Caractérisation des propriétés hydrodynamiques des sols et de leur variabilité spatiale par modélisation inverse de leur teneur en eau. Application aux sols des Cévennes

Ce travail de recherche vise a caracteriser les proprietes hydrodynamiques des sols des Cevennes, une zone de moyenne montagne du sud de la France connue pour etre sujette a des crues a cinetique rapide, appelees « crues eclair ». Il s'agit donc de determiner les parametres relatifs a la conductivite hydraulique et a la retention en eau du modele de Mualem-van Genuchten, leur variabilite spatiale a l'echelle du versant ou du petit bassin, et les facteurs qui expliquent cette variabilite spatiale. Il s'agit egalement d'evaluer la permeabilite du sous-sol constitue d'une roche plus ou moins alteree, et d'en deduire des informations sur les processus de saturation des sols pouvant etre a l'origine de ruissellement.Les proprietes hydrodynamiques des sols et du sous-sol ont ete estimees par modelisation inverse de la teneur en eau sols, a partir d'une station pilote sur le site de Sumene et d'un reseau de 50 stations de mesure repartis sur 4 versants granitiques (site de Valescure) et 2 versants schisteux (site de Tourgueille). La station pilote comprend 3 sondes de mesure installees a 20, 40, 60 cm de profondeur, et les stations installees sur les versants comprennent chacune 2 sondes de mesure installees a des profondeurs variables allant de 15 a 45 cm. Les teneurs en eau du sol ainsi que les precipitations ont ete mesurees en continu au pas de temps 15 min sur les differents sites. La procedure de modelisation inverse est basee sur l'algorithme genetique multi-objectif NSGA-II. Cette procedure a ete appliquee pour chaque station, en considerant que le sol d'epaisseur variable constitue de la superposition de 2 horizons, surmontant un troisieme horizon figurant la roche alteree sous-jacente. Au total, quinze parametres doivent etre calibres pour chaque station, et sont estimes a partir de periodes selectionnees correspondant aux episodes de pluie les plus importants. Les processus d'evapotranspiration ont ete consideres comme negligeables au cours de ces episodes. L'analyse des proprietes de retention et de conductivite obtenues a mis en evidence la tres forte conductivite hydraulique des sols etudies, de l'ordre de 1000 a 2000 mm/h, et leur faible retention en eau. Les teneurs en eau a saturation estimees s'echelonnent de 0.30 a 0.60 cm3.cm-3, traduisant une grande heterogeneite locale. On retrouve cette forte variabilite pour l'estimation des profondeurs de sol qui varient de 31 a 120 cm. Pour l'horizon representant le sous-sol, les permeabilites sont tres contrastees, avec des valeurs de conductivites hydrauliques variant de quelques unites a plus d'une centaine de mm/h. Les stations presentant les sols les moins profondes et des sous-sols moins permeables generent des zones saturees qui se developpent a la base du profil de sol, comme ca a ete observe et simule lors des episodes pluvieux les plus intenses. Si les proprietes des sols apparaissent tres variables d'une station a une autre et d'un versant a un autre, les resultats n'ont pas montre d'organisation particuliere de cette variabilite spatiale. La position de la station sur le versant n'apparait pas etre determinante pour les porosites, les profondeurs, les permeabilites et les retentions en eau des sols ; les distributions de ces proprietes, calculees a l'echelle des differents versants, ne semblent pas reliees aux grands traits du paysage : geologie, orientation, vegetation.