FR3112152A1 - Procédé de construction et de gestion durable d’un terrain de sport hybride engazonné - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de construction et de gestion durable d’un tel terrain de sport hybride engazonné, avec gestion d’une nappe d’eau peu profonde dans la structure du terrain de sport, qui comprend : - une première étape de construction d’une structure (S) posée sur un fond (F), ladite structure comprenant N couches poreuses (Ci) superposées ; - une deuxième étape d’installation d’un gazon à la surface de la couche supérieure (C1), ladite installation dudit gazon pouvant être réalisée par semis ; - et une étape de gestion de la profondeur (Ppiézo) du niveau piézométrique de la nappe d’eau à l’intérieur de la structure (S), pour permettre une bonne hydratation du gazon par flux capillaire depuis ladite nappe. Parmi les N couches, une couche hybride (H) est constituée soit (i) d’un substrat de culture qui comprend des éléments synthétiques de renforcement, soit (ii) d’un substrat de culture qui se partage l’espace de la couche hybride (H) avec des éléments synthétiques de renforcement ; Application notamment pour la réalisation de terrains de sports. Fig.1
Description
Les terrains de sport concernés par la présente invention sont des terrains hybrides engazonnés dont la structure et le mode de fonctionnement sont destinés à procurer une couverture engazonnée durable et de qualité et un impact positif sur l’environnement.
Dans cette perspective, la présente invention concerne un procédé de construction et de gestion durable d’un tel terrain de sport hybride engazonné, avec gestion d’une nappe d’eau peu profonde dans la structure du terrain de sport, permettant d’assurer simultanément la sub-irrigation spontanée par capillarité et une bonne aération et oxygénation du substrat , et permettant d’ optimiser qualité, résistance et performance sportive du gazon et favorisant enfin une gestion éco-responsable du terrain en terme de gestion de l’eau et d’économie de l’énergie.
Même si l’invention ne se limite pas à ce type de terrain de sport, l’invention concerne de préférence des terrains hybrides engazonnés destinés à être utilisés pour une pratique sportive impliquant d’y faire courir des sportifs (bipèdes ou quadrupèdes) et destinés à procurer une réponse mécanique satisfaisante pour la pratique du sport considéré. Cette problématique complexe de la réponse mécanique du gazon sportif est en effet au cœur de la réflexion inventive. La description qui suit est faite à partir de cette problématique complète.
Dans cette perspective, la présente invention concerne un procédé de construction et de gestion durable d’un terrain de sport hybride engazonné, avec gestion d’une nappe d’eau peu profonde dans la structure du terrain de sport, permettant d’assurer la sub-irrigation par capillarité de façon spontanée et simultanément une bonne aération et oxygénation du substrat , permettant d’optimiser qualité, résistance et performance sportive du gazon et favorisant enfin une gestion éco-responsable du terrain en terme de gestion de l’eau et d’économie de l’énergie, y compris en cas d’utilisation de la structure pour la climatisation hivernale et estivale du substrat, du gazon et de son environnement.
Le terrain de sport hybride engazonné durable selon l’invention comprend une structure
(S) posée sur un fond de forme (F) , cette structure comprenant(i)une ou plusieurs couches poreuses homogènes superposées, dont au moins une couche de jeu hybride (H) ,(ii)un gazon dont les racines sont ancrées dans cette couche de jeu hybride (H) et(iii)des moyens permettant d’amener de l’eau dans la structure ou de l’en évacuer, d’y constituer une nappe d’eau ( N ) et d’en gérer le niveau piézométrique à l’intérieur de la structure (S) à une faible profondeur ( Ppiézo) , qui peut être fixe ou bien varier entre une profondeur minimale ( Ppiézo min) et une profondeur maximale ( Ppiézo max).
Dans ce contexte, une caractérisation selon l’invention de la profondeur du niveau piézométrique de la nappe et de certaines caractéristiques du substrat, intrinsèques et accessibles de façon expérimentale, permet de garantir d’une part un flux capillaire estival capable de soutenir une évapotranspiration réelle à un niveau satisfaisant pouvant aller jusqu’au niveau de l’évapotranspiration potentielle estivale, d’autre part qu’une tranche superficielle d’oxygénation des racines ( TOR ), d’épaisseur ( PTOR) suffisante pour une profondeur de prospection racinaire satisfaisante, disposera toute l’année d’assez d’air connecté à la surface pour fournir aux racines et au sol une oxygénation spontanément adéquate et enfin une aération superficielle estivale de la structure de nature à prévenir les maladies estivales du gazon en période caniculaire.
De plus, en laissant le niveau de la nappe varier entre deux profondeurs différentes (Ppiézo min) et ( Ppiézo max) , par variation spontanée ou gérée, une version préférée de l’invention permet également de conserver dans la nappe une partie de l’eau des précipitations pour une hydratation des plantes différée dans le temps, notamment l’eau des précipitations hivernales pour l’hydratation estivale du gazon. Compte tenu de l’évaporation que l’on souhaite maximale en été pour favoriser la croissance et les services environnementaux du gazon ( photosynthèse, climatisation locale …) et compte tenu d’un bassin versant au moins égal à la surface du terrain mais qui peut être dans certaines réalisations de l’invention nettement plus important en utilisant l’eau tombant sur des surfaces en périphérie ( notamment les surfaces artificialisées comme pistes, tribunes, voies de circulation, parking, etc ), la capacité de stockage en eau dans la structure du terrain peut permettre selon les versions : a minima une forte économie d’eau, ou bien pour d’autres versions l’autonomie totale en eau pour les besoins annuels du terrain de sport ou même pour certaines versions l’autonomie en eau pour les besoins annuels du terrain de sport et d’autres surfaces supplémentaires d’espaces cultivés en dehors du terrain lui-même, et situés de préférence à proximité.
De plus, dans une version préférée de l’invention, la combinaison de la présence de la nappe dans la structure et du type de substrat choisi dans le cadre de l’invention est également utilisée de façon active pour optimiser la climatisation et l’oxygénation du substrat dans un mode de gestion particulièrement efficace et à la fois peu coûteux en énergie, grâce à la possibilité d’utiliser dans ce mode de gestion particulier les ressources énergétiques naturellement disponibles dans l’environnement du terrain. Déjà, de façon passive, la simple combinaison d’une nappe d’eau à faible profondeur et d’une faible teneur en eau près de la surface favorise la climatisation spontanée du substrat par conduction, grâce au flux de chaleur naturel qui maintient l’eau de la nappe à température plus fraiche que la température externe estivale et plus tiède que la température extérieure hivernale. Cependant, selon une version préférée de l’invention, l’utilisation active de moyens de convection d’air ascendante combinée à la structure avec nappe d’eau incorporée permet une optimisation éco responsable de la climatisation estivale et hivernale du substrat et des brins de gazon, en utilisant l’air porté à une température favorable, basse mais suffisante dans ce type d‘échange par convection, et permettant donc l’utilisation judicieuse des ressources énergétiques naturelles disponibles dans l’environnement du terrain, ce procédé convectif ne consommant qu’une énergie mécanique marginale par rapport à l’énergie calorique échangée avec le substrat et le gazon , et ce malgré une faible différence de température entre l’air circulant et le substrat climatisé.
Dans une autre version préférée de l’invention, qui peut être combinée à la précédente, une circulation active d’air à l’intérieur du substrat est également utilisable pour augmenter l’oxygénation du substrat ou pour accélérer le séchage du substrat. Une exigence fondamentale de la présente invention est son caractère autonome visant notamment à garantir que l’oxygénation des racines est toujours suffisante en mode passif par le seul comportement hydrique spontané par l’effet des forces de capillarité et de gravité qui résulte à la fois de la profondeur de la nappe et des caractéristiques intrinsèques des couches de la structure . Cela n’empêche pas pour autant que pour améliorer encore la pousse racinaire, le taux d’oxygénation peut être encore augmenté, de façon active, dans le cadre de l’invention, par convection d’air, de façon sporadique et peu coûteuse.
Ainsi, l’objectif de l’invention est de concilier plusieurs objectifs, difficilement conciliables entre eux par nature et en pratique jamais conciliés mais dont la combinaison est cependant hautement souhaitable pour la qualité et la durabilité du gazon et qui sont justement rendus compatibles entre eux par un réglage adéquat selon l’invention des paramètres déterminants du fonctionnement du système.
Les principaux objectifs de l’invention sont :
- de minimiser le coût économique de création puis de la gestion ultérieure du terrain
- d’améliorer la réponse mécanique du terrain par un profil hydrique relativement sec en surface et saturé en profondeur
- d’améliorer la qualité et la durabilité du gazon par une meilleure disponibilité en eau au niveau des racines combinée à un sol plus sec en surface avec meilleure oxygénation des racines
- d’atteindre une autonomie maximale en eau en récupérant et stockant pour utilisation différée les eaux de pluie d’un bassin versant comprenant à minima le terrain lui même
- d'améliorer l’efficacité énergétique de climatisation active du terrain par utilisation des calories ou frigories « naturelles » récupérables « gratuitement » in situ
- d'améliorer l’oxygénation active des racines par convection d’air sporadique peu coûteuse en énergie
- de bénéficier sans intervention humaine et par le seul choix des paramètres de construction d’une régulation naturelle, spontanée et optimale de l’irrigation par capillarité avec bonne aération du substrat
Le fonctionnement recherché est un fonctionnement durable : réglage passif spontané satisfaisant des caractéristiques physiques naturelles, amélioration active à faible coût énergétique de ces caractéristiques physiques au-delà des caractéristiques naturelles , optimisation des ressources naturelles (eau, calories), minimisation des coûts et impacts de création et entretien, stratégie alternative pour la prévention des maladies et la réduction des besoins de produits phytosanitaire par la maîtrise des conditions physiques.
D’emblée, cependant, ces objectifs induisent des contraintes divergentes et donc difficiles à concilier.
Ainsi, pour diminuer le coût économique et favoriser le flux estival il conviendrait, toutes choses égales par ailleurs, de diminuer la profondeur de la nappe tandis que pour améliorer l’oxygénation des racines et l’assèchement de la surface, il conviendrait à l’inverse d’augmenter cette profondeur de nappe et la taille de la porosité. De plus, pour disposer d’un volume de stockage intégré, il convient cette fois de faire varier la profondeur de cette nappe, le volume de stockage étant proportionnel au marnage et à la porosité totale moyenne dans la zone de stockage.
L’efficacité énergétique de la climatisation ou de l’oxygénation par convection est quant à elle favorisée par une faible profondeur et une forte porosité.
De plus, les terrains de sport selon l’invention ont pour objectif de répondre à une très large gamme d’exigences qui correspondent aux différents types de terrains de sport concernés par la présente invention.
Il y a en effet une grande variation du niveau d’exigence entre les terrains, déjà selon les différents sports concernés, mais également selon qu’il s’agit de terrains d’entrainement de petites communes ou de grands stades de clubs ou encore de plaines d’entraînement , exigences du gazon selon l’espèce spécifique de graminée choisie, variation des données climatiques et des exigences environnementales selon les régions , variation des choix budgétaires portant sur un investissement plus important pour un entretien et un service écologique améliorés ou bien le contraire, et avec un large choix de combinaisons possibles entrecoupes ces considérations.
Indépendamment de l’impact budgétaire lié au choix des différentes solutions possibles dans le cadre de l’invention, il n’est cependant pas toujours possible de mettre en œuvre des solutions, même si elles sont économiques et extrêmement performantes, comme des solutions qui peuvent être obtenues en faisant croître la profondeur totale de la structure, ce qui facilite l’aération superficielle en été et l’oxygénation superficielle en hiver et ce qui augmente la capacité de stockage de l’eau. En effet, dans beaucoup de cas, comme par exemple la rénovation d’un stade existant, la hauteur de la pelouse est déterminée par exemple par la hauteur de la piste d’athlétisme ou le niveau des tribunes et il n’est pas forcément possible de creuser sous l’actuelle pelouse au-delà d’une profondeur déterminée, du fait des infrastructures présentes comme par exemple l’existence d’une dalle béton à 25 cm ou même 50 cm de la surface.
Plus la profondeur totale est faible et moins on peut avoir de marnage entre la position hivernale et estivale et donc moins on peut stocker de l’eu dans la structure (ce qui n’interdit pas cependant d’avoir un stockage à l’extérieur, mais avec potentiellement un coût significativement plus important) . D’autre part, une teneur en air importante est d’autant plus difficile à obtenir en un point donné que ce point est proche de la nappe et les exigences concernant l’épaisseur des tranches oxygénées peuvent éventuellement avoir à être diminuées si la structure est très limitée en épaisseur totale. Dans ce cas, on peut par exemple choisir une graminée comme le Poa Supina qui a un réseau racinaire peu profond et conviendra pour une réalisation où l’on ne peut garantir une tranche bien aérée que sur seulement 5 cm plutôt qu’une graminée comme une fétuque élevée qui est particulièrement intéressante si l’on peut avoir une tranche aérée de 15 à 30 cm.
Aussi, pour pouvoir s’adapter à cette très grande variété d’objectifs concernant les terrains de sport, la présente invention offre elle aussi une large gamme de solutions de réalisations.
De ce fait, la structure du terrain de l’invention propose une large gamme de solutions très différentes entre elles mais qui obéissent toutes cependant à un même principe, qui peut être explicité de façon unique, ce qui nécessite cependant d’en adopter pour cela une description paramétrique des exigences et des solutions.
En revanche, du fait de la grande interdépendance de ces paramètres, la solution de l’invention n’est pas une simple solution paramétrée dont chaque paramètre pourrait varier indépendamment des autres dans sa propre plage de valeurs, mais, bien au contraire, il s’agit de paramètres liés entre eux et qui doivent entre eux respecter des relations bien définies selon l’invention.
Dans ce contexte, le choix selon l’invention s’est porté sur une nappe à faible profondeur tout en précisant les relations existant selon l’invention entre les paramètres, de façon à garantir l’obtention de conditions qui permettent d’obtenir un bon fonctionnement spontané du terrain, et notamment une aération suffisante en surface d’une part et une bonne hydratation du gazon d’autre part.
Si en effet l’efficacité d’une nappe à faible profondeur pour permettre à l’eau de remonter par capillarité depuis une nappe augmente quand la profondeur diminue, cette diminution de profondeur s’accompagne à l’inverse d’une difficulté de conserver une structure mécanique portante ainsi que de l’air et de l’oxygène au niveau des racines, l’ensemble de ces variations de performance ou de ces difficultés dépendant essentiellement elles-mêmes des caractéristiques intrinsèques du substrat. Il en est de même de la quantité d’eau que l’on désire pouvoir stocker dans la structure de la pelouse qui dépend à la fois du marnage de la nappe mais aussi de la porosité du volume de stockage , ainsi que la possibilité de faire remonter l’eau jusqu’au substrat depuis le volume de stockage mais qui dépend aussi du principe de gestion du niveau de la nappe qui doit être adapté aux saisons et au choix du bassin versant et dont un réglage judicieux peut permettre d’avoir une profondeur assez faible (niveau assez haut) au moment des précipitations que l’on souhaite stocker pour disposer du volume de stockage correspondant au volume d’eau des précipitations que l’on veut stocker.
Or, il convient de signaler que ce choix selon l’invention d’un type de culture avec nappe très peu profonde est parfaitement contraire à toutes les pratiques selon l’état de l’art, aussi bien de l’agriculture que des terrains de sport.
Ainsi, dans les champs, on considère en général qu’une nappe à moins de 60 cm, voire même 1mètre de profondeur, ne permet pas la circulation des engins de travail du sol sans orniérage et compactage dommageable et que le maintien sur une période prolongée de la nappe à une si faible profondeur aboutit à des problèmes d’hypoxie puis d’anoxie gravement préjudiciables à la respiration des racines et au développement des plantes que l’on souhaiterait cultiver pendant la période considérée. Aussi, quand dans les champs une nappe se maintient longtemps à moins de 1 mètre de profondeur, le principe traditionnellement retenu est de drainer le sol quand c’est possible pour faire descendre le niveau de la nappe ou, sinon, d’abandonner la culture de la parcelle correspondante. Une partie non négligeable des forêts correspond d’ailleurs à ce type de situation où la nappe trop proche de la surface d’une parcelle pendant une trop grande durée de l’année a fait considérer que ladite parcelle était incompatible avec l’agriculture, aboutissant à ce que ladite parcelle soit ensuite transformée en forêt, de façon naturelle par enfrichement ou de façon volontaire par action sylvicole. Aussi, le concept de culture en présence d’une nappe très peu profonde étant exclu de l’agriculture en général et de la culture de gazon dans les terrains de sport en particulier, on appelle traditionnellement « réserve utile » la part de l’eau retenue par capillarité après ressuyage de l’eau gravitaire ( ( correspondant à un PF proche de 2 à 2,5 selon la texture du substrat ) diminuée de la partie de l’eau retenue par des forces trop importantes pour être utilisable par les plantes ( PF 4,2 en général), car l’eau gravitaire , qui s’écoule en principe pour un PF inférieur à 2 n’est pas prise en considération pour le calcul de la possibilité d’hydratation des plantes du fait que la partie de la porosité correspondante est en principe remplie par de l’air une grande partie du temps ( sauf pendant les périodes de ressuyage après précipitation ou arrosage).
Or, les gazons de sport sont particulièrement concernés par ces problèmes car le gazon est une plante vivace persistante qui doit donc trouver des conditions de culture favorable toute l’année et pas seulement pendant les mois de culture correspondant aux conditions les plus favorables, d’autant plus qu’un grand nombre de terrains de sport sont justement utilisés avec un maximum d’intensité en période hivernale humide.
Ainsi, le choix selon l’invention d’une nappe dans la structure à très faible profondeur place le substrat et le gazon qui y pousse dans un contexte hydrique tout à fait différent, voire pratiquement opposé, puisque la pression capillaire dans le substrat est pratiquement partout et toujours inférieure à cette pression capillaire correspondant au point de ressuyage, de sorte qu’à l’équilibre, une part importante de la « réserve utile » se trouve toujours remplie d’eau ainsi même éventuellement qu’une partie de la porosité dite « porosité efficace » qui correspond à cette partie de la porosité du substrat qui se trouve remplie d’air après ressuyage pour une pression capillaire supérieure à la pression de ressuyage et qu’on appelle « efficace » pour la circulation d’eau dans le milieu poreux.
En effet, pour une nappe à quelques décimètres de la surface, la pression capillaire est, sur une bonne partie au moins de la structure, inférieure à la pression capillaire de ressuyage, de sorte que la réserve utile reste toujours pleine d’eau tandis qu’une partie de la porosité efficace qui devrait être pleine d’air après ressuyage pour une pression capillaire supérieure à la pression de ressuyage ne peut en fait jamais se vider complètement de son eau.
Dans ce contexte, on constate donc d’une part qu’une partie de ce que l’on appelle traditionnellement la « réserve utile » est en fait inutile et que c’est en partie l’eau de la porosité dite « porosité efficace », de porosité plus grossière qui est utilisée pour l’hydratation des racines, à la fois directement dans le substrat et indirectement car ce qui s’écoule est récupéré dans la nappe et remonte ultérieurement dans le substrat pour soutenir l’évapotranspiration.
De plus, on constate surtout qu’en présence d’une nappe très peu profonde la problématique principale n’est pas une teneur en eau suffisante pour l’hydratation mais une teneur en air suffisante pour assurer une aération satisfaisante du substrat.
Sur le plan mécanique, déjà, avec un substrat traditionnel (non hybride) il est connu qu’avec de faibles profondeurs de nappe, déjà de l’ordre de 1 mètre ou a fortiori de la moitié et encore pire pour une profondeur bien inférieure de quelques décimètres, comme c’est le cas selon l’invention, une profondeur de nappe aussi faible crée en surface et en sub-surface une teneur en eau trop élevée pour assurer une tenue mécanique suffisante.
Cependant, malgré la présence d’une nappe d’eau très peu profonde, et grâce à l’utilisation selon l’invention de ces substrats hybrides récemment développés permettant justement une tenue mécanique satisfaisante, même en condition de quasi saturation comme il peut en résulter du fait d’un orage spécialement violent juste avant ou pendant un match, il est désormais possible de respecter cette contrainte purement mécanique qui constituait d’emblée le premier obstacle incompatible avec une nappe d’aussi faible profondeur . Ainsi, on lève par l’utilisation des substrats hybrides l’obstacle mécanique résultant de la présence d’une nappe à très faible profondeur ; En se restreignant selon l’invention au seul contexte des structures comportant une couche hybride, cela permet une utilisation satisfaisante sur le plan mécanique, même avec une très forte humidité très proche de la surface.
Il reste cependant sur le plan agronomique le problème de l’aération superficielle en période caniculaire et le problème de l’oxygénation des racines. Ce problème d’aération, qui se pose en hiver et en été, quoique de façon différente, reste la principale difficulté du choix d’une nappe très basse. Aussi bien pour la respiration et l’hydratation du gazon que dans l’objectif de ne pas favoriser les maladies du gazon en période caniculaire, le principal but à atteindre selon l’invention est d’avoir un substrat qui contiendra assez d’air près de la surface, même pour de faibles pressions capillaires correspondant aux faibles hauteurs au-dessus de la nappe. En fait, cette nécessité d’une bonne aération concerne aussi bien, quoique pour des raisons légèrement différentes l’objectif d’oxygénation pour la respiration des racines en hiver et en été et l’objectif d’une forte teneur en air près de la surface en période caniculaire pour éviter de favoriser les maladies
Aussi, un des buts essentiels de la présente invention est-il de déterminer et de proposer des conditions qui relient la profondeur de la nappe aux caractéristiques intrinsèques et aux épaisseurs des couches du substrat utilisé pour la construction du terrain pour garantir simultanément qu’il y aura assez d’air dans la partie supérieure du substrat en hiver et en été et que le flux capillaire sera suffisant en été pour alimenter l’évapotranspiration réelle du gazon.
Or, non seulement les substrats hybrides participent à l’invention par leur action mécanique de consolidation bénéfique en milieu humide, mais certains d’entre eux ont également un rôle exceptionnellement favorable sur le comportement hydrique des substrats en diminuant la plage de hauteur correspondant à la frange capillaire, notamment par l’augmentation de la macroporosité des sols correspondant à la réserve en air, avec en particulier la présence pour certains substrats d’un double pic granulométrique résultant de la présence d' éléments grossiers, souples et hydrophobes et favorisé également par la présence des fibres dans leur composition, et qui en favorise par ailleurs le flux capillaire.
Aussi, de façon synthétique, l’invention repose sur un principe général, avec un choix des paramètres qui déterminent le fonctionnement capillaire et des règles entre ces paramètres qui permettent de garantir le résultat recherché.
Ainsi, lors de la construction du terrain et de la gestion du niveau piézométrique de la nappe dans la structure (S), le couple (niveau piézométrique de la nappe, substrat) est caractérisé selon l’invention par un ensemble de règles :
- garantissant un profil de teneur en eau spontané favorisant une aération et oxygénation adéquate dans la tranche d’oxygénation des racines (TOR) et favorisant une aération adéquate pour une meilleure résistance aux maladies dans la tranche superficielle aérée au-dessus de 5 cm de profondeur
- pour assurer un flux capillaire estival capable de soutenir les besoins d’hydratations du gazon, de façon à fournir aux racines une irrigation optimale
- tout en d’optimisant en définitive la souplesse et la résistance de la structure quand elle est soumise à la sollicitation sportive pour laquelle elle est conçue.
Les premières règles concernent le fait d’avoir assez d’air d’une part pour l’oxygénation des racines de gazon et du sol en hiver sur toute l’épaisseur prospectée par les racines et d’autre part pour un milieu asséché en partie superficielle peu propice aux maladies cryptogamiques estivales en période caniculaire.
Une première originalité de l’invention est alors de trouver un domaine étroit de paramètres adaptés qui permettent tous ensemble de concilier les deux séries de règles pour avoir assez d’air et une résistance mécanique suffisante, ce qui revient à faire baisser suffisamment le niveau de la nappe pour un substrat pré-déterminé et assez d’eau, ce qui revient à faire à faire monter suffisamment le niveau de la nappe pour le même substrat pré-déterminé. Or, Si les contraintes sont divergentes en terme de niveau de la nappe, les contraintes sont convergentes en terme de choix du substrat et c’est justement grâce au choix des substrats hybrides récemment apparus sur le marché qu’il est devenu possible de proposer un principe nouveau d’irrigation par nappe très peu profonde avec une plage étroite de paramètres qui permettent selon l’invention de concilier l’ensemble des contraintes.
La première contrainte concerne la teneur en air du substrat.
Ainsi, concernant en particulier la teneur en air près de la surface et en fonction des différents niveaux d’exigence de l’invention correspondant à différentes versions de l’invention, on définit les 3 paramètres suivants correspondant au niveau d’exigence considéré en terme d’aération :
- une teneur en air volumique minimale : θAIR MIN TOR ,qui varie selon les versions de l’invention entre 5 % et 20%
- une profondeur PTORqui varie selon les versions de l’invention entre 5 cm et 15 cm
- une teneur en air volumique superficielle estivale minimale : θAIR MIN ÉTÉ 5 cmqui varie selon les versions de l’invention entre 15 % et 40%,
La profondeur PTORcorrespond à l’épaisseur de la tranche superficielle à partir de la surface dans laquelle on exige, pour une bonne oxygénation des racines, une teneur en air à l’équilibre capillaire supérieure à la teneur en air volumique minimale θAIR MIN TOR.
La teneur en air volumique estivale minimale θAIR MIN ÉTÉ 5 cmest la teneur en air minimale exigée à l’équilibre capillaire à 5 cm de la surface en période caniculaire
Quand on dit que l’on exige une teneur en air minimale à l’équilibre capillaire à 5 cm de la surface en période caniculaire, cela ne signifie évidemment pas qu’en période caniculaire on va se trouver à l’équilibre capillaire, mais cela signifie seulement que compte tenu de la profondeur de la nappe en été et des substrats au-dessus de la nappe, la teneur en eau à la pression capillaire correspondant à la différence de profondeur entre la nappe et 5 cm de la surface donnerait une teneur en air à l’ équilibre capillaire théorique supérieure à θAIR MIN ÉTÉ 5 cm
Une fois L’objectif défini de façon paramétrique en terme d’exigence, ce qui permet de s’adapter aux différentes exigences correspondant à la large gamme de variantes de l’invention, il convient ci-dessous de caractériser le principe unique des relations entre ces paramètres selon l’invention qui garantissent que ces exigences sont bien atteintes.
On a donc une tranche superficielle d’épaisseur définie par le paramètre PTORet dans toute cette tranche définie comme l’ensemble des points d’une profondeur inférieure à
PTOR
et où l’on veut que les racines aient assez d’oxygène pour pouvoir se développer de façon satisfaisante, l’exigence est d’avoir, même en hiver une teneur en air supérieure à
θAIR MIN TOR .
Une seconde exigence est d’avoir en période caniculaire une teneur en air à l’équilibre capillaire supérieure à θAIR MIN ÉTÉ 5 cmà 5 cm de la surface (et donc a fortiori au-dessus).
Certes, On pourrait choisir une autre profondeur de référence que 5 cm (comme par exemple quelques millimètres ou encore 2 cm) ; mais ce choix arbitraire d’une référence à 5cm de profondeur peut être si on le souhaite contrebalancé automatiquement par une modification du choix de l’’exigence concernant θAIR MIN ÉTÉ 5 cm.
D’autre part, en été et plus encore en période caniculaire ce sont bien évidemment des flux ascendant et non des situations d’équilibre capillaire que l’on observe sur le terrain mais l’exigence donnée en terme d’équilibre capillaire est une exigence en terme de moyen, cette exigence de moyens exprimée en terme d’équilibre capillaire permettant selon l’invention de garantir le résultat recherché qui concerne, lui, la teneur en air lors du flux capillaire estival, (qui sera d’ailleurs une teneur en air plus élevée que la teneur en air à l’équilibre capillaire puisqu’un flux, créé par une situation de déséquilibre, se dirige toujours vers l’équilibre).
Par ailleurs, même si la problématique et l’exigence concernent bien formellement la teneur minimale en air et non la teneur maximale en eau, il est cependant plus habituel dans les milieux poreux de raisonner et d’exprimer les solutions en terme de teneur en eau. On va donc exprimer la teneur en air par rapport à la teneur en eau. Cependant, cette relation entre teneur en air (qui est l’exigence agronomique) et teneur en eau (qui est le paramètre habituellement regardé en capillarité) est différente pour chacune des couches constitutives de la structure puisque la teneur en air et la teneur en eau sont complémentaires par rapport à la porosité totale du milieu considéré, qui varie elle-même avec les différentes couches. C’est la raison pour laquelle l’exigence est bien donnée en teneur en air, même si ensuite, pour chacune des couches, il est plus pertinent d’exprimer la teneur en air par rapport à la teneur en eau.
Or, on sait que l’eau et l’air se partagent la porosité et donc que la somme de la teneur en air θAIRet de la teneur en eau θ est égale à la porosité totale.
Aussi, pour décrire ce partage de la porosité entre l’eau et l’air à une échelle de macroscopisation satisfaisante, rappelons que l’on peut définir en tout point :
- la porosité ε (également appelée porosité totale) définissant, dans un volume élémentaire représentatif, la proportion volumique des « vides » par rapport au volume apparent du milieu. Le volume apparent du milieu est le volume total, c’est à dire le volume total occupé aussi bien par les parties des pleins que par les parties des vides.
On a : (volume apparent) = (volume des pleins + volume des vides).
On définit ainsi le taux de porosité totale ε : ε = volume des vides / (volume des pleins + volume des vides). ε est une caractéristique intrinsèque du substrat, et une caractéristique permanente (du moins à court terme, tant que le volume apparent du substrat ne bouge pas sous l’effet du compactage ou du décompactage). Nous considérons ici le substrat dans son état compacté en place, qui découle à la fois de la façon de le mettre en place et des efforts qu’il subit lors de l’utilisation et de l’entretien avec la teneur en eau en conditions normales d’utilisation pendant un temps suffisant pour atteindre cette compaction maximale en utilisation normale, car la courbe de densité apparente en place augmente avec le temps jusqu’à une asymptote que l’on considère comme la densité apparente en place à l’équilibre en situation normale d’utilisation.
Les caractéristiques du substrat mentionnées dans la présente description et dans les revendications sont donc données pour un substrat à densité apparente égale à sa densité apparente en place, en situation normale d’utilisation.
Dans ce contexte, on définit donc la teneur volumique en eau θeaucomme la proportion du volume d’eau par rapport au volume apparent de substrat, à un endroit donné et à un moment donné puisque, contrairement à la porosité totale qui est a taille du réservoir est donc constante (à densité apparente constante), la teneur en eau est la part de ce réservoir remplie par de l’eau, l’air constituant le complément et cette teneur en eau varie avec le point considéré et le temps. Dans un terrain supposé homogène du point de vue horizontal, cette teneur en eau ne dépend que de la profondeur et du temps. Cette teneur en eau volumique est donc quant à elle variable et peut varier en fonction des conditions entre la porosité au maximum (quand l’eau occupe toute la porosité à saturation) et au minimum la teneur en eau au point de flétrissement (en conditions normales car au-delà de cette teneur en eau il faut exercer des forces très importantes de succion pour détacher l’eau qui reste et qui adhère aux grains par des forces de proximité très importantes).
On a par définition : θeau= teneur en eau = volume de l’eau / (volume des pleins + volume des vides).
On définit de la même façon la teneur volumique en air θaircomme la proportion du volume d’air par rapport au volume apparent de substrat et on a par définition :
θair= teneur en air = volume de l’air / (volume des pleins + volume des vides).
θairest le complémentaire par rapport à la porosité de la teneur en air car l’air et l’eau remplissent à eux deux la porosité la porosité, de sorte que le volume d’air à un moment et un lieu donné est égal au volume de porosité ε non rempli par l’eau au même moment et à l’endroit considéré
A l’intérieure d’un substrat de porosité donnée, on a donc la relation :
θeau+ θair= ε
On peut également définir le taux de saturation θeau/ ε qui est également un paramètre pertinent de description du partage de la porosité entre l’air et l’eau, et qui varie de 0 quand tout l’espace est localement occupé par de l’air (état sec) à 1 quand la teneur en eau est égale à la porosité ε (état saturé). Du moins en principe car en fait la teneur en eau est plutôt de 98% en zone saturée car il existe en général un peu d’air piégé même à pression capillaire négative)
On peut également définir le taux de saturation θeau/ ε qui est également un paramètre pertinent de description du partage de la porosité entre l’air et l’eau, et qui varie de 0 quand tout l’espace est localement occupé par de l’air (état sec) à 1 quand la teneur en eau est égale à la porosité ε (état saturé). Du moins en principe car en fait la teneur en eau est plutôt de 98% en zone saturée car il existe en général un peu d’air piégé même à pression capillaire négative)
En particulier on en déduit la relation :
θAIR MIN ÉTÉ 5 cm= ε - θEAU MAX ÉTÉ 5 cm
De même, en tout point de la tranche d’oxygénation racines, on a
θAIR MIN TOR= ε - θEAU MAX TOR
L’air et l’eau étant complémentaire, le minimum de l’un correspond au maximum de l’autre.
Ainsi, la condition d’exigence correspondant à la teneur minimum en air peut donc tout aussi bien s’écrire de la façon suivante plus pratique avec une exigence sur la teneur maximale en eau :
A 5 cm de la surface, on exige d’avoir en période estivale et spécialement en période caniculaire la relation :
θAIR(5cm) ≥ θAIR MIN ÉTÉ 5 cm
ce qui est équivalent à la relation
θEAU(5 cm) ≤ ε (5cm) - θEAU MAX ÉTÉ 5 cm
avec , par définition :
θEAU MAX ÉTÉ 5 cm= ε (5cm) - θAIR MIN ÉTÉ 5 cm
De la même façon mais cette fois ci dans toute la tranche d’oxygénation des racines où l’on veut une oxygénation suffisante des racines et dont il est important de préciser l’épaisseur PTOR, on exige , pour tout z ≤ PTOR ,d’avoir le relation :
θEAU(z) ≤ ε (z) - θEAU MAX TOR
avec, par définition :
θEAU MAX TOR= ε (z) - θAIR MIN TOR
Or, il est également connu par ailleurs que pour un milieu poreux homogène quelconque et en particulier pour un substrat homogène donné dont on connaît la densité apparente en place, on peut définir une capillarité théorique par la courbe caractéristique capillaire principale de drainage à partir de l’état initial saturé, cette courbe étant d’une part déterminée de façon intrinsèque par le substrat à son état de densité apparente et d’autre part accessible expérimentalement.
Cette courbe caractéristique capillaire principale de drainage à partir de l’état initial saturé permet elle-même de définir la fonction décroissante hc drainagequi à toute teneur en eau θ comprise entre la teneur en eau au point de flétrissement et la porosité totale du substrat (teneur à saturation) associe la hauteur capillaire hc drainage( θ) qui est la hauteur maximale au-dessus du niveau piézométrique de la nappe à laquelle la teneur en eau à l’équilibre capillaire vaut θ sur un chemin de drainage quasi statique à partir de l’état initial saturé, (la teneur en eau étant inférieure pour une hauteur capillaire supérieure).
En fait, il existe une frange capillaire au-dessus de la nappe dans laquelle on a θ = ε entre h = 0 et h = épaisseur de la frange capillaire. Mais au-dessus de la frange capillaire hc drainage( θ) est une fonction strictement décroissante, ce qui signifie que l’on peut définir hc drainage( θ) sur l’intervalle ouvert ] teneur en eau au point de flétrissement , ε [ comme la fonction qui associe à θ la hauteur capillaire hc drainage( θ) pour laquelle on a coïncidence entre θ et hc drainage( θ) sur la courbe caractéristique capillaire principale de drainage à partir de l’état initial saturé.
Des explications plus détaillées concernant la façon dont fonctionne l’invention ainsi caractérisée et en particulier les raisons pour lesquelles on peut caractériser ainsi le substrat de façon intrinsèque par une courbe accessible de façon expérimentale et le moyen de déterminer cette fonction hc drainage( θ) qui est utilisée pour caractériser l’invention sont données plus loin parmi les précisions sur ces questions.
Par ailleurs, et même si les courbes PF, plus familières pour l’homme de l’art des gazons, reposent sur le même principe théorique, il sera également expliqué dans les explications détaillées que pour obtenir une caractérisation du substrat facilement utilisable de façon pratique dans le cadre de l’invention, il est préférable de déterminer les caractéristiques capillaires principales :
- non pas dans la gamme de teneur en eau habituellement présentée dans les courbes PF mais en considérant surtout la gamme de la porosité efficace et non pas la seule gamme de la réserve utile,
- non pas en échelle logarithmique des pressions mais en échelle naturelle
- non pas avec des pressions capillaires exprimées formellement en pression mais en hauteur capillaire équivalente exprimée en centimètres.
D’autre part, malgré les phénomènes d’hystérésis qui s’opposent à une détermination prédictive de la teneur en eau à l’équilibre capillaire pour une hauteur capillaire donnée, il est également connu que cette teneur en eau à l’équilibre capillaire pour une hauteur capillaire donnée est toujours inférieure à la teneur en eau correspondant à la courbe de drainage à partir de l’état initial saturé à la même hauteur capillaire .
Aussi, selon l’invention, on caractérise le substrat de chacune des couches de la structure par sa capillarité théorique, c’est à dire par cette fonction caractéristique hc drainage( ).
Ainsi, dans le cas où le substrat ne comprend qu’une seule couche homogène entre la surface et PTOR ,on sait alors que la teneur en eau à l’équilibre capillaire est croissante avec z et il suffit donc de vérifier la relation d’exigence pour z = PTOR
Cette condition peut alors s’écrire :
PTOR≤ Ppiézo- hc drainage(EAU MAX TOR)
Cependant, en fonction des différentes réalisations de l’invention, la tranche d’oxygénation des racines peut être composée selon l’invention d’une seule couche homogène de substrat ou bien d’une superposition de n couches de substrats homogènes
En effet, si l’on a n couches de substrats différents superposés dans une tranche qui doivent respecter une même exigence de teneur en air, il convient alors simplement selon l’invention d’en déduire les n relations à respecter, en prenant en compte la porosité spécifique et la teneur en eau à l’équilibre capillaire selon la capillarité théorique spécifique de chacune des n couches
Ainsi, dans le cas général où la tranche d’oxygénation des racines (TOR) comprend n couches homogènes superposées différentes, avec n ≥ 1, (c’est à dire une seule couche si n =1 ou plusieurs couches si n > 1) cela détermine en partant de la surface une altitude Z0= 0 correspondant à la profondeur par rapport à la surface de la surface elle-même, puis une altitude Z1correspondant à la profondeur par rapport à la surface du point le plus bas de la couche supérieure (Couche C1) située tout en haut et ainsi de suite par récurrence avec la profondeur Zicorrespondant à à la profondeur par rapport à la surface du point le plus bas de la couche (Couche Ci) située juste en dessous de la couche (CoucheCi-1).
En revanche pour i = n, on choisit pour Zn l’altitude du point le plus bas de la Couche Cn située juste en dessous de la couche Couche Cn-1 ET situé à l’intérieur de la tranche superficielle asséchée, soit Zn = PTOR.
En fait, le nombre n de couches partiellement ou complètement incluses dans la tranche d’oxygénation des racines dépend de la profondeur PTORde cette couche d’oxygénation des racines déterminée dans le procédé selon l’invention.
C’est pourquoi PTORdétermine le nombre n (PTOR) de couches différentes dans la tranche d’oxygénation des racines (TOR).
En effet, du fait que la tranche d’aération des racines et à l’intérieur de la structure, on a :
PTOR ≤YN
et on a donc n ( PTOR) qui est un entier et 1 ≤ n ( PTOR) ≤ N et on détermine simplement n ( PTOR) par le fait que s’il y a n ( PTOR) couches différentes dans la tranche d’oxygénation des racines (TOR) cela implique ( et réciproquement ) que :
Pcouche n ( PTOR)-1< PTORet Pcouche n ( PTOR)≥ PTOR
Finalement, n ( PTOR ) est donc l’ entier défini par :
1 ≤ n ( PTOR ) ≤ N
et Yn(PTOR) -1< PTOR
et Yn (PTOR )≥ PTOR
Dans ce contexte, l’exigence d’aération pour une bonne oxygénation des racines se traduit dans chacune des n (PTOR) couches de la tranche d’oxygénation des racines (TOR) par une condition spécifique concernant la couche considérée, ce qui se traduit donc de la façon suivante par les n ( PTOR) relations :
pour tout i, avec 1 ≤ i ≤ n ( PTOR)
zi≤ Ppiézo- hc i drainage( εi- θAIR MIN TOR)
Autrement dit, pour chacune des n ( PTOR) couches constitutives de la tranche superficielle asséchée, la condition à respecter est que tous les points de la couche Ci soient plus haut que le point déterminé par la courbe du substrat de la couche Ci défini par la hauteur au-dessus de la nappe au-dessus de laquelle la teneur en eau à l’équilibre capillaire dans la courbe de drainage à partir de l’état initial saturé est inférieur à εi- θAIR MIN TOR, εiétant la porosité totale apparente du substrat de la couche Ci et θAIR MINTOR la teneur en air minimale que l’on a fixée comme paramètre d’exigence dans l’ensemble de la tranche d’oxygénation des racines (TOR) -.
