Détermination des propriétés hydrodynamiques des sols par mesures radar de surface

par Emmanuel Léger

Thèse de doctorat en Géophysique

Sous la direction de Albane Saintenoy.

Le président du jury était Yves Coquet.

Le jury était composé de Albane Saintenoy, Yves Coquet, Marnik Vanclooster, Jan Van Der Kruk, Marnik Vanclooster, Roger Guérin.

Les rapporteurs étaient Marnik Vanclooster, Jan Van Der Kruk.


  • Résumé

    Les propriétés hydrodynamiques des sols, représentées par les fonctions de rétention en eau et de conductivité hydraulique, régissent les écoulements d'eau et de solutés de puis la surface jusqu'aux nappes souterraines. La caractérisation et la compréhension de cette dynamique des fluides ont énormément d’importance pour la détermination des ressources en eau disponibles, la pollution des sols et des eaux souterraines. Le radar de sol est une méthode d'imagerie géophysique particulièrement adaptée pour détecter les contrastes de paramètres électromagnétiques tels que ceux engendrés par des gradients de teneur en eau. La problématique à laquelle répond cette thèse est de savoir si le suivi temporel par radar de sol de phénomènes de dynamique des fluides en proche surface, tels que des infiltrations, est suffisant pour retrouver les paramètres hydrodynamiques du sol considéré, de manière plus efficace que les procédés d'estimation classiques.Nous avons développé des algorithmes couplant des modèles hydrodynamique et électromagnétique, afin d'obtenir les propriétés hydrodynamiques de sols, en inversant les temps aller-retour des ondes électromagnétiques correspondant à des réflexions sur des contrastes de permittivité forts comme ceux rencontrés sur des fronts ou bulbes d'infiltration.Nous avons développé le suivi radar de deux techniques d'infiltration, en simple anneau et en forage de faible profondeur. La première permet une modélisation unidimensionnelle alors que la seconde utilise une modélisation 2D-axisymétrique. Dans chaque cas, nos méthodes originales ont été testées numériquement, puis appliquées à différentes expériences de terrain, principalement sur des sols sableux. Les paramètres des fonctions de rétention en eau et de conductivité hydraulique retrouvés sont en accord avec ceux obtenus classiquement par des méthodes telles que des mesures sur échantillons en colonne suspendue et in situ par infiltromètrie à disque. Au-delà de l'aspect quantitatif des processus hydrodynamiques, l'interaction de ces derniers avec les champs électromagnétiques conduit à l'observation de phénomènes atypiques, comme des guides d'ondes créés par des bulbes d'infiltration.De plus, nous avons montré que le radar de sol est assez précis pour détecter des différences dans les profils de teneur en eau selon le cycle drainage-imbibition, causées par l'hystérèse sur les fonctions de rétention en eau et de conductivité hydraulique. Les paramètres de ces fonctions ont été obtenus par inversion de données radar lors de suivis de battements de nappe au sein de réservoirs, de l'ordre du mètre cube, en laboratoire.

  • Titre traduit

    Soil hydraudynamic parameters determination using ground-penetrating radar measurements


  • Résumé

    Soil hydraulic properties, represented by the soil water retention and hydraulic conductivity functions, dictate water flow in the vadose zone, from surface to aquifers. Understanding the water flow dynamic has important implications for estimating available water resources and flood forecasting. It is also crucial in evaluating the dynamicsof chemical pollutants in soil and in assessing the risks of groundwater pollution. Ground Penetrating Radar is a geophysical method particularly suited to measure contrasts of electromagnetic parameters such as those created by water content variations in soils.In this manuscript, we focus on Ground Penetrating Radar temporal monitoring of fluid flows in the near surface, such as infiltration in soil. We were initially curious to know to know if Ground-Penetrating Radar could be used to estimate soil hydraulic properties, more efficiently than classical soil characterization methods such as disk infiltrometer and water hanging column. We developed coupled hydrodynamic and electromagnetic numerical modeling to invert the two way travel times associated with reflections corresponding to strong dielectric permittivity contrasts, such as these involved on infiltration bulbs or fronts orwater tables.We designed two types of Ground Penetrating Radar infiltration monitoring techniques: one using a single ring infiltrometer and the other using shallow boreholes. The first type of infiltration experiment relied on uni-dimensional numerical modeling whereas the second one used a 2D-axi-symmetrical hypothesis. In each of these cases, our original methods have been numerically tested and applied to sandy soils. Beyond quantitative soil hydraulic parameter estimations, electromagnetic wave interactions with hydrodynamicprocesses lead to peculiar phenomena such as waveguide creation by infiltration bulbs.In addition, we showed that Ground Penetrating Radar monitoring was accurate enough to detect the hysteresis of the water retention function during successive drainage and wetting cycles, in a laboratory experiment using a sub-metric tank filled with Fontainebleau sand. The parameters characterizing the hysteresis of this function have been quantified through two-way travel time inversions of the bottom tank reflection during one-step and multi-step hydraulic head experiments.


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