Modélisation de la réponse électronique des sols pour la mesure in situ des variables pédo-hydrologiques dans les agrosystèmes irrigués

Modeling the electronic response of soils for in situ measurement of hydro-pedological variables in irrigated agrosystems

• Auteur / Autrice : Mario Nohra
• Direction : Sylvain Blayac, Gilles Belaud
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2024
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : SIS - Sciences Ingénierie Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MOC - Microélectronique et Objets Communicants

Mots clés

Mots clés libres

Salinité

Pédo-hydrologie

Capteur

Iot

Modélisation électronique

Salinity

Hydropedology

Sensor

Iot

Electronic Modeling

Résumé

Dans un contexte de tension croissante sur la ressource en eau, la mesure quantitative (ex. humidité volumique) et qualitative (ex. conductivité électrique (EC) ou salinité) de l'eau dans le sol est cruciale. En effet, une connaissance plus approfondie des dynamiques hydrauliques dans le sol permet une gestion plus efficace des ressources (eau, énergie, temps… ) tout en maximisant les rendements. Contrairement aux méthodes traditionnelles d'échantillonnage destructif du sol, les mesures in-situ permettent une surveillance non invasive et continue, minimisant la perturbation du sol et fournissant une compréhension plus complète de ses conditions au fil du temps. Ceci permet aux agriculteurs de prendre des décisions éclairées en matière d'irrigation, de fertilisation et de gestion des cultures. Cette approche contribue à la réduction des gaspillages et au développement des pratiques agricoles plus durables. Trois autres paramètres pédo-hydrologiques jouent un rôle important dans la gestion d'une exploitation agricole: La texture du sol (A%, S%, L%), la porosité du sol, et le contenu ionique des pores d'eau. - Les mesures d'humidité des sols et d'électro conductivité des pores d'eau sont entre autres très influencées par la texture des sols. Pour avoir une mesure in-situ précise de ces deux paramètres, il faut donc avoir connaissance de la texture du sol (qui peut évoluer dans le temps). Un appareil de mesure capable de s'auto-calibrer, donc de déterminer la teneur en argile, limon et sable du milieu environnant est donc très intéressant pour garantir une lecture précise d'humidité et de salinité. - La porosité d'un sol est un bon indicateur de la santé du sol cultivé. En effet, la porosité détermine la capacité du sol à retenir et à transmettre l'eau, l'air et les nutriments, qui sont essentiels à la croissance des plantes. Un sol trop compacté ne permet pas à l'oxygène d'atteindre le système racinaire ce qui impactera le développement des plantes. - Si la mesure de la conductivité est relativement peu coûteuse, non destructrice et facile à réaliser, son principal inconvénient est qu'elle n'est pas spécifique aux ions. Une mesure d'EC ne peut donc pas distinguer différents types d'ions mesurés. On parle donc généralement de VIC (Volumetric Ion Content) pour désigner ce type de mesure globale de l'EC. Il serait donc intéressant d'étudier l'influence comparée de la quantité de potassium et de sodium dans le sol. Le but étant de discriminer ces deux ions qui ont des influences complètement différentes sur la santé du végétal : le premier est un engrais qui favorise la productivité de la plante, alors que l'accumulation du second est plutôt un signe de dégradation du milieu. A contrario, la mesure de l'électro-conductivité (salinité) ne peut pas distinguer les différents types d'ions mesurés. Objectifs Les objectifs principaux de la thèse sont les suivants: 1. Modéliser la réponse électronique des sols en fonction de plusieurs paramètres pédo-hydrologiques: l'humidité, l'électro-conductivité (salinité) des pores, la porosité ainsi que la texture du sol et le contenu ionique des pores. 2. Utiliser le modèle analytique obtenu pour concevoir une méthode de lecture précise de l'humidité et de la salinité qui ne soit plus “polluée” par les effets de la porosité et de la texture des sols. 3. Concevoir un outil de mesures in-situ pour les autres paramètres pédo-hydrologiques (porosité et texture de sol) en se basant sur le découplage obtenu par la modélisation de la réponse électronique du sol. La mesure se fera grâce à une lecture d'impédance sur plusieurs fréquences. 4. Déterminer une méthode de discrimination entre les ions de sodium et de potassium dans les pores d'eau. 5. Intégrer les mesures des paramètres décrits pour la gestion des apports d'eau en agriculture.

In a context of increasing pressure on water resources, quantitative (e.g. moisture content) and qualitative (e.g. electrical conductivity (EC) or salinity) measurement of water in the soil is crucial. Indeed, a more in-depth understanding of hydraulic dynamics in the soil enables more efficient management of resources (water, energy, time, etc.) while maximizing yields. Unlike traditional destructive soil sampling methods, in-situ measurements enable non-invasive and continuous monitoring, minimizing soil disturbance and providing a more complete understanding of soil conditions over time. This enables farmers to make informed decisions on irrigation, fertilization and crop management. This approach contributes to reducing waste and developing more sustainable farming practices. Three other soil-hydrology parameters play an important role in farm management: soil texture (A%, S%, L%), soil porosity, and the ionic content of water pores. - Soil moisture and pore water electrical-conductivity measurements, among others, are strongly influenced by soil texture. To obtain accurate in-situ measurements of these two parameters, the soil texture should be known (which may change over time). A measuring device capable of self-calibration, i.e. of determining the clay, loam and sand content of the surrounding environment, is therefore very useful for guaranteeing accurate moisture and salinity readings. - Soil porosity is a good indicator of the health of cultivated soil. Porosity determines the soil's ability to retain and transmit water, air and nutrients, which are essential for plant growth. Soil that's too compacted won't allow oxygen to reach the root system, which will have an impact on plant development. - While conductivity measurement is relatively inexpensive, non-destructive and easy to perform, its main drawback is that it is not ion-specific. An EC measurement cannot therefore distinguish between different types of ions measured. This type of global EC measurement is generally referred to as VIC (Volumetric Ion Content). It would therefore be interesting to study the comparative influence of potassium and sodium in the soil. The aim is to distinguish between these two ions, which have completely different influences on plant health: the former is a fertilizer that promotes plant productivity, while the accumulation of the latter is a sign of environmental degradation. On the other hand, measuring electrical-conductivity (salinity) cannot distinguish between the different types of ions measured. Objectives The main objectives of the thesis are as follows: 1. To model the electronic response of soils as a function of several hydro-pedological parameters: moisture, pore electrical-conductivity (salinity), porosity as well as soil texture and pore ionic content. 2. Use the analytical model obtained to design an accurate moisture and salinity reading method that is no longer 'polluted' by the effects of soil porosity and texture. 3. Design an in-situ measurement tool for the other soil-hydrology parameters (porosity and soil texture), based on the decoupling obtained by modeling the soil's electronic response. Measurements will be made using impedance readings at several frequencies. 4. Determine a method for discriminating between sodium and potassium ions in water pores. 5. Integrate measurements of the above parameters into agricultural water supply management.