Or, entre zi-1et zion a par hypothèse une couche homogène Couche Ciqui détermine :
- la profondeur zidu point bas de la couche Couche Ci
- la courbe caractéristique capillaire principale de drainage hc i drainageà partir de l’état initial saturé, déterminée de façon intrinsèque par le substrat homogène de la couche Couche Ci
- la porosité totale efficace εidu substrat homogène de la couche Couche Ci
Bien entendu, la courbe de drainage étant strictement décroissante avec la profondeur, on en déduit qu’il suffit que le point le plus bas de la couche respecte cette condition pour que cette condition soit respectée dans toute la couche considérée et c’est pourquoi la relation à respecter ne concerne finalement que ziqui est la profondeur du bas de la couche considérée
Aussi, en résumé, la condition exigée selon l’invention est simplement d’avoir :
pour tout i avec 1 ≤ i ≤ n (PTOR)
Ppiézo≥ zi+ hc i drainage( εi- θAIR MIN TOR)
Cette condition peut encore s’écrire de façon plus pile et condensée :
Ppiézo≥ PMIN
avec PMIN= MAX [ zi+ hc i drainage( εi- θAIR MIN TOR) ]1 ≤ i ≤ n ( PTOR)
D’autre part, il n’est pas forcément nécessaire de vérifier cette relation absolument tout le temps .
Il suffit selon l’invention que cette relation soit respectée au moins 80% du temps y compris en hiver quand la nappe est au plus haut.
On note Ppiézo MINla profondeur limite en dessous de laquelle doit se trouver la nappe pendant 80 % du temps de l’année
Du coup, cette condition en terme de procédé de gestion du niveau piézométrique de la nappe selon l’invention est d’imposer un mode de gestion de la nappe de façon que Ppiézosoit supérieur pendant au moins 80 % du temps à une valeur minimale de profondeur piézométrique de la nappe Ppiézo MIN, c’est à dire :
Ppiézo MIN≥ PMIN= MAX[zi+ hc i drainage(εi- θAIR MIN TOR)]1 ≤ i ≤n (PTOR)
Ppiézo MINla profondeur limite en dessous de laquelle doit se trouver la nappe pendant 80 % du temps de l’année
Ppiézo≥ PMINpendant 80 % du temps s’écrit donc Ppiézo MIN≥ PMIN
PMINest la limite jusqu’à laquelle il est possible de faire remonter le niveau piézométrique de la nappe pour respecter la condition d’aération dans la tranche d’oxygénation des racines.
La condition exprimée ci-dessus permet donc de caractériser la limite jusqu’à laquelle il est possible de faire remonter le niveau piézométrique de la nappe dans la gestion de la nappe pour respecter cette condition d’aération dans la tranche d’oxygénation des racines.
La condition de n’avoir à respecter cette règle que pendant au moins 80% de l’année se justifie par le fait que les problèmes d’asphyxie ne se manifestent que si le manque d’oxygène dure un temps assez long (plusieurs heures à plusieurs jours) . Par conséquent, il est donc possible sans créer de problème de déroger à cette règle de temps en temps pendant un temps relativement restreint et en particulier, cela ne doit pas empêcher de faire de temps en temps remonter l’eau jusqu’à la surface et la faire redescendre presque aussitôt si l’opération dure quelques heures ou même 1 ou 2 jours.
Cette souplesse peut être utile par exemple pour rincer le terrain de temps en temps s’il y a un léger problème de salinité de l’eau de la nappe ou encore pour remonter très rapidement la température en hiver en cas de brusque chute de température après mise en place d’un placage par exemple et cela permet enfin de ne pas tenir compte des périodes pendant lesquelles le niveau de la nappe est plus haut que la profondeur minimum pendant un délai de ressuyage de quelques heures après précipitation.
En ce qui concerne la construction du terrain, cette règle impose en tous les cas une condition de profondeur minimale de la structure en fonction des caractéristiques capillaires des différentes couches.
En effet, le niveau de la nappe étant à l’intérieur de la structure est toujours inférieur à la profondeur YN du fond de la structure.
De ce fait on doit, lors de la construction du terrain selon l’invention, dimensionner le terrain de sorte que soit respectée la condition : YN≥ PMIN
soit :
YN≥ PMIN= MAX [ zi+ hc i drainage(εi- θAIR MIN TOR) ]1 ≤ i ≤n (PTOR)
En effet, si le terrain ne respecte pas cette condition, il n’est pas possible de gérer le niveau d’eau de la nappe à l’intérieur de la structure en respectant les règles de gestion du niveau de la nappe selon l’invention.
Par ailleurs, il est également très important de constater que pour respecter cette règle d’oxygénation suffisante dans la tranche d’oxygénation des racines, la capacité de marnage pour un terrain donné est bornée par la différence de profondeur YN- PMIN
Cette règle est très importante pour en déduire la possibilité de stockage d’eau d’un terrain donné.
•Une fois réglée par les règles exprimées ci-dessus la contrainte de l’aération suffisante du substrat, la seconde contrainte, qui intervient ensuite, est l’hydratation estivale du gazon.
Or, concernant la condition d’hydratation suffisante du gazon en été, il a été prouvé qu’avec le type de substrat sableux capable de satisfaire les conditions d’aération fixées selon l’invention, le flux capillaire en été permet de soutenir une hydratation satisfaisante, c’est à dire qui permet une évapotranspiration réelle équivalente à celle observée avec un bon arrosage par aspersion pour une nappe dont la profondeur est inférieure à 2 mètres.
Pour une nappe de profondeur inférieure à 1,50 m, l’évapotranspiration réelle en été est supérieure à celle observée avec un excellent arrosage par aspersion.
Pour une nappe de profondeur inférieure à 1m, l’évapotranspiration réelle en été se rapproche de l’évapotranspiration potentielle, même en période caniculaire exceptionnelle, ce qui équivaut à deux fois l’évapotranspiration réelle que l’on observe avec un arrosage par aspersion, mais sans les problèmes associés car, au contraire, la tranche superficielle de surface est de plus en plus sèche avec la canicule supérieure tandis que la plante optimise sa croissance, sa photosynthèse, sa climatisation grâce à un flux capillaire capable de soutenir une évapotranspiration réelle à la hauteur de l’évapotranspiration potentielle.
En fonction des exigences, un flux suffisant avec un substrat essentiellement sableux pour une hydratation convenable correspondant aux évapotranspirations réelles sur gazon avec irrigation par aspersion est obtenu pour une nappe d’une profondeur inférieure à 2 mètres tandis qu’une amélioration de l’évapotranspiration significative est obtenue pour une nappe de moins de 1 mètre et une évapotranspiration réelle toujours égale à l’évapotranspiration potentielle est obtenue pour des nappes d’une profondeur inférieure à 60 cm
Le choix de l’invention se porte délibérément sur ces profondeurs de nappe de très faible profondeur, de l’ordre de quelques décimètres jusqu’à 2 mètres au maximum, couplé à des substrats essentiellement sableux.
Le choix de l’invention et le principe des règles explicitées ci-dessus caractérisant l’invention exposées ci-dessus sont donc totalement en dehors des principes de la stratégie correspondant à l’usage traditionnel de l’irrigation en agriculture ou en agronomie des terrains de sport.
Traditionnellement en agriculture ou en agronomie des terrains de sport, les raisonnements concernant l’hydratation se font en effet à partir de la réserve utile en eau qui est la différence entre l’eau retenue par capillarité après ressuyage (correspondant plus ou moins à la teneur en eau à une pression capillaire dont l’expression logarithmique PF est proche de 2 à 2,5) et l’eau trop fortement retenue par capillarité pour être utilisable par les plantes (classiquement estimée à la teneur en eau à PF 4,2 ).
Dans le cas de l’invention il n’en est rien. Le stock d’eau sur lequel on compte pour l’hydratation des plantes n’est pas la réserve utile à la profondeur des racines comme dans le raisonnement classique à partir duquel sont conçues toutes les stratégies d’irrigation mais le stock d’eau qui se trouve plus bas dans la nappe et sur lequel on compte en ayant créé par les règles exigées selon l’invention les conditions qui permettent à cette eau de remonter quand nécessaire avec un flux capillaire suffisant pour soutenir l’évapotranspiration à un rythme permettant une évapotranspiration réelle suffisante et même dans certaines configurations égale à l’évapotranspiration potentielle d’un gazon dont l’alimentation en eau n’est pas une contrainte.
La notion de réserve utile n’a donc pas sa place dans le concept de l’invention mais c’est le flux ascendant depuis la nappe sous l’effet d’une demande évaporatoire qui remplace le principe tradition d’irrigation.
Or, il est maintenant démontré que cette condition est remplie de façon satisfaisante dès lors qu’on a une nappe très peu profonde ; de plus, contrairement aux idées qui prévalaient encore récemment, il a maintenant été montré que le flux avec nappe très peu profonde en présence d’une demande évaporatoire forte est nettement plus important avec du sable grossier qu’avec du sable fin, a fortiori du limon et a fortiori de l’argile, même si l’échelle d’efficacité selon la granulométrie s’amenuise puis s’inverse très rapidement quand la profondeur de la nappe augmente.
Cette particularité paradoxale par rapport aux idées habituellement retenues en agronomie est pourtant compréhensible. On sait en effet que les coefficients de perméabilité du milieu, qui interviennent dans l’équation du flux, ont un rôle essentiel dans l’importance du flux. On sait d’autre part que la porosité efficace des granulométrie grossières et avec une taille de pores proportionnellement plus importante est nettement supérieure, ce qui explique un coefficient de perméabilité à l’état saturé très supérieur (de plusieurs ordres de grandeur) pour les sables par rapport à l’argile. Mais on sait également que les courbes de perméabilité par rapport à la granulométrie et la porosité qui en découle se croisent rapidement quand la teneur en eau des sols plus grossiers s’effondre rapidement tandis que la teneur en eau de l’argile est peu sensible à une différence de profondeur de nappe de seulement quelques mètres.
C’est pourquoi l’expérience habituelle en agriculture correspondant aux nappes relativement profondes de quelques mètres ou même dizaines de mètres avait fortement imprimé l’idée (exacte en nappe profonde et fortiori très profondes mais fausse en nappe très peu profonde) que les flux capillaires efficaces pour l’hydratation des plantes en présence d’une demande évaporatoire était réservée aux sols les plus fins.
Dans le cas de l’invention, il n’en est rien, car l’invention se situe dans un cadre très spécifique où la pression capillaire à l’intérieur de la structure se situe selon les configurations dans une plage entre PF1 et PF 2 10 cm à 1mètre) en tous cas inférieur à PF 2,5, (3 mètres), c’est à dire justement dans le domaine négligé par l’irrigation traditionnelle agronomique correspondant à une eau dans la porosité efficace (porosité totale moins capacité de rétention).
Une troisième contrainte intervient ensuite qui est la résistance du substrat aux sollicitations mécaniques lors de l’entretien ou lors de la pratique sportive.
Pour une profondeur inférieure à 1 mètre, la teneur en eau à l’équilibre capillaire est partout supérieure à la capacité au champ et il suffit d’une pluie pour être saturé presque jusqu‘à la surface avant ressuyage incomplet jusqu'aux teneur en eau aux valeurs déterminées par le profil hydrique à des valeurs de pression capillaire qui restent très faibles jusqu’à la surface.
Même si il reste dans ces conditions une teneur en air tout près de la surface suffisante pour la respiration et pour lutter contre les maladies, la teneur en eau est à saturation dans toute la frange capillaire et proche de la saturation au-dessus, de sorte qu’il est reconnu qu’un substrat non hybride ne peut pas présenter une résistance suffisante aux sollicitations mécaniques lors de la pratique sportive ou des opérations d’entretien nécessitant le passage de machines sur le terrain quand la profondeur de la nappe est inférieure à 60 cm mais la présence d’un substrat hybride permet au terrain d'y répondre.
Pour une nappe d’une profondeur inférieure, c’est le choix, selon l’invention, d’un substrat hybride qui permet d’assurer cette résistance suffisante aux sollicitations mécaniques lors de la pratique sportive ou des opérations d’entretien, même en cas de forte pluie pouvant conduire momentanément à la saturation jusqu’à la surface.
De plus, si sur le plan mécanique, seul un substrat hybride peut résister , surtout pour les nappes les moins profondes, il convient de remarquer que sur le plan hydrique également, les substrats hybrides et tout particulièrement dans le cas du substrat commercialisé sous la dénomination commerciale Radicalé, permettent de diminuer efficacement l’épaisseur de la frange capillaire par l’effet des particules résilientes d’une dimension d’un ordre de grandeur supérieur à la taille des particules sableuses du substrat constitutif, ces particules grossières étant de surcroît souples et hydrophobes, ces 3 caractéristiques combinées (taille, souplesse, hydrophobie) favorisant conjointement la constitution d’une porosité grossière à surface hydrophobe qui permet de ménager des passages d’air , ce qui permet d’atteindre une plage de fonctionnement avec des nappes très peu profondes de l’ordre de grandeur du décimètre de profondeur et optimise ainsi la réponse à l’ensemble des contraintes.
Une fois résolues les contraintes de base concernant le fonctionnement passif, il est ensuite possible de continuer à améliorer le système global en utilisant le marnage (variation de la profondeur de nappe entre une profondeur minimale et une profondeur maximale) pour le stockage d’eau et en utilisant la présence de la nappe peu profonde et le substrat grossier choisi pour « booster » le système, c’est à dire améliorer de façon active la performance du gazon par convection d’air en présence d’une nappe d’eau pour obtenir une oxygénation supplémentaire ou un conditionnement thermique peu coûteux en énergie.
Une seconde originalité selon l’invention est donc non seulement d’optimiser le fonctionnement spontané du terrain par les caractéristiques de la structure mais de profiter de ce contexte favorable pour améliorer encore les paramètres physiques à l’intérieur de la structure par une gestion active, durable et économique en utilisant la convection forcée d’air en présence d’une nappe d’eau.
Concernant l’utilisation du marnage, il convient de remarquer que cette utilisation du marnage pour le stockage de l’eau est compatible avec une exigence d’aération plus faible en hiver et plus forte en été. En effet, le marnage entre une position haute de la nappe en hiver et une position plus basse en été au fur et à mesure que l’eau de pluie stockée en hiver est consommée au printemps et en été donne une souplesse supplémentaire qui permet d’avoir un objectif de teneur en air dans les couches supérieures plus élevé en été puisque la profondeur de la nappe augmente dans ce cas avec la consommation en eau.
Ainsi, dans une version préférée de l’invention, la possibilité de laisser le niveau de la nappe varier entre deux niveaux extrêmes différents PPiézo minet PPiézo maxpermet de conserver dans la nappe une partie de l’eau des précipitations pour une hydratation des plantes différée dans le temps. Compte tenu de l’évaporation sur la surface du terrain que l’on souhaite maximale en été pour favoriser la croissance et les services environnementaux du gazon ( photosynthèse, climatisation locale ...) et compte tenu d’un bassin versant au moins égal au terrain mais qui peut être dans certaines réalisations de l’invention nettement plus important en utilisant l’eau tombant sur des surfaces artificialisées en périphérie ( pistes, tribunes, voies de circulation , parking, etc) la capacité de stockage en eau dans la structure du terrain peut selon les versions permettre a minima une forte économie d’eau, ou de préférence l’autonomie en eau pour les besoins annuels du terrain de sport ou même au-delà l’autonomie en eau pour les besoins annuels du terrain de sport et aussi d’autres surfaces supplémentaires d’espaces cultivés en dehors du terrain lui-même, et situés de préférence à proximité.
Il est prévu selon l’invention la possibilité de faire varier le niveau piézométrique de la nappe entre une profondeur minimale PPiézo minet et une profondeur maximale PPiézo max. Dans certaines réalisations, cependant, cette possibilité de marnage n’est pas choisie et on a alors une profondeur fixe correspondant au niveau piézométrique de la nappe et on a donc dans ce cas :
PPiézo min= PPiézo max.
Par ailleurs, PPiézo minétant la profondeur minimale choisie pour le réglage de la profondeur piézométrique, cela ne signifie pas pour autant que les moyens de gestion de la nappe ne permettraient pas de faire monter l’eau plus haut mais cela signifie que c’est la plus faible profondeur de la nappe choisie selon l’invention pour avoir des conditions de fonctionnement conformes aux exigences déterminées selon l’invention.
On définit PPiézo mincomme la profondeur en dessous de laquelle se trouve le niveau piézométrique de la nappe pendant au moins 80 % de l’année.
Dans une perspective d’utilisation d’un marnage entre l’hiver et l’été pour stocker l’eau qui tombe en hiver afin de l’utiliser en été selon un schéma qui s’inspire de ce qui se passe dans la nature, le niveau de la nappe est amené à monter en hiver jusque à la profondeur PPiézo minet l’eau de pluie supplémentaire est évacuée (éventuellement stockée ailleurs) et le niveau de la nappe est ensuite mené à descendre progressivement au printemps et en été vers PPiézo max
Lorsque la nappe est à sa plus haute position d’utilisation admise de façon habituelle (au moins 80 % du temps) on a : P piézo = PPiézo minet lorsque la nappe est à sa plus basse position d’utilisation admise on a : P piézo = PPiézo max.
Si l’on admet que la nappe d'eau puisse monter jusqu’à PPiézo min, cela signifie que PPiézo minest considérée comme une profondeur satisfaisante pour le fonctionnement hivernal.
Si par ailleurs on ne peut pas descendre le niveau de la nappe en dessous de PPiézo max, cela signifie au moins que PPiézo maxest une profondeur de nappe suffisante pour satisfaire les conditions de séchage superficiel estival. Il se peut que cette condition soit déjà satisfaite pour une nappe à un niveau supérieur et dans ce cas il est possible de laisser une réserve d’eau estivale en période caniculaire ; mais si cette condition n’est satisfaite que pour PPiézo max, cela signifie qu’il faut descendre le niveau de la nappe au niveau PPiézo maxdès que l’on annonce une canicule importante.
En tout état de cause, l’aération minimale de la tranche d’oxygénation des racines doit être obtenue pour les profondeurs de nappe supérieures ou égales à PPiézo minet l’aération minimale de la tranche superficielle aérée doit être au moins obtenue à la profondeur de nappe PPiézo max
Ainsi, en résumé, l’invention concerne d’abord un procédé de construction d’un terrain de sport hybride engazonné destiné à être utilisé pour une pratique sportive impliquant d’y faire courir des sportifs et à procurer une réponse mécanique satisfaisante pour la pratique du sport considéré, une couverture engazonnée de qualité et durable et un impact positif sur l’environnement et un procédé de gestion du niveau d’une nappe d’eau à l’intérieur de la structure du terrain.
Un terrain de sport selon l’invention comprend une structure (S) posée sur un fond (F) , ladite structure comprenant (i) N couches poreuses ( Couche Ci ), i étant compris entre 1 et N, superposées, avec N ≥ 1 , la première couche en partant du haut étant comprise entre la surface de profondeur nulle Y0 = 0 et le bas de la couche ( Couche C1)de profondeur Y1 et toutes les couches étant comprises entre la profondeurYi-1du bas de la couche immédiatement supérieure ( Couche Ci -1) si i > 1 ouY0si i =1 et la profondeurYidu bas de la couche ( Couche Ci) , et avec au moins une couche hybride (H) parmi les N couches, (ii) un gazon dont les racines sont ancrées dans cette couche hybride (H) et (iii) des moyens (M) permettant d’introduire de l’eau dans la structure (S) ou de l’en évacuer, d’y constituer une nappe d’eau.
(au-dessus (Ci-1) si i > 1 ou Y0si i=1 et la profondeur Yi du bas de la couche
- une étape d’installation d’un gazon à la surface de la couche supérieure (C1 ) , ladite installation dudit gazon pouvant être réalisée par semis une fois ladite couche supérieure (C1 ) installée à sa place définitive lors de ladite étape de construction de ladite structure ( S) ou bien pouvant être réalisée préalablement en pré-cultivant ledit gazon sur une couche de substrat qui est ensuite décomposée en une partition de sous éléments comportant chacun un volume de substrat de même épaisseur avec le gazon précultivé à sa surface et les racines installées dedans , ces sous-éléments étant transportés puis finalement rassemblés et installés pour finaliser la construction de ladite structure (S)
De plus, il existe au moins parmi les N couches une couche hybride (H), constituée soit (i) d’un substrat de culture qui comprend des éléments synthétiques de renforcement, soit (ii) d’un substrat de culture qui se partage l’espace de la couche hybride (H) avec des éléments synthétiques de renforcement.
Ensuite, un point essentiel de l’invention concerne les exigences en teneur en air près de la surface et bien sûr les moyens mis en œuvre pour les atteindre.
Dans une version préférée, le procédé de construction comprend une étape de définition de la teneur en air minimale exigée selon l’invention à l’intérieur de la tranche d’oxygénation des racines (TOR) et de de la profondeur PTORde cette tranche d’oxygénation des racines (TOR).
Une fois définies la constitution des N couches et la profondeur PTOR de la tranche d’oxygénation des racines, on en déduit le nombre n ( PTOR) de couches partiellement ou complètement incluses dans cette tranche d’oxygénation des racines par le fait que n est un entier ,
avec n ( PTOR) ≤ N
et qui vérifie : Yn(PTOR) -1< PTOR et Yn (PTOR )≥ PTOR
La condition de gestion de la teneur en eau à respecter selon l’invention est alors que soit respectée pendant au moins pendant 80 % du temps de l’année :
Ppiézo≥ PMIN= MAX[zi+ hc i drainage(εi- θAIR MIN TOR)]1 ≤ i ≤n (PTOR)
en notant Zi =Yi pour i <n (PTOR) et Zn (PTOR)=PTOR
en notant εila porosité de la couche Ci à son état de compaction in situ
en notant hc i drainagela fonction strictement décroissante qui à toute teneur en eau θ comprise entre la teneur en eau au point de flétrissement et la porosité totale du substrat εi( teneur à saturation ) associe la hauteur capillaire hc drainage( θ) qui est la hauteur au-dessus du niveau piézométrique de la nappe à laquelle la teneur en eau à l’équilibre capillaire vaut θ sur un chemin de drainage quasi statique à partir de l’état initial saturé, (la teneur en eau étant inférieure pour une hauteur capillaire supérieure ).
Cette condition peut encore s’écrire de façon équivalente :
Ppiézo MIN≥ PMIN= MAX[zi+ hc i drainage(εi- θAIR MIN TOR)]1 ≤ i ≤n (PTOR)
en notant Ppiézo MINla limite haute habituelle de la hauteur Ppiézo dela nappe qui pendant au moins 80 % de l’année doit rester inférieur à cette limite
De plus, dans tous les cas, et même en l’absence d’étape explicite de définition de PTOR et de la teneur en air minimale exigée selon l’invention à l’intérieur de la tranche d’oxygénation des racines, une exigence minimale est implicitement exigée selon l’invention, correspondant à ce qui est considéré selon l’invention comme l’exigence minimale nécessaire : PTOR= 5 cm et θAIR MIN TOR= 5%
Ainsi, dans tous les cas, le procédé de gestion impose que soit respectée la condition :
Ppiézo MIN≥ PMIN= MAX [ zi+ hc i drainage(εi- 5% ) ]1 ≤ i ≤n (5cm)
C’est à dire que soit respectée pendant au moins 80 % de l’année la condition équivalente :
Ppiézo≥ PMIN= MAX [ zi+ hc i drainage(εi- 5% ) ]1 ≤ i ≤n (5cm)
Or, l’invention concerne également les terrains réalisés selon ce procédé de construction. Le terrain selon l’invention doit en tous cas respecter la relation ci-dessus correspondant à l’exigence minimale selon l’invention : PTOR= 5 cm et θAIR MIN TOR= 5%
Or, on a toujours YN ≥ PMIN
soit :
YN≥ PMIN= MAX [ zi+ hc i drainage(εi- θAIR MIN TOR) ]1 ≤ i ≤n (PTOR)
Ainsi, dans tous les cas, pour garantir une oxygénation des racines considérée selon l’invention comme minimale Un terrain de sport selon l’invention doit toujours vérifier la relation :
YN≥ MAX [ zi+ hc i drainage(εi- 5% ) ]1 ≤ i ≤ n ( 5cm)
Pour une oxygénation des racines considérée selon l’invention comme satisfaisante, un terrain de sport selon l’invention doit vérifier la relationYN ≥ PMIN pourPTOR= 8 cm et θAIR MIN TOR= 10%
Soit :YN ≥ MAX[ zi + hc i drainage(εi-10% ) ]1 ≤ i ≤ n ( 8 cm)
Pour une oxygénation des racines considérée selon l’invention comme optimale, un terrain de sport selon l’invention doit vérifier la relationYN ≥ PMIN pourPTOR= 12 cm et θAIR MIN TOR= 15 %
Soit :YN ≥ MAX[ zi + hc i drainage(εi-15% ) ]1 ≤ i ≤ n ( 12 cm)
Pour une aération superficielle estivale des racines considérée selon l’invention comme souhaitable pour ne pas favoriser les maladies estivales du gazon n période caniculaire, un terrain de sport selon l’invention doit vérifier la relation :
YN≥ 5 cm + hc j drainage(j- 15 % )
- où j est le numéro de la couche dans laquelle se situent les points à 5 cm de profondeur
-où θAIR MIN ÉTÉ 5cmest la teneur en air estivale minimale à l’équilibre capillaire théorique à 5 cm de la surface , exigée selon l’invention en fonction du niveau d’exigence de chaque réalisation pour ne pas favoriser les maladies estivales en période caniculaire
Chaque couche ( Couche i ) dans son état de compaction in situ est caractérisée selon l’invention :
- par sa porosité totale εi
- par son équilibre capillaire théorique défini selon l’invention par sa courbe d’équilibre capillaire théorique qui est la courbe hydrique principale à l’’équilibre capillaire sur un chemin quasi statique de drainage à partir de l’état initial saturé.
Ces deux caractéristiques permettent de définir à l’intérieur de chaquecoucheC i :
- d’une part, la teneur volumique en eau θeauà partir de la teneur volumique en air θairpar la formule θeau =εi -θair
-d’autre part la fonction hc i drainagequi à toute valeur θeaude teneur en eau volumique strictement comprise entre la teneur en eau εià saturation et la teneur en eau au point de flétrissement associe hc i drainage( θeau) qui est la hauteur capillaire exprimée en cm correspondant à θeausur la courbe strictement décroissante de teneur en eau par rapport à la pression capillaire exprimée en hauteur capillaire équivalente sur un chemin de drainage quasi statique à partir de l’état initial saturé
Le procédé de construction comprend de préférence une étape de définition de la profondeur PTORd’une tranche d’oxygénation des racines et une teneur en air minimale θAIR MIN TORà l’équilibre capillaire théorique dans la tranche d’oxygénation des racines exigée selon l’invention en fonction du niveau d’exigence de chaque réalisation.
Dans ces conditions, une fois fixées les exigences en terme de profondeur de tranche d’oxygénation des racines et en terme de teneur en air minimale à l’intérieur de cette tranche à l’équilibre capillaire théorique pour une oxygénation minimale nécessaire des racines, le terrain de sport selon l’invention doit vérifier la relation :
YN≥ PMIN= MAX [ zi+ hc i drainage(εi- θAIR MIN TOR) ]1 ≤ i ≤ n ( PTOR )
où n (PTOR) est le nombre de couches entièrement ou partiellement au-dessus d’une tranche minimale d’oxygénation des racines d’épaisseur PTOR
- en prenant comme définition d’une couche entièrement ou partiellement comprises dans ladite tranche superficielle d’oxygénation des racines (TOR) le fait que Yi-1< PTOR, ce qui permet de définir n(PTOR) ≤ N par : Yn (PTOR) -1< PTORet Yn (PTOR)≥ PTOR
- en définissant Zipour i ≤ n(PTOR) par : Zi= Yipour i < n(PTOR) et Zn (PTOR)= PTOR
- où θAIR MIN TORest la teneur en air minimale à l’équilibre capillaire dans la tranche d’oxygénation des racines quand la nappe est au plus haut exigée selon l’invention en fonction du niveau d’exigence de chaque réalisation
n ( PTOR ) est donc un entier défini par :
1 ≤ n ( PTOR ) ≤ N et Yn(PTOR) -1< PTORet Yn(PTOR)≥ PTOR
Dans tous les cas, en l’absence d’étape de définition optimale explicite de PTOR et deθ AIR MIN TORpour définir l’oxygénation optimale des racines, une oxygénation minimale nécessaire des racines est implicitement exigée selon l’invention.
Or, l’invention concerne non seulement le procédé de construction du terrain et de gestion de la nappe d’eau mais également les terrains construits selon ce procédé de construction en vue de les gérer selon le procédé de gestion de la nappe d’eau
Un terrain de sport selon l’invention doit donc, selon l’invention, avoir une tranche d’oxygénation des racines d’au moins 5 cm d’épaisseur depuis la surface avec une teneur en airθ AIR MIN TORà l’intérieur de cette tranche d’oxygénation des racines à l’équilibre capillaire théorique d’au moins 5%
Ainsi, dans tous les cas, pour garantir une oxygénation des racines considérée selon l’invention comme minimale, un terrain de sport selon l’invention doit vérifier la relation :
YN≥ MAX [ zi+ hc i drainage(εi- 5% ) ]1 ≤ i ≤ n ( 5cm)
Le procédé de gestion du niveau d’une nappe d’eau à l’intérieur de la structure (S) du terrain utilise ces moyens (m) pour gérer la profondeur du niveau piézométrique de la nappe d’eau à l’intérieur de la structure (S) qui pendant au moins 80 % du temps de l’année doit selon l’invention être comprise entre une profondeur minimaleP piézo minet une profondeur maximale( P piézo max ).Le procédé comporte donc une étape de gestion de la profondeur( P piézo )du niveau piézométrique de ladite nappe d’eau à l’intérieur de ladite structure (S) pour rester la plupart du temps entre ces valeursP piézo minetP piézo max.
La couche hybride (H) est constituée soit (i) d’un substrat de culture qui comprend des éléments synthétiques de renforcement, soit (ii) d’un substrat de culture qui se partage l’espace de la couche hybride (H) avec des éléments synthétiques de renforcement.
Cette structure, pour répondre aux exigences de teneur en oxygène suffisante requises en terme de respiration des racines, comprend une tranche superficielle d’oxygénation des racines(TOR)entre la surface et une profondeurPTOR ≤ YN, et dans laquelle est vérifiée la relation :
Zi≤ Ppiézo MIN- hc i drainage( εi- θAIR MIN TOR) pour i ≤ n ,
C’est à dire dans chacune des n couches entièrement ou partiellement comprises dans ladite tranche superficielle d’oxygénation des racines, avec n ≤ N ,
- en prenant comme définition d’une couche entièrement ou partiellement comprises dans ladite tranche superficielle d’oxygénation des racines(TOR) le fait que Yi-1< PTOR, ce qui permet de définir n ≤ N par : Yn-1< PTORet Yn≥ PTOR
- en définissant Zi pour i ≤ n par : Zi= Yipour i < n et Zn= PTOR
- où θAIR MIN TORest la teneur en air minimale à l’équilibre capillaire dans la tranche d’oxygénation des racines quand la nappe est au plus haut exigée selon l’invention en fonction du niveau d’exigence de chaque réalisation
En fonction de l’ensemble des exigences de chaque réalisation, la valeur exigée pour la profondeur PTOR de la tranche d’oxygénation des racines est supérieure ou égale à 5 cm.
La valeur exigée pour la teneur en air minimale θAIR MIN TORdans la tranche d’oxygénation des racines( TOR)est variable pour s’adapter à l’ensemble des exigences propres à chaque réalisation mais au moins supérieure ou égale à 5 %.
De préférence, pour répondre aussi aux exigences de chaque réalisation concernant la teneur en air estivale suffisante requises près de la surface pour ne pas favoriser les maladies, la profondeur du niveau piézométrique de la nappe en été, en période caniculaire, lorsque la température nocturne dépasse 18 ° C , est réglée de façon que soit aussi vérifiée la relation :
Ppiézo≥ 5 cm + hc j drainage(j- θAIR MIN ÉTÉ 5cm)
- où j est le numéro de la couche dans laquelle se situent les points à 5 cm de profondeur
-où θAIR MIN ÉTÉ 5cmest la teneur en air estivale minimale à l’équilibre capillaire à 5 cm de la surface , exigée selon l’invention en fonction du niveau d’exigence de chaque réalisation
En fonction de l’ensemble des exigences de chaque réalisation, la valeur exigée pour la teneur en air estivale minimale à 5 cm de la surface θAIR MIN ÉTÉ 5cmest variable mais au moins supérieure à 15 %.
Aussi, l’invention concernant aussi les terrains construits selon le procédé, il faut donc, pour qu’un terrain puisse de façon préférée respecter cette exigence selon l’invention, que soit respectée la relation :
YN≥ 5 cm + hc j drainage(j- θAIR MIN ÉTÉ 5cm)
En particulier, pour pouvoir respecter cette exigence estivale de lutte contre les maladies avec la valeur minimale implicite de teneur en air estivale à 5 cm de la surface qui vaut 15 %, un terrain selon l’invention doit donc, de façon préférée, respecter la relation :
YN≥ 5 cm + hc j drainage(j- 15 % )
- où j est le numéro de la couche dans laquelle se situent les points à 5 cm de profondeur
-où θAIR MIN ÉTÉ 5cmest la teneur en air estivale minimale à l’équilibre capillaire à 5 cm de la surface , exigée selon l’invention en fonction du niveau d’exigence de chaque réalisation pour ne pas favoriser les maladies estivales en période caniculaire
Concernant la couche hybride (H) constituée qui comprend des éléments synthétiques de renforcement, ou qui se partage l’espace de la couche hybride (H) avec des éléments synthétiques de renforcement, cette couche hybride(H)comprend de préférence :
- un substrat de culture essentiellement sableux(SUB sa )
- des éléments synthétiques de renforcement(SYNT renf)qui peuvent être :
- (a) fragmentés et incorporés au substrat(SUB sab)lors de la fabrication du substrat
- (b) fragmentés ou continus et incorporés in situ au substrat après que le substrat( SUB sab )a déjà été installé sur place
- (c) constitués en une structure organisée préalablement installée in situ à l’emplacement de la couche de jeu, le substrat (SUB sa) lui-même étant ultérieurement incorporé à l’intérieur de ladite structure
De préférence, la couche hybride ( H ) appartient à l’une des configurations suivantes :
- les éléments synthétiques de renforcement (SYNT renf) sont des éléments allongés ou surfaciques de renforcement comme par exemple des fibres et le substrat( SUB sab )et ces éléments allongés ou surfaciques sont mélangées préalablement ; C’est le cas classique des substrats fibrés.
- les éléments synthétiques de renforcement(SYNT renf)sont des fibres longues qui sont incorporées au substrat par, une fois que le gazon est installé ; C’est le cas classique des terrains hybrides renforcés sur place avec des fibres longues qui sont implantées dans le substrat in situ, une fois le gazon installé par la technique connue sous le nom de « tuftage » , ces techniques de création de terrains hybrides étant aussi connues sous le nom de « solutions stichées ».
- les éléments synthétiques constituant une structure sont une moquette synthétique imitation gazon avec un substrat incorporé ente les brins de gazon synthétique, un semis étant ensuite réalisé pour constituer finalement une moquette synthétique semée dans laquelle pousse un vrai gazon naturel
De préférence, la couche hybride est constituée du substrat breveté connu sous le nom commercial Radicalé.
De préférence, le terrain de sport hybride engazonné comprend une structure de bassin avec un fond de forme (F) et des bords et une membrane imperméable posée sur le fond de forme (F)et sous la structure (S) et remontant sur les bords de ladite structure de bassin, de sorte que la structure (S) a son fond et ses bords périphériques verticaux isolés de l’extérieur par ladite membrane imperméable
De préférence, le terrain de sport hybride engazonné comprend une couche constituée d’un béton poreux breveté, à porosité très grossière, à la fois très perméable et très capillaire, connu sous la marque Capillary Concreete®.
De préférence, le terrain de sport hybride engazonné comprend une combinaison de 1à 5 couches parmi :
- une couche de top « dressing » de 1 à 3 cm située si elle est présente tout en haut de la pile de couches superposées
- une couche de substrat Radicalé d’une épaisseur de 4 à 20 cm
- une couche de sable dont le D10 est entre 200 et 800 µm située sous le Radicalé, d’une épaisseur de 10 à 250 cm si elle est présente
- une couche de Capillary Concreete d’une épaisseur de 5 à 10 cm si elle est présente
- -une couche de sable dont le D10 est entre 200 et 800 µm située sous le Capillary Concreete, d’une épaisseur de 50 à 250 cm si elle est présente
L’organisation de la structure et les relations à respecter selon l’invention sont illustrées dans l’ exemple « cas d’école » représenté par la , où N = 5 et n = 3, c’est à dire que l’on a 5 couches dans la structure dont 3 sont complètement comprises pour les deux premières couches et partiellement comprise pour la troisième couche à l’intérieur de la tranche (TOR) où l’on exige selon l’invention une teneur en air suffisante pour garantir une oxygénation des racines satisfaisante.
La description, qui ne présente aucun caractère limitatif, doit être lue en regard des figures suivantes:
- La figure 2 comprend les 4 figures 2A, 2B, 2C et 2D qui sont 4 exemples de compositions à partir de 3 types de couches qui peuvent être repérées par le motif utilisé pour les symboliser
- - un type de couche constituée de substrat Radicalé, repérable sur les figures 2 par des ovales et notée (Ra) ,
- un type de couche constituée de Capillary Concreete, repérable repérable sur les figures 2 par des triangles et notée ( CC )
- un type de couche constituée de sable siliceux, repérable repérable sur les figures 2 par des rectangles avec une croix et notée ( SS )
- - un type de couche constituée de substrat Radicalé, repérable sur les figures 2 par des ovales et notée (Ra) ,
Dans les 4 cas, les figures représentent la partie aérienne du gazon qui est notée (g) et figure une membrane imperméable notée (M.I) et des moyens figurés comme sur la par une flèche reliant les couches à un récipient plein d’eau dont le niveau détermine le niveau piézométrique de la nappe.
Les niveaux le plus haut et le plus bas prévus par le procédé gestion de la nappe et le niveau à l‘instant t de la nappe sont représentés notés respectivement Ppiézo mini, Ppiézo mini et P piézo et le marnage noté (∆ ) qui est la différence entre le plus haut niveau et le plus bas niveau de la nappe.
En comparant les 4 figures correspondant à des exemples différents, on y constate en particulier que les marnages ne sont pas forcément les mêmes.
Les courbes comparées sont toutes le profil hydrique principal de drainage à partir de l’état initial saturé.
C’est le profil capillaire « théorique » choisi pour caractériser les sols parce que d’une part c’est une courbe intrinsèque du sol accessible de façon expérimentale et parce que d’autre part, cette courbe est une borne supérieure de la teneur en eau après ressuyage, que ce soit à l’équilibre capillaire ou en période de flux capillaire ascendant
Les 4 types de sols sont un sol argileux ( courbe du type T1 ) , un sol limoneux ( courbe du type T2) , un sol sableux ( courbe du type T3 ) et un sol substrat correspondant au type de profil hydrique recherché dans l’invention ( courbe du type T4)
Les courbes donnent la relation entre la pression capillaire en échelle logarithmique en ordonnée par rapport à la teneur en eau volumique θEAUen échelle normale
Ces courbes permettent de voir de quelle hauteur il faut être au-dessus de la nappe pour une teneur en eau volumique donnée
en ordonnée, on a noté :
- PF1 qui correspond à 10 cm d’eau et à la remontée capillaire dans des pores de 300µm
- PF 1,5 qui correspond à 30cm d’eau environ
- PF2 qui correspond à 1 m d’eau et à la remontée capillaire dans des pores de 30µm
- PF 2,5 qui correspond à 3 m d’eau environ
PF3 qui correspond à 10 m d’eau et à la remontée capillaire dans des pores de 3 µm
Dans la , destinée à illustrer sur un exemple le schéma de principe de la structure selon l’invention, on observe en haut une strate ( G ) représentée avec des rayures et qui correspond à la partie aériennne du gazon qui pousse dans la structure elle même. Cette structure comprend sur l’exemple 5 couches superposées qui déterminent les profondeurs Y1, Y2, Y3, Y4 et Y5 correspondant aux planchers respectifs de haut en bas de ces 5 couches superposées.
