Dynamique du cycle de l’eau

                                             DYNAMIQUE DU CYCLE DE L'EAU 

Source: Lefebvre Mathilde, 20/09/2022, Reutenbourg.

Sortie de terrain dans le cadre du cours “Dynamique du cycle de l’eau” 

Encadré par Carmen De Jong.

Sommaire

1/ Objectifs et hypothèses p.3

2/Caractéristiques du site                   p.3-5

Carte 1: Carte de Reutenbourg, d’après Google Earth p.3

Carte 2: Carte topographique de notre zone d’étude à Reutenbourg p.4

Carte 3: Carte de synthèse de notre zone d’étude à Reutenbourg p.4

3/ Méthodologie         p.5-6

4/ Graphique

5/Discussion et Conclusion     p.11-14

6/Annexe     p.15-24

1/ Objectifs et hypothèses:

Les 20 et 21 septembre 2022, nous avons effectué deux jours d’étude sur un terrain dans le cadre du cours: “dynamique du cycle de l’eau”. Nous avons recueilli des données hydrologiques dans le bassin versant de la commune de Reutenbourg. Nos objectifs sont multiples. Dans un premier temps nous voulons mieux comprendre les dynamiques du cycle de l’eau, déterminer quelles sont les relations entre la météorologie et ces dynamiques, mais aussi entre le type de sol et la qualité de l’évaporation ou de l’infiltration de l’eau par exemple. Nous voulons comprendre dans la globalité les changements de dynamiques du cycle de l’eau en fonction de l’environnement.

Nos hypothèses de départ sont que les dynamiques du cycle de l’eau sont conditionnées par les variations météorologiques et donc très sensibles à ces changements. Le cycle se déroule différemment en fonction de l’environnement terrestre; présence et type de végétation, pentes ou encore types de sols.  Il y a donc une évaporation plus importante dans un milieu exposé au soleil qu’un milieu ombragé, et quand les températures de l'air et de l’eau sont élevées. L’humidité relative de l’air joue aussi un rôle. Nous pensons aussi qu’un sol végétalisé par de grands arbres aura une plus grande capacité d’infiltration, dûe au fait que la végétation puise l’eau dans le sol pour se développer. Leur présence pourrait limiter l’évaporation en apportant de l’ombre et en transpirant, chargeant ainsi l’air en humidité. Les champs labourés peuvent absorber facilement l’eau car ils ne sont pas compacts. 

2/Caractéristiques du site:

Pour la sortie de terrain nous avons formé un groupe de trois afin de réaliser une prise de données sur une zone choisie (voir cartes 1, 2, 3 ci-dessous). Dans la zone d’étude, nous avons défini trois sites principaux représentatifs de la diversité de la zone d’études.

Carte 1: Carte de Reutenbourg, d’après Google Earth.

Carte 2: Carte topographique de notre zone d’étude à Reutenbourg, d’après Lucie Le Frère(source de données: carte IGN, Géoportail).

Carte 3: Carte de synthèse de notre zone d’étude à Reutenbourg, d’après Lefebvre Mathilde.

Notre site d’étude se situe à une altitude moyenne de 293 mètres d’altitude et comprend une pente d’en moyenne 10,833%, descendant vers le nord.

Un champ de maïs récolté surplombe l’espace ( entre 300 et 306 m d’altitude ). La terre labourée est à nu à l'exception des pieds de maïs coupés et desséchés laissés où ils ont été plantés. Il est exposé en plein soleil

Un chemin en terre et deux butes d’herbe le sépare de la prairie. Celle-ci est constituée d’herbes vertes épaisses, probablement destinées aux pâturages. Quelques arbres ( cerisiers, pruniers…) forment des vestiges de haies très éparses.En contrebas, une haie épaisse de noyers, noisetiers et buissons d’aubépine délimite la parcelle. A l’Est, le ruisseau du Kuhbach présent sur les cartes n’était pas visible, il est tari.

La première journée était principalement nuageuse et ensoleillée. Les températures ont varié entre 22°C à 11h30 et 15,5° C à 17h à un mètre du sol. Le deuxième jour était plus ensoleillé, mais avec aussi plus de vent et un ciel très variable. Il y a eu un peu de pluie vers 14h/14h30. Les températures du matin, entre 13,1 à 9h et 18,8°C à 11h30, sont plus basses que celles de la veille. Elles sont cependant plus élevées l'après-midi, avoisinant les 20°C et atteignant 22,6°C à 16h. L’herbe était mouillée depuis notre arrivée jusqu’à environ 12h30.

