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Submitted on 23 May 2006

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Prdiction des proprits de rtention en eau des solsdun bassin versant laide de fonctions de

pdotransfert : influence de la densit apparente et de lateneur en lments grossiers

Xavier Morvan, Ary Bruand, Isabelle Cousin, Jacques Roque, Nicole Baran,Christophe Mouvet

To cite this version:Xavier Morvan, Ary Bruand, Isabelle Cousin, Jacques Roque, Nicole Baran, et al.. Prdiction desproprits de rtention en eau des sols dun bassin versant laide de fonctions de pdotransfert :influence de la densit apparente et de la teneur en lments grossiers. Etude et Gestion des Sols,Association franaise pour ltude des sols, 2004, 11, pp.117-135.

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Etude et Gestion des sols, 11, 4, 2004

Prdiction des proprits de rtention en eau des sols dun bassin versant laide de fonctions de pdotransfert : influence de la densit apparente et de la teneur en lments grossiers

Xavier Morvana,b, Ary Bruandc, Isabelle Cousinb, Jacques Roqued, Nicole Barana, Christophe Mouveta aBRGM, Service EAU/GRI, 3 av. Claude Guillemin, BP 6009, 45060 Orlans cedex 2, France. bINRA, Unit de Science du Sol, Centre de Recherche d'Orlans, BP 20619, 45166 Olivet cedex, France. cISTO, UMR 6113 CNRSUO, Universit d'Orlans, Gosciences, BP 6759, 45067 Orlans cedex 2, France. dINRA, Unit INFOSOL, Centre de Recherche d'Orlans, BP 20619, 45166 Olivet cedex, France. RESUME

Lobjectif est dtudier la qualit de lestimation des proprits de rtention en eau faite laide de fonctions de pdotransfert (FPT) pour les sols dun bassin versant de 250 hectares. Ce bassin versant, situ proximit de Mantes-la-Jolie, au nord-est de Paris, possde des sols limoneux limoneux-argileux profonds sur la moiti de sa surface, lautre moiti correspondant des sols caillouteux. Aprs une prospection pdologique dtaille, 15 horizons types ont t dfinis (Tableau 1), puis 22 units typologiques de sol (UTS) correspondant la superposition de plusieurs horizons types et enfin 11 units cartographiques de sols (UCS) regroupant plusieurs UTS (Tableau 2). Les proprits de rtention en eau des horizons types ont t dtermines au laboratoire pour 8 valeurs de potentiels variant de 10 15000 hPa et, en parallle, estimes laide des FPT proposes par Hall et al. (1977), Jamagne et al. (1977), Rawls et al. (1982), Vereecken (1989), Bastet (1999) et Bruand et al. (2002) pour des valeurs de potentiel appartenant ce mme domaine.

Laptitude des FPT rendre compte des variations des proprits de rtention en eau mesures pour les horizons types est trs variable selon les FPT considres (Tableau 4). Comme dautres tudes lont dj montr (Bastet, 1999, Tietje et Tapkenhinrichs, 1993, Wsten et al., 2001), la proximit gographique de la zone dtude par rapport celles ayant servi de base aux FPT et la similitude des matriaux parentaux sont des lments importants prendre en compte pour apprcier laptitude potentielle de FPT estimer les proprits de rtention en eau de sol.

Une classification par texture, ou par texture et densit apparente, pralablement ltablissement de FPT, permet damliorer la qualit des estimations. La texture et la densit apparente apparaissent donc comme des grandeurs dterminantes pour estimer correctement les proprits de rtention en eau des horizons de sols tudis. Toutefois, la densit apparente lchelle de lhorizon peut conduire prendre en compte un volume de pores qui ne contribuent pas la rserve en eau du sol, car de trop grande taille, et donc conduire certaines FPT surestimer largement les valeurs de teneurs en eau.

Pour les sols qui possdent des lments grossiers, dont la prsence nest pas prise en compte par les FPT, une correction des teneurs en eau mesures et calcules, visant les exprimer par rapport la seule fraction fine (< 2 mm) des horizons, ne permet toutefois aucune FPT de donner des

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rsultats satisfaisants pour les sols caillouteux. Ces sols caillouteux, le plus souvent peu pais, sont ceux pour lesquels la mesure des proprits de rtention en eau demeure la plus difficile obtenir, aucune mthodologie adapte ntant disponible lheure actuelle.