Dans l’exemple de la , on a donc N = 5 et dans cet exemple, la couche hybride est la 2ième couche (C2) , représentée avec un motif graphique pour suggérer l’aspect drainant et élastique de cette couche
La montre un bloc de 5 couches C1, C2, C3, C4, C5 posées sur un fond de forme (f)
A gauche de ce bloc se trouvent les paramètres de construction :Y1, Y2, Y3, Y4et Y5
A droite de ce bloc se trouvent les paramètres relatifs à la gestion de la nappe. On y trouve la profondeur de 5cm correspondant aux critères d’aération estivale et PTOR la profondeur de la tranche d’oxygénation des racines (TOR ), la profondeur PTOR étant la profondeur d’oxygénation des racines choisie selon l’exemple. On constate dans l’exemple illustré en que la tranche d’oxygénation des racines est située dans la couche 3 entre Z0 = 0 à la surface et Z3 = PTOR , et que le niveau de profondeur 5cm est située entre Y1 et Y2 , c’est à dire dans la couche 2. Ainsi, les 2 premières couches (C1 et C2) sont complètement incluses dans la tranche d’oxygénation des racines , puisque Y2 < PTOR, de sorte que Y0 = Z0, Y1 = Z1 et Y2 = Z2 mais la troisième couche n’est que partiellement incluse, de sorte que Z3 < Y3 car Z3 = PTOR et PTOR < Y3 . Dans l’exemple de la , on a donc n ( PTOR) = 3
Toujours à droite de ce bloc, se trouvent ensuite la profondeur minimale de la nappe (Ppiézo min), la profondeur de la nappe au moment t ( Ppiézo) et la profondeur maximale de la nappe au plus bas (Ppiézo max) et figurent de façon schématique les moyens de gérer la nappe avec ici un système de vase communiquant avec un réservoir ( R ) qui monte et descend et dont le niveau d’eau impose le niveau de la nappe et avec une membrane imperméable (M.I) . La figure montre également le marnage ( ∆ ) entre les niveaux minimum et maximum de la nappe
Encore plus à droite de la , sont représentées par des vecteurs les quantités correspondant aux conditions à remplir selon l’invention.
Pour respecter les conditions hivernales selon l’invention même quand le niveau piézométrique est à son niveau le plus haut la profondeur PMin, tel que représenté sur la figure, on doit alors vérifier dans cet exemple les 3 relations suivantes :
Z1≤ PMin- X1,
Z2≤ PMin- X2
et Z3≤ PMin- X3,
Avec :
X1= hc 1 drainage(1- θAIR MIN TOR)
X2= hc 2 drainage(2- θAIR MIN TOR)
X3= hc 3 drainage(ε3- θAIR MIN TOR)
On a en effet dans chaque couche i :i eau= εi- θi AIR
Dans la , sont donc également représentées par des vecteurs ces grandeurs Z1, Z2, Z3 et X1, X2 et X3 correspondant à l’exemple . Ces grandeurs apparaissent sur la partie droite de la comme des vecteurs dirigés vers le haut avec leur origine à la profondeur PMin et cela permet de constater si la pointe du vecteur Xi est plus bas ou plus haut que la pointe du vecteur Zi dirigé vers le bas à partir de la surface car la condition à respecter selon l’invention est graphiquement d’avoir la pointe du vecteur Zi située plus haut que la pointe du vecteur Xi
On constate ainsi que dans l’exemple illustré en , les 3 relations sont en effet respectées, puisque Z1 ≤ PMin - X1 , Z2 ≤ PMin - X2 et Z3 ≤ PMin- X3
Par ailleurs, la illustre également la possibilité de respecter la condition estivale. En effet, pour pouvoir respecter les conditions estivales selon l’invention quand on baissera le niveau de la nappe au maximum jusqu’à Ppiézo Max, on doit également vérifier dans cet exemple la relation suivante : 5 cm ≤ P’piézo Max - X’ avec : X’ = h’c drainage ( ε2 - θAIR MIN ÉTÉ 5 cm ), où h’c est la fonction du profil à partir de la profondeur Ppiézo Max
Selon cet exemple, on constate que si Ppiézo Minavait été plus petit et/ou X3 avait été un peu plus grand, la relation n’aurait pas été respectée . On voit aussi que si le substrat de la couche2 avait été le substrat de la couche 1 on aurait eu X1 = X2 et dans ce cas on aurait eu Z2> Ppiézo Min- X2.
Si l’exigence θAIR MIN TORavait été une teneur en air supérieure, on aurait eu X1, X2 et X3 plus grands et donc au moins pour la couche 3, la relation n’aurait pas été respectée.
De même, si l’exigence θAIR MIN TOR avait été celle de l’exemple de la mais si le substrat de la couche 3 avait été constitué d’un substrat à la granulométrie plus fine, la fonction hc 3 drainage aurait été plus rapidement décroissante et du coup X3 aurait également été plus grand, et la relation n’aurait pas non plus été respectée.
Tout à fait à droite de la figurent enfin le vecteur 5cm à partir de la surface et le vecteur X’ à partir de la profondeur maximale P Piézo max pour vérifier si la pointe de ce vecteur est plus bas que la pointe du vecteur 5cm, ce qui correspond à la condition estivale, dont on constate en effet qu’elle est respectée sur l’exemple figuré en
Ainsi, la représente tous les éléments qui permettent de constater visuellement de façon graphique que l’exemple représenté est bien conforme aux conditions recherchées par l’invention.
Dans ce contexte, une caractérisation selon l’invention de la profondeur du niveau piézométrique de la nappe et de certaines caractéristiques intrinsèques du substrat, accessibles de façon expérimentale, permet de garantir en été un flux capillaire estival capable de soutenir une évapotranspiration réelle au niveau de l’évapotranspiration potentielle estivale tandis qu’une couche superficielle d’épaisseur suffisante pour la prospection racinaire dispose d’assez d’air connecté à la surface pour garantir toute l’année une oxygénation suffisante du sol et des racines et d’une aération su- perficielle favorable à la prévention des maladies estivales du gazon.
Après la description synthétique de l’invention ci dessus pour en définir le principe général , les paramètres du système et les relations entre eux, un ensemble d’exemples concrets de réalisations illustreront ci -dessous ce principe, ces paramètres et les relations qui les lient selon l’invention.
En particulier un exemple de 4 réalisations typiques est illustré par la figure 2 qui représente 4 structures particulières qui permettent de mieux visualiser le rôle des différentes couches que l’on peut superposer dans une structure selon l’invention.
De plus, le lien entre les caractéristiques intrinsèques du sol et la structure selon l’invention sera ensuite illustré par l’analyse d’un exemple de 4 sols représentant 4 cas d’école relativement typés et représentés sur la même par leurs courbes de potentiel capillaire.
Concernant la composition de la structure sur le plan vertical, on a d’une part superposition des couches homogènes superposées qui correspondent à la structure du terrain de sport et on a d’autre part l’exigence d’une épaisseur de la tranche superficielle d’oxygénation des racines (TOR) que l’on souhaite suffisamment aérée pour garantir une oxygénation correcte en hiver.
Bien entendu, il n’ est pas nécessaire de faire correspondre directement l' épaisseur PTORde la tranche superficielle d’oxygénation des racines (TOR) et les épaisseurs des différentes couches ; Quand la profondeur de la couche d’oxygénation détermine l’un des objectifs poursuivis, le choix de la composition des couches et leurs épaisseurs respectives sont quant à eux un moyen choisi pour répondre à l’ensemble des exigences.
Le fait d’avoir des couches homogènes superposées permet d’une part de répondre à la nécessité d’homogénéité macroscopique du terrain par une structure homogène sur le plan horizontale mais permet d’autre part d’avoir sur le plan vertical une réponse différenciée en fonction de la profondeur car les besoins techniques varient en fonction de la profondeur et le coût économique des différents matériaux de constitution est extrêmement différent selon les fonctionnalités demandées à chaque couche.
Ainsi, à titre d’exemple de superposition de couches, car il existe d’autres combinaisons possibles, on peut trouver différentes combinaisons de couches diversifiées en partant de la surface comme par exemple la succession ci-dessous donnée à titre d’exemple :
- A la surface, on peut trouver un top dressing d’une épaisseur de quelques millimètres à 1 ou 2 cm pour donner des fonctionnalités spécifiques à cette interface, notamment la gestion de la glissance.
- A la surface ou juste sous le top dressing, se trouve normalement la couche hybride car c’est cette couche superficielle qui doit jouer un rôle mécanique bio-mécanique qui donne à la surface sortie ses qualités spécifiques. Cette couche peut avoir une épaisseur comprise entre 5 et 25 cm selon le sport considéré et le niveau d’exigence, sachant que l’épaisseur de cette couche a une incidence significative sur le prix revient global de la structure
- Sous la couche hybride, on peut avoir une couche de sable qui prend le relais de la couche hybride, moins performante sur le plan mécanique et hydrique mais plus économique
Sous ces couches, on peut avoir une couche d’un matériaux ( CC) connu sous le nom de Capillaire Concreete, qui est un béton capillaire extrêmement poreux. De façon idéale cette couche de (-CC) présente une très forte macro-porosité et présente donc une capacité de stockage maximale par centimètre de couche et une résistance mécanique au flux particulièrement faible, qui permet une parfaite homogénéisation horizontale des flux de convection et une puissance de résistance mécanique au flux presque négligeable.
Sous la couche hybride, on peut trouver une couche de sable qui peut avoir une épaisseur de plusieurs dizaines de cm à 1 ou 2 mètres et qui sert à la fois à faire descendre le niveau de la nappe pour l’été et à stocker de l’eau de pluie hivernale pour utilisation estivale.
Enfin, sous ces couches, on peut trouver une membrane imperméable qui par ailleurs remonte en périphérie sur les bords de la structure.
Les quelques exemples ci-dessous de réalisations préférées et qui ne sont pas non plus limitatifs permettent d’illustrer de façon concrète différents modes de construction et de gestion de terrains de sport selon l’invention.
Puisque l’invention concerne une structure comprenant une ou plusieurs couches superposées, les exemples ci -dessous seront donnés en prenant des exemples avec 1 puis 2 puis 3 couches, principalement choisies pour leurs caractéristiques et leurs fonctions différentes.
Sur ces mêmes exemples, on peut si on le veut rajouter une couche supplémentaire facultative de top dressing ou un mulch très superficiel ; Il pourrait d’ailleurs être fait également état d’un autre type de couche superficielle, la couche de feutre, qui sans être strictement partie intégrante de la structure mise en place à la création s’invite d’elle-même et grossit ensuite spontanément avec le temps si on ne prend pas soin de la contenir.
Cependant, même si l’invention permet dans son principe de multiplier les couches , ce n’est ni l’objectif ni d’ailleurs possible d’en présenter toutes les variantes imaginables et il est donc plus simple de ne présenter ci-dessous que des exemples simples et typiques afin d’illustrer le principe de la diversité des solutions pour s’adapter à différents objectifs ( notamment financiers, bien sûr).
Ainsi, une première variante est possible avec une seule couche, comme l’illustre la .
Il s’agit d’une couche unique de substrat Radicalé d’une épaisseur de 20 à 40 cm , posée sur une membrane imperméable qui remonte en périphérie sur les bords jusqu’à la surface.
Il existe un moyen de gérer la nappe comme par exemple des drains annelés parallèles avec une équidistance par exemple de 1 mètre et qui traversent le substrat de part en part dans la longueur ou dans la largeur à l’horizontale en bas de la couche de substrat au-dessus de la membrane imperméable et sont reliés à leurs deux extrémités à des collecteurs qui traversent la membrane imperméable et sont reliés à un récipient d’eau périphérique à surface libre dont on peut régler l’altitude de la la surface libre et la maintenir au niveau décidé par un débordement et un apport d’eau.
Par le jeu des vases communicants, une nappe se met en place dans le substrat et l’altitude piézométrique de la nappe se règle automatiquement au niveau de celle de la surface libre du récipient .
Un tel système fonctionne.
On est dans le cas d’une structure peu profonde où prime la notion de performance. La répartition hydrique n’est pas parfaitement homogène sur le plan horizontal du fait de l’équidistance entre les drains mais les différences restent tout à fait marginales, du fait de la très bonne perméabilité du substrat Radicalé qui implique un très bon rabattement inter-drains.
Le volume de stockage n’est pas très important du fait que la porosité totale n’est pas aussi importante que dans des matériaux beaucoup plus grossiers comme par exemple le ballast mais surtout le coût du stockage par millimètre d’eau stocké , proportionnel au prix du substrat, est excessif pour du stockage d’eau et de même le coût du substrat en dessous des 10 à 30 premiers centimètres (en fonction des sollicitations mécaniques selon le sport pratiqué) devient excessif pour une amélioration mécanique qui devient marginale au-delà de cette profondeur par rapport à la performance mécanique d’un milieu poreux plus simple et moins coûteux .
Une seconde variante illustrée par la est possible, selon le même modèle mais en remplaçant la couche unique de substrat Radicalé par une couche de Radicalé de 8 à 30 cm ( selon le sport considéré et le niveau de performance recherché) sur une couche de sable grossier de 20 à 200 cm.
Cette constitution en bicouche n’altère pas exagérément les performances , dès lors que la couche supérieure en Radicalé est suffisamment épaisse pour résister aux sollicitations mécaniques du sport considéré et apporter l’amortissement recherché tandis que la profondeur à faible coût apporté par le sable permet de régler la nappe plus profondément en version estivale et de conserver une marge de variation pour faire varier le niveau de la nappe en fonction de la saison et constituer une couche économique de stockage.
Bien entendu, une nappe à 2 mètres de profondeur à la fin du mois d’août ne créera pas un flux qui permettra une ETR au niveau de l’ETP par 40C mais l’hydratation sera suffisante pour conserver le gazon et une nappe à 1 mètre permet de conserver le gazon en bon état avec des variétés adaptées et l’ETR dans ces conditions est plutôt proche de la moitié de l’ETP comme avec un arrosage par aspersion. Une structure très profonde avec une couche de sable épaisse et une nappe plus profonde à la fin d’une période estivale de sécheresse prolongée dans des climats arides est certes moins performante mais elle permet en revanche d’avoir un rôle écologique important du gazon avec un stockage d’eau économique.
De façon idéale sur le plan de la qualité du gazon, on peut avoir une couche supérieure en Radicalé d’une épaisseur de 8 cm à 12 cm et une couche de sable de 30 à 50 cm, avec une nappe à 40 cm au moment de la canicule en juillet et qui peut continuer à descendre jusqu’à 60 cm jusqu’aux premières pluies d’automne. Ainsi, on peut avoir une nappe oscillant entre 15 cm et 60 cm de profondeur et étant la plupart du temps au-dessous de 20 cm et autour de 40 cm au moment des canicules.
Une troisième variante présentée en , également en bicouche est aussi possible en remplaçant le sable par un produit connu sous le nom de CC ou Capillary Concreete (« béton capillaire ») qui est un béton à la fois très poreux avec des macropores de très grande dimension et en même temps à forte capillarité.
Un premier avantage du CC est que le volume de stockage supplémentaire par 10 cm de couche supplémentaire est de l’ordre de 7 cm d’eau et que surtout, il n’y a pas besoin de drains pour répartir horizontalement l’air ou l’eau en pression ou dépression pour créer un mouvement ascendant ou descendant d’air ou d’eau car la perméabilité est telle que le CC fournit sans délai et sans résistance mécanique significative une parfaite couche de répartition qui permet de créer une convection verticale dans le substrat placé au-dessus à partir d’ une base horizontale homogène.
Un second avantage du CC est qu’il constitue une chape parfaitement stable sur laquelle on peut faire circuler des véhicules ou installer des tribunes et qu’une couche de Radicalé peut être installée sur du CC et enlevée puis remise ultérieurement en laissant entretemps une surface parfaitement propre, portante et drainante qui peut être utilisée pour les stades multi- fonctionnels .
La question du coût économique reste cependant problématique si l’on veut des couches très épaisses en CC pour une grande capacité de stockage
On peut également avoir une couche de Radicalé posée sur une couche de sable au-dessus de la couche de CC, elle-même posée sur du sable. Cette version est moins performante mais plus économique que la précédente. Cette quatrième variante présentée en peut donc être décrite à partir de la seconde variante avec du Radicalé posé sur du sable grossier sur une épaisseur importante et avec en plus une troisième couche de 5 à 10 cm de CC intercalée entre la couche de sable et la couche de Radicalé.
Dans ce cas, tous les moyens d’apport d’eau ou d’air pour la convection se font à travers la couche de CC qui offre la possibilité d’une parfaite répartition horizontale. Dans cette configuration, la faible profondeur de la couche de CC et les caractéristiques de perméabilité du CC permettent de minimiser la résistance mécanique à la convection horizontale dans le CC puis verticale dans le Radicalé, ce qui permet d’optimiser ainsi l’efficacité de la climatisation convective. Cette efficacité mécanique et cette homogénéité horizontale de débit et pression parfaitement répartis dans la couche de CC permettent ensuite d’utiliser la convection pour climatiser et en particulier pour assécher la surface en période caniculaire par passage d’air frais sans pour autant assoiffer le gazon qui restera hydraté par le flux capillaire si la nappe est maintenue assez peu profonde.
Ces exemples montrent qu’il faut adapter la stratégie de variation du niveau de la nappe aux priorités qui ne sont pas les mêmes selon les circonstances. Ainsi par exemple :
- d’un côté pour un grand stade mal ventilé où le maintien d’un flux capillaire passe avant le stockage de l’eau, d’autant que le bassin versant d’un grand stade permet pour chaque orage de faire remonter le niveau d’eau sans même faire appel aux ressources extérieures
- et d’un autre côté pour un terrain sans tribunes et bien ventilé dans un climat à très faible pluviosité estivale où la priorité est accordée à la préservation de la réserve en eau. Il faut à cet égard remarquer qu’en augmentant le marnage on augmente la réserve en eau mais simultanément on diminue le flux et donc les besoins en eau mais avec une ETR qui s’éloigne de l’ETP, sachant qu’en moyenne l’ETR des terrains agricoles à irrigation satisfaisante calculée en irrigation classique est inférieure en climat méditerranéen à la moitié de l’ETP.
Ainsi, il apparaît au travers des exemples donnés ci-dessus, et qui ne sont nullement limitatifs, que le principe de construction et de gestion selon l’invention autorise une large palette de solutions différentiées qui permet de s’adapter à la grande variété des besoins de tous les différents types de terrains de sport.
Par ailleurs, dans tous les exemples décrits ci-dessus avec plusieurs couches superposées dans la structure, il importe de remarquer que le comportement de l’eau à l’équilibre capillaire à l’intérieur d’une couche donnée ne dépend pas des caractéristiques des autres couches au-dessus ou au-dessous mais seulement du substrat de la couche considérée et de la pression capillaire à l’intérieur de cette couche considérée, cette pression capillaire ne dépendant elle même que de la hauteur entre la nappe et le point considéré dans la couche considérée, à la condition toutefois qu’il n’y ait pas de coupure de capillarité entre la nappe et la couche en question, comme on pourrait en avoir par exemple en intercalant une couche de graviers entre la nappe et la couche considérée.
En revanche, les flux capillaires dépendent de l’ensemble des différentes couches successives à traverser et c’est pourquoi du sable plutôt grossier ( par exemple du sable avec un D10 autour de 500 µm ) est une solution particulièrement intéressante pour la constitution d’une sous couche sous la couche hybride, tant que la profondeur de la nappe est assez faible pour permettre à un sable grossier de conserver assez de teneur en eau pour ne pas affecter de façon sensible sa perméabilité ou risquer d’assécher le substrat par risque de rupture capillaire. Or, pour des hauteurs inférieures à 3 mètres ( pression capillaire PF 2,5) , tous les sables ont une teneur en eau proche de leur capacité au champ et conservent donc encore bien assez d’eau pour ne pas craindre de rupture de capillarité et ne pas diminuer leur perméabilité de façon trop sensible.
A cet égard, il convient de remarquer également que dans le contexte d’une nappe à moins de 2 ou 3 mètres , on est à une pression capillaire proche de celle de la capacité au champ, de sorte que la teneur en eau l’équilibre en l’absence de demande évaporatoire n’est jamais significativement inférieure à la capacité au champ jusqu’à la surface.
Or, comme le montre la qui est relative à la comparaison de quatre courbes (T1, T2, T3 et T4) de potentiel matriciel correspondant à quatre type de sols : T1 pour un sol argileux, T2 pour un sol limoneux, T3 pour un sol sableux et T4 pour un sol substrat. La teneur en air à la capacité au champ d’une argile est de seulement quelques 2 ou 3 % et de plus la hauteur de la frange capillaire d’une argile est élevée, de l’ordre de 2 ou 3 mètres et la courbe hc( monte presque à la verticale etc, de sorte qu’avec de l’argile il n’y a pas assez d’air tant que le terrain n’est pas non seulement ressuyé mais partiellement asséché entre la capacité au champ et le point de flétrissement. De façon un peu moins prononcée, il en est de même avec un limon.
Tout au contraire, avec les sables et surtout pour les sables à partir de 200 µm, la porosité est essentiellement de la porosité efficace de taille supérieure à la porosité correspondant à la réserve utile et la différence entre les deux est de l’ordre de 20 %. De plus après une très mince frange capillaire, la teneur en eau diminue très vite et donc la teneur en air augmente très vite à chaque décimètre de hauteur au-dessus de la nappe, de sorte que pour 40 cm par exemple on aura 10 % d’air dans du sable et à peu près 0% d’air dans de l’argile qui n’aura que 3% d’air à 10 mètres au-dessus de la surface. C’est la raison pour laquelle les substrats essentiellement sableux avec un sable supérieur à 200µm sont adaptés avec la présente invention tandis que les substrats fins ne le sont pas.
En plus des exemples donnés ci dessus, un autre type de couche peut être utilisé dans e cas de l’invention ; Il s’agit d’une couche dont l’objectif est de constituer une réserve de stockage d’eau la plus grande possible et la moins chère possible par une épaisseur de couche donnée.
Evidemment le plus grand volume pour une surface et une épaisseur données est le volume du produit de la surface par l’épaisseur et c’est ce que l’on obtient ( à l’épaisseur des membranes portantes près) si l’on installe des réservoirs vides sous les autres couches.
Dans ce cas de figure où l’on veut maximaliser le volume, on peut choisir des bacs sans couvercle avec des cloisons verticales à une équidistance suffisante pour pouvoir en partie haute installer des grilles reposant sur les dites parois verticales, de façon à supporter le poids de toute la partie supérieure de la structure.
Il est également possible installer des structures en matière plastique constituées de membranes délimitant des alvéoles , ces structures pouvant être posées à plat et éventuellement superposées pour constituer une structure auto-portante sur laquelle peut reposer la partie supérieure de la structure, ces structures portantes d’épaisseur individuelle (e) constituant une structure d’épaisseur n (e) quand on en superpose n couches, et l’intérêt de ces structures est d’avoir une porosité efficace qui peut être supérieure à 90% , d’avoir un coût d’installation marginal et un coût d’achat particulièrement avantageux en terme d’investissement par mètre cube disponible pour y stocker de l’eau
Une couche de ballast est une autre solution envisageable avec un plus faible rapport volume de stockage sur volume utilisé
Toutes ces couches ont en commun de ne pas être capillaires.
Une solution originale selon l’invention consiste à relier le bas des couches supérieures de la structure du terrain de sport à une telle réserve de stockage d’eau installée en couche inférieure par un réseau de fibres capillaires qui sont installées avec une densité suffisante en faisceau vertical que l’on fait pendre par gravité ou que l’on maintient par tout moyen mécanique approprié, de sorte que le bas des fibres capillaires descende jusqu’en bas de la couche réservoir tandis que le haut des fibres capillaires est au contact des couches de substrat situées au-dessus de la couche réservoir.
Dans ce cas de figure particulier, l’addition des fonctionnalités de la couche réservoir et des fibres capillaires qui y sont installées permet de transformer la couche en couche doté d’une capacité capillaire qui fonctionnera alors selon le mode général de l’invention avec un niveau de la nappe qui peut fluctuer à l’intérieur de la couche réservoir en fonction de la consommation et des apports d’eau.
C’est ainsi qu’une couche essentiellement remplie de vide ( on ne peut pas faire meilleur stockage ) peut être utilisée dans le cadre de l’invention si un faisceau de fibres permet de remonter par capillarité l’eau présente dans la couche et constituant une nappe à niveau variable , en considérant la surface libre dans cette couche comme le niveau piézométrique d’une nappe.
Dans ce cas de figure, la surface libre est la séparation entre le volume rempli d’eau en bas et le volume rempli d’air saturé de vapeur d’eau entre le substrat et la zone saturée.
Un problème observé expérimentalement avec les fibres capillaires destinées à faire remonter l’eau est leur séchage avec de l’eau calcaire.
Dans le cas présent, il y a peu de calcaire si c’est l’eau de pluie stockée après avoir percolé dans un substrat non calcaire et surtout il y a une vapeur d'eau saturante et une activité capillaire permanente qui sont de nature à éviter le séchage de la fibre et ce type de problème.
En revanche, il s’agit là d’un moyen nouveau sur lequel on manque encore de recul concernant le vieillissement des fibres capillaires, et leur éventuelle perte de performance.
Ainsi, à travers les différents réglages des différentes solutions dont certains exemples ont été présentés ci dessus, la présente invention permet , par rapport à ce qui existe aujourd’hui, d’améliorer la durabilité et la performance sportive des terrains de sport engazonnés, tout en faisant des économies d’eau et d’énergie.
En effet, le procédé de construction selon l’invention permet :
- de favoriser la réponse mécanique immédiate du substrat lors de la pratique sportive
- de favoriser la santé du gazon et ainsi sa contribution propre à la pratique sportive
Pour améliorer la durabilité des terrains de sport engazonnés, le procédé de construction permet :
- en mode passif, de favoriser une gestion durable optimisée du gazon par l’obtention d’un profil spontané de teneur en eau à l’équilibre et d’un flux hydrique spontané en présence d’une demande climatique d’évapotranspiration de nature à garantir au gazon des conditions suffisantes pour une croissance durable en terme d’hydratation, d’aération, de température et d’oxygénation
- en mode actif , de favoriser l’utilisation du terrain en toutes circonstances climatiques malgré le gel ou la neige ainsi que la croissance optimale du gazon en période hivernale ou lors d’épisodes caniculaires par une optimisation de la température et de l’oxygène dans le substrat et en surface, tout en faisant des économies d’énergie par rapport aux moyens actuellement connus, par des moyens maîtrisés de conduction et de convection d’eau ou d’air à travers le substrat en présence d’une nappe d’eau peu profonde permettant l’utilisation des calories ou des frigories « gratuites » disponibles dans l’environnement au voisinage des terrains de sport
- en organisant dans une version préférée la récupération et l’utilisation différée de l’eau de pluie tombant sur le terrain et éventuellement sur un bassin versant plus large, avec le double avantage d’une part (i) d’économiser l’eau d’irrigation ( voire de supprimer les besoins d’eau venant de extérieur pour l’irrigation, voire même de pouvoir stocker pour fournir de l’eau à l’extérieur ) et de soulager les flux en aval et d’autre part (ii) de participer à l’écrêtement des crues lors d’épisodes pluvieux violents ou prolongés.
Le principe de gestion selon l’invention du profil hydrique ou du flux hydrique au-dessus du niveau piézométrique de la nappe consiste donc à caractériser les substrats hybrides utilisables dans le cadre de l’invention, puis de régler en fonction du substrat choisi une gamme de profondeurs de la nappe et le réglage de l’épaisseur des couches de substrat , de façon à s’assurer en été que les flux capillaires soient suffisants pour assurer l’hydratation nécessaire du gazon mais sans conduire à un excès d’eau en partie superficielle, et de façon à garantir une bonne aération et oxygénation des racines en hiver.
Dans ce but, les terrains hybrides engazonnés selon l’invention comprennent au moins une couche de jeu hybride (H) , cette couche constituant un volume occupé à la fois par un substrat essentiellement sableux dont les grains peuvent se mouvoir les uns par rapport aux autres et par des éléments de renforcement qui se partagent ledit volume avec ledit substrat essentiellement sableux, ces éléments de renforcement et les grains du substrat définissant entre eux la partie solide constitutive d’une matrice solide délimitant par complémentarité un espace poral, défini comme la partie du volume non occupé par la matrice solide, cet espace poral étant lui même occupé par de l’eau et de l’air et de façon quantitativement marginale par le milieux vivant du biotope (racines de gazon, bactéries, champignons etc).
Les éléments de renforcement peuvent être selon les différents types de réalisation de l’invention des éléments de renforcement préalablement ajoutés au substrat lors de sa fabrication, comme c’est le cas des substrats fibrés, ou bien il peut s’agir d’éléments de renforcement ultérieurement incorporés sur place au substrat préalablement installé, comme c’est le cas de fibres discontinues ou de fibres continues incorporées au terrain une fois le substrat et/ou le gazon installé , avec notamment les gazons dits « tuftés » (technique dite de terrain stitché) , ou bien il peut encore s’agir d’une structure préalablement installée sur son support comme par exemple une moquette synthétique, le substrat dit « de remplissage » n’étant incorporé qu’ultérieurement au sein de ladite structure, par exemple entre les fibres synthétiques de la moquette.
Pour des raisons pratiques de détermination expérimentale des caractéristiques intrinsèques du substrat hybride et parce que c’est de toute façon le substrat en tant que tel et non les éléments de renforcement qui déterminent la capillarité, les caractéristiques intrinsèques du substrat hydriques sont celles du substrat hybride complet quand il s’agit d’un substrat dont les éléments de renforcement sont préalablement ajoutés au substrat lors de sa fabrication mais ne concernent que le substrat préalablement installé avant l’incorporation des éléments de renforcement lorsqu’il s’agit d’un substrat préalablement installé avec incorporation ultérieure d’éléments de renforcement et ne concernent que le substrat de remplissage lorsque ce dernier est incorporé ultérieurement au sein d’une structure de renforcement comme par exemple une moquette synthétique.
Pour ces interventions actives, l’objectif de l’invention est de minimiser l’ensemble des ressources externes et des énergies mécaniques ou calorifiques mises en œuvre. En particulier, l’invention prévoit d’utiliser de façon préférée les ressources en calories ou frigories à faible température disponibles localement (renouvellement d’ air issu des constructions ou des parkings, puits canadien, eaux usées) avec un apport d’énergie mécanique marginal pour diffuser ces calories ou frigories dans le substrat, compte tenu du type de substrat choisi et du cadre de fonctionnement avec nappe d’eau à faible profondeur.
De façon préférée également, l’invention prévoit aussi de récupérer l’eau de pluie tombant sur le terrain ou sur un bassin versant adjacent plus large, avec le double intérêt :
- d’une part, d’utiliser de façon différée la ressource en eau localement disponible pour les besoins d’hydratation des plantes et pour la climatisation estivale du quartier en économisant les ressources en eau venant de l’extérieur ( voire sans prélever d’eau en provenance de l’extérieur, voire même en devenant une ressource d’eau pour l’extérieur )
- d’autre part de participer à l’écrêtement des crues en aval lors d’évènements pluvieux violents ou prolongés.
Aussi, pour une gestion aussi éco-responsable que possible, la présente invention se donne pour objectif de faire pousser le gazon dans un milieu naturellement durable selon le processus de fonctionnement naturel d’un sol soumis aux lois de la physique en milieu poreux et en présence d’une nappe d’eau à faible profondeur mais en imposant des paramètres de construction (épaisseur et composition des couches de substrat et profondeur piézométrique de la nappe d’eau) qui garantissent que le milieu restera spontanément favorable à la culture du gazon en en toute circonstance climatique .
De plus, la présente invention se donne comme objectif secondaire d’utiliser au mieux les ressources naturellement disponibles sur place en utilisant ces caractéristiques imposées au milieu et les caractéristiques des lois de la physique dans un milieu correspondant à ces paramètres de construction imposés pour booster le gazon en agissant sur la climatisation, le séchage ou l’oxygénation du substrat et du gazon avec les frigories et calories à température modérée naturellement disponibles sur place et avec une consommation énergétique marginale par rapport aux apports énergétiques en chaleur.
De plus, la présente invention se donne comme objectif secondaire d’utiliser au mieux les ressources naturellement disponibles sur place en utilisant ces caractéristiques imposées au milieu et les caractéristiques des lois de la physique dans un milieu correspondant à ces paramètres de construction imposés pour booster le gazon en agissant sur la climatisation, le séchage ou l’oxygénation du substrat et du gazon avec les frigories et calories à température modérée naturellement disponibles sur place et avec une consommation énergétique marginale par rapport aux apports énergétiques en chaleur.
Aussi l’un des buts de l’invention est d' optimiser le contrôle de température et de la courbe de saturation θ/ε (z) : refroidissement, réchauffage, aération, séchage par convection d’eau et/ou d’air, en combinaison avec puit canadien.
Avant la convection, la nappe d’eau peut déjà être utilisée pour une climatisation par conduction en utilisant la température de la nappe
et une première façon toute simple de climatiser le gazon quand on a une nappe d’eau est déjà de gérer la température de la nappe d’eau.
On peut faire circuler l’eau de la nappe ou l’eau dans des tuyaux échangeant avec la nappe pour maintenir l’eau de la nappe à une température donnée comme par exemple 12° en hiver et 15° en été et, du fait de la bonne conduction dans l’eau et de la remontée capillaire , il y a un flux de chaleur ascendant naturel .
Autrement dit, même sans la convection forcée d’air ou les marées de submersion d’eau, le flux de chaleur par conduction a déjà une bonne efficacité pour tempérer le substrat jusqu’à la surface
La première opération de climatisation est donc la climatisation de l’eau de la nappe pour compenser les calories perdues par flux de chaleur ascendant par conduction en hiver ou les frigories perdues par flux de froid ascendant par conduction en été
Ensuite, quand des conditions climatiques plus extrêmes redent nécessaire une action plus efficace , la convection permet cette plus grande efficacité
Un objectif important de l’invention est de disposer des moyens et d’une méthode pour refroidir ou réchauffer le substrat ainsi que les brins de gazon en fonction des besoins et aussi d‘oxygéner le sol et d’assécher la partie supérieure du substrat et les brins de gazon , particulièrement en hiver quand l’évapotranspiration potentielle ETP est nulle mais avec apports d’eau en surface par la pluie et/ou la condensation nocturne sous forme de rosée ou de gelée blanche ou encore de neige et particulièrement en été quand la température est très élevée et qu’il faut assécher et rafraîchir le substrat et les brins de gazon pour éviter les explosions de maladies cryptogamiques.
Il faut pouvoir refroidir en été et pouvoir chauffer en hiver d’une part le substrat et d’autre part le gazon en surface, sans pour autant priver le gazon de ses ressources en eau, c’est à dire sans assécher le substrat en profondeur et en conservant la possibilité d’alimenter en eau le substrat en profondeur pour favoriser l’évapotranspiration et compenser la consommation d’eau par évapotranspiration .
Il existe bien des systèmes déjà utilisés pour réchauffer les terrains par des câbles électriques ou des tuyaux d’eau chaude installés en bas du substrat, le transfert de température de bas en haut étant ensuite assuré par conduction dans le substrat.
Cependant , tous ces systèmes sont assez onéreux en installation et très onéreux en fonctionnement et d’un effet limité.
Ils sont utilisés le plus souvent pour éviter le gel plutôt que pour maintenir la température du substrat à une température optimale pour la pousse du gazon et ils ne sont pas du tout efficaces pour maintenir une température favorable au niveau des brins de gazon.
En phase transitoire, la propagation de la température par conduction est très lente et la conduction est d’autant moins efficace que la saturation en eau est faible , ce qui signifie qu’avec un très faible taux de saturation en partie supérieure, tel que souhaité pour éviter les maladies, la température se propage très mal du bas vers le haut et de toutes façons elle ne se propage pratiquement pas du tout par conduction à la zone aérienne des brins de gazon, rendant ces systèmes de chauffage très peu efficaces pour lutter contre les brins gelés et cassants et contre la neige qui fond si elle arrive sur un sol chaud mais qui ne fond pas si les flocons sont arrêtés par des brins gelés.
Si l’on considère au contraire un sol avec une nappe d’eau en partie inférieure, une zone de transition et une zone supérieure que l’on veut maintenir chaude et sèche (partie supérieure du substrat et brins de gazon) il a été constaté de façon surprenante que cet objectif peut être atteint en soufflant de l’air, même avec de l’air à température relativement peu élevée.
Il a été constaté en particulier que l’on peut obtenir des résultats assez efficaces pour réchauffer le substrat et très efficaces pour maintenir le substrat en température de 10° c environ en faisant circuler dans le substrat de l’air préalablement prélevé dans l’atmosphère ambiante ( air froid et potentiellement saturé en eau) et en faisant simplement circuler cet air dans un tuyau immergé dans de l’eau à 12° jusqu’à ce que la température de l’air atteigne 11° à 12°.
Or, lorsque de l’air extérieur, éventuellement saturé d’eau, voit sa température élevée de 10°C par exemple, il en résulte physiquement que la quantité d’eau que l’air peut emmagasiner avant d’être saturé augmente avec la température de l’air car la courbe de saturation d’eau en fonction de la température est une fonction fortement croissante. Ainsi, du fait que la quantité d’eau contenue dans l’air qui circule dans un tuyau est conservée, il s’ensuit que l’air dont la température augmente va simultanément voir chuter son taux d'humidité relative puisque c’est le rapport entre la quantité d’eau présente dans l‘air ( qui ne varie pas- et l’humidité à saturation qui augmente).
Il est apparu en particulier que, si cet air est envoyée en légère surpression en bas du substrat, il va circuler à travers le substrat selon un procédé décrit plus loin, cet air va pouvoir simultanément réchauffer et assécher ledit substrat en circulant à travers lui de bas en haut puisqu’il s’agit d’air non saturé.
Si la vitesse de l’air dans le substrat est suffisante, son temps de passage dans le substrat et à travers les feuilles lui permettra de faire un échange avec le substrat qui aboutira à réchauffer le substrat tant que celui ci est plus froid que l’air et à se refroidir simultanément car les calories gagnées par le substrat sont perdues par l’air tandis que dans le même temps, l’air va se charger d’eau tandis alors que simultanément le substrat va s’assécher.
De façon surprenante, il a été constaté, dans les essais réalisés avec du substrat Radicalé® que la résistance mécanique du substrat à la percolation de l’air était marginale en ce sens que la puissance mécanique consommée représentait moins de 10% de l’énergie thermique transmise par l’air au substrat lors de son passage en phase transitoire quand l’air est à 10 ° et le substrat à 5°. Ce résultat expérimental remarquable démonte la pertinence énergétique du chauffage d’un te substrat par convection d’air si le chauffage préalable de l’air n’est pas lui même énergétivore.
Or, l’énergie thermique nécessaire pour chauffer l’air à une température basse de l’ordre de 10? °C est une énergie « gratuite » ( hors investissement initial de l’installation bien sûr) quand on réchauffe l’air en le faisant circuler dans de la terre à 12° que l’on trouve en profondeur toute l’année, selon le principe déjà connu sous le nom de puit Canadien.
Pour favoriser la conduction, on peut de façon préférable immerger en terre un tuyau d’eau et on fait circuler un tuyau d’air dans le tuyau d’eau.
Pour pouvoir obtenir un flux d’air suffisant , une solution préférée est de créer des faisceaux de tuyaux d’eau enterrés et dans chaque tuyau d’eau un faisceau de tuyaux d’air circulant dans le tuyau d’eau
Une autre solution préférée est de disposer d’une cuve d’eau de grand volume dans lequel sont immergés un ensemble de tuyaux d’air qui permettent à l’air de s’y réchauffer lors de sa circulation dans les tuyaux immergés dans ladite cuve avant d’être soufflé en légère surpression dans le substrat et de circuler de bas en haut à travers ledit substrat.
En contre-partie des calories perdues par la cuve d’eau, un échange avec les eaux usées et avec l’air vicié issu des sous sols avant de rejeter cet air dans l’atmosphère permet d’apporter un flux de calories qui compense les calories perdues par l’eau au profit de l’air.
Un point important de l’invention est que cet échange thermique et thermodynamique de calories et d’eau avec le substrat est particulièrement indiqué pour conditionner le substrat du fait même du principe d’une nappe d’eau peu profonde dans le substrat.
