Impact de la teneur en eau initiale sur l’infiltration dans les sols des séguias en terre au périmètre de Jorf (Province d’Errachidia)

Résumé

L’objectif du présent travail est l’étude du comportement de l’infiltration dans deux échantillons de sol prélevés des séguias en terre Lgdima et Hanabou faisant partie du réseau d’irrigation du périmètre Jorf situé dans la province d’Errachidia. Les essais d’infiltration ont été conduits dans des colonnes de sol soumises au même régime d’alimentation hydrique avec une charge d’eau constante, pour des fractions d’argile ajoutées aux échantillons de 10%, 15%, 20% et 25% et pour des teneurs en eau initiales de 0%, 5% et 10%. Durant tous les essais, le temps et la position relatifs au déplacement du front d’humidification dans les colonnes de sol ont été enregistrés. Ce qui a permis de tracer les courbes de variation du taux d’infiltration en fonction du temps, paramétrées en teneur en eau initiale pour les différentes fractions d’argile apportées aux échantillons d’origine. Dans toutes les figures, la variation du taux d’infiltration I(t) en fonction du temps (t), est mieux traduite par une loi de type puissance exprimée par la relation : I(t) = a.t-ß. Les coefficients a et ß reflètent l’effet résultant de la texture du sol et de l’état de sa teneur en eau initiale sur le comportement de l’infiltration. Les différentes courbes obtenues ont montré que le temps mis par le front d’humidification pour traverser la colonne du sol croît avec l’augmentation de la fraction d’argile pour une teneur en eau initiale fixe, et avec l’augmentation de la teneur en eau initiale pour une fraction d’argile donnée. Ces courbes révèlent également que l’augmentation de la teneur en eau initiale est généralement suivie d’une réduction du taux d’infiltration pour atteindre une valeur constante lorsque le temps se prolonge. Cette réduction est beaucoup plus prononcée au début du processus. L’interprétation des courbes a permis aussi de relever que le front d’infiltration progresse plus rapidement au début du processus de l’infiltration dans l’échantillon soumis à une faible teneur en eau initiale que dans celui qui se trouve dans un état plus humide. Ceci nous permet de dire que la réduction de la teneur en eau du sol pourrait résulter en une augmentation notable de la quantité d’eau infiltrée plus particulièrement durant la phase initiale de l’infiltration. On conclut donc, qu’on peut contrôler les pertes par infiltration dans un canal en terre, à travers la maîtrise, en plus d’autres facteurs, de deux paramètres à savoir le taux d’argile qui compose le sol de ce canal et l’état initial de sa teneur en eau. Des valeurs optimales de ces paramètres doivent être déterminées en vue d’éviter les effets adverses, susceptibles d’être engendrés par une teneur en eau et un taux d’argile exagérés à savoir le gonflement et le retrait des argiles, qui résultent en des pertes d’eau excessives. On peut conclure également qu’en pratique, le mode de gestion d’un canal d’irrigation en terre a un impact sur ses pertes en eau particulièrement lorsqu’il est à chaque fois asséché suite à une fréquence de remplissage assez longue.

Mots clés : Infiltration, teneur en eau initiale, fraction d’argile, front d’humidification, pertes par infiltration, gonflement et retrait

INTRODUCTION

L’infiltration de l’eau dans le sol est un processus qui revêt un caractère très important dans la gestion de l’eau d’irrigation que ce soit au niveau du transport et de la distribution de l’eau dans les canaux en terre ou au niveau de l’application de l’eau d’irrigation sur la parcelle. Elle est définie comme étant le processus d’absorption de l’eau par les couches superficielles du sol qui se produit lorsqu’il y a des précipitations ou une submersion (Mayoraz, 2015). La connaissance et la maîtrise du processus de l’infiltration, qui est lié aux propriétés et au mode d’alimentation en eau du sol, est très indispensable pour garantir une gestion efficiente des ressources en eau et plus particulièrement l’eau destinée à l’irrigation des périmètres de Petite et Moyenne Hydraulique qui sont caractérisés par des infrastructures d’irrigation traditionnelles composées de séguias non ou partiellement revêtues. L’état de ces séguias engendre des pertes importantes d’eau par infiltration.

