écoUilement vertical ,die Il'a nappe à travers ce matériau
ne pouvait être nég'ligé (,clf.RiESOUrATS 2.) ; .Iles donnée's' du tabl'eau 1 montrent que :lle
tenme Dv reste sens'itbl'e dans Il'e bi,lan hydrique tout au cours de lia petite saison sèche.
Gell,a peut êtJre .attribué en partie à la faibtl·e pente de .Ia rel,aN'On K ('l'm) (Fig. 111/). Le
quallHic.atiif de « 'drai'nag'e vertioca'l fort.e:ment mlenti » pllutôt que celui de « dminage
vertic-all hlloqué » (GUEHIL, sous presse) devrait donc être ad'opté pour ce type de soL
tes résulltats obtenus dans' Ilia présente étude confirment cependant ILa nette opposition ·au pl,an hydrodynami'que des deux tyopes de sols étudiés. l'I. concli'i'endrait maintenant
d"étudier I·a varia'billité spatialle des caractérisNlques hydrodyamiques à il'intérieur de
chaoune de ces ,deux zone·s repr·és·entativ8's' des sü'ls de lia région des schoi·stes Bonidoro
(NtIEoLSEN et al., 1973).
t'uti'hisation des méthodes de 'caractéris'ation hydr,odynamique en forêt soull:ève des
problèmes spécifiques. III s'agit .allors à l,a fois de supprimer Il'extraction raCiinaire (diftic-uiltté, que nous n'avons pas rencontrée, puisque nous avons pu excepNonne!lIhement profiterd'un défri,ahement) et d'·atte·indrela bas,e du domaine de prospect·ion raoinaiire. Dans
les conditi'ons d'extract:ion racina ire profonde que nous avons rencontrées, Il.a mi'se en
place de monolithes de sol (liBH,AHIM, '1 1979) ne peut être envisagée. La solution pourrait
alors être d'effectuer 'Ies es'S'ais non à parNtr de Ilia surface du sol, mais au fond de
fosses ayant ·Ies dimensions suffisantes pour atteindre 'les horizons profonds (pro~ondeur
des fosses') et supprimer 'i"extrac'Non -racinaire (dimensiüns 'I.atérales).
D.ans :l'optique de féta'hliissement d'un bill'an hy.dri·que (é!quation 1), cette condiHon
d'extension en profondeur des dispositifs de mesure :doit égaLement être réalisée Ilors de
I·a phase de mesures en conditions naturehles:, notamment 'Iors des périodeS' de défi colt
hydri·que. Ce'l·a aurait supposé, ,dans Ile cas de 'ia présente étude, :I.'utillisation de tubes
d'accès neutroniques et de tensiomètr·es nettement pl'us ,profonds (:I.a profondeur précise
restant à déterminer) .l.!IVET (1976) donne 'Une desoription de t·echniques pouv·ant être
mises en œuvre pour une te'l'he imp'liantation profonde.
46
l'RIANS'FERTS HY'DH'IOUES DANS DES SQL,S DE GUYANE
:Le te~me Dv étant supposé 'connu ,dans .c,es c,onditions >fa'lorah.lles, ,Ile Ipassage à un
IbHan 'hy,dri:que compl'et (c'f. tahleau 1) est permis pour les zones à drainage vertical, libre
(-l,) pour Iles'queil,s Il'e terme ID L peut être cünsi'déré comme nUiI" ainsi que Il'e te'rme H,
sauf dans :I,es situations de pente importante (SARHAIILJH, 19B1) et 'é'lentue:lll,ement dans
'l,es cas de '1égétations autres que ,I>a forêt.
Dans 'l'es zones à >dIraina:ge vertica'i fortement rallenti (l,), i,!' ,f,audlra également
évalluer 'I,e tenme DL (s,aUif durant Iles périodes die défiGiit hyd'>rique où DL = 0). Oe terme
étant étroitement ,l'ié à 'l,a configuration interne du maVériau pllanciher de lia nappe (matéri,au ,d'aiJï:ération), des sys1tèmes ,parti'cuilliers de déllimitation spatiale f.avorabll,e pourrünt
être recherdhés, suppos,ant une connais'sance préaHabl'e 'de Il'a srructure pédologique, A'insi,
dans Ille .c,as du bransectque nous a'lons étudié, pourrait-on définir comme 'liimite amont
d'un sy,stème ,à étud'ier Il,e s'i'te '1, (GUEHL, sous presse), au niveau duquel, Iles flux hydriques
latéraux peuvent être considérés Gomme nég'ligeabl,es.
III suffira'i't a'lms ,de contrôler Il,es' flux sortant à Il,a ,J,i,mite aval, du système (dispositif
de recueil!' des eaux de circulati'on d'atéral,e, détermination de ,lia transmissivi,té 'lIaVémlie de
la nappe).
Enfin, concernant 'la représ'entarilvité des estimations de Il'ETH pouv,ant être obtenues
par ,de te 'lll,e8 mesures l'ocailles, il, ne saurait être ques,tionici d"iinM,grer à notre a'lis
bouM Il'hétérogénéité spatiad'e de ,la forêt primaire ('l'é:clhe'lll,e des méthodes hYidirnlügiques