En effet, l’air montant de bas en haut commence à sécher avec une efficacité maximale ce qui se trouve en bas puisque, avec la même vitesse de percolation, l’air est plus sec en bas que en haut.
De ce fait, si l’on veut obtenir un séchage important de la partie supérieure, cela implique de prélever encore plus d’eau en bas qu’en haut.
Ainsi, avec un modèle classique de terrain avec couche drainante, sans nappe d’eau et où l’eau arrive par le haut, et où le profil θ/ε (z) serait globalement croissant vers le haut on ne pourrait donc pas assécher la partie supérieure avant d’avoir asséché encore plus la partie inférieure, ce qui signifie une absence d’eau pour la plante.
C’est la raison qui dans une architecture classique de terrains de sport rend impossible l’assèchement permanent de la partie supérieure du substrat par flux convectif ascendant car il ne serait possible d’assécher la partie supérieure qu’au prix de l’assèchement de la partie inférieure du substrat, de sorte que l’on devrait faire mourrir de soif les plantes pour pouvoir assécher la partie supérieure du sol ; C’est d’autant plus problématique en été qu’il faut veiller simultanément à assécher la partie supérieure et à donner autant d’eau que possible à la partie inférieure pour éviter tout stress hydrique, le stress hydrique et l’humidité de la partie supérieure étant les deux facteurs favorisant les maladies ; Or, si l’on voulait compenser la sécheresse en bas du substrat pour faire boire les plantes par un arrosage classique par le haut, le résultat de cet arrosage serait de mouiller en priorité la partie supérieure , c’est à dire l’inverse de l’objectif recherché.
Au contraire, dans le cas des terrains avec nappe d’eau selon l’invention ( comme confirmé par les tests effectués sur un substrat capillaire Radicalé® avec une nappe d’eau) , on constate que le séchage de la nappe d’eau au-dessus de la hauteur piézométrique et le séchage de la zone transitoire par l’air ascendant qui y circule sont compensés au fur et à mesure par la remontée capillaire à partir de la nappe sous-jacente saturée et que seule est asséchée de façon efficace par l’air ascendant la zone supérieure, dans laquelle les remontées capillaires sont peu significatives, selon l’objectif recherché.
Ainsi, dans un terrain classique avec couche drainante, sans nappe d’eau et à arrosage par aspersion, Il n’est donc pas possible d’utiliser un courant d’air ascendant pour assécher la partie supérieure du substrat.
Pour contourner cette difficulté, on pourrait envisager pour ces terrains classiques, d’assécher la partie supérieure du substrat par un courant d’air descendant qui peut être obtenu par dépression dans la couche drainante. Cette possibilité n’est pas non plus satisfaisante pour 2 raisons :
- d’une part, même si dans un courant d’air descendant l’assèchement de la surface est légèrement supérieur à l’assèchement de la couche inférieure ( puisque l’air qui circule s’humidifie en asséchant le sol et se refroidit en réchauffant le sol ) , la différence n’est pas très importante et il s’agit toujours au bout du compte d’un assèchement de la surface ainsi que de la partie inférieure ( même si l’assèchement de la partie inférieure est moins rapide ) et on retrouve cette conséquence d’une forte probabilité de faire mourrir de soif la plante avant d’avoir asséché suffisamment la surface
- d’autre part, il faut faire circuler suffisamment longtemps de l’air à la température extérieure dans le sol pour obtenir un assèchement significatif , ce qui aboutit souvent à faire monter la température du sol en été ou à faire baisser la température du sol en hiver, c’est à dire l’inverse de la climatisation souhaitable. Cette opération, pour ne pas refroidir le sol en hiver ne serait envisageable en hiver que dans les périodes pluvieuses où l’air est doux et humide mais assécher le sol avec de l’air très humide ou même saturé n’est évidemment pas facile, surtout si l’air doux et humide est pus chaud que le substrat car dans ce cas on obtient au contraire de la condensation.
AU contraire, dans le cas de l’invention, Il a été constaté, de façon surprenante, que l’on peut maintenir un profil avec de bas en haut une nappe d’eau puis une zone de transition dont le taux de saturation θ/ε (z) restent peu changés lors du passage d’air chaud et sec ( assèchement compensé par les remontées capillaires depuis la nappe) tandis que la partie supérieure voit son taux de saturation chuter grâce à l’action de l’air sec qui assèche efficacement la partie supérieure du substrat et qui de plus réchauffe en hiver ou refroidit en été le gazon et le haut du substrat.
En phase d’équilibre, il n’est pas nécessaire pour autant de faire circuler de l’air en permanence.
Il n’est pas nécessaire de faire circuler de l’air pendant la journée, si les brins de gazon et la partie supérieure du substrat sont relativement secs, et si de plus il fait du soleil.
C’est surtout après la condensation matinale ou pour éviter cette dernière qu’il est utile de faire circuler de l’air le matin et aussi pendant ou juste après la pluie.
De plus, pour la température, le bas du substrat étant saturé d’eau est un excellent conducteur et il existe donc un flux de chaleur montante qui empêche efficacement le froid de descendre dans le substrat.
Si la convection d’air est un moyen parfait pour maintenir la température du substrat en équilibre malgré les apports de froid en hiver par le haut du substrat et les brins de gazon en contact avec l’air froid, il est en revanche plus difficile de monter rapidement la température dans le substrat par convection d’air et il est préférable si il est nécessaire de monter rapidement la température de la partie superficielle du substrat de réaliser un chauffage rapide par convection d’eau.
C’est ce qu’il convient de faire par exemple en cas de placage épais de gazon en période de gel pour remettre rapidement le gazon plaqué en température positive et favorable à la reprise du gazon.
Or, le point important pour pouvoir réchauffer rapidement le substrat par convection d’eau en faisant monter la nappe jusqu’à la surface et en la faisant redescendre est de pouvoir la faire monter puis redescendre en peu de temps et de ne pas compacter pour autant le substrat. Or, la compaction hydraulique étant le moyen le plus efficace de compacter un sol est aussi le moyen le plus redoutable quand on veut éviter une forte compaction du terrain .
Ceci suppose donc une forte perméabilité et un substrat ayant une résistance au compactage hydraulique lui permettant de garder sa forte perméabilité après une phase de saturation -percolation.
Pour pouvoir gérer le contrôle de la température du substrat dans les meilleures conditions possibles, la solution préférée selon l’invention est d’avoir un substrat constitué de substrat Radicalé
Le substrat Radicalé est en effet capillaire et drainant et résistant au compactage même à saturation. On a ainsi pu constater avec les essais réalisés sur substrat Radicalé® qu’il répond à ces 3 critères liés à sa porosité et à son fibrage :
- sa forte capillarité permet de maintenir le substrat humide par remontée capillaire jusqu’à une certaine profondeur quand on assèche en hiver la partie supérieure,
- sa forte perméabilité et sa forte stabilité permettent en quelques heures de faire remonter la nappe et de la faire redescendre en ayant réchauffé le substrat jusqu’en haut
- sa faculté de ne pas se compacter au delà d’un certain niveau de compaction lui permet de conserver sa perméabilité lors et après les épisodes de saturation-percolation qui ont été testés.
De plus, il est souhaitable d’éviter que le froid ne descende facilement par conduction
depuis la surface libre. Or, le substrat Radicalé préféré est un excellent isolant thermique , surtout quand il est asséché en surface ; en effet le substrat Radicalé est constitué d’un mélange de sable et de liège cuit, avec des fibres qui maintiennent la stabilité mécanique de l’ensemble et le liège cuit est un isolant thermique reconnu, tout comme l’air et la silice est également un mauvais conducteur thermique à forte inertie thermique ; en fait, le seul élément efficace pour assurer la conduction thermique est le film d’eau capillaire qui entoure les grains de silice et qui assure l’essentiel de cette conduction thermique. Or, dans l’architecture de l’invention et d’autant plus que l’on assèche la partie supérieure, celle ci n’a que peu d’eau et dans ces conditions le substrat Radicalé® est un très bon isolant thermique. Les courbes de température diurne qui ont été enregistrée à différentes profondeur montrent que les courbes s’écrasent lorsque l’on descend de quelques centimètres et confirment que le substrat Radicalé® est un très bon isolant quand il est asséché. Ainsi le flux de froid descendant est relativement bloqué par la couche de Radicalé® en partie supérieure tandis que le flux de chaleur montante est favorisé par la très forte conductivité de l’eau en milieu saturé et par la conductivité importante en bas en zone de transition mais qui décroit régulièrement en montant au fur et à mesure que le taux de saturation en eau décroît.
Ainsi, le substrat Radicalé® qui a déjà été repéré pour ses caractéristiques mécaniques est encore une fois préféré pour ses caractéristiques thermiques favorisant la gestion des températures par convection d’air ou convection d’eau et par sa faible conduction quand il est relativement sec pour s’opposer à la descente du froid.
A l’inverse, il a été également constaté que le substrat Radicalé étant un mauvais conducteur quand il est sec n’est pas un substrat avec lequel il est rapide de faire monter la température par conduction lorsque l’installation prévoit un contact en profondeur entre le substrat et un caloporteur ( tuyaux d’eau chaude) ou entre le substrat et une source directe de chaleur ( câbles électriques). La remontée du flux de chaleur selon les équations de diffusion par conduction de Laplace seront plus lentes dans le cas du substrat Radicalé au-dessus d’une couche drainante asséchante qu’avec un autre substrat, ce qui peut être un inconvénient, même si en contre-partie l’inertie thermique reste un avantage. En revanche, dans le cas d’une nappe à faible température, le bas du substrat est humide et donc conducteur tandis que le haut est sec et donc isolant.
Ainsi, la solution préférée selon l’invention pour contrôler la température hivernale dans le substrat est d’avoir du substrat Radicalé installé sur un support poreux et nappe d’eau maintenue en bas du substrat avec remontée de la nappe en haut du substrat puis redescende de la nappe jusqu’à son niveau habituel pour remonter rapidement la température en phase transitoire et convection d’air relativement chaud et sec pour assécher la partie supérieure du substrat et maintenir en température le substrat et les brins d’herbe en phase d’équilibre.
Cette stratégie permet non seulement d’éviter le gel des brins d’herbe et la constitution d’une couche de givre ou de neige sur le terrain mais cela permet également de maintenir les conditions thermique nécessaires à la croissance du gazon en hiver.
Bien entendu, cela ne remplace pas mais est au contraire complémentaire de la lumière sur le gazon.
En été, il s’agit au contraire de refroidir la surface de gazon et toute l’année, il s’agit d’aérer cette surface.
Il existe déjà aujourd’hui des moyens de refroidir et d’aérer la surface , soit par des ventilateurs de surface qui créent un courant d’air horizontal a dessus du gazon soit encore par convection d’air à travers le substrat, des tuyaux poreux enterrés permettant à de l’air en surpression circulant dans ces tuyaux de de remonter à la surface en percolant à travers le substrat
Un autre point favorable de l’invention est l’architecture proposée pour installer un système de circulation d’air et d’eau.
Selon l’invention, le support préféré sur lequel est posé le gazon doit être non seulement très poreux avec une perméabilité très importante mais il doit être également lié par des forces qui en font un massif solide poreux.
De façon préférée, il s’agit d’un béton poreux.
Dans ces conditions, l’invention propose une architecture constructive à la fois très efficace et très peu coûteuse pour permettre la gestion des flux d’eau et d’air pour contrôler la nappe, et notamment pour permettre les flux nécessaire pour le contrôle de température.
Tous les systèmes visant sur une grande surface un flux d’air pour l’aération du substrat ou un flux d’eau pour faire monter ou descendre très rapidement la nappe doivent non seulement faire percoler un flux à travers le substrat mais doivent aussi préalablement (pour la montée) ou postérieurement (pour la descente) être distribués de façon rapide et homogène dans le bas du substrat.
Cela peut se réaliser par l’installation d’un faisceau de tuyaux, ce qui traduit par des investissements relativement coûteux et une efficacité modérée car le coût augmente comme l'efficacité avec le diamètre des tuyaux et leur rapprochement.
Dans un cas de l’invention, il n’est pas besoin d’augmenter les coûts pour une efficacité parfaite car le principe en est :
- soit d’excaver dans le milieux support sur lequel sera installé le milieux poreux , si ce milieux poreux est à installer sur un milieux porteur suffisamment portant.
- soit d’effectuer une réservation lors de l’installation du milieux poreux, ce qui se traduit par une économie.
Dans une autre version préférée, le milieu support est un béton poreux et capillaire, comme par exemple le produit connu sous le nom de Capillary Concrete
Un autre aspect préféré très important de l’invention est la gestion de la température et de la teneur en eau du sol et des feuilles et de la zone d’air située entre les brins du gazon.
On cherche à climatiser le sol et les feuilles, mais sans gaspiller d’énergie, sans investissements coûteux et en économisant sur le coût de l’énergie.
Climatiser veut dire :
- maintenir en hiver une température du sol et des feuilles supérieure à 10 °C ou plus
- maintenir en hiver comme en été une faible teneur en eau de la couche supérieure du substrat 5 cm supérieur) mais sans pour autant assécher la couche inférieure l’assèchement de cette couche supérieure est à la fois essentiel pour la santé du gazon et simultanément efficace pour que la couche supérieure joue un rôle très utile d’isolation thermique)
- sécher non seulement le haut du substrat mais aussi les feuilles et l’air emprisonné entre les feuilles.
- réchauffer les feuilles et l’air entre les feuilles pour faire fondre la neige, empêcher le gel des feuilles, sécher la rosée, empêcher ou faire fondre le givre et la gelée blanche matinale
- rafraîchir en été le sol , le feutre et les feuilles
- oxygéner le sol en remplaçant dans la porosité du sol l’air plus ou moins vicié par de l’air neuf
Or, il est possible, selon l’invention, d’utiliser un potentiel d’énergie « gratuite » accumulée dans l’eau de drainage stockée en profondeur et qui conserve naturellement une température d’environ 12° été comme hiver car cette énergie peut être directement communiquée au substrat et au gazon selon l’invention par convection de calories par eau ou par air.
L’air ou l’eau utilisés pour le chauffage en hiver ou le refroidissement en été peuvent être naturellement à 12°C sans consommation d’énergie ou peuvent également être chauffés pour passer de 12° jusqu’à 16°C.
Enfin, un avantage très important d l’invention est de permettre l’exploitation du fabuleux potentiel écologique des terrains de sport
Un autre objectif important de l’invention est de saisir l’opportunité qu’offre une architecture avec arrosage par nappe souterraine réglable pour exploiter le potentiel écologique d’un terrain de sport engazonné.
En effet, même si une partie de ces mesures pourrait être réalisée avec un terrain de sport classique avec couche drainante et arrosage par aspersion, le rapport eau perdue par le système / eau utilement consommée est trop mauvais dans un tel terrain avec couche drainante et arrosage par aspersion - pratiquement un rapport 5 à 10 par rapport à la solution par nappe réglable- de telle sorte que le retour sur les investissements nécessaires pour profiter des fonctions associées n’est économiquement valable que grâce à l’architecture selon l’invention alors même qu’une partie de ces investissements font déjà partie de la solution avec nappe selon l’invention.
D’autre part, l’eau introduite sous le substrat peut être une eau grise chargée en bactéries et en matière organique car il n’y a pas de contact et inhalation de cette eau, contrairement à l’eau d’arrosage par aspersion.
Par ailleurs, l’eau qui reste sous 10 à 20 cm de substrat n’est pas refroidie ou réchauffée en échangeant des calories avec l’air et va pouvoir jouer un rôle majeur de régulation de la température de surface en étant absorbée par les racines puis évaporée au niveau du feuillage, sans pour autant favoriser de problème sanitaire au niveau du feuillage et de la partie supérieure du substrat
Avec une architecture adéquate, un terrain de sport peut recouvrir une zone de rétention d’eau importante avec un bassin versant de surface égale ou même supérieure à la simple surface de jeu. Dans beaucoup de zones climatiques, on a des étés chauds et secs et de fortes précipitations hivernales. Les précipitations hivernales font des dégâts du fait que l’eau n’est pas retenue et se déverse en se concentrant dans les surfaces d’altimétrie inférieure et crée de l’érosion avant de se jeter in fine en mer. Plus tard, quand vient l’été, on manque d’eau alors même que le bilan annuel des apports annuels d’eau est très souvent suffisant pour répondre aux besoins annuels d’eau. Les terrains de sport sont une opportunité de créer une réserve d’eau importante sous le terrain qui permettra de stocker de l’eau de pluie à l’abri de la lumière et de la chaleur de façon à disposer d’eau au moins pour les besoins du terrain en été , voire pour les besoins d’eau d’une surface supplémentaire devenant cultivable au voisinage du terrain.
Ce potentiel de services écologique peut également être développé avec une notion d’épuration et d’utilisation d’eau de second usage (à tort qualifiées d’eaux usées). Un système d’eau par nappe d’eau permet la réception d’eaux « usées » provenant de l’extérieur pour l'arrosage et cela donne au terrain une fonction climatique par évapotranspiration , et une fonction épuratoire du gazon et du substrat, de même que dans une autre version, la conservation des eaux pluviales de qualité est une façon de ne pas gaspiller la ressource.
Quand la profondeur n’est pas suffisante pour stocker beaucoup d’eau dans des climats par exemple méditerranéens à très forte pluviosité hivernale , il y’a possibilité de combiner le terrain avec un stockage enterré par exemple avec utilisation de citernes cylindriques à section circulaire de la marque « Tubosider » qui ont un coût d’investissement par rapport au m3 stockés intéressant pour les très grosses section d’un diamètres de 2 à 3 mètres
Pour réaliser ces onctions, la structure comprend donc de façon préférable des moyens permettant la convection d’air en présence de nappe d’eau peu profonde.
Dans une version préférée, ces moyens permettant la convection d’air en présence de nappe d’eau peu profonde utilisent la couche de CC pour la transmission horizontale et répartition horizontale du flux d’air et sa mise en pression avant sa phase de percolation verticale ascendante à travers le substrat.
De façon préférée les moyens de convection en présence d’une nappe d’eau peu profonde sont utilisés pour climatiser le substrat et les feuilles du gazon et l’environnement en été et en hiver
De façon préférée, la convection d’air en présence nappe d’eau pour climatiser le substrat, le gazon et l’environnement est mise en œuvre avec de l’air dont la température est préalablement tempérée sans dépense d’énergie par échange avec le milieu disponible au voisinage du terrain. Ces échanges caloriques « gratuits » avec le milieu ambiant peuvent être réalisés par le principe connu sous le nom de "puits canadien » ou en utilisant l’air vicié des parkings ou des bureaux ou encore par échange calorique avec des eaux usées ( calories en été et frigories en hiver) .
Dans une utilisation préférée, le marnage entre Ppiézo min et P piézo Max pour stocker l’eau dans structure du terrain.
Dans une autre réalisation, sont utilisés des réservoirs de vide ou avec une structure type «nid d’abeille» ou « d’œufs» avec des fibres capillaires et des faisceaux de fibres capillaires.
Or, de façon synthétique, le procédé selon l’invention dont les principes ont été explicités ci dessus est une rupture par rapport à l’état de l’art actuel des terrains de sport
En effet, de façon synthétique, l’évolution du mode de construction et d’équipement des terrains de sport engazonnée s’est faite ces dernières années comme une réponse immédiate aux problèmes les plus criants posés par les terrains de sport engazonnés, mais cette réponse immédiate est faite au détriment d’une solution globale optimale répondant simultanément à la totalité des contraintes et exigences d’un terrain de sport engazonné optimal.
Le problème initial avec les terrains classiques (gazon sur sol « local » en « terre sable » était le terrain boueux qui, de façon ridicule et visible par tous, ne résistait pas à la pratique sportive avec des terrains « champs de patates » pleins de creux et de bosses et un gazon qui « partait en escalopes » pendant les matchs. Quand les conditions météorologiques étaient favorables, ces terrains étaient plébiscités par les joueurs qui les considéraient comme la surface idéale mais le comportement de ces terrains n’était pas constant et le défaut inacceptable de ces terrains était leur absence de fiabilité. Du coup, l’évolution de l’état de l’art a pris comme objectif prioritaire la fiabilité du comportement et a fait apparaître des substrats plus drainants (dits « élaborés ») puis des substrats drainants et résistants (dits « hybrides ») tandis que l’architecture des terrains a simultanément évolué dans la même direction et l’évolution de l’état de l’art a fait apparaître le drainage renforcé discontinu et a finalement imposé le drainage par couche drainante ultra-drainante sur laquelle ont été posés des substrats élaborés puis, plus récemment, des substrats hybrides, avec la conséquence d’un assèchement très rapide du substrat , compensé par l’introduction systématique de systèmes irrigation par aspersion.
En ne répondant qu’à une seule composante du problème, à savoir l’exigence de fiabilité et une augmentation de la capacité d’utilisation à travers le moyen d’une aération maximale du substrat de haut en bas, l’état de l’art actuel a en effet résolu avec une certaine efficacité l’un des aspects de la problématique des terrains de sport en obtenant des terrains résistants et utilisables un grand nombre d’heures mais tout en créant d’autres difficultés, quoique moins évidentes pour le public.
Plus récemment, une fois réglé le problème prioritaire des terrains trempés et sans résistance au moment d’un match, est apparue l’exigence de moyens permettant de jouer en hiver malgré les chutes de neige ou le gel . Ensuite est également apparu le désir d’une meilleure croissance en hiver malgré l’absence de lumière liée non seulement à la saison mais également aux structures des tribunes et malgré la température dans le substrat qui est un facteur limitant de croissance. Enfin, est apparu le problème des maladies en été quand la température devient vraiment caniculaire ( ce qui est favorisé par les structures des tribunes qui empêchent l’air de bien circuler ) du fait d’un besoin simultanément de beaucoup d’apports d’eau pour éviter le stress hydrique et la nécessité d’un substrat très sec près de la surface pour éviter les maladies, ou concernant le refroidissement ou la lutte contre les maladies en été. Finalement a timidement commencé à apparaître dernièrement le besoin de solutions durables, économes en eau et en énergie et avec un bilan de services écologiques aussi vertueux que possible. Non pris en compte précédemment et peu pris en compte aujourd’hui, cette demande correspondant à un réel besoin sera probablement amené à se développer et de marginal au départ pourrait rapidement devenir un critère de choix essentiel
Pour les aspects climatiques comme la lumière, la température et l’aération dans le substrat ou encore la nécessité d’empêcher la neige ou le gel des feuilles, des solutions sont apparues et se sont récemment développées avec un certain succès comme la luminothérapie et le chauffage des stades par installation d’un infrastructure composée de câbles électriques ou de tuyaux calo- porteurs en bas du substrat et transmission ascendante de la chaleur depuis les couches sous- jacentes jusqu’à la la surface par (mauvaise) conduction à travers le substrat.
La luminothérapie est coûteuse en énergie et en investissement mais se développe cependant à juste titre car l’absence de lumière dans les stades du fait des tribunes rend l’apport de lumière indispensable et que l’effet de la luminothérapie est incontestable.
Concernant l’apport de calories en hiver, les solutions qui se sont développées ne sont pas satisfaisantes car elles sont à la fois énergétivores et relativement peu efficaces, peu adaptées à la création d’un profil de température et d’humidité propices à la croissance hivernale et peu compatibles avec une perspective de développement durable qui constitue un objectif souhaitable et de plus en plus et souhaité, aujourd’hui.
En revanche, concernant les maladies estivales, l’état de l’art est devant une impasse structurelle. En effet, le type de solution retenue et imposée par l’état de l’art avec arrosage par le haut et substrat ne retenant pas l’eau sur une couche drainante hyper drainante, impose un profil hydrique avec taux de saturation décroissant vers le bas et les besoins en eau ne peuvent être satisfaits qu’en augmentant la teneur en eau au niveau des feuilles, du feutre et de la partie superficielle substrat quand il faudrait au contraire un apport d’eau en partie inférieure du substrat avec assèchement de la partie superficielle. Le maintien d’un profil idéal d’humidité ou de température dans le substrat en période caniculaire est donc incompatible avec le choix des solutions développées selon l’état de l’art actuel et, compte tenu du contexte d’étés chauds rencontrés ces dernières an- nées, les maladies se développent donc de façon de plus en plus violente chaque année, laissant à cet égard l’homme de l’art de plus en plus démuni.
Ainsi, l’état de l’art a privilégié une solution qui répond désormais de façon relativement satisfaisante à une partie des objectifs d’un terrain de sport. L’objectif de la fiabilité du terrain qui ne risque plus d’être injouable par excès d’humidité est en principe atteint mais, pour y parvenir, l’état de l’art a imposé un profil de saturation en eau décroissant et faible en bas du substrat.
Ce faisant, l’état de l’art a ainsi bien résolu certains problèmes mais simultanément placé les terrains de sport dans une impasse pour d’autres aspects concernant le plan horticole et mécanique.
En parallèle, l’état de l’art a également essayé, mais sans succès, d’explorer d’autres voies, en rendant disponibles à l’échelle des terrains de sport des moyens s’inspirant de l’horticulture, avec possibilité notamment d’introduire une nappe d’eau sous le gazon ou de faire percoler de l’air à travers le substrat.
Cependant, ces moyens utilisant une nappe d’eau ont finalement été abandonnés car ils n’ont pas pu jusqu’à présent donner satisfaction, ne permettant pas de répondre de façon suffisante au premier des critères exigés , à savoir la prédictibilité et la fiabilité du mode de gestion.
En effet, en se contentant de transposer sans adaptation adéquate à l’échelle des terrains de sport des techniques utilisées avec succès en horticulture, ces moyens ne sont pas constitutifs en eux-mêmes d’une solution globale à la problématique complexe des terrains de sport et il n’existe pas aujourd’hui dans l’état de l’art de solution capable de répondre simultanément de façon suffisamment prédictive et fiable à l’ensemble des contraintes spécifiques incontournables des terrains de sport.
Et d’ailleurs, pour mieux comprendre la logique de l’évolution de l’état de l’art et l’impasse qui résulte aujourd’hui de cette évolution, il n’est pas inutile d’en rappeler ici les principales étapes de façon chronologique.
L’état de l’art concernant les substrats de terrain de sport engazonnés a d’abord connu historiquement une longue période de substrats en terre, suivie d’une première génération de substrats dits élaborés et avec l’apparition ces dernières années d’une deuxième génération de substrats hybrides
Rappelons tout d’abord en effet que les premiers terrains de sport étaient historiquement des terrains en herbe, l’herbe locale poussant sur la terre locale dans des prairies naturelles, avec ou le plus souvent sans arrosage complémentaire et il faut rappeler que dans ce contexte l’élément majeur de la terre pour déterminer le comportement mécanique du sol est l’argile. Dans ce contexte, les plantes utilisaient l’eau issue des nappes phréatiques sous-jacentes selon le principe de fonctionnement spontané des prairies naturelles, avec remontées capillaires couplées aux demandes d’évapotranspiration. Il est bien connu en effet que, lors d’un séchage par évapotranspiration d’ un sol argileux, l’argile conserve toujours et dans tous les climats assez d’eau capillaire adsorbée pour que sa cohésion soit assurée ; mais il est également connu qu’un un sol argileux se rétracte et devient trop dur en séchant tandis qu’à l’inverse il devient trop mou, plastique et non résistant quand la teneur en eau augmente suffisamment et il est également connu que, justement, la présence d’argile sur tout le profil de terre favorise les remontées d’eau par capillarité depuis les ré- serves d’eau en profondeur et ralentit simultanément la perte d’eau par percolation car la perméabilité de l’argile mouillée et gonflée est très faible, de telle sorte qu’un terrain trop argileux se détrempe plus rapidement et devient par conséquent trop plastique et même parfois injouable en conditions hivernales pluvieuses ; de plus, en passant de trop dur à trop mou selon les conditions météorologiques, un terrain argileux n’offre bien évidemment pas de réponse mécanique stable ou permanente dans le temps, ce qui est pourtant souhaité par toutes les disciplines sportives.
Pour toutes ces raisons, qui sont liées à l’influence de la granulométrie sur la teneur en eau et à l’influence en retour de la teneur en eau sur la réponse mécanique du sol sportif, on a recherché depuis plusieurs années et mis au point des solutions de sols dits élaborés, qui sont des sols sans argile ou à tout le moins très faiblement argileux et essentiellement sableux et ne comprenant donc pas d’argile ou seulement très peu d’argile. Pourtant, en diminuant ou même en supprimant l’argile qui fournissait l’essentiel de la CEC (Capacité d’Echange Cationique) et qui fournissait aussi, en dehors des périodes trop humides, l’essentiel de la cohésion d’un sol en terre, on sup- prime non seulement un problème mais en même temps l’élément essentiel au fonctionnement agronomique classique et à la tenue mécanique des sols naturels.
De ce fait, cela a rendu nécessaire de nouveau types de terrains de sport avec de nouvelles formulations de sols sportifs mais aussi de nouveaux types d’architecture et de nouveaux modes d’entretien, afin d' obtenir des terrains qui ne soient pas seulement plus drainants que les terrains traditionnels en terre mais également capables de compenser autrement ce que l’argile de la terre apportait spontanément dans les sols naturels, aussi bien en terme agronomique qu’en terme de résistance des sols.
Il a donc été proposé ces dernières années différents types de sols sportifs, essentiellement sableux.
Un inconvénient majeur des sols est essentiellement sableux est que leur cohésion propre est insuffisante pour permettre la pratique sportive. Cependant, Il a été remarqué qu’un tel sol sableux qui manque de cohésion sans gazon est a contrario particulièrement approprié à la culture du gazon et qu'un tel sol, une fois que le gazon y est bien implanté, avec des racines qui renforcent le sol et des brins de gazon qui servent d’interface souple sous la chaussure, constitue cette fois un terrain à la fois souple et résistant, presque unanimement reconnu par les sportifs comme «le modèle du bon terrain».
Ainsi, il est reconnu qu’un terrain essentiellement sableux et sans gazon ne résiste pas à la pratique sportive mais que le même terrain, une fois engazonné, devient une excellente surface sportive.
Malheureusement, la résistance du gazon lui-même a ses limites, qu’il s’agisse des feuilles ou des racines, car la pratique sportive détériore à la fois les plantes de gazon et le sol et aussi parce que les racines descendent ou « remontent» selon les saisons, la santé du gazon et le profil du taux de saturation du sol.
Aussi, il est couramment observé :
- que cette détérioration n’est pas problématique tant que le gazon se régénère et pousse plus vite que les sportifs ne l’abîment, car, dans ce cas, il n’y a pas de vieillissement des structures de gazon, dans la mesure où les racines et les brins de gazon se renouvellent sans cesse.
- Mais que les limites de résistance sont toutefois atteintes rapidement dès que le gazon pousse moins vite qu’on ne le détériore, notamment en hiver où l’on joue d’avantage ( du fait du calendrier sportif ) alors même que le gazon ne pousse presque plus ( du fait de la saisonnalité de la végétation).
En pratique, un gazon sportif planté sur sol sableux résiste plus longtemps en hiver qu’un gazon traditionnel mais ne peut cependant pas résister à une pratique hivernale supérieure à quelques heures de jeu par semaine.
Une première génération de ces nouveaux terrains essentiellement sableux sont des terrains construits avec des substrats dits élaborés qui sont des substrats constitués par un mélange d’ingrédients prédéterminés correspondant à différentes recettes conçues par l’homme de l’art, essentiellement sableux en général, c’est à dire constitués d’un squelette solide de grains dont la granulométrie est celle d’un sable, même si la nature des grains n’est pas nécessairement siliceuse ou calcaire mais peut être une roche volcanique ou un quelconque produit industriel, voire même un matériau de synthèse. Un objectif déterminant pour ce type de terrain est de trouver la bonne courbe granulométrie (et aussi une forme de grains adéquate) . En effet, tandis que la perméabilité recherchée augmente en granulométrie croissante, c’est l’inverse qui se produit avec la cohésion et la capillarité, également souhaitées, et qui diminuent très rapidement quant à elles quand la perméabilité augmente.
Finalement, la qualité de ces terrains est généralement bonne en belle saison estivale mais leur durée d’utilisation reste cependant limitée dans la mesure où les caractéristiques favorables du sol dépendent de l’état du gazon ; Or, ce gazon ne peut remplir sa fonction sportive au-delà d’un nombre d’heures limité, surtout en hiver où la pousse du gazon est ralentie alors que c’est juste- ment à cette période que les terrains sont le plus sollicités.
Parallèlement au choix d’un substrat plus drainant, l’architecture du terrain a évolué pour un en- semble plus drainant avec la mise en place du système actuel d’une couche drainante en gravier sur laquelle repose le substrat. De ce fait, la remontée capillaire depuis le nappe phréatique sous- jacente est coupé par la couche drainante et, cette ressource en eau naturelle n’existant plus , les terrains de sport ont dès lors besoin d’un apport d’eau destiné à compenser la consommation par évapotranspiration et l’irrigation par aspersion s’est donc développée parallèlement selon l’état de l’art qui a finalement mis en place un système d’irrigation artificielle pour compenser la disparition de la source d’eau naturelle que constituait dans le cas des prairies la nappe phréatique sous-jacente.
Pour pallier l’ inconvénient d’une durée d’utilisation qui restait limitée en hiver qui est la saison où le gazon est le pus utilisé du fait du calendrier sportif, une seconde génération de terrains, dits hybrides, a ensuite été proposée, avec des substrats dits renforcés, c’est à dire avec un substrat comprenant d’une part un substrat élaboré et d’autre part l’incorporation à ce substrat d’ éléments supplémentaires visant à renforcer la résistance du sol. Il peut s’agir de substrats fibrés comprenant des fibres ou d’autres incorporations allongées de renforcement ajoutées au substrat lors de sa fabrication. Il peut s’agir également de substrats renforcés en place comme les terrains dits « tuftés » , des fibres discontinues ou continues ou plus généralement des incorporations étant alors incorporées au terrain une fois le substrat et/ou le gazon installé. Il peut s’agir enfin de structures qui sont d’abord installées sur un support, comme par exemple des moquettes synthétiques, le substrat dans lequel on peut faire pousser le gazon étant ensuite incorporé dans les interstices de ladite structure, par exemple entre les fibres de la moquette synthétique.
Quel que soit le type de terrain hybride et donc la séquence du mélange ainsi que les proportions et le type des produits de renforcement incorporés, on a finalement coexistence, dans le volume de la couche de jeu (correspondant au volume de prospection des racines de gazon), d’un substrat de culture essentiellement sableux et d’une autre matière, généralement synthétique, apportant un renforcement mécanique à l’ensemble.
La couche de jeu se trouve donc ainsi constituée d’un substrat essentiellement sableux qui se partage le volume de ladite couche de jeu avec des éléments de renforcement. Au bout du compte, cette couche de jeu constitue finalement un milieux poreux, avec une porosité que se partagent l’eau et l’air ainsi que les divers éléments du biotope ( racines, bactéries, champignons, etc).
Or, comme exposé plus haut, c’est ce partage de la porosité entre l’eau et l’air qui est l’objectif intermédiaire essentiel de l’invention pour les caractéristiques mécaniques du terrain de sport comme pour la santé du biotope en général et du gazon en particulier.
E dehors de l’évolution du substrat, l’état de l’art n’a pas remis en cause le principe d’irrigation artificielle d’un substrat posé sur couche drainante mais l’a au contraire généralisé pour en faire le principe normatif exclusif de construction des terrains de sport.
Dans les dernières décennies, l’état de l’art concernant la gestion de l’eau dans les terrains de sport a connu en parallèle deux évolutions, dont l’une s’est imposée de façon monopolistique tan- dis que l’autre n’a pu trouver la possibilité de se développer :
- D’une part, comme indiqué ci-dessus, la gestion de l’eau dans les terrains de sport s’est développée en accompagnant l’évolution des substrats pour aboutir aujourd’hui à un modèle monopolistique unique du terrain constitué d’un substrat de plus en plus drainant posé sur une couche drainante extrêmement drainante, avec arrosage par aspersion ( avec quelques variantes récentes pour remplacer la couche drainante par d’autres moyens, mais sans en changer les fonctions )
- D’autre part , différents moyens de créer une nappe d’eau ont été proposés dans le but d’arroser les terrains de sport en sub-irrigation, selon l’objectif de la présente invention, comme c’était le cas des anciennes prairies naturelles et à l’instar de ce qui se fait en horticulture mais, contrairement à l’horticulture et pour des raisons qui seront exposées ci-dessous, aucun procédé de construction et de gestion de terrains de sport engazonné intégrant ces moyens n’a pu se développer
Après l’historique de l’évolution des substrat, rappelons rapidement l’historique de l’architecture des terrains et indirectement de la gestion de l’eau dans les terrains de sport.
Les trois systèmes de construction et d’évacuation de l’eau de terrains de sport engazonnés les plus répandus historiquement ont été chronologiquement jusqu’à présent :
- Un fond de forme, généralement en pente (pente en toit ou mono pente ou pente en pointe de diamant) avec une couche de substrat reposant sur le fond de forme
- La solution précédente avec en plus un drainage dit renforcé dans le substrat : fentes de suintement-, primaires et collecteurs ou d’autres systèmes plus ou moins équivalents de drainage discontinu
- Enfin, la dernière génération de mode constructif de terrains, qui a pris aujourd’hui le quasi-monopole des terrains de haut niveau ( notamment du fait de la normalisation des terrains et de subventions accordées par les fédérations aux terrains construits selon les normes correspondant à ce principe) est une construction qui comprend un fond de forme, une couche drainante, dure, très drainante et non capillaire, cette couche drainante étant posée sur le fond de forme, avec une couche de substrat renforcé ou, depuis quelques années, de substrat hybride posée sur cette couche drainante, et avec une perméabilité du substrat relativement élevée, devant dépasser une perméabilité minimum imposée par les normes du système dominant . Une variante des couches drainantes a été proposée ces dernières années avec un support très ouvert sur le quel reposent différents types de géomembranes mécaniquement résistantes et très perméables sur lequel re- pose le substrat. Le moyen est différent mais les tests réalisés avec les différents sables préconisés par l’état de l’art pour la construction de terrains de sport ont visé à vérifier que le comporte- ment du terrain au-dessus de ces nouvelles membranes est le même à court et à moyen terme et probablement à long terme que sur une classique couche drainante en gravier.
Chaque nouvelle génération de substrat et de système d’évacuation de l’eau excédentaire a augmenté la vitesse de disparition de l’eau ( et pas seulement de l’eau excédentaire) en pus du fait d’avoir supprimé la remontée capillaire depuis la nappe phréatique sous-jacente. Les terrains des dernières générations ne peuvent donc pas fonctionner sans arrosage intégré. En effet, avec une couche drainante et un substrat très drainant, les besoins d’apports en eau pour les plantes et pour le substrat lui-même sont évidemment nécessaires car, dès qu’il ne pleut plus, il faut com- penser la très faible réserve d’eau du substrat puisque ce système à substrat très drainant posé sur couche drainante est justement conçu pour évacuer au plus vite l’eau qui tombe sur le terrain. Aussi, même en climat humide ou pluvieux, ce modèle de terrain nécessite donc obligatoirement un système d’irrigation.
C’est ainsi que, de façon monopolistique, tous les nouveaux terrains de haut niveau construits ces dernières années comprennent à la fois une couche drainante et un système d’irrigation par aspersion.
La construction de ces terrains, généralisé de façon monopolistique à la totalité des terrains de haut niveau est caractérisée par :
- un fond de forme
- une couche drainante posée sur le fond de forme avec les moyens adéquats d’évacuation d’eau de la couche drainante
- une couche de substrat élaboré ou un substrat hybride très drainant posée sur la couche drainante
- un arrosage automatique par aspersion
Cette solution monopolistique s’est imposée car elle a en effet des mérites. En particulier, et c’était son objectif principal, elle résout assez bien 2 problèmes :
- le problème majeur, beaucoup trop fréquent il y a peu d’années encore, de terrains man- quant de résistance car proches de la saturation en en eau près de la surface et se transformant en bourbier, en particulier l’hiver ou même en été lors d’orages importants et ne permettant pas de pratiquer un jeu de qualité dans des conditions relativement reproductibles ( problème résolu par une couche drainante et un substrat très drainant et mécaniquement renforcé posé dessus )
- la nécessité d’assurer tous les besoins en eau des plantes. ( résolu par un système d’irrigation)
Ainsi, Ce modèle selon l’état de l’art s’est développé et imposé parce qu’il semblait jusqu’ici répondre de façon satisfaisante à un objectif prioritaire qui éclipsait toute autre considération : l’obtention d’un terrain fiable.
