Teneur en eau - Water content

Composition du sol par V olume et M ass, par la phase: un ir, w ater, v oid (pores remplis avec de l' eau ou de l' air), de l'huile, et t otal.

La teneur en eau ou teneur en humidité est la quantité d' eau contenue dans un matériau, tel que le sol (appelé humidité du sol ), la roche , la céramique , les cultures ou le bois . La teneur en eau est utilisée dans un large éventail de domaines scientifiques et techniques, et s'exprime sous la forme d'un rapport, qui peut aller de 0 (complètement sec) à la valeur de la porosité des matériaux à saturation. Elle peut être donnée sur une base volumétrique ou massique (gravimétrique).

Définitions

La teneur en eau volumétrique , , est définie mathématiquement comme :

${\displaystyle \theta ={\frac {V_{w}}{V_{\text{wet}}}}}$

où est le volume d'eau et est égal au volume total de matière humide, c'est-à-dire à la somme du volume de matière hôte solide (par exemple, particules de sol, tissu végétal) , d'eau et d'air . ${\style d'affichage V_{w}}$${\displaystyle V_{\text{wet}}=V_{s}+V_{w}+V_{a}}$${\displaystyle V_{s}}$${\style d'affichage V_{w}}$${\style d'affichage V_{a}}$

La teneur en eau gravimétrique est exprimée en masse (poids) comme suit :

${\displaystyle u={\frac {m_{w}}{m_{s}}}}$

où est la masse d'eau et est la masse des solides. ${\displaystyle m_{w}}$${\style d'affichage m_{s}}$

Pour les matériaux qui changent de volume avec la teneur en eau, tels que le charbon , la teneur en eau gravimétrique, u , est exprimée en termes de masse d'eau par unité de masse de l'éprouvette humide (avant séchage) :

${\displaystyle u'={\frac {m_{w}}{m_{\text{wet}}}}}$

Cependant, le travail du bois , la géotechnique et la science du sol nécessitent que la teneur en eau gravimétrique soit exprimée par rapport au poids sec de l'échantillon :

${\displaystyle u''={\frac {m_{w}}{m_{\text{dry}}}}}$

Les valeurs sont souvent exprimées en pourcentage, c'est-à-dire u × 100 %.

Pour convertir la teneur en eau gravimétrique en teneur en eau volumétrique, multipliez la teneur en eau gravimétrique par la densité en vrac du matériau : ${\displaystyle SG}$

${\displaystyle \theta =u\times SG}$.

Quantités dérivées

En mécanique des sols et en génie pétrolier, la saturation en eau ou le degré de saturation , , est défini comme ${\displaystyle S_{w}}$

${\displaystyle S_{w}={\frac {V_{w}}{V_{v}}}={\frac {V_{w}}{V\phi }}={\frac {\theta }{\ phi }}}$

où est la porosité , en termes de volume de vide ou d' espace poreux et le volume total de la substance . Les valeurs de S _w peuvent aller de 0 (sec) à 1 (saturé). En réalité, S _w n'atteint jamais 0 ou 1 - ce sont des idéalisations pour une utilisation en ingénierie. ${\displaystyle \phi =V_{v}/V}$${\style d'affichage V_{v}}$${\style d'affichage V}$

La teneur en eau normalisée , , (également appelée saturation effective ou ) est une valeur sans dimension définie par van Genuchten comme : ${\displaystyle \Thêta }$${\displaystyle S_{e}}$

${\displaystyle \Theta ={\frac {\theta -\theta _{r}}{\theta _{s}-\theta _{r}}}}$

où est la teneur en eau volumétrique ; est la teneur en eau résiduelle, définie comme la teneur en eau pour laquelle le gradient devient nul ; et, est la teneur en eau saturée, qui équivaut à la porosité, . ${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \theta _{r}}$${\displaystyle d\theta /dh}$${\displaystyle \theta _{s}}$${\style d'affichage \phi }$

La mesure

Méthodes directes

La teneur en eau peut être mesurée directement à l'aide d'une étuve .