(ROCHE, 1>982) est mieux adap1:ée à cette intégration). L'intérêt des méthodes tens'iüneutroniques'est justement de pouvoilr fournir une fnformation à une é'che,lll,e très fine
dlans 'l'espace (zone pédo'iogique donnée, p:lacette de mesures ou d'e~p'érience), mais
aussi dans ,le temps (re'l,ations a,vec 'lia dynamique de ürois'S'anc,e - 'dé,veloppement des
Végétaux) .
REMERCIEMENTS.
Mes remerciements vont à :
-
M. D'UOREY, directeur die ,l,a Station d'e 'recherches ,forestières des· Antillll,esGuyane (LN,R.A.), qui a rendu ce travai'i matérielillement possi'b'.Ie ;
D. F,INKELSTEIN (vo'l,ontaire à d'aide technique, I.N.R.IA.) et J.-'M. SAR>RAILH
CC.T.F.T. Guyane) pour Il'aide précieuse qu'i'ls m'ont apportée sur Il'e terrain,
Reçu pour publication: mai 1983.
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48
l'RIA!NSFEHllS HYDRIQUES DANS DES SOL,S DE GUYANE
SUMMARY
USE OF THE TENSIO-NEUTRONIC METHOnS FOR STUDYING THE SOI'L
WATER MOVEiMEN11S IN TRIE FERRAUTIC ZONE OF FRENCH GUIANA
In french northern Guiana the detailed study of the soil cover has focused
attention on the existence of soil systems with large lateral differenciation,
which have been interpreted as being transformation systems of an initial
ferralitic cover resulting from a slight tee tonie rise of the land (a few meters)
(BOULET, BRUGIERE and HUMBEL, 1979).
A previous paper (GUEHL, in press) concerned the description of the soil
water dynamic of such a transition system (tensiometric and neutronic measurements in six sites (lo to l,) of a 30 m long linear transect slightly sloping down
from l, to 10 ) in a rain forest situation.
In the present study, hydrodynamic characterization tests (in situ determination of the vertical hydraulic conductivity - matric potential K ('l'm) relationships)
were successfully perfor.med, after clearcutting, for the two extreme soil types of
the system (I, and l,). The obtained relationships were used to estimate the deep
ver.tical water movements on the basis of the tensiometric measurements previously carried out in the rain forest situation.
The l, profile (top of the hill) was representative of the initial ferralitic cover,
organic and loamy-sandy in the upper 70 cm, sandy-clayish from 70 to 115 cm and
clayish (kaolinite) from US to 180 cm (horizon 3), containing micropedic agregates and the bulk density remaining lower than 1.35. The K ('l'm) relationship
established for horizon 3 with the «internai drainage}} method (fig. 1 b, fig. IV)
was in good agreement with the MUNTZ method (fig. IV) (Ks = 3.5 mm. h-'
= 84 mm. j-'). The high K values observed near the saturation aUowed an
unsaturated vertical drainage even du ring periods of important rainfall (fig. V).
The l, site, representative of the transfol1med pedologie cover (incision of the
initial cover) was characterized by the appearance (,go cm) of a sandy-silt-loamy
pegmatite alteration material (horizon 6) with a bulle density of 1.65. The low
K values of horizon 6 (<< natural balance)} method, fig. 1 a, fig. III) of about
0.083 mm. h-' = 2 mm. j-' at saturation (fig. IV) led, during the rain seasons
to the appearance of a perched water table. ('l'm :2: 0, fig. V) with a lateral
drainage component.
A complete water balance (equation 1) could be approached for the rain
forest during the short dry season of March 198'1 and showed that (table 1):
- The ver.tical drainage component (Dv) remained important in the water
balance for both sites throughout the studied periods.
- The actual .evaporation
ratio decreased considerably du ring the short dry
potential evaporation
season for the l, site, indicating decreasing soil water availabilities for this
type of soil.
An estimation of the actual evapotranSipiration for the whole annual cycle
wou,ld necessit:
- The use of deeper tensiometers and neutron tubes (1.50 and 1.70 m respectively in our experiments) because of deep water uptake occurence during
the dry seasons.
- The estimation of the lateral drainage component (site l,) during the
rain seasons.
49

Utilisation des méthodes tensiollneutroniques pour l`étude

Transcription

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