Gestion des ressources en eau dans les régions arides : analyse expérimentale d’un sol type du Burkina Faso et modélisation numérique des transferts d’eau

Water Resources Management in Arid Regions : Experimental Analysis and NumericalModelling of Water Transfer in a Typical Soil from Burkina Faso

• Auteur / Autrice : Bawindsom Kébré
• Direction : Fabien Cherblanc, François Zougmoré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Génie civil
• Date : Soutenance le 19/12/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2 en cotutelle avec Université Joseph Ki-Zerbo (Ouagadougou, Burkina Faso)
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil. LMGC (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Dieudonné Joseph Bathiebo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Cherblanc, François Zougmoré, Dieudonné Joseph Bathiebo, Evariste Ouedraogo, Donatien Njomo, Zacharie Koalaga, Betaboalé Naon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Evariste Ouedraogo, Donatien Njomo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Burkina Faso

Simulation par ordinateur

Sols -- Perméabilité

Gestion des ressources en eau

Mots clés libres

Potentiel chimique

Faible teneur en eau

Courbe caractéristique sol-Eau

Perméabilité non-saturée

Analyse inverse

Modélisation théorique et numérique

Chemical potential

Low water content

Soil-Water characteristic curves

Unsaturated permeability

Inverse analysis

Theoretical and numerical modelling

Résumé

L'étude présentée dans cette thèse porte sur une analyse expérimentale des propriétés physiques (densités, porosité, granulométrie) et hydrodynamiques (isotherme de désorption, courbe caractéristique sol-eau, perméabilité à saturation) d'un sol type aride du Burkina Faso et une simulation numérique des transferts d'eau. La modélisation des transferts est abordée par une approche thermodynamique qui constitue un cadre général pour décrire à la fois l'état de l'eau dans le sol et les mécanismes de transferts mis en jeu : filtration de la phase liquide, diffusion de la vapeur d'eau, changement de phase liquide-vapeur. Des essais expérimentaux de transferts d'eau dans des colonnes de sol hermétiquement fermées et placées dans une enceinte régulée en température, ont permis d'établir l'évolution des profils de teneur en eau au cours du temps. La configuration expérimentale est choisie de sorte que seule la filtration de la phase liquide de l'eau dans le sol soit prépondérante. Les profils expérimentaux ont servi à l'estimation par approche inverse de la conductivité hydraulique dans les faibles teneurs en eau. La prise en compte des écoulements par films dans la modélisation du coefficient de perméabilité relative corrige les insuffisances des modèles capillaires. Les coefficients de changement de phase proche et loin de l'équilibre modélisés à partir de résultats expérimentaux permettent la mise en évidence du non-équilibre liquide/gaz dans les transferts aux faibles teneurs en eau. Il ressort que le non-équilibre dans les transferts aux faibles teneurs en eau est plus marqué avec le modèle capillaire avec un front de séchage plus franc à la surface. La prise en compte des écoulements par films prolonge la filtration de la phase liquide de l'eau jusqu'à l'état hygroscopique du sol avec un flux d'eau liquide maintenu à la surface du sol jusqu'à des temps plus longs.

The study presented in this thesis focuses on an experimental analysis of physical properties (densities, porosity, particle size distribution) and hydrodynamic properties (desorption isotherm, soil-water characteristic curve, saturated permeability) of an arid soil from Burkina Faso and numerical simulation of water transfers. The transfer modelling is addressed through thermodynamic approach which provides a general framework to describe both the water state in the soil and the transport mechanisms: filtration of liquid phase, water vapor diffusion, liquid/vapor phase change. Experimental attempts of water transfer in soil columns, sealed and placed into a controlled temperature chamber, have established the evolution of water content profiles over time. The experimental configuration is chosen so that only the filtration of water liquid phase is taken into account. These experimental profiles were used to estimate, by inverse approach, the unsaturated hydraulic conductivity at low water contents. Consideration of film flows in the relative permeability modelling corrects the shortcomings of capillary bundle models used to describe water flow from saturation to oven-dryness. The coefficients of phase change near and far from equilibrium modeled from experimental results prove non-equilibrium liquid/gas existence. It appears that the liquid/gas non-equilibrium at low water content is more pronounced with the capillary model with a frank drying front at the soil surface. Consideration of film flows extends liquid phase filtration into the soil until the hygroscopic state with a liquid water flux maintained at the soil surface for longer times.