La teneur en eau gravimétrique, u , est calculée via la masse d'eau : ${\displaystyle m_{w}}$

${\displaystyle m_{w}=m_{\text{wet}}-m_{\text{dry}}}$

où et sont les masses de l'échantillon avant et après séchage à l'étuve. Cela donne le numérateur de u ; le dénominateur est soit ou (résultant en u' ou u" , respectivement), selon la discipline. ${\displaystyle m_{\text{wet}}}$${\displaystyle m_{\text{dry}}}$${\displaystyle m_{\text{wet}}}$${\displaystyle m_{\text{dry}}}$

D'autre part, la teneur en eau volumétrique, θ , est calculé par le volume d'eau : ${\style d'affichage V_{w}}$

${\displaystyle V_{w}={\frac {m_{w}}{\rho _{w}}}}$

où est la densité de l'eau . Cela donne le numérateur de θ ; le dénominateur, , est le volume total du matériau humide, qui est fixé en remplissant simplement un récipient de volume connu (par exemple, une boîte de conserve ) lors du prélèvement d'un échantillon. ${\displaystyle \rho _{w}}$${\displaystyle V_{\text{wet}}}$

Pour le bois , la convention est de rapporter la teneur en humidité sur la base d'un séchage au four (c'est-à-dire généralement le séchage de l'échantillon dans un four réglé à 105 degrés Celsius pendant 24 heures). Dans le séchage du bois , c'est un concept important.

Méthodes de laboratoire

D'autres méthodes qui déterminent la teneur en eau d'un échantillon comprennent les titrages chimiques (par exemple le titrage Karl Fischer ), la détermination de la perte de masse lors du chauffage (peut-être en présence d'un gaz inerte) ou après lyophilisation . Dans l'industrie alimentaire, la méthode Dean-Stark est également couramment utilisée.

À partir des normes de l'Annual Book of ASTM (American Society for Testing and Materials), la teneur totale en humidité évaporable dans l'agrégat (C 566) peut être calculée avec la formule :

${\displaystyle p={\frac {WD}{W}}}$

où est la fraction de la teneur totale en humidité évaporable de l'échantillon, est la masse de l'échantillon d'origine et est la masse de l'échantillon séché. ${\style d'affichage p}$${\style d'affichage W}$${\style d'affichage D}$

Mesure de l'humidité du sol

En plus des méthodes directes et en laboratoire ci-dessus, les options suivantes sont disponibles.

Méthodes géophysiques

Il existe plusieurs méthodes géophysiques disponibles qui peuvent approximer la teneur en eau du sol in situ . Ces méthodes comprennent : la réflectométrie dans le domaine temporel (TDR), la sonde à neutrons , le capteur dans le domaine fréquentiel , la sonde capacitive , la réflectométrie dans le domaine d'amplitude , la tomographie par résistivité électrique , le géoradar (GPR) et d'autres qui sont sensibles aux propriétés physiques de l'eau . Les capteurs géophysiques sont souvent utilisés pour surveiller l'humidité du sol en continu dans les applications agricoles et scientifiques.

Méthode de télédétection par satellite

La télédétection par micro-ondes par satellite est utilisée pour estimer l'humidité du sol sur la base du grand contraste entre les propriétés diélectriques du sol humide et sec. Le rayonnement micro-ondes n'est pas sensible aux variables atmosphériques et peut pénétrer à travers les nuages. De plus, le signal micro-ondes peut pénétrer, dans une certaine mesure, la canopée végétale et récupérer des informations à la surface du sol. Les données des satellites de télédétection micro-ondes tels que WindSat, AMSR-E, RADARSAT, ERS-1-2, Metop/ASCAT et SMAP sont utilisées pour estimer l'humidité du sol en surface.

Classification et utilisations

L'humidité peut être présente sous forme d'humidité adsorbée sur les surfaces internes et sous forme d'eau condensée capillaire dans les petits pores. Aux faibles humidités relatives, l'humidité se compose principalement d'eau adsorbée. A des humidités relatives plus élevées, l'eau liquide devient de plus en plus importante, selon ou non selon la taille des pores peut aussi être une influence du volume. Dans les matériaux à base de bois, cependant, presque toute l'eau est adsorbée à des humidités inférieures à 98 % HR.