3/ Méthodologie:

Pour recueillir les données, nous avons choisi 3 sites principaux :

• Site 1: Une prairie exposée au soleil, où nous avons construit la station météorologique, et mis un bac de calcul d’évaporation dans lequel nous avons laissé un thermomètre depuis le premier jour de récolte de données.

• Site 2: Proche des haies, à l’ombre, où nous avons mis en place une piche ainsi qu’un bac à calcul d’évaporation dans lequel nous avons laissé un thermomètre à partir du deuxième jour.

• Site 3: Dans un champ de maïs, exposé au soleil dans lequel nous avons mis un bac à calcul d’évaporation, contenant un thermomètre placé le deuxième jour également.

Nous avons utilisé différents appareils de mesure pour réaliser nos prises de données.

Tout d’abord,pour le site 1, nous avons mis en place des appareils de mesure de la température de l’air ainsi que du pourcentage d’humidité relative de l’air à 2 mètres du sol, à 1 mètre et au niveau du sol. Nous avons aussi pris la température à 15 cm sous terre. Ces appareils sont simples à comprendre, ils affichent les données sur des écrans. 

La station comportait également une piche évaporomètre, placée à 1, 45 mètres de hauteur. Les données ont été exprimées en mm. 

Enfin, nous avons placé un bac en plastique contenant de l’eau sur une balance. Il permet de mesurer en gramme la fluctuation de l’eau entre évaporation et condensation. Un thermomètre placé dans l’eau du bac nous donne sa température.

L’association de ces mesures permet de mettre en lien l’évaporation et la température ou l’humidité de l’air par exemple.

Le site 2 possède aussi une piche attachée à une branche de la haie à 1,50 mètres. Avec un bac d'eau sous une balance, similaire à tous les sites, contenant un thermomètre.

En ce qui concerne le site  3, nous avons seulement placé un bac d’évaporation, de la même façon que pour les autres sites.

 Avoir 3 bac d’évaporation dans 3 sites avec différents contextes nous permet de comparer et donc de mieux appréhender les dynamiques du cycle de l’eau et les contextes plus ou moins propices à son évaporation.

Pour que nos données soient complètes nous avons aussi fait deux expériences: une pour mesurer l’infiltration de l’eau dans les sols proches des 3 bacs d’évaporation, et une pour mesurer le compactage du sol avec un pénétromètre.  Nous avons fait cette expérience à cinq reprises sur différents types de sol (voir carte ci-dessus). 

  Pour mesurer l’infiltration de l’eau, il nous a fallu un seau de 29 cm de diamètre ouvert sur le fond, ainsi qu’un instrument de mesure et 5 litres d’eau préalablement renversés dans un sac plastique. Le principe était de mesurer la vitesse d’infiltration de l’eau,  versée dans le seau dont le contour a été imperméabilisé avec de la boue. 

 

(Source: Mesure de l’infiltration de l’eau dans le sol, près du site 2, 21/09/2022, Lefebvre Mathilde.)

L’expérience du pénétromètre a nécessité une règle de mesure, un poid ( marteau) de 5 kilos que l’on faisait glisser sur une tige en métal afin de mesurer le compactage du sol. Le nombre de coups du marteau calibré et la hauteur associée à chaque coup nous indique à quel point le sol est compact.

5/Discussion et Conclusion

Notre zone d'étude se situe au cœur d'une zone agricole hétérogène, aussi, l’utilisation du sol y est diverse. Notre premier site se situe dans une prairie exposée au soleil, avec un sol riche composé d’argile limoneuse calcaire peu profonde avec un ruissellement majoritaire. Le second site se localise à l’ombre près d’une haie en contrebas de la prairie. Le sol y est similaire: principalement argileux/limoneux/calcaire. Situé au point le plus haut de notre zone d’étude, le site n°3 s’implante vers le milieu d’un champ de maïs. Le sol était friable facilement érodable par l’eau et le vent. 