La méthode retenue par l’état de l’art dans le but d’obtenir d’un terrain fiable reposait sur le Le principe de s’affranchir des données environnementales pour apporter une réponse simple et in- dépendante du contexte environnemental. C’est le choix du processus industriel plus coûteux mais en apparence plus efficace que les processus naturels. En simplifiant le fonctionnement de façon artificielle, le terrain selon l’état de l’art actuel semblait devenir indépendant des conditions climatiques et environnementales et donnait ainsi l’impression d’un terrain mieux maîtrisé, plus fiable et donc préférable, et toutes les considérations environne- mentales concernant l’aspect artificiel, non durable, énergétivore de ces terrains, sans être ignorés, étaient considérés comme secondaires;
Or, malgré la résolution des problèmes les plus immédiatement visibles, ce procédé constructif de l’état de l’art avec couche drainante et irrigation par aspersion n’a cependant pas que des mérites.
Bien au contraire, quand on considère le type de profil de saturation en eau du substrat θ/ε ( z) , on constate que ce procédé constructif et de gestion de l’eau selon l’état de l’art aboutit mécaniquement à un profil vertical θ/ε ( z) décroissant avec un maximum de saturation au niveau de la surface après chaque arrosage par pluie ou par irrigation par asperseurs et une faible teneur en eau près de la couche drainante.
Or, ce type de profil vertical présente d’importants inconvénients déjà exposés plus haut, et c’est justement l’objet de la présente invention de proposer une solution globale qui répondre à toutes les contraintes d’un bon terrain de sport engazonné tout en présentant un profil de saturation en eau qui soit au contraire globalement croissant, aussi faible que possible en surface , avec présence équilibrée de l’eau et de l’air au niveau des raines et saturé ( nappe d’eau ) en bas du substrat .
Dans un contexte climatique où des températures caniculaires à l’intérieur d’enceintes où l’air ne circule pas beaucoup ne sont plus considérées comme des événements exceptionnels mais comme des situations amenées à se reproduire régulièrement et devant les dégâts considérables sur le gazon de ces situations amenées à se répéter, le dogme de la fiabilité absolue du gazon sportif cultivé en milieu sec et arrosé par aspersion n’est plus suffisamment vérifié en pratique pour continuer à servir de prétexte à la non prise en considération de l’aspect non durable du modèle monopolistique actuel.
D’autre part, si les considérations environnementales et l’objectif d’un développement durable ne pesaient pas très lourd jusqu’à ces dernières années dans les critères de choix des technologies, elles sont désormais devenues un enjeu pris en considération, surtout quand il s’agit de technologies qui s’appliquent à des surfaces significatives pour leur impact environnemental.
Or, pour donner un exemple, l’ordre de grandeur de la surface cumulée des terrains de sport à l’échelle d’un pays comme la France représente environ 50 000 hectares de terrains de grand jeu soit 500 km2, c’est à dire 5 fois la surface de Paris à l’intérieur du périphérique ou 2 fois la superficie du département des Hauts de Seine .
Dans ce contexte, une proposition de retour au fonctionnement naturel par irrigation depuis une nappe d’eau sous-jacente, c’est à dire la mise en œuvre d’un système complexe fonctionnant de façon s’adaptée à son environnement peut être pris en considération pour ses avantages en terme de développement durable dès lors que l’on peut trouver les moyens d’un fonctionnement fiable, au moins aussi fiable et même en l’occurrence plus fiable que le fonctionnement des terrains actuels.
Depuis des années, à l‘instar des méthodes de goutte à goutte, de l’hydroponie ou de l’aquaponie pratiquées en horticulture hors sol , différentes méthodes ont été envisagées, visant à irriguer également les terrains de sport :
- par goutte à goutte enterré
- par une nappe d’eau artificielle avec remontée naturelle par capillarité au-dessus de la nappe d’eau
- par nappes d’eau artificielle avec montée et descente de la nappe d’eau elle même comme dans les tables à marée utilisées en horticulture.
Il est tout d’abord connu depuis longtemps ( et plus souvent d’ailleurs pour l’avoir subi que pour l’avoir souhaité ) que l’on peut évidemment créer une nappe d’eau dans le sol , y compris en utilisant l’arrosage par aspersion (ou même avec les seuls apports de la pluie ), dès lors que le fond et le bord du terrain sont imperméables. Dans une perspective de gérer un profil de saturation en eau croissant vers le bas jusqu’à saturation avec une faible saturation en surface, ce moyen de créer une nappe d’eau ne présente pas cependant d’intérêt particulier. En effet, même si en soi cette solution d’amener l’eau par la surface peut permettre d’obtenir la saturation en bas du substrat,
les ajouts d’eau nécessaires pour compenser les pertes par évapotranspiration contribuent à humidifier en priorité la surface, contrairement à l’objectif de la présente invention et de plus ce moyen n’est pas pertinent pour régler le niveau de la nappe de façon stable, du fait en particulier que les apports d’eau n’influencent pas directement la nappe mais ne l’alimentent qu’à retarde- ment, et sans moyen particulier de situer et de gérer le niveau piézométrique de la nappe . De plus, cette solution consomme autant d’eau par évaporation que l’irrigation par aspersion classique et la présence d’une nappe d’eau sous-jacente dont le niveau n’est pas facile à déterminer ne fait finalement que compliquer davantage la gestion de l’air dans le substrat, sans apporter d’autre avantage que d’assouplir le terrain (trop, d’ailleurs en général et en le noyant).
Pour éviter cet inconvénient majeur de mouiller en priorité les feuilles et la partie superficielle du substrat, un autre moyen connu et adaptable de l’agriculture pourrait consister à utiliser un goutte à goutte enterré avec un apport d’eau dans la zone de transition au-dessus de la nappe. Cette solution est préférable par rapport à la précédente car elle ne mouille pas directement la surface. Ce moyen serait donc tout à fait utilisable en principe.
Toutefois, ce moyen qui a été originellement développé en Israël par la société Nettafim dans les années .... brevet ..... ) pour l’arrosage agricole en surface n’est pas non plus adapté pour main- tenir une nappe d’eau mais seulement conçu pour l‘irrigation superficielle directe.
Déjà, comme pour le moyen précédent, les apports d’eau n’influencent pas directement la nappe mais n’alimentent la nappe qu’à retardement et sans moyen particulier de situer le niveau piézo- métrique de la nappe ou encore moins de le régler.
Déjà, comme pour le moyen précédent, les apports d’eau n’influencent pas directement la nappe mais n’alimentent la nappe qu’à retardement et sans moyen particulier de situer le niveau piézo- métrique de la nappe ou encore moins de le régler.
De plus, ce moyen nécessite pour un terrain de sport un réglage assez compliqué de l’équidistance des goutteurs sur une ligne donnée et entre les lignes de goutteurs, pour atteindre une homogénéité horizontale satisfaisante en fonction de la distribution verticale et horizontale gravi taire et capillaire dans le substrat, qui dépendent elles-mêmes des caractéristiques du substrat ainsi que de son profil hydrique à un moment donné.
De même, sur le plan vertical et en fonction de la capillarité, de la demande en eau, de la perméabilité et d’état hydrique du substrat, une partie de l’eau apportée va descendre vers la nappe tan- dis qu’une autre partie va monter ou être directement utilisée, de sorte que la gestion de l’air et de l’eau dans le substrat sont encore plus compliqués à prévoir qu’avec une nappe d’eau à niveau piézométrique réglable et sans apport d’eau dans la zone de transition.
En fait, il n’y aura de nappe que si le fond est imperméable et que l’apport d’eau est supérieur aux besoins d’évaporation transpiration et dans ce cas la nappe sera simplement constituée par le drainage des surplus d’arrosage en goutte à goutte qui est en principe utilisé dans l’agriculture pour un apport que l’on s’efforce de faire correspondre au mieux, à tout moment, à la consommation instantanée.
En outre, en comparaison des apports d’eau directement dans la nappe, ces goutteurs qui sont petits présentent le risque d’avoir une partie d’entre eux qui se bouchent, avec de sérieuses difficultés, aussi bien pour le diagnostiquer que pour le réparer.
Ces deux premiers moyens qui permettent bien en principe la constitution d’une nappe d’eau ne sont donc pas pertinents pour la constitution et la gestion du niveau précis d’une nappe d’eau ni adaptés pour éviter d’avoir à mouiller la partie haut du profil pour répondre aux besoins d’irrigation.
En revanche, d’autres moyens tout à fait pertinents ont déjà été proposés pour amener l’eau sous le substrat, avec possibilité de régler simplement et directement la hauteur piézométrique de la nappe d’eau et ces moyens sont donc parfaitement utilisables pour la sub-irrigation des terrains de sport par nappe d’eau en bas du substrat.
Et pourtant, malgré cette proposition de moyens efficaces, tous les terrains de sport continuent à être arrosés par aspersion.
Ainsi, par exemple ; dans le brevet WO 85/00631 est décrit une couche de ballast sur une membrane imperméable au fond et remontant sur le bord jusqu’à la surface en périphérie et avec des arrivées d’eau dans le ballast, une couche de substrat sur une certaine hauteur et une membrane perméable empêchant le substrat de couler dans la couche de ballast. Une nappe d’eau à l’extérieur du terrain mais en contact avec le volume de ballast détermine par le jeu des vases communicants une hauteur piézométrique d’eau dans le substrat. La porosité du ballast permet de gérer sans résistance mécanique un flux entre l’extérieur et le substrat avec une parfaite homogénéité horizontale réalisé par la faible résistance mécanique au flux horizontal dans le ballast comparée à la résistance verticale dans le substratum même. En revanche, pour que la capillarité fonctionne, il est nécessaire d’avoir un niveau piézométrique au-dessus du ballast qui sinon constitué une barrière capillaire comme une couche drainante.
Plus récemment un autre type de moyen a été proposé pour constituer une nappe d’eau dans le substrat. Le brevet n° US 2017/0094919 A1 de 2017.concernant l’utilisation du Capillary concreete décrit une variante innovante du moyen de constituer une nappe d’eau dans le substrat d’un terrain de sport. Le terrain décrit est à l’intérieur d’une enceinte dont le fond et les bords sont imperméables, avec un substrat de culture posé sur un support poreux spécifique , connu sous le nom de Capillary Concreete, et dont la caractéristique est d’être non seulement très poreux mais simultanément très capillaire. Il s’agit d’un béton mécaniquement stable, extrêmement poreux et perméable avec une porosité très importante et distribuée en très gros pores d’échelle centimétrique et qui en plus d’être extrêmement drainant est simultanément extrêmement capillaire.
La particularité de créer une nappe d’eau au fond du substrat selon ce moyen est qu’il permet d’avoir une nappe qui remonte à l’intérieur du substrat dès lors qu’il existe une nappe d’eau dont le niveau piézométrique se trouve situé entre le bas et le haut de la couche de CC. et sans que le ni- veau précis de ce niveau piézométrique entre ces deux niveaux n’influence de façon significative les remontées capillaires dans le substrat posé dessus.
Cette particularité d’un milieu à la fois très drainant et capillaire a plusieurs avantages
Le premier avantage est de permettre un système robuste et fiable, très économique en fonctionnement, et qui se régule quasiment tout seul, sans nécessité d’énergie électrique ou de capteurs pour mesurer ou régler finement la hauteur piézométrique de la nappe. La nappe peut être laissée à elle-même en été pendant une longue période sans incidence majeure pour le fonctionnement hydrique du terrain. Le seul effet est de la variation du niveau piézométrique de plusieurs centimètres est de décaler d’autant le profil d’équilibre capillaire mais sans effet notable sur les flux de remontée d’eau dans le substrat posé au-dessus du CC. En fait, comme déjà exposé dans les exemples de réalisations proposés plus haut, cette baisse progressive du niveau en allant vers l’été n’est pas de nature à compromettre le flux mais permet en revanche de baisser la teneur estivale en eau superficielle, ce qui constitue un avantage pour la prévention des maladies fongiques estivales, tout en utilisant en été, de façon décalée dans le temps, l’eau de pluie tombée en saison pluvieuse et stockée dans la nappe qui descend progressivement par l’effet de la consommation d’eau par les plantes..
L’idée de cette stratégie est qu’il faut en hiver assez d’oxygène mais que le gazon s’accommode d’une teneur en eau supérieure en surface à celle souhaitée en été, dès lors que l’oxygène n’est pas facteur limitant et que, les besoins en air augmentant avec l’arrivée de l’été, la teneur en air augmente par la baisse progressive de la nappe laissée libre de descendre au fur et à mesure de la consommation d’eau par évapotranspiration.
Ainsi, comme exposé dans un exemple de réalisation cité ci-dessus, le Capillary Concreete seul ( plus efficace mais plus cher) ou posé sur du sable ( moins efficace mais plus économique) permet de constituer une réserve d’eau importante du fait de sa forte porosité et permet une homogénéisation horizontale parfaite du fait de sa très forte perméabilité Quel que soit le niveau d’eau au-dessus, à l’intérieur ou en dessous du Capillary Concreete , la transmission du flux se fait sans rupture capillaire, contrairement au cas du ballast , et le flux n’est pas modifié de façon sensible par la présence du Capillary Concreete et ne dépend finalement que du niveau piézométrique de la nappe qui sert de point de départ du profil hydrique.
Pour des raisons d’économie, on peut également décider de poser le Capillary Concreete sur du sable pour baisser la base du profil hydrique encore plus bas que la base du Capillary Concreete pour l’hiver. Ainsi, on peut bénéficier de toute la réserve d’eau du Capillary Concreete et du sable pour récupérer l’eau de pluie hivernale
On pourrait également mettre du ballast tout en dessous d’une couche épaisse de sable mais dans ce cas les flux ascendants d’air ou d’eau que l’on veut faire transiter de l’extérieur vers le substrat jusqu’à la surface doit traverser une couche très épaisse alors que dans le cas du Capillary Concreete il n’y a pas besoin de traverser une telle couche épaisse car le Capillary Concreete peut être positionné juste en dessous du substrat hybride car il ne fait pas de barrière capillaire. Le bilan d’énergie mécanique et d’énergie d’échange calorifique est donc nettement plus avantageux lors d’échanges convectifs avec du Capillary Concreete positionné haut qu’avec un ballast positionné plus bas. Par ailleurs, le Capillary Concreete positionné très haut, juste en dessous de la couche de substrat hybride permet de disposer d’un fond de forme particulièrement pratique pour des stades multifonctionnels mais peut induire en contrepartie une dureté supérieure si le haut du Capillary Concreete n’est pas inclus dans la frange capillaire.
Par ailleurs, concernant l’architecture du terrain, on peut créer des cellules séparées pour mettre la surface à même hauteur par rapport à la nappe phréatique horizontale dans chaque cellule malgré la pente ou bien faire des terrains plats ou presque plats. Le plus simple est évidemment de faire des terrains plats plutôt que de gérer des cellules indépendantes, d’autant que les cellules ne peuvent pas être indépendantes jusqu’à la surface. Cependant, cette solution d’un terrain plat convient uniquement si le substrat est très drainant et mécaniquement peu sensible à l’humidité pour pouvoir jouer malgré une pluie diluvienne pendant ou juste après un fort orage. Seuls les substrats hybrides remplissent au mieux cette condition.
L’invention concernant des substrats hybrides, la solution préférée est d’avoir des terrains plats.
Une solution sans cellules convient également avec des terrains en pente dès lors que la pente est suffisamment faible pour que l’hétérogénéité de capillarité liée à la différence de niveau par rapport au niveau piézométrique de la nappe à l’horizontale sur tout le terrain ne soit pas problématique. C’est possible avec des profondeurs capillaires suffisantes. Plus les profondeurs de la nappe sont faibles et plus une différence d’altimétrie conduit à une forte hétérogénéité.
Ainsi, par exemple un terrain une pente en toit de 0,3 % sur une demi largeur conduit à un axe central longitudinal plus élevé d’ environ 9 cm par rapport aux bords du terrain . Dès lors que les bords du terrain sont suffisamment éloignés de la nappe par exemple 40 cm, le centre du terrain sera ipso facto un peu plus sec, ce qui peut être avantageux pour cette zone qui est la plus sollicitée et a encore plus besoin d’un substrat aéré propice à un enracinement profond. Et le flux capillaire ne sera nulle part limitatif de toutes façons pour l’hydratation. On peut également reprendre l’exemple d’un terrain avec ses bords à 40 cm et une pente transversale de 1% qui conduit le centre à être à 30 cm au-dessus du bord, soit 70 cm au-dessus du niveau de la nappe. Cet exemple de réalisation selon l’invention pourrait techniquement donner satisfaction mais conduit cependant à un surcoût qui ne semble pas justifié.
Ainsi, ont déjà été proposés et sont connus dans état de l’art différents procédés de construction de terrains de sport engazonnés qui comprennent en général une membrane imperméable et une couche poreuse dans laquelle on introduit l’eau, pour que l’eau puisse ensuite remonter par capillarité dans le substrat.
Ces procédés sont connus depuis longtemps et avaient principalement pour but de contribuer à résoudre une partie au moins des problèmes de l’arrosage par aspersion comme la perte par évaporation, les risques de maladies ou la plus faible homogénéité horizontale notamment avec le vent, qui sont des problèmes de l’irrigation par aspersion connus depuis longtemps.
Et pourtant, aujourd’hui encore et malgré des moyens connus qui permettraient d’arroser les terrains de sport par le bas plutôt que par aspersion, tous les terrains de sport sont arrosés par aspersion.
Le problème de l’irrigation par nappe d’eau d’un terrain de sport est en effet que l’on ne sait pas jusqu’à présent comment gérer utilement la courbe θ ( z) au-dessus du niveau piézométrique de la nappe et qu’aucune solution n‘a permis de gérer les conséquences de la remontée capillaire d’une nappe peu profonde de façon prévisible et satisfaisante sur le plan des conséquences agronomiques et mécaniques, cette remontée à l’équilibre capillaire et ces flux capillaires dépendant des caractéristiques du substrat considéré et de son épaisseur au-dessus de la nappe et aucune solution en fonction de ces paramètres n’étant proposée par l’état de l’art.
En particulier on ne sait pas notamment jusqu’où la nappe d’eau l’eau va remonter par capillarité au-dessus du niveau piézométrique, l’épaisseur de la zone de transition située au-dessus de cette nappe d’eau et le taux de saturation au-dessus de cette frange capillaire.
Ainsi, même si l’on sait bien dans l’état de l’art créer une nappe d’eau et si l’on sait en régler le niveau piézométrique , on ne sait pas gérer les remontés d’eau par capillarité dans le substrat, en hiver comme en été, au-dessus de ce niveau piézométrique.
Surtout, la question se pose de choisir une granulométrie et une profondeur de nappe pour que l’arrosage par capillarité fonctionne en été et assez grossière cependant pour que le drainage gravitaire ne soit pas bloqué par ladite capillarité, sachant que les blocages ne dépendent pas seulement de la texture du substrat mais aussi de sa structure et des épaisseurs, du sous-bassement et de l’historique
Il ne suffit donc pas de disposer d’un moyen d’amener et d’évacuer de l’eau par le bas pour créer une nappe d’eau en bas du substrat et d’un moyen d’ en régler le niveau piézométrique pour pouvoir ipso facto maîtriser l’arrosage par le bas car il existe de nombreux phénomènes physiques complexes qui interviennent ensuite pour régir les équilibres et la cinétique des flux verticaux dans un milieux poreux et l’absence de prise en compte de ces phénomènes physiques par l’état de l’art dans le mode de gestion de l’arrosage par le bas avec nappe d’eau dans le substrat s’oppose bien évidemment à la réalisation satisfaisante, prévisible et fiable dans le temps d’un terrain de sport engazonné avec sub-irrigigation par nappe d’eau.
Ainsi, même si les moyens d’amener l’eau en bas du substrat sont connus et relativement simples à mettre en œuvre, il a manqué jusqu’à présent le moyen de déterminer jusqu’où, à quelle vitesse et comment l’eau va remonter au-dessus du niveau piézométrique d’une telle nappe, de façon à pouvoir gérer utilement la courbe θ/ε ( z) au-dessus du niveau piézométrique de la nappe en fonction des caractéristiques du substrat considéré et de son épaisseur.
On dit dans le brevet WO 85/00631 qu’il est possible de régler la nappe en faisant monter et descendre la nappe d’eau et en effet il est simple de faire monter ou descendre le niveau piézométrique de la nappe d’eau.
Dans le brevet du Capillaire Concreete , l’objectif n’est pas de faire varier le niveau piézométrique mais l’intérêt du Capillaire Concreete est justement de ne pas avoir à régler précisément ou à maintenir précisément ce niveau piézométrique car le système fonctionnera de la même façon que le niveau piézométrique soit au-dessus du Capillary Concreete, à l’intérieur du Capillary Concreete ou en dessous du Capillary Concreete car le Capillary Concreete, contrairement au ballast ne constitue pars une barrière capillaire mais permet de laisser l’eau monter par capillarité et le réglage du niveau de la nappe permet ainsi de régler la pression capillaire qui détermine ensuite (malgré un aspect aléatoire lié aux phénomènes d’hystérésis qui sera examiné plus bas en détail) les conditions de saturation à l’équilibre dans le substrat situé au-dessus.
Aussi, si l’on dit bien dans les deux brevets cités ci-dessus que l’eau monte ensuite par capillarité dans le substrat, aucune indication ni aucun critère ne sont donnés en revanche pour gérer le niveau de la nappe d’eau au-dessus de son niveau piézométrique et de façon plus générale le profil de saturation au-dessus de la nappe en fonction dudit substrat. Ainsi, si l’on sait bien en effet gérer une nappe d’eau et en régler le niveau piézométrique, on ne sait pas dans l’état de l’art gérer les remontés d’eau par capillarité, en hiver comme en été en fonction du substrat au-dessus du ballast ou du Capillary Concreete.
Un premier problème essentiel non résolu par l’état de l’art est de savoir comment gérer les remontées capillaires au-dessus du niveau piézométrique et garantir que le gazon ne sera ni en manque d’oxygène ni en manque d’air ni en manque d’eau en été ou en hiver. Une chose est en effet de savoir qu’il y aura des remontées capillaires et autre chose est de savoir suffisamment quantifier ces remontée capillaires pour pouvoir garantir que ces remontées capillaires vont permettre de répondre de façon fiable et adéquate aux besoins du gazon , en toute saison et en toutes circonstances, surtout quand la différence est mince entre trop peu d’eau pour l’hydratation et trop d’eau pour la respiration et la stabilité mécanique.
Un second problème non résolu par l’état de l’art est en effet de garantir la cohésion mécanique des substrats car cette cohésion peut, en fonction du type de substrat et du type de remontée capillaire, se révéler insuffisante avec certains substrats ( substrats séchants) en cas de remontée capillaire insuffisante ( perte de cohésion par sécheresse) ou de remontée capillaire exagérée (boulage, perte de cohésion par excès d’eau) ou peut au contraire se révéler trop importante (excès de cohésion par sècheresse).
Un troisième problème non résolu par l’état de l’art est de garantir l’homogénéité et la stabilité de l’arrosage car les remontées capillaires peuvent ne pas être homogènes ni stables dans le temps compte tenu en particulier de la macro porosité liée à la structure du sol qui peut être elle-même instable dans le temps et hétérogène dans l’espace
Potentiellement, le moyen décrit ci-dessus avec utilisation du Capillary Concreete peut également permettre de faire rapidement monter la nappe d’eau jusqu’à la surface et de la faire rapidement redescendre ensuite jusqu’à un niveau de base selon le principe des tables à marée. L’avantage d’un tel procédé, connu en horticulture sous le nom de de tables à marée, serait de pouvoir apporter très rapidement par convection jusqu’en haut du substrat les calories ou les frigories souhaitées et aussi de chasser l’air du substrat lors de la montée de la marée, ce qui permet ainsi de le renouveler à la redescende par de l’air neuf et oxygéné de l’extérieur. Au passage, comme en horticulture, ce moyen permet aussi la fertigation.
Cependant, l’énergie nécessaire à la percolation, le temps de montée et de descente de l’eau , le temps nécessaire aux échanges thermiques et l’effet mécanique de déstabilisation mécanique du substrat ou de compaction hydraulique du substrat ainsi que le temps de récupération après un tel cycle d’un profil de saturation compatible avec l’utilisation sportive du terrain et in fine la faisabilité et les avantages ou inconvénients d’un cycle d’inondation-retrait dépendent évidemment de l’épaisseur du substrat au-dessus de la nappe ( c’est à dire de la montée et descente à prévoir) mais également, en plus de son épaisseur, des caractéristiques mécaniques et thermiques du substrat. Dans ce cadre, une fois que l’on sait apporter de l’eau dans un support très poreux et que l’on sait que l’eau finira bien par monter et redescendre par perméabilité si l’on fait monter ou descendre le niveau piézométrique de la nappe , cela ne constitue évidemment pas en soi une solution mais seulement un moyen car la faisabilité, l’énergie et le temps nécessaires pour ces cycles de marée ne dépendent pas seulement du moyen mais des caractéristiques et de l’épaisseur du substrat.
Cependant, en utilisant ces moyens déjà disponibles dans l’état de l’art ou d’ autres moyens qui s’en rapprochent, il est possible selon l’invention de caractériser les conditions, avec le bon substrat, la bonne épaisseur de substrat et la bonne profondeur de nappe qui permettent de garantir une solution globale satisfaisante
Pour expliquer comment fonctionne l’invention, il peut être utile de commencer par rappeler les objectifs fonctionnels à l’échelle du terrain de sport et comment ils sont traduits selon l’invention en objectifs techniques intermédiaires. Quelques considérations, précisions et explications données plus bas permettront ensuite de voir comment les moyens selon l’invention permettent justement d’atteindre ces objectifs intermédiaires.
Concernant d’abord l' objectif d’améliorer la qualité de la pratique sportive, et même si les critères de qualité du terrain diffèrent d’un sport à l’autre, toutes les pratiques sportives pour lesquels des sportifs courent sur un terrain ont en commun que le sol dudit terrain doit être suffisamment résistant pour supporter le poids et les sollicitations mécaniques de ces sportifs , bipèdes ou quadrupèdes, sans trop se déformer( notion de résistance) et pour restituer aux sportifs une partie de leur énergie d’impact (notion de performance) tout en absorbant simultanément une autre partie de l’énergie (notion de souplesse) pour permettre au sport d’être pratiqué de façon performante, tout en minimisant les risques de blessures par traumatisme (souplesse suffisante) ou par fatigue (restitution suffisante), et dans des conditions stables et reproductibles (permanence dans le temps des conditions de pratique sportive).
Dans le cas du football et du tennis, par exemple, la notion de résistance est particulièrement importante pour que le terrain reste plat et sans faux rebonds tandis que pour le rugby ou a fortiori pour les courses hippiques de galop, on s’attache moins à la planéité du terrain mais d’avantage à sa souplesse.
Dans tous les cas cependant, et au-delà des nuances entre sports, la réponse mécanique du terrain à une sollicitation lors du geste sportif est essentielle non seulement à court terme pour la qualité, la relative reproductibilité et la sécurité de la pratique sportive mais également à plus long terme pour favoriser la santé du sportif ou, a minima, pour ne pas trop nuire à sa santé.
Or, cette réponse mécanique du terrain dépend à la fois de la composition granulométrique du substrat ( paramètre permanent dans le temps), de son épaisseur et de son état de porosité ( état variable dans le temps) , du support sur lequel repose ce substrat , de l’état du gazon et, dans tous les cas, et de façon tout à fait essentielle, de la répartition verticale de la teneur en eau à l’intérieur du substrat ( état variable dans le temps).
Or, ces éléments qui sont tous ensemble déterminants pour la réponse mécanique du substrat ne sont pas indépendants les uns des autres mais sont au contraire liés entre eux par des lois physiques, notamment celles qui régissent dans les milieux poreux les équilibres et les flux d’air et d’eau, ainsi que les échanges thermiques et les changements de phase de l’eau ainsi que la dissolution des gaz dans la phase liquide. En particulier, l’évolution dans le temps de l’état de porosité du substrat et de la répartition verticale de la teneur en eau à l’intérieur du substrat dépendent à la fois de l’historique et, de façon essentielle, de la composition et de l’épaisseur du substrat, qu’il soit mono couche ou multicouche.
De même, l’évolution dans le temps de l’état du gazon lui-même dépend aussi en particulier de l’historique de l’évolution dans le temps de la distribution de la porosité et de la teneur en eau ainsi que de l’oxygénation des racines.
L’objectif selon l’invention est double :
- favoriser un bon gazon (historique de l’irrigation, de l’oxygène du substrat, de la température du substrat et de la surface)
- favoriser une bonne réponse mécanique directe du substrat lors de la pratique sportive (profil hydrique au moment de l’utilisation)
La réponse mécanique directe du support, indépendamment de l’état du gazon, est un objectif en soi de l’invention. Simultanément, le bon gazon est lui-même un des éléments essentiels pour favoriser les bonnes conditions de la pratique sportive.
A l’instant t, la réponse mécanique du substrat dépend de l’état hydrique immédiat du terrain .
En revanche, la participation à l’infant t du gazon à la réponse sportive dépend également de son état à l’instant t mais un bon gazon à l’instant t est lui-même le résultat de l’évolution des paramètres (eau, oxygène, température) dans le substrat pendant des mois avant l’infant t.
Le système inventif selon l’invention prend simultanément en compte ces deux objectifs, avec l’aspect immédiat du profil hydrique au moment de l’utilisation du terrain et l’aspect long terme de l’obtention et du maintien d’un bon gazon qui dépendent de l’histoire au long des saisons des paramètres dans le substrat.
La solution selon l’invention décrite ci-dessous est donc non seulement une solution qui vise à optimiser la réponse mécanique immédiate d’un sol sportif, indépendamment de l’état du gazon, mais c’est aussi une solution qui vise à favoriser le développement dans le temps du gazon et en particulier à apporter une contribution significative à la résolution de certains des problèmes les plus difficiles que le maintien d’un gazon en bon état pose, aujourd’hui encore, à l’homme de l’art expérimenté, souvent de façon aigüe, et parfois même insoluble.
Aussi, à coté de nombreux autres aspects agronomiques du problème d’entretien du gazon que l’homme de l’art connaît déjà et qui ne seront donc pas repris ici, l’accent est donc mis, dans la description ci-dessous de l’invention, sur un certain nombre d’objectifs précis qui, dans l’état de l’art actuel, restent très difficiles à atteindre simultanément.
En résumé, par la gestion d’une nappe d’eau sous la surface, l’invention vise principalement à obtenir de façon durable les 3 objectifs suivants :
- un sol à la fois souple et résistant, à réponse mécanique constante
- un sol à la fois aéré en surface mais avec le moyen de fournir aux racines, dans la zone du sol où ces racines sont présentes, la quantité d’eau et d’oxygène suffisante pour satisfaire leur besoin de boire et de respirer
- une bonne température et oxygénation du substrat
Or, les actuels procédés de construction des terrains de sport n'atteignent que très partiellement ces objectifs tandis que le procédé de construction selon l’invention permet au contraire de les atteindre, d’une part en dépassant les limites qualitatives actuelles et d’autre part de façon plus durable.
En effet, le parti pris de l’invention est de considérer en priorité la teneur en eau et la granulométrie du substrat comme les éléments essentiels à maîtriser, aussi bien pour la cohésion du substrat que pour sa souplesse ainsi que pour la diffusion des variables de température et l’oxygénation du substrat.
Aussi, afin d’optimiser à la fois la qualité de la pratique sportive et la qualité du gazon, un objectif clé de l’invention est de proposer un nouveau moyen de gérer l’eau et l’air contenus dans la couche de jeu, à l’intérieur de la porosité du substrat dans une configuration où l’eau constituant une nappe d’eau dans la structure constructive est capable de remonter spontanément par capillarité de la nappe jusqu’en surface du substrat.
En particulier, l’invention propose :
- une structure disposant des moyens de créer une nappe d’eau dans le substrat et de gérer son niveau piézométrique à l’altitude choisie, fixe ou variable selon les réalisations
- une caractérisation des substrats constitutifs de la structure en une ou plusieurs couches superposées dont au moins une couche de jeu hybride
- et une étape préalable de calibration de l’ épaisseur de la couche ou des couches superposées de substrat au-dessus du niveau piézométrique de la nappe d’eau , en tenant compte des caractéristiques spécifiques des substrats de chaque couche pour pouvoir garantir que le profil hydrique dans ce substrat caractérisé selon l’invention et d’épaisseur calibrée selon l’invention sera favorable au gazon.
Comme il a été vu dans la revue de l’état de l’art , les gazons selon l’état de l’art actuel fonctionnent selon un mode artificiel puisque le gazon vit dans un milieu artificiellement coupé des remontées d’eau des nappes du sol et dans un substrat volontairement fabriqué pour ne retenir que très peu d’eau, ce système impliquant de façon nécessaire l’ irrigation régulière du gazon pour remplacer l’eau consommée par les plantes ou évaporée . La fiabilité des systèmes d’irrigation actuelle à cet égard est satisfaisante, de sorte que l’on s’est habitués à cette contrainte et qu’on a fini par oublier qu’il s’agit toutefois d’une plantation non durable en ce qu’elle ne peut survivre à l’arrêt de l’irrigation artificielle.
Or, dans la nature, au contraire, ces mêmes plantes de gazon utilisées pour cultiver les gazons sportifs n’utilisent , quand elles poussent dans des prairies naturelles, que l’eau disponible dans le sol , même en période d’absence prolongée de pluie, et en ne disposant donc dans beaucoup de situations estivales que de l’eau qui remonte des réserves d’eau plus ou moins profondes naturellement présentes dans le sol des prairies et qui alimentent « naturellement « en eau la partie superficielle (rhizosphère ) du sol des prairies dans laquelle se trouvent les racines dudit gazon.
Ces gazons sont donc naturellement adaptés aux importantes fluctuations que l’on peut trouver dans la nature en terme de disponibilité en eau, en air, en oxygène et en température et peuvent survivre à de longues périodes non propices à la croissance du gazon mais il faut toutefois reconnaître que cette adaptation ne signifie pas pour autant que l’état du gazon soit toujours idéal en été ou en hiver - et même loin s’en faut - pour l’usage intensif que l’on en attend ; Au contraire, l’expérience des sports, initialement pratiqués sur prairie naturelle, a donné d’abondants exemples d’insatisfaction , et c’est justement ces situations qui ont motivé et justifié l’évolution de l’état de l’art vers la solution actuelle d’une culture de gazons sportifs sans nappe d’eau.
Le premier objectif de la présente invention est toutefois de revenir au cadre naturel d’une culture poussant spontanément par l’utilisation d’une nappe d’eau sous-jacente, comme dans le cas des prairies naturelles mais avec un substrat artificiel spécifique et avec une nappe d’eau permanente à une faible profondeur spécifiquement déterminée de façon à obtenir spontanément un fonctionnement satisfaisant et durable car découlant automatiquement des seules lois physiques qui régissent naturellement les milieux poreux , compte tenu des paramètres choisis et spécifiés dans le cadre de l’invention.
De façon préférée et en plus de ce fonctionnement passif dans le cadre des paramètres choisis selon l’invention assurant déjà spontanément au gazon une qualité satisfaisante et durable, la présente invention propose également de profiter de ce « cadre naturel artificiellement reconstitué » pour pouvoir « booster » l’état du gazon par un mode de gestion consistant à pouvoir intervenir de façon active pour « améliorer » des facteurs limitants que sont en particulier la températures dans le substrat et à la surface ainsi que l’oxygénation des racines.
Pour préciser ces objectifs très généraux, le parti pris de l’invention est donc de créer artificiellement un milieu de culture permettant au gazon d’y pousser « naturellement », c’est à dire de constituer un écosystème robuste et capable de fonctionner de façon quasi autonome.
D’une part ce milieu artificiellement conçu et construit mais à vocation de bon fonctionnement naturel comprend un substrat hybride d’une composition et d’une épaisseur déterminée selon l’invention et une nappe d’eau dans le substrat, dont le niveau fixe peut être maintenu constant à la profondeur voulue et déterminée selon l’invention ou dont le niveau peut être réglé à différentes hauteurs dans une version de l’invention où le niveau est variable.
D’autre part, de façon éco responsable et grâce au cadre de cet écosystème robuste et fonctionnel caractérisé par son architecture de nappe d’eau à profondeur déterminée et par le choix de la composition et de l’épaisseur du substrat , la présente invention propose des moyens d’améliorer de façon active certains paramètres du milieu pour améliorer l’efficacité du gazon, en utilisant au maximum les ressources disponibles localement.
Pour pouvoir réaliser cet objectif général ambitieux, la démarche selon l’invention passe par les deux étapes intermédiaires suivantes :
- Définir ce « meilleur » résultat « possible » visé par l’invention, c’est à dire déterminer le cahier des charges intermédiaire à partir d’une analyse des besoins du gazon : choix des variables abiotiques du milieu à maîtriser et plage de valeurs à atteindre pour ces variables abiotiques -
- Choisir le cadre élargi de l’invention dans lequel on veut chercher à atteindre ce résultat visé que l’on a défini à l’étape précédente et dans ce cadre choisi par l’invention, déterminer les conditions précises à respecter pour garantir que sera atteint ce meilleur résultat possible visé. Cette détermination implique une analyse du fonctionnement extrêmement complexe des phénomènes qui ont lieu à l’intérieur du substrat. Cette analyse concerne en particulier les profils hydrique d’équilibre capillaire en l’absence de flux et les flux en réponse à une demande climatique d’évapotranspiration avec transferts et échanges d’eau (en phase liquide et vapeur) , d’air (gazeux et dissous), de calories (par conduction, convection, rayonnement, chaleur latente de changement de phase ).
En particulier, le parti pris de l’invention est de considérer comme paramètres intermédiaires prioritaires le profil hydrique du milieu et le flux hydrique capillaire en présence d’une demande climatique d’évapotranspiration.
La démarche de l’invention est donc de définir le type de profil hydrique souhaité et les besoins de flux et de déterminer les moyens d’aboutir spontanément à ce type de profil, été comme hiver, par le seul choix de l’épaisseur et de la composition du substrat et du niveau piézométrique de la nappe.
L’objectif spécifique intermédiaire essentiel de la présente invention est donc de maîtriser suffisamment la gestion du profil de saturation en eau à l’intérieur du substrat et cet objectif est évidemment intimement lié au mode de construction et de gestion des terrains.
Dans ce cadre, le point important ne concerne pas les moyens pratiques d’apporter ou d’évacuer de l’eau dans le terrain de sport mais concerne l’efficacité des systèmes de gestion de l’eau en comparant la conséquence en terme de distribution verticale de l’eau des moyens mis en œuvre.
L’objectif selon l’invention est d’améliorer le type de profil hydrique du substrat qui dépend à la fois du substrat lui-même et des moyens mis en place selon l’invention . En effet, de chaque façon d’apporter ou d’évacuer l’eau découle un type de distribution verticale de l’eau dans le substrat, compte tenu des contraintes imposées par ce moyen et des lois de la physique des milieux poreux.
L’essentiel selon l’invention est la maîtrise de ce profil hydrique capillaire dans le substrat et le flux hydrique en présence d’une demande climatique du fait de leurs rôles respectifs incontournables :
- aussi bien pour les caractéristiques mécaniques du terrain de sport (profil lors de l’utilisation du terrain)
- que pour la santé du biotope en général et du gazon en particulier. (Histoire passée du profil pendant toute la vie du gazon)
Aussi, pour décrire le partage de la porosité entre l’eau et l’air à une échelle de macroscopisation satisfaisante, rappelons que l’on peut définir en tout point la porosité totale ε , ainsi que la teneur volumique en eau θeauet la teneur volumique en air θaircomme la proportion du volume d’eau ou respectivement d’air par rapport au volume apparent de substrat
θeau= teneur en eau = volume de l’eau / ( volume des pleins + volume des vides )
θair= teneur en air = volume de l’air / ( volume des pleins + volume des vides )
ε = θair +θeau= ( volume de l’air + volume de l’eau) / (volume des pleins + volume des vides)
= volume des vides / (volume des pleins + volume des vides)
Au bout du compte, Ce sont les deux courbes équivalentes du profil hydrique θ ( z) ou du profil du taux de saturation à l’intérieur du substrat θ/ε ( z) , qui constituent selon l’invention le premier objectif intermédiaire à définir puis à atteindre , le second étant un flux hydrique en présence d’une demande climatique capable de fournir ce dont la plante a besoin.
