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Infiltration (HU)

De Wikibardig

Traduction anglaise : Infiltration, Inflow

Dernière mise à jour : 19/10/2022

Mot en chantier

En hydrologie, phénomène correspondant au transfert de l'eau depuis la surface vers les couches superficielles du sol ; on l'utilise parfois également pour désigner le transfert vers des couches de plus en plus profondes, ce qui, dans certains cas, peut créer des ambiguïtés (voir § Processus physique).

Sommaire

Processus physique

Pendant une précipitation l'eau arrivant à la surface du sol se divise en 4 parts d'importances inégales (figure 1) :

Après la pluie, l'eau stockée en surface ou dans les couches superficielles du sol est :


Figure 1 : Schéma de principe des différents cheminements de l’eau sur et dans le sol ; l'infiltration depuis la surface vers les couches superficielles du sol se produit pendant la pluie, le transfert d'une partie de cette eau vers les couches plus profondes se poursuit parfois plusieurs jours après la fin de la pluie.

On perçoit donc assez facilement l'ambiguïté possible selon que l'on s'intéresse :

  • à l'eau qui s'infiltre depuis la surface vers les couches de sol superficielles et qui de ce fait ne participe pas au ruissellement (point de vue de l'hydrologue), ou,
  • à l'eau qui s'infiltre profondément et qui contribue à recharger les nappes (point de vue de l'hydrogéologue) ; pour clarifier il est préférable dans ce cas de préciser infiltration profonde.

Sur le plan physique, l'infiltration est régie par les lois d'équilibre entre trois milieux : le sol, l'eau et l'air faisant intervenir des forces de pesanteur et des forces de succion. Ces lois conduisent à des systèmes d'équations complexes difficiles à résoudre en dehors de quelques cas particuliers, correspondant en général à des milieux saturés (en absence d'air), et/ou sous charge constante (voir Darcy (loi de) (HU)).

Ces hypothèses ne sont qu'exceptionnellement applicables. En pratique, on utilise donc souvent des modèles empiriques qui dépendent de l'application envisagée.

Importance du phénomène en hydrologie et en assainissement

En hydrologie et en assainissement la notion d’infiltration intervient dans trois domaines différents :

  • dans les fonctions de production, l'infiltration constitue la principale perte au ruissellement ; pour représenter l'infiltration de l'eau sur les sols d'un bassin versant pendant une pluie, on utilise dans la plupart des cas des modèles empiriques (voir § "Pertes au ruissellement dues à l'infiltration" ;
  • l’infiltration d’eau parasite dans les systèmes d'assainissement du fait de leur mauvaise étanchéité constitue un deuxième domaine ; ce phénomène est encore assez mal connu et semble associé à un véritable drainage des sols effectué par les tranchées où sont posés les systèmes d’assainissement ; il semble possible d'utiliser des modèles conceptuels spécifiques à réservoir, ne nécessitant qu'un nombre restreint de paramètres (dans ce cas on utilise plutôt inflow) ; ce cas est traité à l'article Eau parasite d'infiltration (HU) ;
  • le troisième problème technique a trait à l'infiltration des eaux de ruissellement dans des ouvrages spécifiques (bassins d’infiltration par exemple) ; on peut alors s'intéresser :
    • à la façon dont l'eau rentre dans l'ouvrage à travers sa surface (on cherche alors à déterminer la capacité d'infiltration de l'ouvrage) ;
    • et/ou à la façon dont l'eau sort de l'ouvrage et est restituée au milieu naturel ; on devrait alors plutôt parler d'exfiltration (voir le § "Infiltration et exfiltration dans les ouvrages de gestion des eaux pluviales").

Pertes au ruissellement dues à l'infiltration

Paramètres à prendre en compte

Nous adopterons ici le point de vue de l'hydrologue et raisonnerons sur l'eau transitant pendant la pluie entre la surface et les couches superficielles du sol. Ce phénomène constitue la principale perte continue. Sa représentation correcte constitue donc un enjeu important, mais aussi une véritable gageure. Le flux d'eau susceptible de s'infiltrer à un moment donné de la pluie dépend en effet de nombreux facteurs, dont certains évoluent au cours du temps, en particulier :

  • La couverture du sol, avec une différence évidente entre les sols revêtus et les sols non revêtus, mais également pour les sols non revêtus une forte influence de l'importance, de la nature et du stade de développement du couvert végétal ;
  • Le type de sol (structure, texture, porosité) ;
  • la pente du sol, ou plus généralement la topographie du bassin versant ;
  • La compaction de la surface du sol due à des effets anthropiques (passages répétés d'engins agricoles ou de piétons) ou climatiques (gel en particulier) et qui peut évoluer au cours d'une pluie (phénomène de battance) ;
  • la teneur en eau qui varie au cours du temps, d’une part pendant l’évènement pluvieux avec une saturation progressive du sol, d’autre part en fonction des antécédents météorologiques du site concerné, et plus notamment des précipitations et températures qui ont caractérisé les jours, voire les mois qui précèdent l’évènement pluvieux concerné.

Ces différents facteurs influent fortement et de façon combinée et complexe sur la valeur des paramètres physiques qui conditionnent le phénomène d'infiltration, en particulier Perméabilité intrinsèque (HU) et Conductivité hydraulique (HU).

On comprend donc pourquoi les hydrologues utilisent des modèles empiriques qui ne prétendent pas représenter la réalité des phénomènes physiques mais simplement fournir un ordre de grandeur de l'évolution du flux d'eau infiltré.