En ce qui concerne le jour 1 le graphique des températures nous indique une augmentation constante des températures, à 1 mètre du sol, jusqu'à 14h puis une grande diminution de 4,9 °C qui se finit à 15h30 avec un pic de température à 19,1°C pour décroitre lentement jusqu’à la fin de notre prise de données.

Si l’on transpose ses données aux graphiques d’humidité relative de l’air, on se rend compte qu’il y a une certaine corrélation. En effet, nous avons une baisse de l’humidité relative de l’air à 1 mètre jusqu’à 14h: de 52% d’humidité relative à 10h30 à 45% à 14h. Pour donner un deuxième exemple, lorsque que la température de l’air décroît à partir de 15h30, on observe une augmentation de l’humidité relative de l’air.

Cet effet se constate durant notre prise de données. On peut donc en conclure qu’il y a un lien entre la baisse de l’humidité relative et l’augmentation de la température. 

De ce fait, on peut se demander si l’effet des températures se répercute sur la somme d’évaporation et de la condensation des bacs 1,2,3. Si l’on met le graphique des bacs du jour 1 en parallèle avec le graphique des températures, on se rend compte que la température est un facteur important d’évaporation. Comme nous le pensions, l’évaporation est plus importante dans les sites exposés au soleil, donc avec une température plus élevée. Par exemple, si l’on regarde la somme d’évaporation du bac 2, exposé la plupart du temps à l’ombre près des haies, il montre une évaporation plus faible que les bac 1 et 3 qui étaient exposés au soleil.

Cependant, on constate que les résultats de l’évaporation et de la condensation sont très variables: ils ont été très sensibles aux variations météorologiques. La précisions de nos données était impactée par le vent qui faisait fluctuer le poid affiché par les balances. Le  jour 1, le bac n°2  présente un pic de condensation (12 grammes en plus) entre 13h30 et 14h dont nous n'avons pas pu identifier d’autre cause que le vent faisant bouger l’eau. 

En effet, il n’y avait aucune pluie ni nuage, l’humidité de l’air était descendante et la température augmentait à ce moment. 

Le bac 1 et 3 ont eux aussi subi ce phénomène (environ 7 grammes de plus pour chaque bac) 30 minutes après le bac 2.

Pour le jour 2, le graphique des températures montre moins de variations de température que celui du jour 1. Les courbes de température augmentent doucement, signe d’un réchauffement global de 9h à 16h. Cependant, une courbe sort du lot; la température de l’eau du bac n°2, celui à l’ombre. En effet, il commence avec une température plus froide que les autres bacs d’évaporation: 5°C au lieu d'environ 10°C pour les bac 1 et 3. La courbe du bac 2 augmente progressivement jusqu’à atteindre un pic de 13h à 13h30 (20,6°C) dépassant les autres bacs, pour finir à 16 heures avec la température la  plus chaude des trois. Son augmentation est plus lente jusqu’à 12h30 à cause de sa situation ombragée et près des haies mais à partir de 13h, le soleil tourne et ses rayons atteignent le bac et le réchauffent. Dès lors que le bac 2 est exposé au soleil, on constate une plus forte évaporation avec 36 grammes d’eau en moins en 2h30. Cela confirme notre hypothèse; le facteur solaire est primordial pour une meilleure évaporation.

Si l’on reprend le graphique d’humidité relative du  jour 2, on constate comme pour le jour 1 une corrélation. La somme totale des évaporations est plus forte dans les bacs exposés au rayon solaire: le bac 3 (champs de maïs) et le bac 1 (station météorologique), tandis que le bac 2 à de plus grandes variations de condensation et  d’évaporation, bien que cette dernière reste plus faible comparée aux deux autres bacs.

Cependant, un facteur à ne pas oublier est l’altitude. En effet, le bac 2 est situé en contrebas de la prairie à 280 mètres d'altitude alors que le bac 1 est à 295 mètres et le bac 3 à 304 mètres. L’altitude peut jouer sur l’écart de température et ainsi favoriser l’évaporation à plus basse altitude. Cependant, d’après les mesures d'infiltration et de compactage, on se rend compte que la zone située à la plus basse altitude est aussi celle avec l’infiltration de l’eau la plus longue, corrélée à un compactage du sol plutôt important. Cela est sûrement dû au ruissellement de l’eau sur la pente qui entraîne une saturation des sols.