Il convient donc pour faire le lien entre l’objectif d’obtention d’un bon gazon et l’objectif d’une « bonne » courbe de saturation de suivre la démarche suivante :
- dans un premier temps de considérer les principaux effets positifs et négatifs d’un profil de saturation sur le gazon pour déterminer les particularités souhaitables de cette courbe et les particularités à éviter
- et dans un second temps il conviendra de considérer l’effet des caractéristiques du substrat et de la profondeur de la nappe et de la demande d’évapotranspiration sur le profil de saturation pour en déduire les caractéristiques des paramètres constructifs et de gestion de la nappe d’eau qui permettent d’atteindre les caractéristiques souhaitées pour la courbe de saturation
On peut immédiatement remarquer les 2 points suivants :
• Le premier point est que l’on recherche un profil de saturation qui permette à la fois, selon l’objectif final de l’invention :
- d’améliorer la souplesse du terrain,
- de permettre d’avoir un terrain résistant
- d'assécher la partie supérieure du substrat pour lutter contre les maladies et créer une isolation thermique
- d’augmenter la disponibilité de l’eau accessible aux racines en bas du substrat
- de diminuer les pertes d’eau par évaporation directe inutile
- d’optimiser la résistance des terrains et la reproductibilité du jeu par tous les temps
- de favoriser la possibilité de refroidir en été ou réchauffer en hiver le substrat et la couche de surface de gazon avec efficacité et en minimisant la consommation d’énergie
- de pouvoir oxygéner le substrat (ce qui consiste non seulement à avoir une part d’air suffisante par rapport à la part d’eau dans la porosité mais également à renouveler l’air en replaçant l’air vicié pauvre en oxygène par de l’air neuf bien oxygéné)
• Le second point est que l’ensemble de ces objectifs à atteindre simultanément créent le portrait-robot d’un type de profil hydrique idéal
Il se trouve que la satisfaction idéale de l’ensemble des objectifs finaux individuels visés et rappelés ci-dessus ( mécanique, gestion de l’eau, de la température et de l’oxygène dans le substrat) fait apparaître des exigences convergentes pour chaque strate du profil de saturation θ /ε ( z) :
- que le haut du substrat soit aussi sec que possible,
- que le bas du substrat soit une nappe saturée
-que les racines disposent entre le haut et le bas d’un profil de saturation éloigné de 0 et de 1.
C'est le parti pris de l’invention de se donner comme objectif intermédiaire d’atteindre ce type de profil de saturation en eau : Un profil de saturation globalement croissant vers le bas, avec une faible saturation en haut du substrat, égale à 1 en bas du substrat et une valeur équilibrée entre le haut et le bas, c’est à dire en résumé :
- peu d’eau en haut,
- peu d’air en bas
- beaucoup d’air et beaucoup d’eau entre les deux.
Cependant, il ne faut tout de même pas oublier que le rôle premier de l’irrigation est d’apporter suffisamment d’eau pour répondre aux besoins en eau de la plante. Il faut donc simultanément un profil hydrique aussi sec que possible près de la surface mais simultanément un flux hydrique ascendant suffisamment important pour répondre à la demande climatique d’évapotranspiration aussi proche que possible de la demande potentielle
Il conviendra donc de se placer dans des conditions permettant d’atteindre simultanément ces deux objectifs qui ne sont compatibles que dans des conditions très précises et qui sont justement celles définies selon l’invention.
Or, cette maîtrise du fonctionnement du milieu est complexe car tout ce qui se passe dans le milieu poreux du substrat est finalement, au sens propre, une usine à gaz (mais une « usine » naturelle, c’est à dire capable de fonctionner de façon autonome, sans intervention anthropique.
Cette complexité est très probablement l’une des principales raisons qui ont conduit l’état de l’art à se passer des nappes d’eau, de la « vraie terre » et autant que faire se peut du « fonctionnement naturel » des prairies avec nappe phréatique : Non pas que ce fonctionnement soit inefficace ( il est au contraire très efficace) mais parce que, en l’absence de solution connue pour le maîtriser, il est considéré comme trop compliqué et donc comme non fiable. C’est justement l’objectif de l’invention de donner des moyens de le rendre fiable par un dimensionnement adéquat du système.
Or, même si la description ou la prévision des équilibres et les flux hydriques à l’intérieur d’un milieu poreux sont en effet ( trop ) complexes et difficiles à décrire ou à prévoir , le principe innovant de l’invention est justement de proposer un type de substrat et un réglage des paramètres de construction du terrain suffisamment restrictifs et adéquats pour que leur combinaison permette de garantir un bon fonctionnement spontané du support mécanique du terrain de sport et du gazon, compte tenu des lois régissant le fonctionnement des milieux poreux et des objectifs assignés pour satisfaire les besoins du sol et du gazon et de garantir ainsi le but fixé : Un nouveau type de gestion des terrains de sport hybrides engazonnés, naturellement durables, fiables, d’un coût de fonctionnement très faible et d’une performance accrue.
Or, cette démarche n’est pas celle qui a été suivie par l’état de l’art.
Au contraire, le principe qui a guidé toutes les évolutions de ces dernières dizaines d’années n’est pas un principe de développement durable mais à l’inverse, en partant d’un système fondamentalement naturel pour les terrains traditionnels qui étaient soumis aux aléas et à la complexité de la nature, l’état de l’art a évolué vers un milieu et un système de culture du gazon de plus en plus artificiel dans l’objectif d’un fonctionnement dépendant le moins possible des aléas afin de devenir le plus fiable possible
A l’inverse de la démarche suivie par l’état de l’art, le principe de l’invention est de répondre au mieux aux besoins du gazon par un dimensionnement adéquat de paramètres pertinents pour permettre un fonctionnement naturel spontané par capillarité dans le milieu poreux de la structure du terrain de sport .
Ceci n’empêche pas, au contraire, de booster ensuite le gazon par une gestion active qui vient améliorer encore les conditions physiques par rapport à celles, déjà satisfaisantes mais pouvant être encore améliorées, obtenues spontanément du fait de l’architecture de la structure.
Ainsi, en partant dans une première étape des besoins du gazon à satisfaire selon l’invention, ces besoins ont été traduits en objectifs à atteindre en terme de profil hydrique à l’équilibre et de flux hydrique en présence d’une demande évaporatoire climatique
A partir d’une problématique de qualité sportive du gazon à l’échelle macroscopique du terrain, on a traduit l’objectif recherché par l’invention en problème lié d’une part à la teneur en eau à l’équilibre en hiver et d’autre part au flux ascendant en été lors d’une demande climatique d’évapotranspiration.
Cette traduction des problématiques suggère que la hauteur d’eau de la nappe soit suffisamment éloignée de la surface pour éviter de noyer le substrat par capillarité en hiver mais suffisamment proche pour disposer d’assez d’eau en été. Il conviendra donc de vérifier si ces deux exigences sont conciliables et pourquoi elles sont bien conciliées dans le cadre des caractéristiques selon l’invention.
La démarche dans une troisième étape consiste à faire le bilan des mécanismes naturels de capillarité mis en jeux dans le substrat et des paramètres capables de régler et de décrire l’équilibre capillaire et dans une quatrième étape à faire le bilan des mécanismes mis en jeux et des paramètres capables de régler le flux capillaire en présence d’une nappe d’eau et d’une demande évaporatoire climatique pour aboutir finalement dans une dernière étape inventive à en déduire un réglage judicieux de ces paramètres permettant dans le cadre de l’invention de satisfaire ces besoins du gazon tels que traduits à la seconde étape
Une bonne compréhension des différentes étapes de l’invention est de nature à aider l’homme de l’art à correctement assimiler et adopter la démarche de la présente invention de façon à pouvoir l’adapter au mieux à l’intérieur de la gamme des solutions proposées par l’invention, afin de pouvoir répondre au plus près des contraintes spécifiques des différents terrains de sport et des différents contextes.
Aussi, le présent chapitre destiné à l’homme de l’art du gazon a pour objectif de préciser de façon relativement détaillée pourquoi et comment le réglage selon l’invention des profils capillaires du substrat et de la profondeur de la nappe d’eau permet d’une part de caractériser le substrat selon l’invention et d’autre part de garantir que le profil de teneur en eau dans le substrat à l’équilibre capillaire et le flux capillaire généré en présence d’une forte demande évaporatoire climatique sont de nature à satisfaire naturellement et spontanément les exigences agronomiques du gazon.
Pour répondre à cet objectif , et même si l' homme de l’art du gazon a surtout l’habitude de substrats caractérisés par une distribution quantitative de la granulométrie ( que l’on obtient classiquement de façon pratique en passant le substrat par des tamis successifs qui chacun laissent passer les grains d’un diamètre inférieur à une taille caractéristique du tamis considéré et ne conservent que les grains d’une taille supérieure ) , il a été choisi dans le cadre de la présente invention de caractériser les substrats de construction du terrain de façon différente et nouvelle : non pas par leur distribution granulométrique ni même par leur distribution porométrique mais par une courbe de caractéristique hydrique capillaire intrinsèque en phase de drainage à partir de condition initiale saturée, cette courbe étant une caractéristique intrinsèque du substrat accessible expérimentalement, que l’on choisit selon l’invention comme courbe caractérisant bien la capillarité théorique du substrat.
Or, il n’est pas forcément évident pour un spécialiste du gazon que l’on puisse caractériser ainsi un substrat par son comportement expérimental dans des conditions particulières dont il n’est donc pas inutile de montrer pourquoi il caractérise effectivement le substrat de façon intrinsèque et non le simple aspect circonstanciel d’une expérience particulière.
Il convient donc ici de rappeler et d’expliquer suffisamment les quelques aspects relatifs aux phénomènes de capillarité nécessaires pour permettre, justement, d’en déduire que dans les conditions de la présente invention les caractéristiques de la teneur en eau à l’équilibre capillaire correspondent bien aux exigences déterminées pour l’hiver dès lors que sont respectées les conditions déterminées selon l’invention concernant le substrat et la profondeur de la nappe.
Les deux premières étapes des explications données ci-dessous rappellent pour la première étape les objectifs généraux poursuivis par la présente invention à l’échelle du terrain et pour la seconde étape la traduction en terme d’objectif en terme de profil hydrique à l’intérieur du substrat.
Dans une troisième l’étape, on donnera des explications sur ce qui se passe à l’échelle microscopique à l’intérieur du substrat pour expliquer pourquoi la solution selon l’invention permet de répondre aux objectifs en tire de profil hydrique tels qu’explicités à l’étape 2
A l’étape suivante, on utilisera des résultats récents de la recherche sur les flux capillaires en présence d’une nappe d’eau et d’une demande évaporatoire pour pouvoir en déduire que le flux capillaire en été correspond bien aux exigences de flux estival dès lors que sont respectées les conditions concernant le substrat et la profondeur de la nappe déterminées selon l’invention.
Une première difficulté de présentation de la présente invention à l’homme de l’art du gazon est son point de vue inhabituel, voire même transgressif par rapport aux habitudes bien établies par l’état de l’art.
Une seconde difficulté est le caractère transdisciplinaire de ce changement d’angle d’attaque du problème qui utilise une analyse du comportement capillaire à l’échelle microscopique pour répondre à des exigences à l’échelle macroscopique en terme de gazon de sport. Certes, l’influence de la capillarité sur la qualité des terrains de sport est telle que l’on pourrait estimer évident que les spécialistes des terrains de sport soient ipso facto familiers de la capillarité.
En réalité, l’homme du gazon connaît déjà l’effet de la capillarité, notamment sur la réserve utile, mais n’en connait généralement le fonctionnement physique que de façon sommaire pour exprimer le fait que l’eau « monte par capillarité » par l’effet de la petite taille de la porosité . De fait, l’expérience montre que peu «d’hommes de l’art du gazon», même d’excellents agronomes, peuvent prévoir précisément le fonctionnement de la capillarité dans le substrat, de même d’ailleurs que peu de spécialistes des milieux poreux, de façon symétrique, connaissent la problématique des gazons de sport.
Certains spécialistes de la capillarité et des milieux poreux pourront donc trouver que les explications données ci-dessous concernant les principes mêmes de la capillarité sont triviaux ou superfétatoires pour rappeler ce qui leur apparaitra comme des évidences mais que les explications concernant le gazon ne le sont pas assez mais ces développements sont ici donnés dans le seul but de permettre à l’homme de l’art des gazons de disposer ici des outils nécessaires à une bonne compréhension de l’invention.
Ainsi l’homme de l’art du gazon qui connaît probablement déjà la notion de distribution porométrique des substrats et de pression hydrostatique à l’équilibre pourra disposer ici de l’ensemble des précisions supplémentaires nécessaires et suffisantes pour pouvoir comprendre pourquoi et comment fonctionne l’invention. Au passage d’ailleurs, ces explications données ci-dessous pourront aussi donner à l’homme de l’art l’occasion de mieux comprendre certains phénomènes assez souvent rencontrés sur terrains de sport en dehors du cadre de l’invention et le plus souvent considérés comme incompréhensibles, voire paradoxaux.
Une première condition à respecter selon l’invention concerne le profil d’équilibre en l’absence d’évapotranspiration, essentiellement en hiver.
Pour déterminer cet état d’équilibre du substrat à un moment donné, on sait bien qu’il n’existe pas une réponse précise mais que l’équilibre à un moment donné se trouve situé entre les 2 courbes de drainage ou d’imbibition qui sont-elles mêmes proches dans la partie médiane du profil hydrique théorique du milieu.
Une seconde condition concerne les flux de remontée d’eau depuis la nappe en présence d’une demande évaporatoire de l’atmosphère définie à tout instant par l’évapotranspiration potentielle au-dessus du terrain, en fonction de la demande climatique (rayonnement, l’albédo, vent, température et l’humidité relative de l’air).
Pour pouvoir expliquer le principe de fonctionnement de l’invention, il est nécessaire de décrire sommairement le mécanisme des phénomènes qui ont lieu dans le substrat, leurs causes physiques, les principales équations qui les régissent et les conséquences qui en découlent.
Avant toutes choses, il convient donc de décrire les phénomènes physiques concernés et les quantifier par leurs lois physiques, sans rentrer dans toutes les configurations possibles mais en se restreignant au cadre de l’invention et en se focalisant sur les deux situations de l’équilibre sans évapotranspiration et d’un flux en régime permanent associé à une demande évaporatoire.
La bonne nouvelle quand on souhaite savoir comment va évoluer le milieu dans la porosité du substrat est que les phénomènes physiques du milieu poreux sont tous des phénomènes simples et bien connus. De plus, on peut considérer que le terrain est homogène sur le plan horizontal, de sorte que le problème est seulement à une dimension, selon l’axe des z. L’équilibre capillaire est tout simplement le résultat de l’équilibre entre la gravité et la capillarité.
Pour situer l’équilibre capillaire dans le cadre plus général des phénomènes physiques qui ont lieu dans le milieu poreux, on peut remarquer préalablement qu’en dehors des situations d’équilibre, les mouvements de l’eau liquide dépendent également de la gravité et la capillarité (équation de Richards).
A ces mouvements de l’eau sous forme liquide, peuvent a priori se rajouter des mouvements d’eau vapeur car il y a de l’eau vapeur dans l’air (et aussi - mais très peu - d’air dissous dans l’eau) et que de l’eau peut donc disparaitre ou apparaitre dans la porosité par condensation ou évaporation en fonction de la température et de la pression de vapeur saturante de l’air. Selon les circonstances ces phénomènes sont prépondérants ou au contraire marginaux et on ne peut donc pas non plus exclure a priori que la variation de densité de l’eau avec la température pourrait avoir un rôle dans les flux d’eau verticaux.
Le transport des calories, tout comme le transport de l’oxygène d’ailleurs, peuvent se faire :
- par diffusion quand l’eau et l’air ne bougent pas (lors des périodes d’équilibre) (c’est dire par « diffusion » en ce qui concerne l’oxygène et par « conduction » en ce qui concerne la température )
- ou par convection en milieu liquide ou gazeux, c’est à dire transportés par l’eau et par l’air lors de leurs déplacements quand il y a flux d’air ou flux d’eau.
Les calories peuvent en principe se transmettre également par rayonnement mais on n’en tient pas compte ici dans le milieu poreux, le rayonnement n’intervenant qu’à partir de la surface libre.
Le rayonnement a lieu également à l’intérieur du volume mais le rayonnement émis d’un volume A vers un volume B s’équilibre avec le rayonnement de B vers A.
Il n’y a pas de création d’oxygène dans un volume donné en dehors de l’oxygène qui arrive de l’extérieur par diffusion ou convection mais il y a consommation d’oxygène par la respiration.
Concernant les calories en revanche il y a production de calories dans un volume donné de substrat à chaque fois qu’il y a condensation dans ledit substrat ou qu’il y a combustion avec consommation d’oxygène et il y a consommation de calories à chaque fois qu’il y a évaporation dans ledit substrat.
Concernant les calories en revanche il y a production de calories dans un volume donné de substrat à chaque fois qu’il y a condensation dans ledit substrat ou qu’il y a combustion avec consommation d’oxygène et il y a consommation de calories à chaque fois qu’il y a évaporation dans ledit substrat.
La température de chaque espèce (eau, gaz, grains de substrat) à l’intérieur d’un volume élémentaire et à un moment donné se déduit, en fonction des caractéristiques calorifiques de chaque espèce, de la température de chaque espèce à l’instant précédent et des calories reçues ou cédées au volume élémentaire pendant l’intervalle de temps considéré en fonction des différences de température entre les différentes espèces, qu’il s’agisse d’énergie échangée par le volume élémentaire avec son environnement ou d’énergie libérée dans le volume élémentaire (notamment par changement de phase de l’eau ou encore par combustion liée à la respiration) .
Or, tous ces phénomènes sont parfaitement connus des physiciens et on sait depuis longtemps calculer les apports par diffusion, par convection, les changements de phase, les chaleurs latentes échangées lors de ces changements de phase ; on sait écrire les équations du mouvement ou de transfert et résoudre ces équations de façon analytique ou numérique et en particulier calculer les mouvements et les équilibres des fluides dans un champ de forces connu.
Or les deux forces motrices sont la gravité et les forces capillaires, avec éventuellement des changements de densité et des échanges thermodynamiques.
La gravité est bien connue.
Les convections par gradient de densité et les échanges thermodynamiques sont eux aussi bien connues.
La force capillaire est elle aussi très bien connue.
Ou plutôt, la force capillaire est elle aussi bien connue…. dès lors que l’on connaît la géométrie du milieu.
Ainsi, tout ce qui se passe dans le substrat en terme de mouvements de l’eau et de l’air et d’équilibre entre l’eau et l’air obéit à des phénomènes physiques parfaitement connus, dont on connaît parfaitement les équations et dont on sait parfaitement résoudre ces équations, parfois de façon analytique mais sinon au moins de façon numérique.
Cependant , après et malgré toutes ces bonnes nouvelles, la mauvaise nouvelle vient cependant du fait que si l’on connait par principe toutes les forces physiques mises en jeu dans le milieu quand on en connaît la géométrie , il demeure que justement, on ne connait pratiquement rien de cette géométrie 3D, extrêmement complexe, de la porosité du substrat.
Or, l’une des forces essentielles pour l’équilibre et les flux, la force capillaire, celle qui nous intéresse le plus, dépend justement exclusivement de cette géométrie et pas de la géométrie prise de façon grossière mais au contraire du détail précis de cette géométrie que l’on ne sait absolument pas représenter de façon exacte. (Pour la gravité , au contraire, la géométrie du milieu n’ aucun impact)
Aussi, la force principale, celle qui génère la montée de l’eau au-dessus du niveau piézométrique de la nappe, quoique parfaitement connue dans son principe n’est en fait pas du tout connue en l’occurrence puisque la géométrie du milieu n’est elle-même ni connue ni possible à connaître. Par conséquent on ne peut pas déterminer par un calcul simple et direct ce point d’équilibre essentiel entre la capillarité et la gravité ni déterminer ou quantifier les flux d’eau verticaux visant à rejoindre l’équilibre sous l’effet de cette force.
De plus, les phénomènes d’hystérésis et le temps de mise en équilibre font que cet équilibre n’est ni déterminé ni accessible de façon évidente par la simple mesure expérimentale
Dans ce contexte, en l’absence d’une solution directe «évidente» pour déterminer le profil hydrique d’équilibre et les flux d’eau dans le milieu poreux constitué par le substrat, on dispose cependant de plusieurs démarches indirectes et complémentaires.
Une première démarche consiste à modéliser le milieu pour comprendre par analogie de quelle façon les caractéristiques du substrat devraient influencer les phénomènes et essayer d’estimer l’ordre de grandeur probable des équilibres ou des flux.
Une seconde démarche consiste à déterminer un échantillonnage représentatif et effectuer un certain nombre de mesures dans un certain nombre de cas qui renseignent sur le fonctionnement réel du milieu dans un nombre fini de situations correspondant à un nombre fini de mesures tandis qu’une troisième démarche consiste à écrire les équations et les résoudre de façon analytique ou numérique par des solutions paramétriques dont on règle les paramètres pour les faire coller au mieux aux résultats du nombre fini de mesures réalisées précédemment, de façon à en déduire par avance les résultats pour d’autres valeurs intermédiaires ou pour d’autres conditions aux limites.
Il se trouve que malgré le brouillard lié à la géométrie réelle indéterminable du substrat qui brouille la vue dans un premier temps, l’analyse présentée ci-dessous des phénomènes au sein du substrat permet en effet de suffisamment lever le voile sur le comportement de l’eau dans le substrat pour pouvoir trouver une réponse satisfaisante au problème posé par l’invention. En effet, en se restreignant à la problématique de l’invention et au seul contexte de l’invention, l’analyse mise en œuvre ci-dessous permet, comme on le verra ci-après, une détermination suffisante du profil de saturation à l’équilibre et des flux d’eau pour compenser les déséquilibres qui résultent de l’évapotranspiration, dès lors que sont respectés selon l’invention les caractérisations judicieuses imposées selon l’invention concernant le substrat , l’épaisseur de la couche de substrat ou des couches de substrats superposées dans un certain ordre et la profondeur de la nappe.
En hiver, dans les périodes sans évapotranspiration, on a un profil hydrique qui résulte de l’équilibre entre forces gravitaires et capillaires, la force de gravité tirant l’eau vers le bas tandis que les forces tirant l’eau vers le haut sont le fait de la capillarité.
Pour l’hiver on va donc s’intéresser à cet équilibre capillaire dans le substrat au-dessus de la nappe.
Pour l’été au contraire, on a un système couplé entre demande climatique d’évapotranspiration et remontée d’eau par capillarité (ou par d’éventuels fronts de vapeur dans le sol ou une éventuelle convection thermique), et il convient de s’assurer que d’éventuels systèmes de restriction de la remontée d’eau empêchent la plante de disposer d’une quantité d’eau correspondant à la demande climatique d’évapotranspiration.
Dans cette perspective estivale, l’opinion la plus couramment admise est que la texture grossière d’un sol sableux est de nature à freiner le flux d’alimentation nécessaire pour alimenter en eau les couches supérieures du substrat à la hauteur d’une forte demande climatique.
On va donc s’intéresser pour l’été aux flux de remontée d’eau dans le substrat depuis la nappe en présence d’une forte demande climatique d’évapotranspiration.
On va s’intéresser aux solutions de flux de remontée d’eau en régime permanent correspondant à l’équilibre entre l’évaporation en surface et le flux de remontée d’eau depuis la nappe et alimentant les couches de surface avec un flux égal au flux de transpiration, compte tenu de la demande climatique d’évapotranspiration. Sachant que les racines descendent plus bas que la surface et interceptent donc le flux d’eau avant qu’il ne parvienne à la surface à une distance d’interception de l’eau inférieure à la profondeur de la nappe, l’étude de l’évaporation par le sol sans tenir compte des plantes permet de valider une capacité du sol à soutenir un flux de remontée d’eau supérieure à la capacité nécessaire en présence des racines de plantes. On sait en effet que la présence de plantes augmente l’évapotranspiration réelle par rapport à l’évaporation en sol nu. L’étude sans plantes du flux d’eau généré par la demande évaporatoire climatique est donc ici pertinente car elle répond à l’objectif de l’invention qui n’est pas de savoir jusqu’où pourrait aller cette capacité en présence de plantes mais seulement de s’assurer que cette capacité permettra de garantir un flux d’eau suffisant pour soutenir une évapotranspiration des plantes à la hauteur de l’évapotranspiration potentielle maximale sous un climat donné
Or, comme cela va être développé ci-dessous, un examen attentif des équations de l’équilibre (en hiver) et du flux (en été ) montre finalement :
- que dans les deux cas la profondeur de la nappe par rapport à la surface est l’élément essentiel : en hiver la nappe ne doit pas être trop proche pour ne pas noyer le substrat par remontée capillaire tandis qu’au contraire en été la nappe ne doit pas être trop éloignée pour permettre au flux de soutenir la demande évaporatoire.
- que dans les deux cas, la porosité du substrat intervient avec en hiver un rôle déterminant de la porosité, dont une taille importante favorise une faible remontée depuis la nappe et avec également en été un rôle important de la porosité mais moins déterminant qu’en hiver. Surtout, contrairement aux idées reçues, on verra que dans le contexte spécifique de l’invention (c’est à dire quand la nappe est relativement peu profonde), une taille importante de la porosité favorise un flux supérieur même s’il est exact qu’une granulométrie grossière implique un flux inférieur quand la nappe est relativement profonde, contrairement aux conditions spécifiques de l’invention.
On peut donc déduire de l’examen des exigences qu’il faut déterminer un réglage de la nappe, qui soit à la fois ni trop proche pour l’hiver et ni trop éloignée pour l’été.
Il faut donc pouvoir quantifier suffisamment ces deux notions ( trop proche ou trop éloignée) en fonction des caractéristiques du substrat pour rechercher si elles sont compatibles, c’est à dire si il existe des couples (substrat, profondeur de nappe) permettant de rende compatibles ces deux exigences en sens opposés , afin de caractériser les couples ( substrat , profondeur de nappe) permettant de satisfaire les critères fixés précédemment .
On peut d’ailleurs se demander à cet égard si la stratégie selon l’invention d’éloigner la nappe en été pour profiter du marnage et économiser l’eau n’est pas une contrainte supplémentaire irréaliste
Pour pouvoir répondre aux questions ci-dessus, il est donc bien évidemment nécessaire dans les deux étapes ci-dessous de rentrer suffisamment dans le détail de la relation entre le milieu et l’effet des phénomènes physiques qui y ont lieu pour caractériser les exigences selon l’invention permettant de garantir que le fonctionnement spontané visé sera obtenu pour un terrain artificiel fabriqué selon les caractéristiques du couple (substrat , profondeur de nappe) spécifiées selon l’invention.
Le principe de l’invention est intimement lié aux phénomènes de capillarité dans le substrat, aussi bien à l’équilibre ( en hiver essentiellement ) qu’en dynamique avec les flux en pour répondre aux besoins d’évaporation des plantes ( en été essentiellement ).
Le principe de l’invention est le choix d’un substrat à texture relativement grossière et à spectre peu étalé qui peut être caractérisé selon l’invention par la limite maximale de son taux de saturation pour deux points caractéristiques de son profil hydrique et par la limite supérieure de la profondeur de la nappe d’eau intégrée au système.
Dans ce contexte, les objectifs des explications un peu longues et détaillées à l’étape 3 des présentes explications et qui pourraient de ce fait donner l’impression de s’éloigner du sujet sont les suivants :
Le premier objectif des explications qui suivent, et que le spécialiste de l'hydrodynamique en milieu poreux peut sauter s’il le souhaite, est de montrer que , nonobstant les phénomènes d’hystérésis, le profil hydrique est bien une caractéristique intrinsèque du substrat et qu’il est donc légitime de caractériser un substrat par son profil hydrique.
Même s’il est plus l’habituel, pour l’homme de l’art du gazon, de caractériser un substrat par sa courbe granulométrique que par son profil hydrique, il sera vu comment les équations de Laplace permettent d’établir que chacune des deux courbes est une façon de caractériser un substrat, même si il est impossible de donner une fonction analytique pour exprimer une courbe par rapport à l’autre. Comme il est plus pertinent selon l’invention de caractériser un substrat par son profil hydrique que par sa courbe granulométrique, un des objectifs des explications qui suivent est de mettre en évidence le caractère intrinsèque et le caractère expérimentalement disponible du profil hydrique d’un substrat, ce qui justifie que le substrat soit ainsi caractérisé dans le cadre de l’invention. Bien entendu, même si on ne sait pas exprimer clairement le lien entre porosité et caractéristique capillaire, cela fait aussi partie de l’objectif des explications qui suivent de donner une interprétation de la courbe capillaire caractéristique exigée selon l’invention en terme de porosité du substrat correspondant. Quant au lien entre la granulométrie du substrat et la porosité qui en résulte, ce n’est pas l’objet de la présente invention de l’expliciter car c’est aux fournisseurs du substrat qu’il appartient de proposer des formulations de substrats adéquates qui permettent de répondre aux exigences en terme de profil hydrique . Cependant il existe des formules empiriques permettant d’approcher la porosité d’u substrat en fonction de sa granulométrie et des exemples de substrats rentrant dans le cadre de l’invention sont donnés. Cela permet non seulement de prouver qu’ il existe bien des substrats répondant aux caractéristiques de l’invention mais également de préciser le type de substrats concernés par l’invention, du point de vue, plus habituel pour l’homme de l’art, de la granulométrie concernée
Il sera également montré que différents types de profils hydriques peuvent être obtenu par différents protocoles expérimentaux en fonction de ce que l’on veut examiner sur la courbe représentative dudit profil et que de plus ils peuvent être représentés de différentes façons . Dans ce cadre de l’invention, et même si les représentations des profils les plus couramment utilisés sont en échelle logarithmique et le plus souvent obtenus par porosimétrie au mercure afin de représenter la« large gamme de porosités » fréquemment présentes dans les substrats à granulométrie plus étalée que celle choisie, une autre caractérisation est choisie car plus pertinente dans le cadre de l’invention. Cette caractérisation choisie pour l’invention est dans son principe équivalente à la plus classique courbe PF que connait l’homme de l’art, mais mieux adaptée sur le plan pratique : il s’agit d’une présentation de la courbe de teneur en eau en échelle naturelle ( non logarithmique) , obtenue en phase de drainage et avec les pressions capillaires exprimées de façon équivalente en hauteur d’eau au-dessus d’une nappe ( par changement de variable compte tenu de la loi de pression hydrostatique).
Le second objectif est d’exposer les équations du flux en présence d’un déséquilibre hydrostatique créé par une demande évaporatoire et d’expliquer pourquoi l’on peut affirmer que dans les conditions de l’invention, et contrairement aux idées reçues, la granulométrie grossière choisie n’est pas un frein à la satisfaction des besoins d’évapotranspiration du gazon mais au contraire un avantage.
On répondra aussi à quelques questions que se posent les hommes de l’art du gazon comme la question de l’influence d’une organisation multicouches du substrat ou en expliquant également le paradoxe , généralement incompris par l’homme de l’art des gazons, d’un drainage bloqué par capillarité dans le cas d’une couche de substrat posée sur une couche drainante ou au-dessus d’une nappe dont le niveau piézométrique est à la base de ladite couche de substrat quand cette couche est trop mince compte tenu du profil hydrique du substrat considéré.
Or, comme mentionné ci-dessus, les effets de capillarité sont souvent paradoxaux ou même contre-intuitifs et, n’étant pas toujours suffisamment bien interprétés, ils conduisent dans le domaine des terrains de sport à de nombreuses incompréhensions aboutissant à des erreurs de conception, comme on peut fréquemment le constater sur le terrain. On ne peut pas nier en effet que prévoir et déterminer l’effet à grande échelle sur les gazons sportifs de la capillarité qui a lieu à petite échelle dans son substrat pose parfois des questions délicates. Les explications qui suivent sont donc données ci-dessous pour clarifier ces questions souvent connues de façon un peu trop confuses par l’homme de l’art du gazon.
Justement, le premier aspect paradoxal des remontées d’eau par capillarité dans le sol concerne déjà le principe même du phénomène. Les effets capillaires sont en effet engendrés par des détails de la géométrie du substrat de l’ordre du µm ou du nanomètre et cependant, de façon paradoxale, plus les détails de la géométrie du substrat qui engendrent ces effets sont à petite échelle, et plus ces effets se font sentir loin. C’est ainsi que les remontées capillaires engendrés par la présence de grains d’argile dans le sol qui sont de l’ordre du micron ou du dixième de micron permettent à l’eau de monter sur plusieurs dizaines de mètres tandis que la présence de grains de sable de l’ordre de la centaine de microns ne permettent à l’eau de monter dans le sol que de plusieurs dizaines de centimètres.
Un autre effet paradoxal particulièrement contre-intuitif sur les gazons sportifs concerne la rétention d’eau que l’on observe parfois en posant une couche de sable fin à limoneux d’une dizaine de centimètres sur une couche drainante en gravier parfaitement drainée et donc pleine d’air ; Il s’agit donc dans ce cas d’une couche de substrat bien drainant posée sur une couche de gravier extrêmement drainante. Or, il arrive d’observer qu’une telle couche de sable fin peut rester saturée d’eau tout l’hiver et ne pas s’égoutter alors même que la même couche de sable fin s’égoutte correctement et reste aérée en hiver quand elle est « bêtement » posée sur la terre en place au lieu d’être posée sur une couche drainante saturée d’air. Cette situation qui s’observe en pratique sur des terrains de haut de gamme conduit fréquemment à critiquer les caractéristiques intrinsèques d’un substrat en question alors que c’est l’architecture et le dimensionnement du système complet posé sur couche drainante qui sont responsables du phénomène, du fait des spécificités non prises en compte des phénomènes de capillarité .
Dans ces conditions, il est également légitime de se demander ce qui se passerait si au lieu de poser cette couche de sable fin sur une couche drainante saturée en air, on la posait sur la même couche de gravier mais en saturant d’eau le gravier : Est-ce que , comme le suggère volontiers l’intuition, le substrat posé sur du gravier saturé d’eau par une nappe ne va pas être encore plus humide que le substrat posé sur du gravier saturé d’air ?
Comme on le verra, et même si cela parait contre-intuitif, il n’en est rien, le profil hydrique étant identique dans les deux cas.
L’objectif selon l’invention est de ne pas avoir trop d’eau à l’équilibre en hiver mais tout en ayant un flux d’eau ascendant aussi important que possible en été pour répondre à la demande évaporatoire climatique.
Il est intuitivement logique de se demander si les deux objectifs sont compatibles et d’imaginer la solution comme un compromis entre deux objectifs contradictoires en terme de substrat et de profondeur de nappe qui satisfait au mieux les deux objectifs.
Concernant le choix des substrats l’intuition suggère un compromis entre deux exigences qui paraissent contradictoires car l’homme de l’art des gazons s’imagine le plus souvent qu’un substrat qui permet à l’eau de descendre plus vite ( comme un substrat en bicouche avec couche inférieure plus grossière versus une couche unique de même épaisseur globale mais sans substrat grossier en dessous ) retiendra moins d’eau par capillarité au bout du compte ou que le flux ascensionnel sera plus faible pour un substrat qui ne fait pas monter l’eau bien haut par capillarité comme le sable qui fait monter l’eau de quelques décimètres quand l’argile permet la montée d’eau sur quelques dizaines de mètres. Il semble logique de penser que si la capillarité est 100 fois plus « forte » ( puisque ça permet de monter 100 fois plus haut) la montée doit aussi être plus rapide, de même qu’il semble également logique de penser que si le substrat est plus drainant car il fait descendre l’eau plus vite, il en restera moins à l’équilibre au bout du compte.
Cependant, comme on le verra, il n’en est rien.
Concernant l’invention, cette question se pose en particulier dans les deux cas suivants :
- Dans le cas de superposition d’une couche d’un substrat 1 posé sur un substrat 2 beaucoup plus drainant, cette juxtaposition de deux couches différentiées constitue un ensemble qui va drainer plus vite. Faut-il en déduire, de façon intuitive qu’à l’équilibre, il restera moins d’eau ? On verra au contraire ci-dessous que la teneur en eau à l’équilibre capillaire du bas de la deuxième couche jusqu’en haut de la couche du substrat 1 est la même que si les deux couches étaient constituées du seul substrat 1 mais très différente de celle que l’on aurait obtiendrait si les deux couches étaient remplacées par le substrat 2. En effet, on verra ci-dessous que c’est le substrat tout en haut qui « pilote » le tout, (à condition toutefois que la remontée capillaire dans le substrat 2 permettre d‘atteindre le substrat 1).
- Dans le cas, question centrale pour l’invention, du flux d’eau ascendant au-dessus de la nappe en présence d’une demande climatique, avec un choix selon l’invention d’un substrat sableux (donc « peu » capillaire). On verra ci-dessous qu’en présence d’une nappe peu profonde, le flux d’eau de remontée capillaire dans le sable en présence d’une demande évaporatoire donnée est en réalité supérieur à la remontée capillaire dans l’argile pour les mêmes conditions donc pas besoin de compromis dans ce cas, même si c’est en effet l’inverse dans le cas d’ une nappe profonde).
Ainsi, dans le cas concerné par la présente invention (nappe peu profonde), on verra que le choix d’un substrat grossier va permettre simultanément de conserver plus d’air dans le substrat en hiver et de mieux alimenter en eau les plantes en été
Même si l’eau liquide et l’air sont immiscibles, cela n’empêche que l’eau peut être présente dans la porosité non seulement sous forme liquide mais aussi dans l’air sous forme vapeur et aussi qu’une petite quantité d’air est dissoute dans l’eau. Or, les passages de l’eau vapeur à l'eau liquide ou réciproquement d’eau liquide à vapeur s’accompagnent d’un fort dégagement de chaleur latente ( ou respectivement d’une égale consommation de chaleur latente) et la question se pose dans les mouvements ascendants d‘eau en réponse à une demande climatique estivale de savoir quelle est la part de la capillarité, des fronts de vapeur ou de la convection thermique et surtout quelles conséquences on peut en tirer en terme de flux global ascendant et en terme de disponibilité pour les plantes, puisque c’est là l’objectif recherché.
Est-ce que les considérations précédentes sur la capillarité sont pertinentes parce que c’est par capillarité que remonte le flux dans le cadre de la présente invention ou est-ce que c’est par un front de vapeur ou par l’effet d’une convection thermique que remonte le flux ?
Or, même si toutes les situations sont en effet possibles et se rencontrent dans le sol en général, il sera vu ci-dessous que , dans le cas spécifique des conditions imposées selon l’invention, c’est bien sous forme liquide et par flux exclusivement capillaire que remonte l’eau dans les conditions de l’invention, et avec un flux permettant de répondre à toute demande d’évapotranspiration jusqu’à une certaine limite d’ETP correspondant à environ 2 fois les ETP observables dans la plupart des climats.
Enfin, la quatrième et dernière question qui se pose, de nature plus théorique et dépassant a priori le cadre du terrain de sport concerne le premier paradoxe et cette question est double :
- question du principe même de la capillarité et de l’origine physique du phénomène à la petite échelle à laquelle il se produit
- question de la façon dont ce phénomène à petite échelle se répercute à grande échelle, et ensuite et surtout dont il se traduit à grande échelle dans le cadre de l’invention.
C’est le dernier paradoxe, le plus contre intuitif peut être mais in fine la meilleure surprise et la plus utile : En effet, même si il est difficile d’envisager phénomène plus complexe que ce problème capillaire, rien n’est plus simple finalement, dans le cadre précis de l’invention, que d’en décrire la solution traduite à l’échelle du terrain de sport, une fois sérieusement pris en compte les principes à l’origine microscopique du phénomène et avec les restrictions qui seront également explicitées, ces restrictions à l’origine des phénomènes dits d’hystérésis interdisant une estimation prédictive de la teneur en eau à un endroit et à un moment donné mais n’empêchant pas, cependant, d’encadrer cette teneur en eau de façon suffisante pour les objectifs poursuivis dans le cadre de l’invention.
Voilà pourquoi, même si cela peut sembler un peu trop théorique ou donner l’impression de s’éloigner dans un premier temps du sujet pratique de l’invention, et même si cela peut potentiellement paraître rébarbatif pour l’homme de l’art du terrain de sport qui n’a pas l’habitude de voir son terrain à cette échelle microscopique mais voit plutôt son gazon comme un grand rectangle vert et même enfin si à l’inverse le spécialiste de l’hydrodynamique en milieu poreux peut trouver cela trivial ou inutile , il n’en demeure pas moins que l’homme des gazons qui veut pouvoir utiliser l’invention avec une efficacité maximale va être ci-dessous invité à descendre à l’échelle de la porosité du substrat pour en contempler la géométrie en 3 D et pour y trouver les éléments qui permettent de remonter ensuite au niveau du gazon complet avec la réponse aux questions posées ci-dessus.
