Simulateur de pluie Cornell
M2 - dispositif évaluant le ruissellement et l'infiltration
Résumé
Une pluie est simulée à l'aide d'un dispositif portable. Les mesures permettent d'évaluer l'infiltration et le ruissellement de la station de mesure. Le dispositif peut aussi être utilisé pour évaluer la stabilité structurale des agrégats du sol face à l'érosion hydrique.
Questions posées
Quelle est la part des précipitations infiltrées et celle du ruissellement lors d'une pluie d'une intensité connue ?
Comment se comporte mon sol face à l'érosion hydrique ?
Sources
Université Cornell , Ithaca, Etat de New York, USA
Principes
Un réservoir d'eau conçu pour appliquer le principe du vase de Mariotte, laisse s'écouler, à débit constant, des gouttes d'eau sur le sol. Sous ce réservoir, un cylindre métallique équipé d'un tuyau permet de récupérer l'eau de ruissellement. L'eau infiltrée dans le sol est déduite par le calcul.
Matériels
simulateur de pluie en plexiglas avec son tube bulleur et le bouchon
anneau métallique et tuyau de récupération des eaux de ruissellement
massette et planche en bois martyr pour enfoncer le cylindre
tube gradué de 1000 ml
béchers de 1000 ml (2)
jerrican d'eau
entonnoir
chronomètre
niveau à bulle
balance de terrain
carnet de notes
Réalisation de la mesure
Le simulateur doit être préalablement calibré pour connaitre son débit selon la profondeur d'enfoncement du tube bulleur dans le réservoir.
nettoyer la station de mesure (cailloux, débris végétaux et autres) notamment pour ne pas entraver le ruissellement en bouchant le tuyau.
éviter les sols fissurés et les galeries d'animaux fouisseurs ...
placer l'anneau d'infiltration en fonction de la micro-topographie, de façon à ce que le trou et le tube de sortie soient en pente descendante.
enfoncer l'anneau jusqu'à ce que la base du trou de sortie affleure. L'enfoncement s'effectue en plaçant une planche de bois martyr sur laquelle on frappe avec un maillet. Vérifier l'horizontalité avec un niveau.
placer le tuyau et réaliser un trou dans le sol au bout de celui ci, d'une taille suffisante pour y placer un bécher
Placer le simulateur de pluie sur une surface plane et propre en prenant soin de protéger les tubes d'égouttement. Retirez le grand bouchon. Le remplir d'eau. Un grand entonnoir avec un filtre facilite le déversement et aide à éliminer les débris qui pourraient s'accumuler dans l'appareil et boucher les tubes d'égouttement. Enfoncer les bouchons en utilisant de la graisse sous vide pour les rendre étanche à l'air. L'air ne doit entrer que par le tube à bulles.
Si nécessaire, soufflez doucement dans le tube à bulles pendant quelques secondes pour éliminer les bulles d'air des tubes capillaires. Cela devrait être fait avant la première mesure, mais pas par la suite. Pincer le tuyau en caoutchouc du tube à bulles avec le collier de serrage ou la pince (clamp). Le simulateur de pluie ne perdra pas d'eau lorsque le tube à bulles est pincé et que le bouchon est en place.
Placez soigneusement le simulateur de pluie sur l'anneau de façon à ce que la base de l'appareil soit au même niveau que le haut de l'anneau. Éviter de cogner les extrémités des tubes capillaires avec la bague. Les tubes sont fragiles et peuvent se briser.
Mesurez et notez la hauteur initiale de l'eau (H1) dans la fenêtre en lisant la hauteur à côté de la règle. Retirer le collier (ou clamp) du tube à bulles et démarrer le chronomètre.
Surveillez le tuyau pour détecter le premier signe de ruissellement dans le bécher et notez l'heure (TRO) et le niveau d'eau. Prendre des mesures supplémentaires à intervalles réguliers. Des intervalles de 3 à 5 minutes sont suggérés mais dépendront de la quantité de ruissellement.
Pour prendre une mesure du volume d'eau de ruissellement, bloquez temporairement l'écoulement sortant de la tubulure et changez rapidement de bécher. En même temps, lire le niveau d'eau sur la règle située sur le côté de l'infiltromètre. Le niveau d'eau et le temps ont été mesurés (t).
Si le bouillonnement du tube à bulles interfère avec la prise de mesure, placez le doigt sur l'extrémité du tube à bulles momentanément pour arrêter la turbulence, puis prenez la mesure.
Tarer le cylindre gradué sur la balance de terrain et verser l'eau du bécher collecteur dans le cylindre en prenant soin de ne pas renverser. Inscrire le poids (Vt) sur la fiche technique. Jeter l'eau et entreposer la bouteille et le bécher inclinés ou à l'envers pour évacuer l'eau résiduelle. Re-tarer le cylindre avant chaque mesure.
Réaliser les mesures à intervalle défini aussi longtemps que vous le désirez ou jusqu'à ce que le niveau d'eau atteigne le fond du tube à bulles. Arrêter l'opération avant que le niveau d'eau soit plus bas que la base du tube bulleur.
Retirer le simulateur de pluie de l'anneau et le placer sur une surface propre et plane. Laisser l'eau dans l'anneau continuer à s'écouler de la tubulure jusqu'à ce qu'elle cesse de remplir le bécher. Mesurez cette quantité. Avec une poire en caoutchouc, aspirer toute l'eau accumulée dans l'anneau, puis peser et noter la quantité.
Vider les restes d'eau du simulateur de pluie. Enlever l'anneau d'infiltration et remplir les trous avec la terre déplacée.
Au laboratoire, rincer le simulateur de pluie avec une solution à 10% d'eau de Javel domestique après chaque utilisation. Ceci empêchera la croissance microbienne dans les tubes capillaires.
Traitement des données
Débit des précipitations simulées (rainfall rate)
r en cm min-1 H1= hauteur d’eau initiale (cm) H2 = hauteur d’eau finale (cm) Tf = durée de la mesure (min)
Débit de l’écoulement de surface (runoff rate)
rot en cm min-1, a = aire de l’anneau (cm2), t = durée de l’écoulement (min), Vt = volume de l’écoulement (cm3)
Débit d’infiltration (infiltration rate)
It en cm min-1
Estimation de la sorptivité
TRO = temps avant l’écoulement initial (min) (time to runoff), r= débit de l’écoulement (cm/min)
Recommandations
Si le ruissellement met un temps excessif avant de s'écouler, c'est peut être à cause d'une fissure dans le sol ou d'une galerie . Déplacez le simulateur.
Le fonctionnement à la lumière directe du soleil peut entraîner la formation de bulles d'air et boucher les tubes capillaires, ce qui ralentira ou arrêtera l'égouttement. Faite de l'ombre pour protéger le simulateur de pluie du soleil.
Il est recommandé de remplir les jerricans d'eau 24 h avant pour que l'air s'échappe de l'eau.
Si un tube capillaire est cassé ou bouché, il peut être remplacé.
Interprétation des résultats
CF. le document de l'Université Cornell Field Procedures and Data Analysis for the Cornell Sprinkle Infiltrometer.
Références
OGDEN, Van ES, SCHINDELBECK, 1997, Miniature rain simulator for field measurement of soil infiltration","Minuature rain simulator for field measurement of soil infiltration","Soil Science Society of America Journal 61(4)" doi:10.2136/sssaj1997.03615995006100040008x
Cornell University, Field Procedures and Data Analysis for the Cornell Sprinkle Infiltrometer. Department of Crop and Soil Sciences Research Series R03-01.
CDPR- 2005, Standard operating prodedure - Measuring infiltration rate with a Cornell sprinkle infiltrometer
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