Si l’on examine maintenant les graphiques d’évaporation des piches jours 1 et 2, on voit que celles-ci ont toutes une faible augmentation. Les piches de la station météorologique ont une courbe plus régulière. Elles ont évaporé le premier jour: 0,28 mm d’eau, le deuxième jour 0,26 mm d’eau. Le niveau d’évaporation est à peu près le même, étant donné que les deux jours ont eu plus ou moins les mêmes conditions météorologiques. Cependant, la piche située dans le secteur des haies a des données moins linéaires. Le jour 1 nous avons 0,02 mm d’évaporation totale et le deuxième jour 0,16 mm d’évaporation. On constate donc une grande différence qui peut s’expliquer, le jour 1, par la mise en place de la piche des haies plus tardive que celle de la station donc un manque de données plus grands. 

Cependant, le jour 2 les données sont prises dans le même lapse de temps avec un horaire de début et de fin similaire. On constate ainsi, d’après les piches de la haie et de la station, qu’il y a eu dans le secteur de la haie beaucoup moins d’évaporation que dans le secteur de la station météorologique. Il y a un écart de 0,10 mm d’eau évaporée entre les deux. Cela nous confirme bien le rôle prépondérant que joue l’environnement dans l’évaporation.

Pour compléter nos données, nous avons pris des mesures d'infiltration proche de nos 3 sites d’étude. Contrairement à nos hypothèses, l'infiltration du bac 2 près des haies était plutôt lente. La présence de végétation limitant l’évaporation et sa situation en bas de la pente donnaient un sol saturé en eau. Le sol étant riche: composé d’argile limoneuse calcaire à saturés  en eau, le rendant plus imperméable.

Les mesures d’évaporation prises aux champs de maïs et à la prairie restent assez similaires. L’évaporation y était rapide. Le sol du champ de maïs étant très poreux et venant d'être labouré a évaporé l’eau un peu plus vite que le sol de la prairie. On peut donc en déduire qu’un sol cultivé nu de maïs va avoir un besoin plus fort d’eau qu’un sol de prairie, vu le niveau d’infiltration rapide de celle-ci dans le sol.

En ce qui concerne les données recueillies par le pénétromètre, on constate que le compactage du sol est lié aux mesures d'infiltration de l’eau. 

En effet, un sol compacté ne permet pas une bonne infiltration de l’eau dans le sol et peut créer une saturation en eau des couches supérieures et donc une certaine imperméabilité de celles-ci.

Les mesures de pénétromètre dans le champ de maïs, le champ labouré et dans la prairie à l’ombre des haies nous indiquent que le sol des sites est un sol très poreux et aéré. Le pénétromètre rentre facilement dans le sol des 3 sites, cela s’explique par la capacité d’infiltration de l’eau importante pour le champ de maïs et le champ labouré. Cependant, l’eau a mis du temps à s’infiltrer sur le site proche des haies à l’ombre mais les mesures du pénétromètre indiquent un sol poreux et non compact. La porosité pourrait s’expliquer par les apports de la végétation (racines) sur le sol. De plus, en contrebas de la haie les mesures du pénétromètre nous indiquent un plus grand compactage: on passe de 19,7 cm restant pour les mesures du haut de la haie à 24,3 cm restant pour les mesures du bas de la haies pour la même énergie. Enfin, les données prises sur le site de la prairie nous indiquent que le sol est plus compact que les autres sites malgré sa capacité d'infiltration rapide.

Pour conclure, on se rend compte que la dynamique du cycle de l’eau est fortement marquée par les différents milieux dans lesquels elle évolue. L’environnement joue un rôle prépondérant dans l’évaporation de l’eau ainsi que son infiltration. En effet, pour comprendre cette dynamique il faut prendre en compte un environnement global qui ne fait que varier au fil du temps. Le facteur solaire est très important pour permettre une évaporation rapide de l’eau mais n’est pas exclusif il faut aussi prendre en compte la surface d’évaporation, la végétation autour, l’humidité relative…. En ce qui concerne l’infiltration de l'eau, elle est importante dans les sols riches et aérés. Plus le sol est compact, moins l’infiltration sera rapide. L’infiltration varie selon le type de sol. La saturation en eau est un élément à prendre en compte car elle rend le sol imperméable et plus propice aux ruissellements. 

6/Annexes