Evidemment, quand on sait que c’est le détail de la géométrie 3 D de la porosité du milieu poreux constitué par le substrat qui détermine son comportement à grande échelle, le problème est d’une complexité telle qu’avant même d’essayer de le résoudre il est même impossible tout simplement de se le représenter mentalement. C’est pourtant par là qu’il faut commencer car une solution, aussi simple que le problème est compliqué, se cache dans la porosité du sol.
Pour répondre à la problématique de l’invention et élucider les questions contre-intuitives citées ci-dessus, il est en effet indispensable de commencer par préciser correctement à petite échelle le peu de choses que l’on sait des phénomènes de capillarité qui ont lieu dans le substrat et de remonter ensuite à l’échelle du terrain pour constater qu’il est finalement parfaitement possible dans le cadre très restreint et pertinent choisi selon l’invention d’en déduire la réponse aux objectifs de l’invention.
On s’intéressera ensuite dans une étape suivante à la question d’une solution de flux satisfaisant en situation de demande climatique d’évapotranspiration.
L’objectif des explications qui vont être développées dans les étapes 3 et 4 des présentes explications est de permettre à l’homme de l’art du gazon de comprendre pourquoi et comment fonctionne le moyen choisi selon l’invention , comment les conditions spécifiquement choisies caractérisent le système selon l’invention et pourquoi et comment elles permettent de garantir un fonctionnement spontané satisfaisant vis à vis des critères choisis et explicités plus haut.
Comme le moyen concerne par nature les équilibres hydrostatiques dans un milieu poreux soumis aux forces de gravité et de capillarité et les flux hydrique dans ce même milieu en fonction de la demande évaporatoire climatique estivale, il est donc nécessaire de clarifier ci-dessous les lois physiques qui régissent ces équilibres et ces flux, la compréhension de ces lois étant nécessaire pour comprendre les résultats exploités par la présente invention avec des explications qui permettent à l’homme de l’art du gazon de bien comprendre l’invention, même si il n’est pas un spécialiste de l’hydrodynamique en milieu poreux.
Un spécialiste de ces phénomènes trouvera triviales les explications qui suivent mais l’expérience de l’incompréhension de ce type de phénomènes par les spécialistes des gazons sportifs laisse toutefois penser que les explications un peu longues et détaillées qui suivent, spécialement destinées à l’homme de l’art du gazon de sport, lui seront probablement utiles ou même nécessaires dans le cadre de la mise en œuvre de l’invention.
C’est pourquoi le développement un peu détaillé de l’étape 3 données ci-dessous, malgré son caractère a priori éloigné du terrain de sport ou plutôt par ce fait lui-même, semble donc justifié par l’expérience de terrain, qui montre par de nombreux exemples que sont très fréquentes les erreurs d’interprétation et les incompréhensions de ce type de phénomènes par l’homme de l’art expérimenté qui tout en étant parfaitement compétent en agronomie du gazon n’est pas pour autant familiarisé le plus souvent avec l’interprétation de profils hydriques à l’équilibre ( développés à l’étape suivante) ou des équations aux dérivées partielles de Richards (qui seront quant à elles explicitées et commentées à l’étape suivante, relativement aux flux hydriques) .
L’objectif de l’invention consiste à apporter des conditions favorables à une croissance optimale.
Il ne s’agit pas seulement de permettre au gazon de survivre. Ce serait trop peu exigeant car le gazon a la particularité d’avoir déjà une grande adaptabilité naturelle, ce qui lui permet de survivre à une large plage de conditions, y compris même des conditions très défavorables ( absence de croissance, hypoxie, anoxie, nécrose racinaire ).
Il ne s’agit pas non plus d’avoir à tout instant tous les paramètres à l’optimal de croissance comme on essaie de s’en approcher en horticulture. Ce serait à la fois trop exigeant et inutile.
L’objectif est une amélioration significative par rapport à l’existant dans l’état de l’art mais surtout, de façon pragmatique, le choix selon l’invention est de privilégier l’amélioration de paramètres qui dépendent directement ou indirectement du mode constructif et du mode de gestion concernant les contraintes ou facteurs limitants que l’on veut éviter au gazon et dont l’expérience ou la théorie indiquent qu’ils sont, dans la pratique, des facteurs limitants sur terrain de sport .
Ainsi, par exemple, et même si l’on sait bien que la lumière est un facteur limitant majeur en hiver, ce facteur qui ne dépend pas du mode constructif, du substrat ou de la gestion de la nappe ne fait pas partie des facteurs pris en compte ici et on suppose de façon idéale que l’éclairage naturel ou artificiel sera suffisant pour ne pas être facteur limitant de la croissance du gazon. De la même façon, la composition chimique et la fertilisation par fertigation ou par tout autre moyen adapté ne sont pas non plus pris ici en considération car les connaissances de l’homme de l’art sont abondantes à ce sujet.
Finalement, les paramètres que l’on souhaite gérer par le mode constructif et de gestion selon l’invention sont le profil hydrique à l’équilibre capillaire, le profil de température et le profil d’oxygénation du substrat et simultanément le flux hydrique comparé à la demande d’évapotranspiration potentielle climatique.
Les objectifs visés à travers ces paramètres sont de permettre au gazon de trouver dans le substrat :
- 1°) de quoi bien respirer,
- 2°) une température favorable à la croissance du gazon
- 3°) un milieu « sain » , favorable à la prévention du développement des maladies, en particulier au développement des maladies cryptogamiques en période chaude.
et simultanément :
- 4°) de quoi bien s’hydrater
Il n’est pas inutile de revenir ici sur ces besoins des plantes dans la mesure où l’invention ne s’écarte pas seulement des terrains existants par la solution finalement mise en œuvre mais également dans la définition des exigences concernant ces paramètres.
Dans la mesure où le moyen de s’hydrater est un moyen qui pilote en grande partie le fonctionnement global, commençons ci-dessous par la définition des besoins d’hydratation.
Dans la plupart des méthodes de gestion des apports d’eau d’irrigation par aspersion ou par goutte à goutte, l’objectif est defractionnerces apports pour « compenser l’évapo-transpiration» réelle dont on anticipe qu’elle est inférieure à l’évapotranspiration potentielle.
La stratégie de fractionnement a une forte incidence sur les divers horizons permettant aux racines de s’alimenter en eau ; On sait que l’apport d’eau arrive par le haut mais qu’une partie de l’eau descend par l’effet de la gravité alors qu’une partie reste liée au substrat par les effets de tension capillaire , de sorte que le profil hydrique évolue dans le temps avec au départ une saturation de la partie supérieure suivie d’une diminution de la saturation superficielle avec progression de la teneur en eau vers le bas , sachant que l’évaporation du sol lui-même combinée à la consommation d’eau par les racines à chaque niveau fait décroitre la teneur en eau globale en commençant par le haut , de sorte que le taux de saturation du profil est d’abord proche de 1 en surface et faible en profondeur et s’équilibre puis s’inverse avec le temps.
Les apports sont fractionnés en tenant compte à la fois de l’évapotranspiration réelle ou estimée et de la courbe PF du sol qui permet de connaître la partie de l’eau qui s’écoule par gravité ( au-dessus du point de rétention ou capacité au champ correspondant plus ou moins à PF 3) , celle qui est trop retenue par la matrice du sol pour être utilisable (au-dessous du point de flétrissement à PF 4,2 ) et la réserve utile entre les deux.
L’état de l’art a permis de mettre au point des stratégies de fractionnement des apports visant à régler l’intervalle entre deux apports successifs et la quantité d’eau par apport. Cette stratégie tient essentiellement compte du concept de réserve utile , les apports essayant approximativement de coller quantitativement à la réserve utile et le temps entre deux apports successifs de coller au temps de consommation de la réserve utile compte tenu de l’évapotranspiration réelle, avec un pied de pilote suffisant pour ne jamais laisser trop longtemps la plante manquer d’eau.
Il est en effet inutile - dans le contexte habituel - d’apporter plus d’eau que le sol et la plante ne peuvent respectivement conserver et consommer puisque l’excédent s’écoule par gravité jusqu’à la couche drainante et est le plus souvent perdu mais il faut cependant assez d’eau pour que la partie non évacuée par gravité vers le bas et par évaporation du sol en surface soit suffisante pour les besoins de la plante entre deux arrosages.
D’autre part il est souhaitable de maintenir un intervalle de temps assez long pour permettre à la couche superficielle de s’assécher suffisamment entre eux arrosages pour ne pas trop favoriser les maladies qui se développent en été quand la partie supérieure n’est pas assez sèche et d’autre part pour obliger les racines à descendre vers le bas (ne pas favoriser les remontées racinaires que l’on observe si souvent sur terrains de sport ) . Quand l’eau arrive par le haut, elle permet dans un premier temps à la partie supérieure des racines de boire puis avec un délai de percolation à la partie inférieure des racines. L’objectif du fractionnement est d’attendre suffisamment longtemps entre deux arrosages successifs pour que la partie supérieure du substrat n’ait plus beaucoup d’eau mais que seule la partie inférieure soit encore assez humide pour permettre à la plante de s’hydrater « correctement » par le bas des racines afin de d’obliger ces dernières à descendre suffisamment, ce qui peut permettre un meilleur enracinement mécanique et un allongement de l’intervalle entre deux arrosages quand il fait très chaud et que chaque apport d’eau en surface implique une augmentation considérable des risques de maladies. Cette stratégie n’est dans les faits pas facile à remplir car elle consiste à mettre en permanence le gazon entre une satisfaction insuffisante et une satisfaction tout juste suffisante de ses besoins d’hydratation pour satisfaire l’objectif d’obliger les racines à s’hydrater en partie basse pour éviter les remontées racinaires, la plante ayant sinon tendance à privilégier la pousse des racines dans la zone de substrat par laquelle arrive l’eau si celle-ci ne manque jamais d’eau. Il s’agit donc de limiter la disponibilité en eau pour faire un peu souffrir la plante si elle ne fait pas suffisamment plonger ses racines vers le bas mais tout en veillant cependant à « ne pas trop faire souffrir la plante » mais en tout état de cause, l’effet est de creuser l’écart entre l’évapotranspiration potentielle et l’évapotranspiration réelle qui est nettement moins importante, ce qui signifie un métabolisme bridé.
A l’inverse quand l’eau arrive par le bas, les racines trouveront d’autant plus d’eau qu’elles descendent profondément et les racines descendent donc plus profondément de façon naturelle avec un gradient d’humidité correspondant à une teneur toujours décroissante en montant et il n’est pas nécessaire de faire participer la partie supérieure des racines de façon significative à l’hydratation de la plante, ce qui permet de viser l’objectif d’une partie supérieure qui ne soit jamais trop humide du fait de la remontée d’eau depuis la nappe , c’est à dire insuffisamment aérée, même si il reste les apports de la pluie qui continue bien sûr d’arriver par le haut, mais en général accompagnée par une baisse de température et de rayonnement )
Aussi, dans le cas de l’invention avec sub-irrigation spontanée depuis une nappe d’eau, il n’y a ni apport fractionné ni même action volontaire d’apport d’eau mais simplement maintien d’une nappe d’eau à une profondeur donnée (fixe ou variable selon les versions de l’invention) et c’est de façon spontanée que le système (sol- plante - atmosphère) fait remonter de l’eau au fur et à mesure pour compenser l’eau consommée par évapo-transpiration. Le problème est cependant de s’assurer par un choix déterminé de la composition et de l’épaisseur de substrat et de la profondeur de la nappe, que cette remontée spontanée d’eau sous la forme d’un flux ascendant est suffisamment soutenue pour alimenter la plante en eau , de façon idéale, c’est à dire avec un flux équivalent à l’évaporation transpiration potentielle qui correspond à la quantité d’eau maximale que l’air peut absorber quand l’alimentation en eau n’est pas un facteur limitant.
L’objectif tout comme la problématique et les moyens mis en œuvre sont donc tout à fait différents de l’objectif « survivaliste » décrit en irrigation par aspersion et consistent selon l’invention à mettre en œuvre une configuration permettant à la plante et au sol de disposer d’une remontée d’eau spontanée suffisante depuis la nappe pour compenser l’évapotranspiration potentielle sans ennoyer le substrat pour autant. Autrement dit, l’objectif n’est pas d’avoir assez d’eau pour « ne pas trop faire souffrir la plante » mais de donner à la plante l’eau nécessaire pour réaliser l’évaporation maximale possible, compte tenu de la demande climatique d’évaporation.
On voit donc qu’il s’agit ici non seulement d’un processus différent par les moyens mis en œuvre mais également d’un objectif d’irrigation très différent car l’apport d’eau dans le cadre de l’invention est en continu ( et non par apports fractionnés) , que l’arrivée de l’eau est spontanée (et non programmée par décision humaine), que l’eau arrive par le bas et progresse de bas en haut et que les moyens développés par le réglage judicieux des paramètres constructifs visent un couplage aussi parfait que possible entre la demande d’eau et le gradient d’humidité. Le moyen mis en œuvre permet que ce soit le déséquilibre spontanément créé par la consommation en eau par la plante qui crée spontanément la force ascendante depuis la nappe et que le flux qui en résulte soit égal à l’évapotranspiration potentielle (ETP) , par conséquent capable d’alimenter la plante en eau pour lui permettre l’évapotranspiration maximale permise par l’ETP (et donc le rendement de croissance maximal permis par les conditions climatiques et le refroidissement maximal de l’environnement par utilisation maximale de l’énergie solaire par le gazon se comportant comme un climatiseur à énergie solaire).
Ainsi, par des moyens très différents (arrosage ascendant continu spontané au lieu d’arrosage descendant fractionné commandé) l’objectif est donc nettement plus exigent que l’objectif décrit ci-dessus pour les terrains irrigués par aspersion et consistant seulement « à ne pas faire souffrir » ou « à ne pas trop faire souffrir » la plante.
Or, quand, toutes conditions égales par ailleurs, on permet à l’évapotranspiration d’une surface engazonnée A d’être sensiblement supérieure à l’évapotranspiration d’une surface engazonne B, cela signifie que les stomates des feuilles du gazon de la surface engazonne A sont plus ouvertes que les stomates des feuilles du gazon de la surface engazonnée B.
De ce fait, la photosynthèse est optimisée pour la surface engazonne A au lieu d’être bridée pour la surface engazonne B, et cela signifie aussi que la température de la feuille est plus basse et la photosynthèse plus active pour la surface engazonne A , ce qui favorise simultanément le métabolisme de la plante et sa fonction de climatisation de l’environnement de la surface engazonne A, c’est à dire le service écologique rendu par la pelouse à l’environnement (climatisation, capture de CO2, production de O2). En effet, si l’on considère alors le bilan énergétique d’un hectare de gazon, on constate dans le cas du gazon hydraté selon les objectifs de l’invention que l’énergie lumineuse est mieux utilisée pour transformer du CO2 atmosphérique en O2 atmosphérique et en énergie sous forme de sucres pour la plante et le sol tandis que la température de l’air est mieux refroidie par la chaleur latente de transformation liée à l’évapotranspiration.
Un hectare de gazon a donc un rôle climatique local optimisé de refroidisseur à énergie solaire directe (absorption du rayonnement) et indirecte (abaissement de la température de l’air et enrichissement de l’air en eau vapeur) et un rôle d’absorption de CO2 et d’enrichissement en 02 de l’atmosphère. Parallèlement, l’énergie du métabolisme n’est pas bridée par manque d’eau et par température trop élevée et le résultat est une fonction de croissance supérieure et donc une meilleure résistance à l’usure par la pratique sportive.
De façon pratique, les questions de température du substrat concernent essentiellement l’hiver et l’été car la température est naturellement favorable au printemps et en automne tandis qu’elle constitue toujours un facteur limitant en été et en hiver.
En hiver, il existe 2 facteurs limitants spécifiques à la croissance du gazon : la lumière et la température du substrat et aussi de l’air de la canopée, c’est à dire la couche d’air emprisonné entre la surface du sol et les feuilles du gazon.
En supposant par ailleurs que les apports de lumière soient suffisants, que ces apports soient naturels (au sud de la Méditerranée par exemple ) ou artificiels (par exemple par les systèmes connus d’éclairage artificiel des gazons), la température reste alors le principal facteur limitant en hiver.
De plus, au moment de la pratique sportive sur la surface, il ne faut ni gel des brins de gazon ni neige sur le gazon ni surface gelée et durcie par le gel. C’est d’ailleurs essentiellement cette dernière contrainte qui est visée dans les méthodes de chauffage du gazon qui existent à l’heure actuelle.
Les couvertures chauffantes mises au dernier moment avant un match privent le gazon de lumière et d’air et endommagent le gazon si elles sont laissées un peu trop longtemps.
Les résistances enterrées ou les tuyaux d’eau enterrés sont très gourmandes en énergie car le sol est un mauvais conducteur et le problème de l’homogénéité se pose nécessairement car l’équidistance entre les lignes chauffantes enterrées ne doit pas être trop importante par rapport à l’épaisseur du substrat et que la température doit être d’autant plus élevée près des lignes chauffantes qu’elles sont profondes et que l’équidistance entre lignes est importante, avec risques de brûlures près des lignes et d’effet antigel insuffisant au milieu . De plus, si la température est basse, le gradient de température est faible et le temps de conduction vers la surface est long mais si la température est trop importante, cela crée des risques de problèmes pour les racines et cela diminue la quantité d’oxygène de l’eau, ce qui peut être également problématique si le bas des racines est en milieu proche de la saturation. En tout état de cause, la consommation de calories est trop importante sur le plan écologique du développement durable et sur le plan économique, de sorte que ces moyens sont le plus souvent utilisés pour mettre la surface hors gel plutôt que pour maintenir le substrat à une température supérieure à 10°C pour donner des conditions thermiques favorables pour la pousse hivernale du gazon.
Une température inférieure à 5°C dans le sol n’empêche pas la plante de conserver une activité d’éveil minimum mais s’oppose à une croissance suffisante pour compenser l’usure des brins de gazon par le jeu tandis qu’une température de 10° dans le substrat correspondant à une température printanière est au contraire très favorable pour une croissance hivernale satisfaisante du gazon
En été, une température plus élevée est dans un premier temps favorable au métabolisme mais les excès de température au-dessus d’une limite qui dépend des variétés des graminées limite ou stoppe la croissance ou peut même mettre les plantes en dormance et les affaiblir et les rendre sensibles aux maladies.
Le risque est surtout lié à la combinaison de la température et de l’excès d’humidité, c’est à dire du manque d’aération près de la surface (essentiellement les 5 premiers centimètres de la surface) là où se développent le feutre et les maladies. De plus, l’humidité en surface rend le milieu conducteur de la chaleur depuis la surface vers les couches sous-jacentes de substrat.
Un autre aspect concerne l’oxygénation. L’oxygène dans l’eau du fait de la loi de Henry, est amené à dégazer quand la température de l’eau s’élève. Ainsi, de 10 °C à 20 °C , la capacité de rétention maximale d’oxygène de l’eau passe de X g / litre d’eau à Y g / litre d’eau . Parallèlement, le métabolisme impose un besoin en oxygène pour la respiration qui double à chaque fois que la température de l’eau augmente de 10°C
Une température maintenue inférieure à une température de 20° à 25° selon les espèces de gazon est nécessaire pour prévenir le risque de maladies et maintenir une activité de croissance satisfaisante
En été, deux sources d’apport de calories au niveau de la surface de gazon tendent à réchauffer la surface :
- le rayonnement reçu (soleil (rayonnement visible) + atmosphère ( infrarouge) ) dont il faut soustraire le rayonnement infrarouge émis par la surface en fonction de sa température
- et l’apport de calories par le vent qui apporte des calories par convection d’air chaud.
Or, en contrepartie de ces apports de calories, le gazon dispose spontanément du moyen de diminuer la température de la surface engazonnée grâce à la combinaison de trois moyens spécifiques permet à la plante de créer un effet de climatisation qui lui permettent normalement de refroidir les feuilles et de les maintenir à la température satisfaisante de 20 à 25 ° C :
- l’albédo (renvoi vers le ciel d’une partie du rayonnement issu du soleil ou du ciel, une partie de ce rayonnement reçu par la feuille étant réfléchi par la feuille)
- la photosynthèse qui utilise une partie de l’énergie du rayonnement pour la réaction endothermique de photosynthèse
- et enfin le refroidissement par transpiration (grâce à la chaleur latente d’évaporation)
En principe, ce moyen permet au gazon de maintenir sa surface à la température voulue, mais à la condition toutefois que l’eau nécessaire à la transpiration soit disponible dans le sol au niveau des racines et aussi que le potentiel évaporatoire soit suffisant (renouvellement de l’air suffisant pour que l’air qui se charge d’eau du fait de l’évaporation soit remplacé par de l’air moins chargé avant d’être saturé.
Dans la plupart des climats, la saturation de l’air n’est pas un problème lors des événement caniculaires, même si dans les stades il peut éventuellement arriver que l’air de la couche inférieure au contact du gazon s’y trouve immobilisé par l’absence de circulation d’air, du fait de l’architecture des tribunes, d’autant plus que l’air situé en bas au niveau du gazon et refroidi du fait de l’évapotranspiration a sa densité qui augmente par l’effet de cette baisse relative de température et n’a donc pas tendance à se laisser remplacer en bas par l’air plus chaud et plus léger situé au-dessus. Dans le cas d’air qui ne circule pas naturellement il faut prévoir une ventilation forcée.
En revanche la disponibilité en eau est un véritable problème pour les terrains construits sur couche drainante, du fait qu’ils ont une faible réserve en eau et qu'ils ne peuvent être réalimentés en eau qu’en surface, au moment même où il serait justement impératif d’assécher cette surface pour éviter le développement des maladies.
Une température élevée en haut du substrat combinée à une humidité importante du substrat est le facteur principal de déclenchement des maladies estivales qui font des ravages sur les gazons de sport.
Cependant, la zone de substrat la plus sensible concerne seulement les premiers centimètres du sol et il suffit d’avoir au moins 2 cm et de préférence 5 cm avec un très faible taux θ /ε ( z) de saturation en eau pour que le milieu devienne peu favorable aux maladies. L’effet d’un taux superficiel de saturation en eau est d’autant plus important que le substrat mouillé est conducteur de la température tandis qu’à l’inverse le substrat sec est un excellent isolant et que par ailleurs le taux d’oxygénation diffusé en milieu aéré est de plusieurs ordres de grandeurs supérieur à ce même taux en en milieu liquide, ce qui favorise le fonctionnement aérobie au détriment des fonctionnements anaérobies , les deux fonctionnements étant susceptibles de se développer au niveau du feutre, le premier étant souhaitable et le second à redouter.
Ainsi, le fait d’avoir un milieu aussi sec que possible dans les premiers centimètres en haut du substrat sous la surface de gazon permet de façon directe d’éviter le couple (humidité, Température) mais permet aussi de façon indirecte de diminuer la température et de favoriser l’oxygénation.
En hiver également un milieu sec en surface permet une isolation thermique du substrat sous-jacent et une meilleure diffusion gazeuse.
Un objectif essentiel selon l’invention est de favoriser les moyens permettant de garantir que les tous premiers centimètres sous la surface seront aussi secs que possibles.
La respiration est un processus essentiel de la vie végétale comme de la vie animale. Concernant les racines et le sol, la respiration a le double rôle de donner l’énergie nécessaire à la croissance (respiration de renouvellement) et à l’entretien des cellules (respiration d’entretien ou de subsistance). De plus la respiration concerne non seulement les graminées à gazon qui poussent dans la pelouse mais également tous les micro-organismes du sol vivant dans le substrat en symbiose avec le gazon.
Si la photosynthèse au niveau des feuilles permet de constituer la sève élaborée grâce à la photosynthèse, une partie de cette sève élaborée riche en sucres descend jusqu’aux racines et au sol où les matériaux de base qu’elle contient doivent être utilisés comme combustibles et matériaux de construction, donnant aux racines et aux micro-organismes du sol l’énergie et les molécules de base nécessaires pour la subsistance et la croissance. Grâce à la combustion qui est la réaction inverse de la photosynthèse, avec l’oxygène comme oxydant et le CO2 comme produit issu de l’oxydation, il y a production d’énergie qui est ensuite utilisée pour toutes les réactions endothermiques nécessaires pour l’entretien des cellules existantes et la construction de nouvelles molécules puis de nouvelles cellules pour les racines du gazon et pour les micro-organismes du sol ( qui consomment une part significative des sucres issus de la photosynthèse et donc de l’oxygène du milieu pour fournir l’énergie nécessaire à leur assimilation.).
La disponibilité d’oxygène (en l’occurrence de dioxygène) pour ces réactions d’oxydation qui sont le point de départ de toute activité cellulaire est donc le facteur limitant contraignant pour le maintien de la vie et pour la croissance des racines et des micro-organismes du sol.
Or, les végétaux étant, contrairement aux animaux, dépourvus d'un appareil respiratoire et d'un appareil circulatoire assurant le transfert des gaz dissous ou libres, les échanges gazeux se font donc essentiellement par diffusion gazeuse, qui est un système de transport extrêmement lent, de sorte que la respiration des cellules des différents organes de la plante doit avoir lieu partout où l’oxygène est nécessaire (feuilles, tiges et racines). En particulier, l’oxygénation des racines ne peut être réalisé avec de l’oxygène qui aurait été capté dans l’air et transporté par la plante jusqu’aux racines car ce transport par la plante n’existe pas, de sorte que l’oxygénation des racines doit nécessairement être réalisée par la respiration des racines elles-mêmes et avec l’oxygène disponible localement là où sont les racines: dans la porosité du sol et au niveau des racines.
En effet, concernant les gazons de sport et même si certaines plantes et même certaines graminées comme le riz ou encore les carex ont la capacité de capter de l’oxygène dans l’air par leurs feuilles et de faire descendre cet oxygène dans le sol par circulation d’une sorte de courant d’air dans leur tige pour alimenter en oxygène leur racines qui peuvent de ce fait séjourner dans l’eau pendant des mois grâce à ce supplément d’oxygène dissous dont elles ont besoin pour leur respiration, surtout quand la température de l’eau augmente, il s’agit là de l’exception qui confirme la règle car les graminées communément choisies comme plantes à gazon des terrains de sport ( en tous cas les plantes à gazon utilisées aujourd’hui) ne disposent pas d’un tel dispositif et ne sont pas concernées par cette possibilité d’appoint pour leurs racines d’oxygène d’origine extra-terrestre , c’est à dire puisé dans l’air, au-dessus de la terre.
Il est donc impératif pour un terrain de sport de permettre aux racines de gazon de trouver sur place l’oxygène dont elles ont besoin, c’est à dire dans la porosité du substrat, au contact des racines, donc à la profondeur où sont présentes les racines.
Toutefois, contrairement aux mammifères et en contrepartie de cette très forte contrainte, il faut également noter que le gazon n’a pas l’impossibilité de survivre plus de quelques minutes sans respirer de l’air sous forme gazeuse. Pour leur part, au contraire, les plantes à gazon et les micro-organismes du sol peuvent tenir sans air plusieurs heures sans souffrir et plusieurs jours voire même plusieurs semaines sans mourir car ils sont adaptés au régime pendulaire des sols régulièrement noyés en surface par une eau pauvre en oxygène.
D’une part, en effet, et contrairement au cas de la respiration des mammifères avec circulation sanguine, il convient de préciser que les racines ne « respirent » pas l’air de façon active mais absorbent l’oxygène par diffusion passive et peuvent aussi bien absorber l’oxygène dissout dans l’eau de la porosité que l’oxygène présent dans l’air de la porosité. Une autre différence importante à signaler avec la respiration avec circulation sanguine des mammifères est qu’il n’y a pas dans les racines d’équivalent de l’hémoglobine pour transporter l’oxygène et dont le fonctionnement est altéré par la présence de gaz carbonique CO2. Aussi, quand l’air est « vicié » pour la respiration animale ou humaine du fait de la présence de quelques pour cents de CO2 , on constate à l’inverse qu’une présence de CO2 dans l’eau ou l’air de la porosité n’affecte pas la respiration des racines. En fait, on constate même que non seulement la présence de ce CO2 dans la porosité du sol ne gêne pas la respiration racinaire mais qu’elle favorise le métabolisme global du sol car le CO2 est utilisé par les micro-organismes du sol, et parce que la partie qui s’échappe vers le haut par un éventuel dégazage en surface enrichit la teneur en CO2 autour des feuilles, ce qui constitue un facteur d’accélération de la photosynthèse et donc de la croissance ; Cet enrichissement en CO2 est d’ailleurs pratiqué artificiellement en agriculture notamment sous serre pour accélérer la croissance des végétaux cultivés par augmentation du taux de photosynthèse. On ne peut donc pas considérer pour le gazon la nécessité d’oxygénation du milieu comme un maintien d’un faible taux de CO2 vis à vis de l’oxygène présent dans l’eau ou dans l’air de la porosité mais simplement comme l’obligation d’une quantité d’oxygène suffisante pour ne pas freiner ou modifier le métabolisme optimal par manque d’oxygène.
D’autre part, il convient aussi de préciser que les racines du gazon savent très bien s’adapter au manque d’oxygène. En cas d’hypoxie, elles commencent par diminuer la croissance puis à ralentir tout le métabolisme avec fermeture des stomates des feuilles et diminution conjointe de l’évapotranspiration et de la photosynthèse puis on assiste potentiellement à la nécrose de certaines racines mais sans impact significatif immédiat sur un risque vital pour la plante et en cas d’anoxie, les plantes disposent encore d’un plan B de survie, l’oxygène et l’énergie nécessaire à la survie étant alors récupérés par dénitrification ou fermentation anaérobie.
Cependant, non seulement ce n’est pas le but de l’invention de compter sur l’adaptabilité du gazon mais l’objectif est au contraire d’éviter ces phases d'anaérobie qui, à défaut de tuer le gazon, sont très nocives pour son état général comme on ne le constate que trop souvent sur les terrains de sport. L’objectif de l’invention est au contraire de s’assurer que l’oxygénation du gazon soit en toute saison compatible avec une bonne oxygénation a minima, et si possible une situation optimale de croissance.
Compte tenu des explications ci-dessus, l’objectif est donc, dans le cadre de l’invention, de s’assurer d’un procédé efficace de fourniture d’oxygène à la porosité du sol située au niveau des racines, y compris profondes, pour satisfaire les besoins des micro-organismes du sol et des racines pour un fonctionnement optimal de croissance.
Il faut enfin noter que, même si finalement, aussi bien en théorie qu’en pratique l’un des meilleurs moyens d’éviter un manque d’oxygénation du sol est une bonne aération de ce dernier, l’oxygénation du sol (racines et micro-organismes du sol) n’est pas à confondre par principe avec l’aération du sol. En effet, en théorie (et d’ailleurs en pratique également dans le cas de l’aquiponie), un sol saturé d’eau peut parfaitement être suffisamment oxygéné dès lors que la teneur de l’eau en oxygène dissout suffit à la satisfaction des besoins d’oxygène pour la respiration des racines des plantes et des micro-organismes du sol. Il convient d’observer à cet égard qu’on ne peut pas dire a priori, selon une simplification pourtant habituelle, que la respiration est assurée quand il y a de l‘air dans la porosité ni que la respiration ne l’est pas quand la porosité est saturée d’eau. L’horticulture avec racines immergées en donne un bon exemple car elle peut permettre d’avoir des développements racinaires très significativement supérieurs au développement racinaire observable en pleine terre. A l’inverse, surtout de façon théorique, un sol dont la porosité serait pleine d’air pourrait en principe être insuffisamment oxygéné si la part d’oxygène de l’air dans la porosité du sol se révélait insuffisante pour fournir l’ oxygène dont les plantes et les micro-organismes du sol ont besoin pour respirer mais on sait que cela n’arrive jamais dans les sols très près de la surface et bien aéré mais seulement dans un sol mal aéré ; la teneur en oxygène qui est de 21% dans l’air atmosphérique peut descendre à 1% dans la porosité du sol si le sol est engorgé et ennoyé et on peut alors observer le passage d’un fonctionnement aérobie à anaérobie, chimiquement réducteur avec un potentiel redox modifié , la terre qui passe de rouge à bleu (réduction du fer) et avec une respiration par fermentation.
Cependant, on sait par expérience que si la teneur volumique en air de la porosité atteint 10% à 12% du volume apparent du substrat, la diffusion d’oxygène depuis la surface par la phase gazeuse donne un sol bien oxygéné alors qu’à l’inverse une teneur en air inférieure pendant une période un peu prolongée est insuffisante pour une oxygénation « convenable » des racines et des micro-organismes du sol et conduit à une hypoxie critique.
Or, les terrains de sport selon l’état de l’art avec couche drainante et substrats élaborés, ne sont jamais dans la pratique en situation d’hypoxie, même si cela ne signifie pas qu’ils soient idéalement oxygénés jusqu’à 15 m de profondeur. En fait, l’observation des terrains de sport montre en effet que le manque d’oxygénation des racines est probablement l’un des principaux facteurs de dégradation des gazons poussant « selon le mode naturel » dans des prairies avec une nappe phréatique peu profonde , quand l’eau pour une raison quelconque vient à stagner trop longtemps près de la surface tandis qu’au contraire, dans le cas des gazons cultivés sur couche drainante et arrosés avec un fractionnement d’arrosage adapté , on n’observe plus de tels phénomènes et jamais en tous cas de façon aussi sévère, même si un sur-arrosage estival systématique ( assez fréquemment observable) permet également d’observer des remontées racinaires significatives, dont l’effet sur la couverture gazonnée se fait le plus souvent sentir ensuite, dans les mois qui suivent, de façon sensible quoique décalée dans le temps.
Ainsi, même si l’objectif d’oxygénation selon l’invention n’est pas en théorie équivalent à « l’aération » du substrat c’est à dire à la diminution de son taux de saturation en eau.
C’est la raison pour laquelle, dans le cas des terrains de sport selon l’invention , l’objectif d’oxygénation se traduit donc de façon pragmatique en un objectif d’aération du sol suffisamment efficace pour avoir une oxygénation convenable dans une tranche d’oxygénation d’une épaisseur depuis la surface déterminée en fonction des autres contraintes mais qui ne doit pas être inférieure à 5 cm et devrait idéalement être de l’ordre de 15 cm. Dans cette tranche, l’objectif selon l’invention est d’avoir une teneur en air idéalement supérieure à 10 ou 15% voire plus si les autres contraintes le permettent et en aucun cas inférieure à 5 %.
Ainsi, même si l’objectif d’oxygénation selon l’invention n’est pas en théorie équivalent à « l’aération » du substrat c’est à dire à la diminution de son taux de saturation en eau , c’est finalement un objectif d’aération qui est retenu de façon pragmatique pour assurer l’oxygénation des racines.
Cependant, si cette situation favorable de sols sportifs qui ne manquent jamais d’oxygène de façon critique est celle que l’on observe pour les sols sportifs construits selon l’état de l’art, ce n’est pas celle observée en hiver en présence d’une nappe d’eau peu profonde dans le sol.
Ce risque d’hypoxie hivernale par remontée capillaire depuis une nappe d’eau insuffisamment profonde pour assurer un apport d’eau suffisant en été, compte tenu du substrat choisi est donc un point particulièrement critique de la sub-irrigation par nappe peu profonde, non résolu par l’état de l’art.
C’est justement un apport de la présente invention de déterminer des conditions qui permettent de garantir simultanément une bonne aération et donc une bonne oxygénation en hiver et en été,( en même temps qu’ une bonne irrigation en été).
C’est un des principaux mérites des terrains sur couche drainante d’avoir supprimé les cas de manque d’oxygénation sévère avec création de sols hydromorphes. Notons cependant que même avec ces terrains on peut également constater que les terrains avec couche drainante peuvent eux aussi avoir des problèmes de manque d’oxygénation , surtout en cas de feutre important et de sur-irrigation estivale systématique que l’on rencontre très fréquemment mais également avec certains substrats pourtant drainants qui restent saturés quand ils sont posés sur une couche drainante.(On reviendra plus loin au chapitre 4 donnant des précisions sur les phénomènes de capillarité) . Toutefois, il ne s’agit que de problèmes mineurs de remontée racinaire sans réduction du milieu
Par les observations réalisées sur les différents types de gazon de terrains de sport on peut conclure que les problèmes sévères d’oxygénation, eux, ne se rencontrent qu’en situation de saturation en eau importante et prolongée tandis qu’ils ne se produisent jamais avec une saturation en eau modérée.
Or, dans le cas des gazons non cultivés sur couche drainante, il n’est pas rare que l’on observe ce type de dégradations sévères par asphyxie (la mort par asphyxie, parfois observée, étant cependant exceptionnelle), et il est assez fréquent lors d’une observation d’un profil racinaire superficiel de ce type de gazons dégradés d’observer dans le sol les effets d’un passage d’une population de micro-organismes aérobie à une population anaérobie avec des odeurs d’ammoniac ou de soufre et le passage de la couleur rouge à la couleur bleue de la terre liée à la réduction du fer et à la formation de glais qui signent les phénomènes biochimiques de réduction en milieu hydromorphe, c’est à dire manquant d’oxygène pendant une trop longue période de temps, ces phénomènes au niveau du sol s’accompagnant d’une drastique remontée racinaire du gazon, conduisant à son tour à une couverture gazonnée très réduite, avec un gazon chétif et clairsemé. Ceci s’explique par le fait que malgré la forte capacité d’adaptation du gazon mentionnée ci-dessus, il n’en reste pas moins que les racines et les micro-organismes du sol et le fonctionnement bio chimique du sol ont un rôle essentiel, non seulement pour les besoins de la respiration de maintenance mais aussi pour les besoins de respiration de croissance de la plante, dont la partie aérienne se trouve forcément fragilisée quand les racines ne sont plus à même de fournir l’énergie nécessaire à une croissance de renouvellement suffisante.
Néanmoins, l’observation des racines de terrains de sport non seulement en prairie naturelle mais également sur couche drainante montre, même dans les meilleurs des cas, un développement très inférieur à celui que l’on pourrait obtenir par exemple en soufflant régulièrement de l’air dans le substrat, ce qui prouve donc de façon expérimentale que le taux d’oxygénation reste systématiquement un facteur limitant de tous le types de terrains de sport, y compris sur couche drainante.
Dans le cas de l’invention qui concerne une nappe d’eau peu profonde avec irrigation naturelle par remontée de l’eau au-dessus de la nappe, Il faut donc :
- d’une part se préoccuper d’éviter le risque d’hydromorphie sévère qui peut parfaitement se produire en fonctionnement spontané (comme pour les prairies naturelles) si les caractéristiques ne sont pas bien calculées
- d’autre part, choisir les caractéristiques du milieu pour obtenir par fonctionnement spontané une oxygénation « convenable » au moins égale et de préférence supérieure à celle observée dans les terrains avec ouche drainante.
Ainsi, l’objectif d’oxygénation cherché selon l’invention est que, dans cette tranche d’oxygénation des racines d’une épaisseur depuis la surface de minimum 5 cm au minimum et de préférence 15 cm à 20 cm on ait spontanément à l’équilibre capillaire une teneur en air de plus de 5% au pire mais de préférence de 10 à 15 % et idéalement plus de 20 %.
Enfin, dans une version préférée, mettre en place les moyens qui permettent de passer d’une oxygénation « convenable » à une oxygénation optimale. Or, dans le cadre de l’invention le fait de souffler de l’air en convection ascendante est peu couteux en énergie et permet de renouveler l’oxygène et d’avoir un taux d’oxygénation proche de 20% comme dans l’air, sans pour autant dessécher le substrat, grâce à la combinaison d’une forte porosité efficace grossière et de la présence d’une app d’eau peu profonde.
En fait, sur le plan de la culture du gazon, il serait possible pour la seule oxygénation du gazon d’avoir des racines qui se développent sur 15 cm avec par exemple 5 cm bien aéré 5 cm air+ eau et 5 cm dans l’eau dès lors que l’on apporte de l’oxygène dans l’eau , ce qui est possible de façon simple et peu coûteuse par exemple par apport d’oxygène dans l’eau par bulles d’air soufflées.
Le fait de souffler de l’air en permanence dans la nappe sous-jacente permettrait d’avoir une oxygénation suffisante de l’eau de la porosité malgré un excès d’eau voire en situation de saturation mais cette solution n’est pas celle que l’on préfère choisir avec une saturation jusqu’à la surface même si elle est relativement peu coûteuse et efficace car elle n’est pas conforme à l’objectif de développement durable visé par l’invention d’une part et parce que les conditions d’aérations choisies pour la bonne oxygénation du substrat sont de toutes façons préférables également sur le plan mécanique. On veut de toutes façons un minimum d’e teneur en air dans une tranche superficielle minimale. Ainsi, le soufflage d’air qui permet d’oxygéner la porosité est bien prévu selon l’invention comme moyen complémentaire d’améliorer le milieu mais n’est pas souhaitable comme une nécessité pour éviter son asphyxie.