Dans les applications biologiques, il peut également y avoir une distinction entre l'eau physisorbée et l'eau "libre" - l'eau physisorbée étant étroitement associée à un matériau biologique et relativement difficile à éliminer. La méthode utilisée pour déterminer la teneur en eau peut affecter la prise en compte de l'eau présente sous cette forme. Pour une meilleure indication de l' eau « libre » et « liée », l' activité de l' eau d'un matériau doit être prise en compte.

Les molécules d'eau peuvent également être présentes dans des matériaux étroitement associés à des molécules individuelles, en tant qu'"eau de cristallisation", ou en tant que molécules d'eau qui sont des composants statiques de la structure des protéines.

Sciences de la terre et agronomie

Dans les sciences du sol , l' hydrologie et les sciences agricoles , la teneur en eau joue un rôle important pour la recharge des eaux souterraines , l' agriculture et la chimie du sol . De nombreux efforts de recherche scientifique récents ont visé à une compréhension prédictive de la teneur en eau dans l'espace et le temps. Les observations ont généralement révélé que la variance spatiale de la teneur en eau a tendance à augmenter à mesure que l'humidité globale augmente dans les régions semi-arides, à diminuer à mesure que l'humidité globale augmente dans les régions humides et à culminer dans des conditions d'humidité intermédiaires dans les régions tempérées.

Il existe quatre teneurs en eau standard qui sont régulièrement mesurées et utilisées, qui sont décrites dans le tableau suivant :

Et enfin la teneur en eau disponible , _a , qui équivaut à :

θ _un ≡ θ _fc - θ _pwp

qui peut varier entre 0,1 en gravier et 0,3 en tourbe .

Agriculture

Lorsqu'un sol devient trop sec, la transpiration des plantes diminue car l'eau est de plus en plus liée aux particules du sol par aspiration. En dessous du point de flétrissement, les plantes ne sont plus capables d'extraire l'eau. À ce stade, ils se fanent et cessent complètement de transpirer. Les conditions dans lesquelles le sol est trop sec pour maintenir une croissance fiable des plantes sont appelées sécheresse agricole et constituent un objectif particulier de la gestion de l' irrigation . De telles conditions sont courantes dans les environnements arides et semi-arides .

Certains professionnels de l'agriculture commencent à utiliser des mesures environnementales telles que l'humidité du sol pour programmer l' irrigation . Cette méthode est appelée irrigation intelligente ou culture du sol .

Eaux souterraines

Dans les nappes phréatiques saturées , tous les espaces poreux disponibles sont remplis d'eau (teneur en eau volumétrique = porosité ). Au-dessus d'une frange capillaire , les espaces poreux contiennent également de l'air.

La plupart des sols ont une teneur en eau inférieure à la porosité, qui est la définition des conditions non saturées, et ils font l'objet de l' hydrogéologie de la zone vadose . La frange capillaire de la nappe phréatique est la ligne de démarcation entre les conditions saturées et non saturées . La teneur en eau de la frange capillaire diminue avec l'augmentation de la distance au-dessus de la surface phréatique . L'écoulement de l'eau à travers la zone non saturée des sols implique souvent un processus de doigté, résultant de l' instabilité de Saffman-Taylor . Cela résulte principalement des processus de drainage et produit une interface instable entre les régions saturées et non saturées.

L'une des principales complications qui se pose dans l'étude de la zone vadose, est le fait que la conductivité hydraulique non saturée est fonction de la teneur en eau du matériau. Au fur et à mesure qu'un matériau se dessèche, les voies humides connectées à travers le média deviennent plus petites, la conductivité hydraulique diminuant avec une teneur en eau plus faible de manière très non linéaire.

Une courbe de rétention d'eau est la relation entre la teneur en eau volumétrique et le potentiel hydrique du milieu poreux. Il est caractéristique de différents types de milieu poreux. En raison de l' hystérésis , différentes courbes de mouillage et de séchage peuvent être distinguées.