Mots cls Fonction de pdotransfert, rtention en eau, bassin versant, densit apparente, lments grossiers, estimation spatiale

SUMMARY

The aim of this study was to discuss the prediction of soil water retention with pedotransfer functions (PTFs) when applied to the soils in a 250 ha watershed. The latter is located in the Vexin, 75 km north east of Paris. On half of the surface, the soils are deep and loamy, while on the rest of the watershed, soils are shallow and stony. A detailed pedological survey led to the identification of 15 main soil horizons (HTS) (Table 1), and 22 soil typological units (UTS) resulting from the superposition of several HTS (Table 2), and finally 11 soil mapping units (UCS) that result from the combination of several UTS (Table 2). Water retention properties were measured on each HTS in the laboratory at 8 pressure head values (from 10 hPa to 15 000 hPa). Then, they were predicted by using the continuous and class PTFs.

Our results showed that the validity of the PTFs was highly variable (Table 4). Geographical proximity and similar parent material of the soils used to develop a continuous PTF appeared to be pertinent information to assess its accuracy and reliability when used to predict the water retention properties of the soils of the watershed studied. Our results showed also that class PTFs using classification according to texture, and to both texture and bulk density led to satisfactory prediction accuracy. However, bulk density of soil horizon may take into account a large amount of large pores that do not contribute to the water reserve of the soil. This led to great overestimations with several PTFs, especially for topsoil horizons.

Finally, for stony soils, water content retention properties were corrected to take both stone and gravel content into account. This did not lead to more accurate PTF prediction. The prediction of the water retention of stony soils remains difficult to obtain because of the lack of suitable methodology.

Key words pedotransfer function, water retention properties, watershed, bulk density, rock fragments, spatial variability

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La connaissance des proprits hydriques des sols, proprits de rtention en eau et conductivit hydraulique, est ncessaire la description des transferts d'eau et de soluts. Les exigences de prlvement (sol une teneur en eau proche de la capacit au champ) et de conservation des chantillons (absence de perturbation mcanique pour travailler sur des chantillons non remanis, 35C dans des containeurs tanches pour limiter lactivit biologique), ainsi que la lourdeur des protocoles de mesure, rendent ces proprits contraignantes mesurer au laboratoire et il est difficile dobtenir sur le terrain des valeurs sur une gamme de potentiel aussi large quen laboratoire. Si la mesure de ces proprits reste possible lors d'une tude locale ou sur un nombre restreint de sites, elle est en revanche difficile, voire impossible, lorsqu'il s'agit de rendre compte, dans des dlais et des budgets souvent trs limits, des transferts d'eau et de soluts l'chelle dun bassin versant et a fortiori de grands territoires. Pour rpondre la ncessit de connatre les proprits hydriques de faon exhaustive des sols sur un territoire donn, on a frquemment recours leur estimation par des "fonctions de pdotransfert" (FPT ; Bouma et Van Lanen, 1987). Celles-ci permettent le calcul des proprits hydriques partir de caractristiques des sols plus facilement mesurables que ne le sont les proprits de rtention en eau et la conductivit hydraulique. De nombreuses fonctions de pdotransfert ont t proposes dans la littrature, notamment en ce qui concerne les proprits de rtention. Quelques tudes ont t ralises pour apprcier dans quelle mesure elles peuvent tre utilises pour estimer les proprits de rtention en eau de tel ou tel ensemble de sols (Williams et al., 1992, Tietje et Tapkenhinrichs, 1993, Kern, 1995, Bastet et al., 1998 et 1999 ; Wsten et al., 2001).

En ce qui concerne les proprits de rtention en eau, qui font lobjet de cette tude, les FPT peuvent tre regroupes en deux ensembles distincts selon que les proprits de rtention des sols sont estimes de manire ponctuelle ou continue.

Avec les FPT appartenant au premier ensemble, on estime la teneur en eau des sols () pour des valeurs ponctuelles du potentiel (h) qui varient entre 10 hPa (pF=1,0) et 15000 hPa (pF=4,2). Le nombre de valeurs de potentiel pour lesquelles on peut calculer la teneur en eau varie selon les FPT de 2 12. Les FPT peuvent avoir la forme dune relation mathmatique reliant des caractristiques de constitution comme les pourcentages dargile, de sable et de limon, la densit apparente et la teneur en carbone organique ; cest le cas des FPT proposes par Hall et al. (1977), Gupta et Larson (1979), Rawls et al. (1982) et Bruand (1990). Elles peuvent aussi avoir la forme dune relation logique qui fait correspondre, une classe de composition, un ensemble de valeurs de en fonction du potentiel ; on parle alors plutt de classe de pdotransfert. Le tableau de vale