Le processus de l’infiltration est conditionné par divers facteurs dont les plus significatifs relèvent d’une part du sol, à travers ses caractéristiques hydrodynamiques, de sa texture et de sa structure, et de l’autre, des conditions spécifiques dans lesquelles se déroule le processus, à savoir les conditions initiales et le débit d’alimentation (Musy et al, 1991). Dans ces conditions, on considère que l’humidité initiale d’un sol est parmi les principaux facteurs qui influencent l’infiltration étant donné que l’écoulement dans un sol est étroitement lié à sa teneur en eau vu que le taux d’infiltration est influencé par la distribution de l’humidité dans le profil du sol à la fois au début du processus de l’infiltration et à sa fin. Bien que l’impact de la teneur en eau initiale sur l’infiltration ait été largement reconnu, les recherches antérieures ont seulement concerné l’aspect qualitatif de cet impact. Les mesures quantitatives de l’effet de l’humidité initiale sur l’infiltration sont difficiles à obtenir (Green, 1962). Néanmoins, des recherches antérieures ont démontré que les conditions d’humidité initiale d’un sol peuvent réduire le taux d’infiltration dans ces sols de 50% (Ceballos et al., 2002).

De nombreux travaux de recherche ont été consacrés à l’étude de l’infiltration dans les sols en relation avec le niveau de leurs humidités initiales. Gray et Norum (1967) ont indiqué que l’augmentation de la teneur en eau initiale d’un sol entraîne une réduction du taux d’infiltration. Ruggenthaler et al. (2015) ont étudié le comportement de l’infiltration dans un sol soumis à différentes humidités initiales à travers la conduite de plusieurs expérimentations. Ils ont confirmé que le taux d’infiltration décroit lorsque l’humidité initiale augmente. Jianfeng and Kenneth (2008) ont montré que l’eau infiltrée dans le sol augmente sa teneur en eau et réduit en conséquence sa capacité d’infiltration. Anctil et al. (2012) ont reporté que la capacité d’infiltration du sol est faible lorsque sa teneur en eau est élevée et que la conductivité hydraulique atteint sa valeur de saturation. Dondong et al (2014) ont étudié l’influence des conditions de la surface du sol et la teneur en eau initiale du sol sur le mouvement de l’eau dans un sol non saturé. Ils ont conclu que le processus de l’infiltration est beaucoup plus influencé par la teneur en eau initiale que par la variation de la hauteur de submersion sur le sol: Une augmentation de la teneur en eau initiale du sol a engendré une réduction dans l’infiltration cumulée.

Le présent travail traite de l’analyse du mécanisme de l’infiltration dans des échantillons prélevés des sols composant deux séguias en terre dans le périmètre de la Petite et Moyenne Hydraulique du Jorf, Province d’Errachidia. Il a pour objectif de conduire un certain nombre de tests d’infiltration sur ces échantillons en espérant étudier l’impact combiné que pourrait avoir la variation de la texture du sol et sa teneur en eau initiale sur le comportement de l’infiltration.

MATÉRIEL ET MÉTHODES

Le prélèvement des échantillons a été effectué à partir de deux séguias en terre dans le périmètre de Jorf situé dans la région de Tafilalet. Il s’agit des séguias Lgdima et El Alouia Hanabou. La texture des échantillons en question a été déterminée moyennant une analyse granulométrique exécutée dans le laboratoire du Département des Ressources Naturelles et Environnement de l’IAV Hassan II. Les sols de la séguia Lgdima contiennent des teneurs élevées en éléments grossiers avec une proportion de 62,5% de sable. Quant aux éléments fins, ils représentent 37,5 % dont 13,5 % d’argile seulement. Cependant, dans le cas de la séguia Hanabou, la teneur en éléments grossiers est relativement plus faible soit 49,5 % de sable alors que la teneur en éléments fins est de 50,5 % dont 17 % d’argile. Les fractions d’argiles qui seront mélangées aux échantillons d’origine des séguias en question ont été extraits de la carrière de l’Oulja de Salé. Ces argiles sont essentiellement constituées de l’illite avec un peu de chlorite et de smectite. On note également la présence d’interstratifié illite/chlorite et de kaolinite en très faible proportion (El Ouahabi, 2013).

