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Détermination des propriétés hydrodynamques des sols par mesures de Radar de Surface

• Financement : Bourse IDEX Paris-Saclay Thèse soutenue le vendredi 18 septembre à 14h dans l’amphithéatre Blandin. Devant un jury composé de :

 Jan Van Der Kruk (Forschungzentrum Jülich GmbH), rapporteur
 Marnik Vanclooster (Université Catholique de Louvain), rapporteur
 Roger Guérin (UPMC), examinateur
 Herman Zeyen (GEOPS), examinateur
 Yves Coquet (ISTO Orléans), co-directeur de thèse
 Albane Saintenoy (GEOPS), directrice de thèse.

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.