Abstract :
[en] The aim of this thesis is to tend towards a better representation of soil water horizontal fluxes in hydropedological modelling. Tillage practices result in soil structural modifications which impact soil hydrodynamic behaviour. This study takes place in this context, aiming to understand these modifications using X-ray microtomography (µCT), which allows a more fundamental analysis of soil. Indeed, this tool becomes a key in the field of soil science, giving a direct insight of the internal structure of soil.
Besides, anisotropy studies are still rare as tiresome, and this work shows that the current hydrological models are anyway unable to represent it correctly: when it is taken into account, it rests on the hypothesis of a simple ratio between vertical and horizontal conductivity functions.
First, microtomography is used supplementary to usual methods for the establishment of hydrodynamic functions near saturation. We showed that the retention curve designed with µCT information is more realistic since it leads to a better estimation of unsaturated hydraulic conductivity. However, these results could be doubtful depending on the different µCT acquisition or processing choices and hypothesis. Particularly, the thresholding step is crucial. Consequently, we propose a new global thresholding method based on the visible part of soil sample porosity. This method has been tested and validated in the context of the present study.
This step allows us to use microtomography results to increase our knowledge of soil structure. A principal component analysis on soil pores structural parameters confirms that connectivity, specific surface, volume and radius are key factors for the differentiation of soil horizons texturally similar but structurally different. Our results show that structural parameters have to be taken into account to improve hydropedological modelling, especially if pores orientation is considered.
We described thus the relevant parameters that can be obtained with µCT and which could help to better model water fluxes in soil while discussing the remaining limits and uncertainties, about upscaling issues notably.
[fr] L’objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure représentation des transferts horizontaux dans les sols afin d’améliorer la modélisation hydropédologique. Le contexte d’itinéraires techniques contrastés dans lequel s’inscrit ce travail entraine des modifications structurales du sol qui influencent son comportement hydrodynamique. L’enjeu est de tenter de comprendre ces modifications, par une analyse plus fondamentale, réalisée par microtomographie aux rayons X (µCT). Cet outil, qui devient incontournable dans l’étude des sols, permet d’en visualiser la structure interne.
Les études sur l’anisotropie restent encore aujourd’hui marginales car fastidieuses, et nous montrons que l’état de développement actuel des modèles hydrologiques reste insuffisant sur ce point. En effet, lorsque la prise en compte de l’anisotropie est possible, elle repose sur l’hypothèse d’une proportionnalité simple entre les fonctions de conductivité horizontale et verticale.
Dans un premier temps, la microtomographie est utilisée comme une source d’information supplémentaire par rapport aux mesures plus classiques d’établissement des fonctions hydrodynamiques aux abords de la saturation. Nous avons effectivement pu montrer que la courbe de rétention établie via µCT est plus réaliste, puisqu’elle permet de mieux approcher les mesures de conductivité en sol insaturé. Cependant, les résultats obtenus pourraient être sujets à caution en regard des choix et hypothèses à poser lors des différentes étapes du processus d’acquisition et de traitement des images. Le seuillage, particulièrement, est une étape importante. Nous proposons donc une nouvelle méthode de seuillage globale, basée sur la porosité visible de l’échantillon, testée et validée dans le cadre de cette étude.
Ceci permet d’utiliser les résultats microtomographiques pour affiner notre connaissance de la structure du sol. Une analyse en composantes principales des paramètres structuraux sur les pores a permis de confirmer que la connectivité, la surface spécifique, le volume et le rayon des pores jouent un rôle prépondérant dans la différenciation d’horizons de sol texturalement identiques mais structuralement différents. Nos résultats montrent que les variables structurales doivent être prises en compte pour améliorer la modélisation hydropédologique, mais ce d’autant plus si l’orientation des pores est prise en considération.
Nous décrivons donc les paramètres pertinents, pouvant être acquis par µCT, et qui permettraient d’améliorer la modélisation fine des flux d’eau dans le sol tout en discutant les limites actuelles et les incertitudes restant à lever, concernant notamment les changements d’échelle.