L’essai expérimental englobe un certain nombre d’étapes qui consistent en:

• Le nettoyage des impuretés contenues dans l’échantillon;

• Le broyage des éléments grossiers;

• Le tamisage des échantillons par un tamis de 2mm;

• Le séchage à l’étuve pendant 24 heures;

• La mise en place de l’échantillon dans l’éprouvette par colonne de 10 cm. L’échantillon du sol d’origine est mélangé avec l’argile selon les proportions : 10%, 15%, 20% et 25%;

• Le compactage de l’échantillon de sol par tranche de 10 cm en appliquant une hauteur de chute et un nombre de coups constants pour chaque essai jusqu’à l’obtention d’une colonne de sol compactée sur 40 cm de hauteur;

• L’alimentation en eau continue de l’éprouvette contenant l’échantillon de sol tout en adoptant une charge d’eau constante de 5 cm durant l’ensemble des essais;

• La mesure, moyennant une échelle graduée, de l’avancement du front d’humectation en fonction du temps.

Le matériel utilisé pour la conduite de l’essai est formé d’un infiltromètre composé d’une éprouvette graduée de 2000 ml sans fond pour faciliter lepassage de l’eau à travers l’échantillon, un bac qui reçoit l’eau infiltrée et un socle servant de support pour les éprouvettes. La base de ce socle est équipée de membranes circulaires transpercées assurant la rétention des particules de sol sans bloquer le mouvement de l’eau. L’appareil est muni de 3 compartiments pour l’emplacement des éprouvettes.

Les teneurs en eau initiales ont été fixées sur la base d’une pesée de l’échantillon à partir de laquelle on a déterminé la masse d’eau qu’il faut apporter à l’échantillon sec pour atteindre l’humidité initiale désirée.

Pour mesurer l’impact de la teneur en eau initiale sur le comportement de l’infiltration, plusieurs séries de mesures de l’infiltration ont été effectuées au laboratoire. Dans la première série de mesures, on a considéré une humidité initiale nulle et on a procédé aux mesures de l’infiltration dans les deux échantillons pour différentes fractions d’argile apportées aux échantillons du sol d’origine: 10%, 15%, 20% et 25%. La deuxième série de mesures a concerné la mesure de l’infiltration dans les mêmes échantillons avec les mêmes dosages d’argile mais leur humidité initiale a été portée à 5%. Quant à la troisième série de l’essai, l’infiltration a été mesurée en se basant toujours sur les mêmes échantillons précités mais avec une teneur en eau initiale augmentée à 10%.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Les durées des différents essais effectués sont comprises entre 247 (soit environ 4h) et 4170 minutes (soit environ 3 jours). Les tableaux 1 et 2 présentent les résultats de calcul du taux d’infiltration à partir des côtes et des temps d’avancement du front d’humidification enregistrés lors des différents essais conduits, et pour trois différentes teneurs en eau initiales du sol: 0%, 5% et 10%. Les données des tableaux 1 et 2 ont permis d’établir les représentations graphiques du taux d’infiltration en fonction du temps pour les deux échantillons mélangés avec les différentes proportions d’argile et soumis aux trois teneurs en eau initiales précitées. Les courbes obtenues sont présentées dans les figures 1 et 2.

On constate que dans le cas de l’échantillon Lgdima, le temps d’avancement du front d’infiltration nécessaire pour parcourir la colonne de l’échantillon varie de 310 minutes à 4170 minutes soit environ 3 jours lorsqu’on a fait varier la fraction d’argile apportée à l’échantillon de 10% à 25% par pas de 5%, et pour des teneurs en eau initiales de 0%, 5% et 10%. Dans le cas de l’échantillon Hanabou, ce temps varie de 247 minutes à 1505 minutes soit environ 1 jour pour les mêmes variations de la fraction d’argile mélangée à l’échantillon et de la teneur en eau initiale. Autrement dit, ce temps croît avec l’augmentation de la fraction d’argile pour une teneur en eau initiale fixe, et avec l’augmentation de la teneur en eau pour une fraction d’argile donnée.