En agrégats

Généralement, un agrégat a quatre conditions d'humidité différentes. Ils sont secs au four (OD), secs à l'air (AD), secs en surface saturés (SSD) et humides (ou mouillés). Le séchage au four et le séchage en surface saturé peuvent être obtenus par des expériences en laboratoire, tandis que le séchage à l'air et l'humidité (ou humide) sont des conditions courantes des agrégats dans la nature.

Quatre conditions

• Le séchage au four (OD) est défini comme l'état d'un agrégat où il n'y a pas d'humidité dans aucune partie de l'agrégat. Cette condition peut être réalisée dans un laboratoire en chauffant l'agrégat à 220 °F (105 °C) pendant un certain temps.
• Le séchage à l'air (AD) est défini comme l'état d'un agrégat dans lequel il y a de l'eau ou de l'humidité dans les pores de l'agrégat, tandis que les surfaces extérieures de celui-ci sont sèches. C'est une condition naturelle des agrégats en été ou dans les régions sèches. Dans cette condition, un agrégat absorbera l'eau d'autres matériaux ajoutés à sa surface, ce qui pourrait avoir un impact sur certains caractères de l'agrégat.
• La surface sèche saturée (SSD) est définie comme l'état d'un agrégat dans lequel les surfaces des particules sont « sèches » ( c . mix), mais les vides interparticulaires sont saturés d'eau. Dans cette condition, les agrégats n'affecteront pas la teneur en eau libre d'un matériau composite .

L'adsorption d'eau en masse (A _m ) est définie en termes de masse d' échantillon saturé-surface-sec (M _ssd ) et de masse d'échantillon d'essai séché au four (M _sec ) par la formule :

${\displaystyle A={\frac {M_{ssd}-M_{sec}}{M_{sec}}}}$

• Humide (ou mouillé) est défini comme l'état d'un agrégat dans lequel l'eau est complètement imprégnée de l'agrégat à travers les pores, et il y a de l'eau libre en excès de la condition SSD sur ses surfaces qui fera partie de l'eau de mélange.

Application

Parmi ces quatre conditions d'humidité des agrégats, la surface sèche saturée est la condition qui a le plus d'applications dans les expériences, recherches et études en laboratoire, en particulier celles liées à l'absorption d'eau, au rapport de composition ou aux tests de retrait dans des matériaux comme le béton. Pour de nombreuses expériences apparentées, une condition de surface sèche saturée est une prémisse qui doit être réalisée avant l'expérience. En condition sèche de surface saturée, la teneur en eau du granulat est dans une situation relativement stable et statique où il ne serait pas affecté par son environnement. Par conséquent, dans les expériences et les tests où les agrégats sont dans des conditions sèches de surface saturées, il y aurait moins de facteurs perturbateurs que dans les trois autres conditions.

Voir également

• Humidité , "teneur en eau" dans l'air
• Humidité
• Doigté visqueux
• Analyse d'humidité
• Capteurs d'humidité du sol
• Activité d'eau
• Courbe de rétention d'eau

Les références

Lectures complémentaires

• Robinson, David A. (2008), "Field Estimation of Soil Water Content: A Practical Guide to Methods, Instrumentation and Sensor Technology" (PDF) , Soil Science Society of America Journal , Vienne, Autriche : Agence internationale de l'énergie atomique, 73 ( 4): 131, bibcode : 2009SSASJ..73.1437R , doi : 10.2136 / sssaj2008.0016br , ISSN  1018-5518 , IAEA-TCS-30
• Wessel-Bothe, Weihermüller (2020): Méthodes de mesure de terrain en science du sol. Un nouveau guide pratique des mesures de sol explique les principes de fonctionnement des différents types de capteurs d'humidité (indépendants du fabricant), leur précision, les domaines d'application et la manière dont ces capteurs sont installés, ainsi que les subtilités des données ainsi obtenues. Traite également d'autres paramètres du sol liés aux cultures.