Modélisation de l'infiltration sur les sols revêtus

On considère souvent que la capacité d'infiltration des sols revêtus est nulle. Ceci est bien sur vrai pour les bâtiments, mais ce n'est pas le cas pour les revêtements de chaussée, ceci quelle que soit leur nature (pavés, asphalte, béton, etc.). Sans parler du cas des revêtements perméables qui est traité par ailleurs, tous les revêtements de chaussée présentent des joints ou des fissures qui fournissent à l'eau la possibilité de s'infiltrer sous l'ouvrage. Les flux infiltrés (débit par unité de surface) sont généralement compris entre 0,3 et 3L/s/m2 et peuvent même atteindre plus de 30L/s/m2 pour des revêtements très dégradés (Raimbault et al, 2002). Ils restent cependant le plus souvent négligeables pour les pluies de très fortes intensités générant les crues importantes. En revanche ils permettent d'infiltrer une part significative des pluies longues et de faible ou moyenne intensité (une capacité d'infiltration de 0,3 à 3L/s/m2 permet d'absorber une intensité de pluie de 0,3 à 3mm/h).

Ce flux d'infiltration peut être considéré comme constant pendant la pluie car le sol sous-jacent est rarement suffisamment sollicité pour se saturer. Le seul moyen simple d'évaluer a priori la valeur de ce flux d'infiltration consiste à réaliser des mesures et à caler empiriquement la valeur (voir Calage d'un modèle (HU)).

Modélisation de l'infiltration sur les sols non revêtus

La plupart des modèles reposent sur l'hypothèse d'une saturation progressive des sols. Ils peuvent correspondre à une représentation physique très simplifiée des phénomènes : par exemple la progression d'un front de saturation homogène dans le cas du modèle de Green et Ampt ou à des approches purement empiriques : modèle de Horton ou modèle SCS.

Dans tous les cas la véritable difficulté consiste à évaluer correctement la valeur de leurs paramètres. Les sols non revêtus sont en effet de multiples natures. Il peut s'agir de sols dits "naturels" (forêts, espaces protégés), de sols agricoles ou de parcs et jardins. Dans le cas d'un modèle distribué à mailles très fines, il est possible de décomposer le bassin versant en unités homogènes en termes de nature de surface, de type de sol et de pente. Cette situation est cependant exceptionnelle et dans la plupart des cas on utilise des modèles globaux qui nécessite de dégager des valeurs moyennes des paramètres valables pour l'ensemble du bassin-versant étudié. Comme certains de ces paramètres dépendent également de la saison et des conditions initiales il est souvent nécessaire de procéder à une simulation continue pour les évaluer correctement.

Nota : Dans le cas des crues exceptionnelles on considère souvent que les sols se saturent totalement et que l'infiltration devient nulle lorsque la hauteur précipitée dépasse une certaine valeur (voir Gradex (méthode du) (HU)).

Infiltration et exfiltration dans les ouvrages de gestion des eaux pluviales

Lorsque l'on parle d'infiltration dans les ouvrages infiltrants de gestion des eaux pluviales, il existe une ambiguïté entre trois notions différentes (voir figure 2) :

  • L'infiltration de l'eau depuis la surface vers l'ouvrage : il s'agit ici d'un flux d'eau qui rentre dans l'ouvrage ;
  • Le transfert d'une partie de l'eau contenue dans l'ouvrage vers le sol adjacent, soit à travers le fond de l'ouvrage, soit à travers ses parois ; il s'agit ici d'un flux d'eau qui sort de l'ouvrage et l'on devrait plutôt parler dans ce cas d'exfiltration ;
  • le transfert d'une partie encore plus faible de l'eau contenue dans l'ouvrage vers les couches plus profondes et finalement vers la nappe phréatique ; ce flux n'est pas lié directement au fonctionnement de l'ouvrage mais plutôt au bilan hydrologique de la restitution entre les trois exutoires naturels potentiels (milieu de surface, atmosphère, nappe phréatique) ; pour clarifier les termes on devrait dans ce cas parler d'infiltration profonde ou de transfert vers la nappe.

Les deux premiers flux sont le plus souvent simplement représentés en utilisant une capacité d'infiltration supposée constante au cours du temps et issue de mesure in situ, ou parfois de modèles simplifiés de type Green et Ampt (logiciel URBIS).


Figure 2 : Différents modes de vidange des ouvrages d'infiltration des eaux pluviales : le volume d'eau qui rentre dans l'ouvrage par infiltration à travers la surface de l'ouvrage (1), peut être évacué : par évapotranspiration (2), et/ou exfiltration (3), et/ou drainage (à débit régulé ou non) vers un exutoire de surface (cours d'eau, lac, mer, etc.) directement ou via un réseau (4) ; le flux (3) exfiltré de l'ouvrage sera restitué : en partie à l'atmosphère par évapotranspiration (5), en partie à la nappe par infiltration profonde (6).

Limites des approches classiques

De façon pratique, très peu de modèles font intervenir l’historique pluviométrique qui précède l’évènement que l’on considère. Cette caractéristique est pourtant fondamentale pour parvenir à une estimation pertinente de la capacité réelle d'infiltration.

Nous préconisons donc, chaque fois que c'est possible de simuler des séries chronologiques de pluies de longue durée. Utiliser en entrée un seul événement pluvieux (pluie de projet, pluie historique, etc.) n'a de sens que si on fait une hypothèse sur l'état initial de saturation du sol. Un calcul statistique correct nécessite alors de croiser la probabilité d'apparition de cet événement avec celle de l'état de saturation choisi.

Bibliographie :

  • Raimbault, G., Andrieu, H., Berthie, E., Joannis, C., Legret, M. (2002) : Infiltration des eaux pluviales à travers les surfaces urbaines : Des revêtements imperméables aux structures-réservoirs ; Bulletin des laboratoires des ponts et chaussées ; n° 238 ; Mai-Juin 2002 ; pp. 39-50 ; disponible sur : https://www.ifsttar.fr
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