Les courbes d’infiltration indiquées sur les figures 1 et 2 permettent de mettre en exergue l’impact de la teneur en eau initiale sur le mécanisme de l’infiltration. Ces courbes dévoilent que l’augmentation de la teneur en eau initiale est généralement suivie d’une réduction du taux d’infiltration pour atteindre une valeur constante lorsque le temps se prolonge. Cette réduction est beaucoup plus prononcée au début du processus. En effet, dans le cas de l’échantillon Lgdima, le taux d’infiltration passe de 273 mm/h à 67 mm/h quand on a augmenté la teneur en eau initiale de 0 à 10% tout en fixant la fraction d’argile à 10%. Dans le cas de l’échantillon Hanabou, pour la même fraction d’argile et pour la même augmentation de la teneur en eau, le taux d’infiltration se voit réduit de 500 mm/h à 130 mm/h. Cette tendance reste valable dans le reste des essais. L’examen des courbes fait paraître également que le front d’infiltration progresse plus rapidement au début du processus de l’infiltration, dans l’échantillon soumis à une faible teneur en eau initiale que dans celui qui se trouve dans un état plus humide.

Les interprétations ci-dessus semblent ne pas être en désaccord avec les lois qui régissent les transferts hydriques dans un sol. En effet, le comportement de l’infiltration pourrait être conditionné par la teneur en eau initiale du sol et ceci à travers le phénomène de capillarité par lequel les forces de capillarité sont d’autant plus importantes que le sol est sec auquel cas l’infiltration sera plus grande. Néanmoins, l’effet de la capillarité diminue avec l’augmentation de l’humidité du sol.

Par ailleurs, les figures 1 et 2 montrent que dans tous les essais d’infiltration effectués sur les deux échantillons, la variation du taux d’infiltration en fonction du temps obéit à une loi de type puissance dans laquelle le taux d’infiltration I(t) est lié au temps (t) par l’expression:

α et β sont des coefficients qui varient d’un échantillon à un autre et d’un essai à un autre. Les valeurs de α et β sont mentionnées sur chaque graphique. Le tableau 3 ci-après récapitule toutes les valeurs de α et β indiquées pour chaque essai.

Il ressort de ce tableau que le coefficient α varie de 358,5 à 1025,3 et l’exposant β est situé entre 0,472 et 0,683 pour l’échantillon Lgdima. Dans le cas de l’échantillon Hanabou, α varie de 268,28 à 1304,3 et β est compris entre 0,439 et 0,656. Ces valeurs sont en rapport avec l’exposant n donné par l’équation de Kostiacov rappelée comme suit :

I étant le taux d’infiltration, K un coefficient et n un exposant compris entre 0 et 1.

Dans tous les essais, le coefficient R² est situé entre 0,9062 et 0,9958. Ceci nous permet de conclure que le modèle de Kostiacov décrit d’une manière adéquate le comportement de l’infiltration tout au long des essais effectués sur l’effet de la teneur en argile et l’humidité initiale des échantillons testés dans la présente étude. Néanmoins, Il y a lieu de remarquer que le coefficient α ne suit aucune loi lorsque, pour une teneur en eau initiale fixée, on fait varier de façon croissante la fraction d’argile dans les deux échantillons, ou lorsqu’on fixe la fraction d’argile tout en augmentant la teneur en eau initiale de l’échantillon. Mais généralement, on peut dire que les coefficients α et β sont des indicateurs qui reflètent l’impact combiné de la texture de sols des échantillons testés et de l’état de la teneur en eau initiale de l’échantillon sur le comportement de l’infiltration. Cette hypothèse est validée par le fait que pour chaque valeur du couple (teneur en eau, fraction d’argile), on fait correspondre une valeur du couple (α, β).

CONCLUSION

Sur la base de la présente étude, on a pu relever quelques éléments de compréhension sur le mécanisme de transfert d’eau dans deux échantillons de sol soumis à des tests d’infiltration d’eau sous des conditions initiales bien déterminées. Les résultats obtenus montrent que le processus de l’infiltration pourrait être influencé par les conditions initiales du sol notamment la teneur en eau initiale en plus de la nature du sol. En effet, on a pu constater durant tous les essais que l’augmentation de la teneur en eau initiale est généralement suivie d’une diminution remarquable du taux d’infiltration particulièrement au début du processus, pour atteindre par la suite une valeur constante lorsque le temps se prolonge. Ceci nous permet de dire que la réduction de la teneur en eau du sol impliquerait une augmentation importante de la quantité d’eau infiltrée plus particulièrement durant la phase initiale de l’infiltration. Cette déduction est en concordance avec notre compréhension du processus du mouvement de l’eau dans le sol qui est contrôlé par des gradients de succion très importants lorsque son humidité initiale est faible. Ce résultat est par ailleurs confirmé par Gray et al. (1967), Collis-George et al (1971), Zadjaoui (2009), Musy et al (2004), Bouchemella et al (2016) et Bréard (2017).

Dans toutes les figures qui représentent les courbes d’infiltration paramétrées en teneur en eau initiale pour les différentes fractions d’argile apportées aux échantillons d’origine, la variation du taux d’infiltration I(t) en fonction du temps (t), est traduite par une loi de type puissance similaire à celle de Kostiacov exprimée par: I(t) = α.t-β. Les coefficients α et β sont des indicateurs qui reflètent l’effet combiné de la texture de sols et de l’état de la teneur en eau initiale du sol sur le comportement de l’infiltration. Par ailleurs, étant donné que dans l’ensemble des essais effectués, 268,28 ≤ α ≤ 1304,3 et 0,439 ≤ β ≤ 0,683, on peut conclure que le comportement de l’infiltration est plutôt contrôlé par la variation du coefficient α que celle de β. En conclusion, on peut émettre l’hypothèse que la formule de I(t) doit être revue dans le sens que α soit exprimé en fonction de la teneur en eau initiale du sol (ϴi) et la fraction d’argile apportée au sol (fa) soit : I(t) = f(ϴi, fa).t-β. Cette hypothèse est en concordance avec les résultats de Smith (1972) qui a modifié l’équation de Kostiacov pour aboutir à un modèle de Kostiacov amendé dans lequel les paramètres α et β sont uniques pour un sol donné et pour une teneur en eau initiale donnée.

Sur le plan pratique, on peut contrôler les pertes par infiltration dans un canal en terre, à travers la maîtrise, en plus d’autres facteurs, de deux paramètres à savoir le taux d’argile qui compose le sol de ce canal et l’état initial de sa teneur en eau. Certes, il existe une fraction d’argile et une teneur en eau optimales qu’il faut déterminer pour que les pertes par infiltration soient minimales tout en évitant une interaction entre une humidité et un taux d’argile excessifs. Auquel cas, on peut assister à un phénomène de gonflement du sol lorsque celui-ci est hydraté ou de retrait lorsqu’il est déshydraté, ce qui se manifeste par la création de fissures. Une telle situation pourrait engendrer des pertes d’eau très importantes par infiltration à travers les fentes de dessiccation. Ceci nous amène à réfléchir sur le mode de gestion de l’eau d’irrigation dans un canal en terre et sa relation avec les pertes en eau dans ce canal car la fréquence de mise en eau du canal a un impact sur son état d’humidité. En d’autres termes, un tour d’eau de durée prolongée aurait asséché le sol du canal, ce qui favorise d’avantage les pertes par infiltration surtout au début du remplissage du canal.

Il est souhaitable que la présente étude soit complétée par des investigations complémentaires en vue d’analyser le poids de chacun des deux facteurs à savoir la teneur en eau initiale et la fraction d’argile apportée. En effet, il serait intéressant de savoir est ce que l’influence de la teneur en eau initiale sur le comportement de l’infiltration est plus marquée que celle de la fraction d’argile ou c’est le contraire. En d’autres termes, est ce que la réduction du taux d’infiltration sera plus grande si on augmente la teneur en eau initiale en maintenant la même fraction d’argile, que si l’on augmente la fraction d’argile tout en maintenant la même teneur en eau initiale ?

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