Le double objectif selon l’invention est d’une part d’assurer une oxygénation minimale spontanée permettant de fournir en toutes circonstances une oxygénation « suffisante » pour une croissance « convenable » et d’autre part dans des versions préférées de l’invention de mettre en œuvre des stratégies d’augmentation de l’oxygénation de l’eau et de l’air de la porosité car la comparaison avec les techniques d’horticulture montrent que la simple « oxygénation convenable » ou « habituelle » des racines reste un facteur limitant de croissance et qu’il est donc possible en comparaison des terrains actuels, d’améliorer notablement les gazons par une amélioration de l’oxygénation de leur substrat.
Aussi, pour atteindre l’ensemble de ces objectifs définis en première étape, le principe choisi pour le procédé de construction selon l’invention est de viser prioritairement un objectif spécifique intermédiaire qui est de créer un profil de saturation d’eau θ/ε (z) favorable at.
Un premier objectif de l’invention est de proposer un système visant à la fois à rendre le sol sportif suffisamment résistant mais en même temps à amortir les sollicitations mécaniques exercées par les sportifs sur la surface pour préserver les articulations des sportifs, car on sait bien maintenant que ces articulations souffrent hélas et s’usent à la longue sur des surfaces manquant de souplesse.
Or, l’optimum pour la souplesse de la réponse mécanique est un profil avec nappe d’eau en bas du substrat. Il est souhaitable d’avoir saturation d’eau ( /ε =1 ) en bas de la colonne de substrat pour « aveugler mécaniquement » la couche drainante qui est très dure, au lieu d’avoir un milieux presque sec ( soit θ /ε plutôt faible) comme c’est le cas dans les constructions actuelles.
En effet, quand la surface est sollicitée à l‘occasion du geste sportif, rappelons que la réaction de la surface sur le sportif est précédée par la réaction du support. En effet, le sol de surface ne peut soutenir le sportif par une force de réaction dirigée vers le haut qu’en s’appuyant lui-même sur un support qui réagit pour empêcher le sol lui-même de s’enfoncer. Le support se bloque d’abord en bas, et ce blocage en bas permet alors au sol de réagir, niveau après niveau, en remontant du bas bloqué vers le haut qui se bloque au fur à mesure. La dureté de la réaction du sol qui se transmet de bas en haut dépend du signal initial tout en bas au niveau de la couche drainante et donc de sa souplesse ou au contraire de sa dureté ainsi que de l’amortissement en remontant, cet amortissement étant d’autant plus important que la couche de substrat est épaisse et que sa nature est amortissante.
Or, il est connu que ce signal et son amortissement initial sont considérablement atténués si le bas de la couche de substrat au-dessus d’un niveau plus dur est saturé en eau (/ε = 1) et ce signal est au contraire d’autant plus dur que le taux de saturation θ/ε du bas du substrat est faible. Sur le plan mécanique, dans une perspective de souplesse, il est donc préférable d’avoir une nappe d’eau en bas de la colonne de substrat ( θ/ε =1 ) pour « aveugler mécaniquement » la couche drainante qui est très dure, au lieu d’avoir un milieux presque sec ( soit θ/ε faible et a fortiori proche de 0) comme c’est le cas dans les système actuels de construction de terrains qui imposent un substrat très drainant posé sur une couche extrêmement drainante, justement dans le but d’assécher rapidement le substrat.
Pour lutter contre les maladies il est reconnu qu’il est souhaitable que les feuilles du gazon soient sèches et que le feutre et le haut du substrat ait un taux de saturation qui reste toujours le plus faible possible, surtout lorsqu’il fait très chaud, pour éviter le développement des différentes maladies cryptogamiques ou des algues.
Cependant, il faut simultanément que la plante ne manque pas d’eau pour pouvoir vivre sans stress hydrique (autre cause de dépérissement mais aussi de maladies) et pour pouvoir se refroidir par évapotranspiration. Il faut donc simultanément que le substrat ne manque pas d’eau et si l’on ne veut pas d’eau en partie haute il faut donc pouvoir en trouver en descendant plus bas pour pouvoir hydrater le gazon et aussi sur le plan mécanique , pour garder sa souplesse et sa cohésion, ce qui implique un taux de saturation d’eau suffisant dans les couches inférieures pour répondre à la demande de prospection des racines.
L’objectif souhaité est donc d’avoir une courbe θ/ε (z) qui soit faible pour z faible (près de la surface) et qui soit croissante quand z augmente et avec θ/ε (z) = 1 en bas de la couche de substrat.
Notons ici que l’objectif de sécher le substrat en partie haute du substrat consiste à augmenter la quantité d’air du substrat par rapport à la partie liquide, c’est à dire faire diminuer θ/ε (z) dans le haut du profil. Cet objectif n’est pas d’oxygéner l’eau ou l’air comme vu précédemment pour la respiration des racines mais de diminuer la partie eau pour augmenter la partie air.
Le moyen le plus efficace pour assécher le substrat encore plus que ne le permet le simple drainage gravitaire contrarié par la capillarité est une convection d’air non saturé qui passe à travers la porosité et qui fait évaporer de l’eau au passage pour tendre vers la saturation.
En fait, il y a deux circonstances distinctes de séchage de l’eau en surface.
La première circonstance est celle d’un taux de saturation important parce que l’eau gravitaire n’a pas encore eu le temps de percoler ; dans ce cas le rôle de l’air est mécanique ; en soufflant de l’air dans un sens ou dans l’autre, l’air pousse l’eau et prend sa place car une quantité d’eau peu accrochée à la matrice poreuse occupe le volume poral et peut être poussée par un courant d’air.
La seconde circonstance est celle d’une porosité où ne subsiste que l’eau non gravitaire qui reste accrochée à la matrice poreuse par des forces de capillarité importante; l’air n’a pas besoin de se frayer un passage car la voie est libre et l’eau n’est donc pas poussée mécaniquement et doit donc s’évaporer pour disparaître de la porosité.
Dans le cas de l’invention, on dispose d’un circuit d’air au contact de la surface qui bénéficie donc d’un échange avec la température de surface avec une importante longueur de circuit et une importante surface d’échange par longueur de circuit et d’un circuit d’air en profondeur qui bénéficie donc d’un échange avec la température en profondeur avec une importante longueur de circuit et une importante surface d’échange par longueur de circuit.
On aura donc une surface d’échange suffisante pour régler la température de l’air comme on le veut entre la température du circuit haut et la température du circuit bas (en fonction du nombre de tronçons de circuit emprunté en partie basse ou haute).
En été, on peut prendre de l’air extérieur chaud, puis le faire refroidir jusqu’à la température basse du circuit bas pour le faire condenser une partie de l’eau qu’il contient et le faire réchauffer un peu pour qu’il reste plus froid que l’air de la porosité mais avec une température plus haute que la température de condensation, ce qui lui permet de se charger d’eau au passage lors d’une percolation ascendante dans le substrat en l’envoyant sous pression en bas du substrat.
L’aspiration de l’air extérieur ne fonctionnerait pas car l’air réchaufferait le substrat, ce qui doit être évité. De plus, si l’air extérieur était proche de la saturation, cela créerait de la condensation par refroidissement de l’air, c’est à dire le contraire de l’évaporation escomptée et si l’air était chaud et sec, il y aurait alors risque de brûlure et de dessèchement par de l’air chaud et sec.
La bonne solution est donc le courant d’air ascendant pour assécher la surface sans la réchauffer.
Cependant, l’usage de ce moyen pour assécher le substrat par un courant ascendant implique un profil du taux de saturation en eau θ/ε (z) croissant vers le bas avec nappe d’eau en bas du substrat.
En effet, si l’on veut assécher le haut du substrat par un courant ascendant, l’air ascendant se charge d’eau au fur et à mesure qu’il monte et sa teneur en eau se rapproche donc au fur et à mesure de sa teneur d’eau à l’équilibre. Même si la différence de teneur en eau de l’air ascendant entre l’air en bas et l’air en haut est très faible pour un débit d’air important , il aura néanmoins tendance par humidification progressive à plus se charger en bas qu’en haut parce que la vitesse de chargement en eau est croissante avec la différence entre la charge en eau de l’air et sa charge à saturation.
Cette situation est incompatible avec le séchage en surface par courant d’air ascendant d’un terrain à taux de saturation en eau θ/ε (z) décroissant vers le bas
En effet, si le taux de saturation est initialement plus bas en bas qu’en haut et qu’il baisse à la même vitesse et a fortiori un peu plus vite en bas qu’en haut, il en résulte que le substrat sera complètement sec en bas avant d’être asséché en haut et il en résulte que pour assécher le haut, il faut faire crever la plante dont les racines n’ont plus d’eau disponible
En hiver, l’air plus chaud que le substrat pour réchauffer le substrat se refroidit légèrement par conduction en montant, ce qui accentue le phénomène puisque l’air plus froid se charge de moins d’eau et moins vite.
En été, l’air plus froid que le substrat se refroidit au contraire mais surtout en bout de course car le substrat en bas est en principe frais ; en été cependant l’effet de réchauffement de l’air par conduction aurait tendance à compenser l’effet d’humidification de l’air quand l’air s’élève dans le substrat mais le refroidissement par évaporation et perte d’énergie de chaleur latente est de toutes façon beaucoup plus importante dans la phase d’assèchement que la part d’échange calorique par conduction, de sorte qu’au total l’air sous l’effet combiné des différents facteurs a tendance à prendre plus d’eau en bas de la colonne de substrat qu’en haut.
Si de plus le taux de saturation initial du bas est inférieur au taux de saturation initial du haut, il en résulte que le bas sera complètement asséché avant que le haut ne soit suffisamment sec, ce qui fait que la plante va avoir tendance à mourir de soif avant que le haut ne soit bien sec selon l’objectif recherché.
On peut évidemment créer un courant d’air descendant par dépression en bas du substrat mais dans ce cas l’air aspiré est à la température extérieure, ce qui pose un problème en été et en hiver si le courant d’air dure suffisamment longtemps pour sécher la partie haute du substrat car on va réchauffer le substrat en été et le refroidir en hiver, ce qui est le contraire de ce que l’on souhaite.
En hiver, quand l’air est sec, c’est de l’air froid et il n’est pas du tout souhaitable de faire pénétrer le froid dans le substrat et quand l‘air n’est pas froid il est humide et on ne peut pas sécher avec de l’air humide.
De plus, en dehors du printemps et de l’automne, l’objectif d’assécher le substrat par une convection d’air est généralement accompagné de l’objectif de tempérer le substrat avec de l’air frais en été et tiède en hiver, ce qui peut se faire avec de l’air issu d’un puit canadien ou de l’air vicié des immeubles ou parkings voisins soufflé en courant ascendant à travers le substrat.
L’air vicié des immeubles ou des parkings qu’il faut remplacer pour la respiration humaine est un air qui n’a perdu que quelques pour-cent d’oxygène mais qui s’est chargé de quelques pour-cent de CO2 , ce qui implique un renouvellement rapide de l’air avant d’être problématique pour l’homme et les animaux ; Cet air chargé de CO2 est au contraire avantageux pour les plantes dans le substrat car de nombreuses bactéries du sol utilisent le CO2 et que l’air plus chargé de CO2 favorise la photosynthèse en arrivant au niveau du gazon.
Quand on fait passer l’air asséchant en courant ascendant en présence de la nappe d’eau, la capillarité permet alors de recharger en eau le bas du substrat asséché par le courant d’air au fur et à mesure qu’il est absorbé par l’air ascendant.
On pourrait croire que la recharge en eau par capillarité au fur et à mesure qu’on enlève l’eau par séchage à l’air est une opération absurde puisqu’elle dépense de l’énergie pour sécher et qu’un effet inverse mouille à nouveau le substrat. En réalité, il n’en est rien car il existe un phénomène d’hystérésis qui fait que la courbe de saturation obtenue par remontée capillaire et la courbe de saturation obtenue par drainage contrarié par la capillarité sont deux courbes très différentes , la teneur en eau de la courbe lors d’un drainage gravi taire contrarié étant très supérieure en partie haute à la teneur en eau par remontée capillaire malgré la gravité , de sorte que le séchage par courant ascendant en présence d’une nappe d’eau aboutit finalement à passer de la courbe de teneur en eau par drainage gravitaire contrarié à la courbe de teneur en eau par remontée de l’eau depuis le bas par capillarité et la différence entre les deux courbes est justement d’assécher de mieux en mieux au-dessus de la frange de capillarité.
Aussi, même si les moyens existent en l’absence de nappe d’eau pour créer des courants d’air ascendants ou descendants à travers le substrat, l’utilisation de ces moyens n’est pertinente en l’absence de nappe d’eau que pour améliorer le gazon quand il va déjà bien (automne et printemps) mais n’est pas adapté pour rafraîchir le substrat et en assécher la partie haute afin de lutter contre les maladies en été ni pour réchauffer le substrat et en assécher la partie haute (ce qui l’isole thermiquement) en hiver du fait des lois physiques des échanges thermodynamiques
Un point très important de l’invention est que cet échange thermique et thermodynamique de calories et d’eau avec le substrat est au contraire particulièrement indiqué pour conditionner le substrat du fait même du principe d’une nappe d’eau dans le substrat.
En effet, l’air montant de bas en haut commence à sécher avec une efficacité maximale ce qui se trouve en bas puisque, avec la même vitesse de percolation, l’air est plus sec en bas qu’en haut, puisqu’il se charge d’eau au passage et se refroidit.
De ce fait, si l’on veut obtenir un séchage important de la partie supérieure, il faut prélever encore plus d’eau en bas qu’en haut.
Ainsi, avec un modèle classique de terrain avec couche drainante, sans nappe d’eau et où l’eau arrive par le haut, et où le profil θ/ε (z) serait globalement croissant vers le haut ( ce qui se produit une fois que l’ETP est très faible en hiver) on ne pourrait donc pas assécher la partie supérieure avant d’avoir asséché encore plus la partie inférieure, ce qui signifie une absence d’eau pour la plante.
Si le profil de saturation d’eau est décroissant vers le bas, c’est à dire moins d’eau en bas qu’en haut et si la vitesse d’assèchement est aussi rapide en bas qu’en haut (et a fortiori si elle est plus rapide) il en résulte en effet que le bas sera obligatoirement asséché avant d’avoir pu assécher le haut.
C’est la raison qui dans une architecture classique de terrains de sport rend impossible l’aération du substrat, c’est à dire l’assèchement de la partie supérieure du substrat par un flux d’air ascendant car il ne serait possible d’obtenir l’ assèchement souhaité de la partie supérieure qu’après avoir réalisé l’assèchement de la partie inférieure du substrat, de sorte que l’on devrait faire mourir de soif les plantes avant de pouvoir assécher la partie supérieure du sol; C’est d’autant plus vrai que si l’on voulait compenser la sécheresse en bas du substrat pour faire boire les plantes par un arrosage classique par le haut, le résultat de cet arrosage serait de mouiller en priorité la partie supérieure, c’est à dire l’inverse de l’objectif recherché.
Au contraire, dans le cas des terrains avec nappe d’eau selon l’invention ( comme confirmé par les tests effectués notamment sur un substrat capillaire Radicalé® avec une nappe d’eau) , on constate que le séchage de la nappe d’eau au-dessus de la hauteur piézométrique et le séchage de la zone transitoire par l’air ascendant qui y circule sont compensés au fur et à mesure par la remontée capillaire à partir de la nappe sous-jacente saturée et que seule est finalement asséchée de façon efficace par l’air ascendant la zone supérieure, au-dessus de la zone des fortes remontées capllaires, dans laquelle les remontées capillaires sont peu significatives, selon l’objectif recherché.
Ainsi, dans un terrain classique avec couche drainante, sans nappe d’eau et à arrosage par aspersion, Il n’est donc pas possible d’utiliser un courant d’air ascendant pour assécher la partie supérieure du substrat alors que c’est possible avec une nappe d’eau et un profil de saturation croissant vers le bas
Pour contourner cette difficulté, on pourrait envisager pour ces terrains classiques, d’assécher la partie supérieure du substrat par un courant d’air descendant, ce qui peut être obtenu par dépression dans la couche drainante en y faisant circuler de l’air horizontalement avec un débit important créant une dépression par le terme en V2de l’équation de Bernoulli.
Cette possibilité n’est pas non plus satisfaisante pour les deux raisons suivantes :
- d’une part, même si dans un courant d’air descendant la vitesse d’assèchement de la surface est légèrement supérieure à l’assèchement de la couche inférieure, la différence n’est pas très importante et si le taux de saturation de la partie supérieure est supérieur au taux de saturation de la partie inférieure, on retrouve cette conséquence d’une forte probabilité de faire mourir de soif la plante avant d’avoir asséché suffisamment la surface
- d’autre part, pour assécher la surface, il faut faire circuler assez longtemps dans le sol de l’air à la température extérieure, ce qui aboutit donc à faire monter la température du sol en été ou à faire baisser la température du sol en hiver, c’est à dire l’inverse de la climatisation souhaitable. Pour ne pas refroidir le sol en hiver cette opération ne serait envisageable en hiver que dans les périodes pluvieuses où l’air est doux et humide mais assécher le sol avec de l’air très humide ou même saturé n’est évidemment pas possible, surtout si l’air doux et humide est plus chaud que le substrat car dans ce cas on obtient au contraire de la condensation.
Au contraire, dans le cas de l’invention, Il est possible de faire une circulation ascendante d’air sec plus chaud que l’air extérieur en hiver ou plus froid que l’air extérieur en été, qui assèche efficacement la partie supérieure du substrat et qui de plus réchauffe en hiver ou refroidit en été le gazon et le haut du substrat et qui n’affecte pas la courbe de saturation en eau en bas du substrat car la saturation y est importante et que les pertes par assèchement sont compensées par capillarité du fait de la réserve d’eau massive de la nappe en place.
Afin d' expliquer les moyens prévus selon l’invention pour garantir une oxygénation spontanée suffisante en toutes circonstances et les moyens prévus selon l’invention pour augmenter l’oxygénation du substrat, Il n’estes inutile de décrire et de quantifier sommairement les différents mécanismes de transport de l’oxygène dans l’air et dans l’eau de la porosité du substrat.
De façon générale il existe 2 modes de transport de l’oxygène que sont la diffusion (dans l’air ou dans l’eau) ou la convection (d’air ou d’eau).
Dans le cas de l’équilibre du profil hydrique, et notamment en l’absence d’évapotranspiration en période hivernale, l’eau et l’air peuvent rester spontanément immobiles pendant une longue période pendant laquelle il n’y a pas de convection verticale spontanée d’air et d’eau.
Même si il est possible et d’ailleurs prévu dans une version préférée de créer de façon active des convections pour « booster » le gazon, il est cependant souhaité selon l’invention d’avoir une base durable satisfaisante avec un fonctionnement spontané « correct » quitte à ajouter ensuite de façon active à cette base spontanée durable des moyens supplémentaires en version préférable pour « booster » la performance.
Ainsi, dans le cas où la convection spontanée est absente, et en l’absence de convection forcée, le transport spontané de l’oxygène doit se faire par diffusion.
En principe, l’’oxygène peut être présent dans l’air de la porosité ou dans l’eau de la porosité. La plante comme les microorganismes du sol peuvent prélever l’oxygène dans l’eau comme dans l’air mais dans l’eau comme dans l’air, il faut impérativement se préoccuper de son renouvellement car la respiration remplace progressivement l’oxygène par du CO2.
Pour la respiration humaine ou animale, on doit se prémunir contre deux phénomènes que sont d’une part la diminution de O2 et d’autre part l’augmentation de CO2. Pour les plantes, c’est différent. Il faut pour les mêmes raisons se préoccuper de la diminution de O2 mais l’augmentation de CO2 n’est pas un problème mais au contraire un avantage. En particulier, l’augmentation locale de pression partielle de CO2 issue de la respiration est un facteur permettant une diminution locale du PH et une biodisponibilité accrue de certains éléments comme le fer et le zinc et favorise donc le fonctionnement des micro-organismes de la rhizosphère au voisinage des racines ou des mycrorhizes associée.
En revanche, comme pour la respiration humaine ou animale l’oxygène dans le sol est indispensable à la respiration des racines, des rhizomes et des stolons, et non seulement pour la survie et le fonctionnement des cellules des racines elles-même mais aussi pour le fonctionnement des micro-organismes du sol au voisinage de ces racines. De plus, la respiration conditionne toutes les autres fonctions et tout particulièrement dans le cas du gazon, coupé ras régulièrement, il y a exportation de minéraux et nécessité de remplacement des feuilles et ce sont les racines qui doivent prélever, synthétiser et transporter les minéraux et produire l’énergie nécessaire à la croissance permanente du gazon.
Or, c’est seulement dans la porosité du sol et au niveau des racines que les racines et les bactéries du sol doivent trouver l’oxygène nécessaire à leur fonctionnement
Le problème, dans le cas de la saturation en eau est simplement que d’une part la quantité d’oxygène maximum dans l’eau pour un même volume est dix fois inférieure à celle dans l’air pour le même volume mais surtout que l’oxygène de l’air se renouvelle 10 000 fois plus vite que dans l’eau et que les plantes ne peuvent donc plus respirer une fois qu’elles ont consommé tout l’oxygène de l’eau car le remplacement par diffusion dans l’air est tout juste suffisant à long terme avec 10% d’air alors qu’il sera 1 000 fois plus lent à se renouveler par diffusion dans l’eau .
En effet, si l’on considère un volume élémentaire quelconque d’eau, c’est uniquement quand dans son histoire il a été au contact de l’air qu’il a pu se charger d’oxygène.
Au moment où un volume d’eau élémentaire est au contact d’une surface d’air, une certaine quantité oxygène de l’air se dissout dans l’eau. Cette quantité d’oxygène dissout est proportionnelle à la pression et à la concentration d’oxygène dans l’air :
- à l’air libre : 20%
- et dans la porosité : 20% diminué de la consommation d’oxygène depuis que l’air est prisonnier de la porosité. Une concentration habituelle « convenable » dans l’air de la porosité est de l’ordre de 7 à 11% à 20 cm de la surface.
La dissolution au contact de l’air étant rapide, le fait d’un contact, même rapide, de l’eau avec l’air libre ou avec l’air de la porosité permet une recharge d’oxygène au maximum, c’est à dire selon la loi de Henry, proportionnelle à la concentration d’oxygène de l’air au contact de l’eau au moment de la recharge et dans une quantité de dissolution proportionnelle à la pression P0 du milieu de contact et selon une constante de dissolution qui diminue quand la température augmente.
Ensuite, une fois qu’un volume élémentaire d’eau n’est plus au contact de l’air, la quantité d’air dissout dans le volume d’eau est égale à la quantité d’oxygène chargée au départ ( puis éventuellement transportée ensuite par le volume d’eau élémentaire mais ici on est dans l’hypothèse de l’absence de mouvement de l’eau ), augmentée de la quantité d’oxygène venant du milieu aqueux environnant et éventuellement diffusée à travers la surface séparant ledit volume élémentaire d’eau du volume d’eau au sein duquel il se trouve immergé et diminuée de la consommation d’oxygène depuis qu’il est séparé de la surface de contact avec l’air et diminuée enfin de l’oxygène éventuellement dégazé en fonction de la pression et de la température.
En fait, le milieu aqueux environnant étant soumis statistiquement aux mêmes conditions, il n’y a pas à considérer de gradient de pression partielle d’oxygène en dehors de l’axe vertical. D’autre part, la pression est de 1 atmosphère et es variations de pression n’ont pas d’influence notable et, même si l’effet des montées en température dans le sol n’est pas négligeable, il reste toutefois marginal puisque une montée de température possible dans le sol de 0°C à 30 °C conduirait à un dégazage d’environ 30 % de l’oxygène dissous.
L’effet de la température intervient d’ailleurs une seconde fois en revanche et de façon plus importante car la consommation d’oxygène par les organismes vivants à métabolisme constant dans les conditions optimales double à chaque fois que la température augmente de 10°C
Cependant, on peut simplifier et considérer que le stock d’oxygène disponible à un moment donné dans une masse d’eau saturant la porosité est égale à la quantité d’oxygène chargée quand l’eau a été pour la dernière fois au contact de l’air au niveau du sol ou dans la porosité, diminuée de la consommation d’oxygène depuis ce dernier contact
Lors d’un contact entre de l’eau à 15°C et de l’air à une pression de 1 atmosphère, la quantité d’air dissout dans l’eau à l’équilibre est égale à 0,1 litre d’air dissous / litre d’eau.
Si l’air au contact de l’eau a la même concentration d’oxygène que dans l’atmosphère, ( environ 20%) cela fait donc une concentration d’oxygène dissout dans l’eau de 0,02 litres d’oxygène / litre d’eau ., soit 28 mg.
En tous les cas, l’oxygène dissout dans un volume d’eau est égal à environ 10 % de l’oxygène dans un même volume d’air au moment où l’air et l’eau sont en contact.
Lorsque, du fait de la saturation en eau, l’eau n’est plus en contact avec l’air , un volume élémentaire d’eau à la profondeur z a donc sa concentration en air qui a tendance à diminuer par la consommation d’air des plantes et du sol et comme cela crée un gradient de concentration en oxygène entre la surface chargée à 20 % en oxygène et l’eau à la profondeur z , il va cependant se produire une diffusion verticale du fait du gradient de concentration en oxygène depuis la surface jusqu’à la profondeur qui va permettre une certaine recharge en oxygène.
Cette diffusion est l'échange d'oxygène qui a lieu spontanément entre deux masses d’eau présentant une différence de concentration en oxygène Cet échange se produit en l'absence de tout mouvement des masses d’eau et résulte du seul mouvement propre des molécules et du seul fait des différences de concentration en son sein.
Il en résulte la vitesse de diffusion de l’air depuis la surface vers la profondeur selon la loi de Fick:
F = - D02-eau S dC/dz
Avec :
F: flux vertical de matière à travers une surface horizontale quelconque de section S
D02-eau: Coefficient de diffusion du composé « di-oxygène" dans le composé "eau"
C concentration en oxygène
z profondeur à partir de la surface libre
dC/dz : gradient de concentration en oxygène
En combinant l’équation de Fick qui donne le flux à partir du coefficient de diffusion et du gradient avec l’équation de continuité, on en déduit l’équation de diffusion de C selon l’axe des z :
∂ / ∂t C ( z, t ) = - D02-eau∂2/ ∂2z C ( z, t )
La combinaison des 2 équations permet de déduire l’évolution à tout instant et à toute profondeur de la concentration C (z, t) à la profondeur z et au temps t à partir des conditions initiales.
L’équation de continuité exprime que la concentration dans une tranche de cylindre d’eau à une altitude donnée quelconque z augmente par la diffusion entrant par le haut dans la tranche considérée et diminue par la diffusion sortant par le bas de ladite tranche et que l’entrée est proportionnelle au gradient en z de la concentration tandis que la sortie est proportionnelle au gradient en z + dz, de sorte que la différence est proportionnelle à la dérivée partielle seconde de la concentration en z.
Ainsi, non seulement il n’y a pas beaucoup d’oxygène dans l’eau puisque la quantité maximale dissoute dans l’eau obtenue quand l’eau est au contact de l’air libre est seulement égale à 10 % de l’oxygène présent dans l’air mais surtout le renouvellement d’oxygène dans l’eau par diffusion est extrêmement lent puisque le rapport de diffusion de l’oxygène dans l’air = 104 fois le rapport de diffusion de l’oxygène dans l’eau.
Or, même avec une teneur en air de 10%, l’oxygène est juste suffisant pour la respiration correcte des racines quoiqu’insuffisant pour une oxygénation idéale alors que la quantité d’oxygène de l’air est équivalente à celle dans l’eau (10 % du volume et 10 fois plus d’oxygène par unité de volume) mais une diffusion 10 4 supérieure par unité de volume soit 10 3 supérieure au total pour 10% d'air comparé à 90 % d’eau
C’est pourquoi, même pour un objectif d’oxygénation, l’objectif selon l’invention est transformé en objectif de teneur en air suffisante dans la tranche superficielle pour assurerons diffusion suffisante de l’oxygène et, façon simplifiée mais pragmatique , on considère que c’est l’oxygène gazeux présent dans la phase gazeuse du sol qui détermine cette fonctionnalité et qu’avec moins de 15% d’air l’absorption minérale décroit, tandis qu’en dessous de 12%, il n’y a plus d’initiation de nouvelles racines, qu'en-dessous de 5%, il n’y a plus de croissance racinaire et qu’en dessous de 1% les racines perdent du poids et meurent.
Ainsi, toutes les contraintes essentielles décrites ci-dessus pour pouvoir optimiser les différentes fonctions attendues d’un bon gazon sportif ont un point commun : elles impliquent dans l’idéal un profil de saturation croissant avec la profondeur jusqu’à saturation en bas du substrat avec une saturation aussi faible que possible en surface.
La prise en compte de ces contraintes par la présente invention est justement réalisée par le choix selon l’invention de se fixer l’objectif spécifique prioritaire d’un profil de saturation assez proche de zéro en surface et globalement croissant vers le bas jusqu’à saturation dans une nappe d’eau à une certaine profondeur à l’intérieur du substrat
Ainsi, la traduction sur le plan mécanique, comme sur le plan de lutte spontanée contre les maladies estivales comme pour l’oxygénation spontanée des racines et aussi pour l’aération, l’oxygénation ou la climatisation active est la même : L’optimum est un profil de saturation croissant vers le bas avec saturation aussi faible que possible en surface et nappe d’eau en bas du substrat
Sur le plan de la gestion de l’eau dans le substrat pour l’hydratation du gazon d’autre part, il est essentiel d’avoir une courbe θ/ε (z) qui soit faible pour z faible (près de la surface) et il est souhaitable que θ/ε (z) soit croissante quand z augmente pour ne jamais manquer d’eau en profondeur. En ayant le moyen de maintenir θ/ε (z) = 1 en bas de la couche de substrat, on a la situation idéale avec une réserve d’eau qui permet de réalimenter en eau le bas du substrat au fur et à mesure que la plante prélève de l’eau pour ses besoins d’irrigation
La solution de l’invention est donc en particulier incompatible avec le principe d'un faible taux de saturation au niveau d’une couche drainante puisque l’objectif intermédiaire de l’invention impose au contraire un profil globalement croissant depuis la surface et allant jusqu’à la saturation en bas du substrat, c’est à dire la présence d’une nappe d’eau en bas du substrat, c’est à dire θ/ε =1 (à peu de chose près) en bas du substrat.
Cependant, comme on le verra ci-dessous, et même si le choix de ce profil de saturation pris comme objectif intermédiaire est nécessaire pour permettre une importante amélioration de la gestion des terrains de sport, le fait de vouloir changer de type de profil de saturation d’eau par rapport aux profils de saturation existant aujourd’hui dans l’état de l’art pose simultanément de nouveaux et très difficiles problèmes à résoudre, qui nécessitent d’examiner de près les équilibres capillaires en absence de demande évaporatoire climatique (hiver) et les flux capillaires en présence de demande évaporatoire climatique (été) .
Cette étape, importante pour la présente invention, consiste à exprimer les relations pertinentes qui existent entre les caractéristiques intrinsèques du milieu poreux constitué par le substrat, la profondeur de la nappe d’eau et certaines caractéristiques des profils de teneur en eau à l’équilibre capillaire.
L’objectif final de cette étape est d’exposer pourquoi le profil de teneur en eau à l’équilibre capillaire est encadré entre deux profils hydriques principaux correspondant aux deux caractéristiques capillaires principales (drainage primaire et imbibition primaire) qui sont deux caractéristiques intrinsèques du substrat et comment déterminer ces profils hydriques de façon expérimentale.
Cette étape sera elle-même réalisée pas à pas en explicitant les quelques lois physiques dont la connaissance et la compréhension sont nécessaires pour la compréhension de l’invention car c’est elles qui régissent le comportement de l’eau dans le substrat et déterminent donc son état d’équilibre sous l’effet des seules forces de capillarité et de gravité , en présence d’une nappe d’eau à l’équilibre à une certaine profondeur et en l’absence pendant un certain temps de pluie ou d’évapotranspiration, selon différentes caractéristiques du substrat qui seront progressivement explicitées.
Les premiers pas concerneront les phénomènes physiques d’équilibre capillaireà petite échelleet décriront successivement :
- La découverte expérimentale du phénomène de capillarité avec la remontée capillaire dans un tube rigide cylindrique et la loi de Jurin (IV - 3 -1)
-- Le principe de la pression hydrostatique dans une phase liquideconnexede la porosité, saturée ou non saturée, et de la pression atmosphérique dans une phase gazeuse connexe. (IV - 3 - 2)
- Les 2 principes physiques générateurs de la capillarité au niveau microscopique : mouillabilité et tension de surface (IV - 3 - 3)
- la loi de Laplace et ses conséquences théoriques : une courbure déterminée par la seule pression capillaire, une saturation à peu près déterminée en tout point par la courbure et donc une saturation à peu près déterminée par la seule pression capillaire (IV - 3 - 4)
- Le profil hydrique théorique du substrat à l’échelle microscopique et son interprétation par l’analogie de distribution porométrique (IV - 3 - 5)
Les pas suivants concerneront le passagede la petite échelleà l’échelle du substrat et décriront successivement :
- L’observation expérimentale du caractère fluctuant des mesures de profil de saturation avec constat expérimental de la différence entre les profils mesurés en imbibition et en drainage et du phénomène d’hystérésis (IV - 3 - 6)
- L’explication théorique des difficultés pour passer de la théorie à petite échelle aux observations à l’échelle du substrat et de l’insuffisance de principe de la seule analogie porométrique pour rendre compte de la totalité des comportements à l’échelle du substrat - effet supplémentaire de la distribution statistique géographique des pores et principe des chaînes ou amas de percolation - explication du point de percolation et d’hystérésis (IV - 3 - 7)
- Les profils hydriques principaux accessibles de façon expérimentale à l’échelle d’un échantillon représentatif - principe général de la mesure d’un profil capillaire, encadrement entre profil de drainage et profil d’imbibition - influence de la taille de l’échantillon, incertitude liée à l’hystérésis, mise en évidence des points de percolation (IV - 3 - 8)
- Cas particulier (correspondant aux conditions de l’invention) où l’on ne peut négliger les différences de pression hydrostatique et donc de pression capillaire dans l’échantillon car l’ordre de grandeur de ce que l’on négligerait serait équivalent à ce que l’on cherche à mesurer et protocole de mesures spécifiquement adapté à ce cas particulier(IV - 3 - 9)
- Conclusion : malgré les incertitudes liées aux phénomènes d’hystérésis qui rendent impossible une détermination totalement prédictive du profil de teneur en eau à l’équilibre capillaire dans le substrat au-dessus de la nappe, ce profil est encadré entre une courbe primaire d’imbibition et une courbe primaire de saturation assez proches l’une de l’autre et le substrat selon l’invention peut donc être utilement caractérisé dans le cadre de l’invention à partir de ces deux courbes, accessibles de façon expérimentale, notamment selon le procédé spécialement adapté décrit au pas précédent (IV - 3 - 10)
On sait bien par expérience qu’une nappe dans un milieux poreux monte par capillarité plus haut que son niveau piézométrique. Le niveau piézométrique est le niveau de la nappe d’eau en équilibre avec la surface libre à la pression atmosphérique.
Ce phénomène de capillarité est bien connu, bien décrit et parfaitement quantifié dans le cas d’école où l’on plonge dans un liquide en équilibre un tube fin de rayon r , nommé « capillaire » par référence à la finesse d’un cheveux. L’expérience consistant à plonger un tube fin dans une bassine d’eau montre que l’eau monte dans le tube et remplit le tube jusqu’à une hauteur par rapport à la surface libre que l’on peut calculer selon la formule expérimentale de Jurin.
h = 15 mm2 / ravec h et r en millimètres
Ce qui donne pour r = 100 µm une hauteur de remontée capillaire de 150 mm = 15 cm
Au stade de la découverte expérimentale de la loi de Jurin, on ne connaît pas encore le principe physique de la traction ascensionnelle. Toutefois on peut déjà faire des déductions de cette loi expérimentale en considérant l’eau dans un tube comme un système fermé en équilibre sous l’effet de différentes forces et on peut se douter par simple analyse dimensionnelle du lieu où s’appliquent ces forces.
Si l’on considère le système fermé constitué par la colonne d’eau de section S qui remonte à la hauteur h dans un tube circulaire de rayon r et de surface S= πr2reposant en équilibre sur la nappe libre, et si l’on fait le bilan des forces de l’extérieur sur ce système physique, il faut, pour être complet, mentionner le rôle de la pression atmosphérique qui intervient en haut et en bas de la colonne d’eau.
La colonne d’eau reçoit de l’extérieur :
- une poussée vers le haut exercée en bas de colonne par la pression de la nappe libre égale en valeur absolue à S Patmosphérique
- une force dirigée vers le bas exercée en haut de la colonne vers le bas, égale également égale en valeur absolue à S Patmosphérique
- la force de gravité c’est à dire le poids de la colonne d’eau dirigée vers le bas et de valeur ρ g volume = ρ g h .S où h est la hauteur de montée capillaire à l’équilibre dans le tube
- une force horizontale de résistance de la part du tube qui est à chaque niveau une force normale au tube , dirigée vers l’intérieur et horizontale et de valeur P. ∆S sur un élément de surface ∆S en un point du tube, P étant la pression au niveau du tube ; par symétrie du cercle les forces diamétralement opposées sur le tube s’annulent 2 à 2 de sorte que la résultante des forces exercées par le tube sur la colonne d’eau est nulle
- La force de traction supplémentaire qui tire la colonne d’eau vers le haut du fait de la contrainte d’un tube de rayon r.
Comme les deux forces liées à la pression atmosphérique en haut et en bas de la colonne d’eau s’annulent réciproquement , la résultante des forces est donc la somme de 2 forces qui s’exercent sur une colonne d’eau de hauteur h contrainte par un tube de rayon r : le poids de la colonne et la force de traction capillaire d’une colonne d’eau de surface S contrainte par un tube de rayon r et montée par capillarité à la hauteur h
ρ g h .S = le poids de la colonne d’eau qui tire la colonne vers le bas
A l’équilibre la force de traction capillaire doit donc être une force de sens opposé ( dirigée vers le haut) et de même valeur absolue
Ainsi, la simple mesure expérimentale de la hauteur de remontée capillaire de la loi de Jurin permet de connaitre la grandeur de la force de traction dans le cas d’un tube en fonction du rayon du tube mais :
- ne donne aucune indication sur la nature physique de cette force supplémentaire
-ne permet pas de donner une idée de la hauteur de remontée capillaire ailleurs que dans un tube
Dans le cas d’un substrat réel, et même si la loi de Jurin s’applique bien à un tube rigide pour donner la hauteur de remontée d’eau en fonction du diamètre du tube, la première difficulté est que le substrat n’est pas un tube rigide ni même un faisceau de tubes rigides parallèles, même s’il est évidemment tentant pour se ramener à quelque chose de simple et de connu de chercher à considérer que le comportement du substrat vis à vis de l’eau pourrait se rapprocher de celui d’un faisceau équivalent de tubes rigides parallèles.
On verra plus bas pourquoi il est en effet possible d’interpréter de façon analogique l’équilibre hydrostatique dans le substrat par une porosité équivalente faisant référence à la hauteur capillaire de chaque tube.
En attendant , dans les substrats dont on connaît la courbe granulométrique , on souhaiterait déjà imaginer un faisceau de tubes et une distribution porale des tubes représentant la distribution des rayons des tubes, et on souhaiterait bien sûr, appliquer à ce faisceau de tubes la loi de Jurin comme si le substrat était constitué d’un faisceau de tubes rigides cylindriques circulaires et verticaux parallèles entre eux et d’une "porosité globale équivalente », la densité des tubes des différents diamètres, nommée « distribution porale du substrat » étant une fonction supposée connue de la granulométrie du substrat. De façon plus précise, la fonction de distribution porale qui sera définie plus loin associe à tout diamètre d le volume cumulé de tous les pores « de diamètre équivalent » inférieur à d.
C’est ainsi que dans une approche un peu basique consistant à observer la porosité géométrique 3D, on essaie de créer une relation intuitive entre la courbe granulométrique du substrat et une grandeur « représentative » d’un « diamètre de cylindre » qui pourrait s’inscrire entre des grains de sable constitutifs du substrat. Même si cette démarche n’est pas la plus fructueuse, c’est la première qui vient à l’esprit et elle donne en effet une première indication utile pour fixer les ordres de grandeurs. Dans une telle perspective, il est possible d’observer que si l’on dispose trois sphères de même diamètre D serrées l’une contre l’autre, et que l’on considère pour simplifier le raisonnement géométrique les 3 cercles en 2D obtenus par l’intersection d’un plan horizontal coupant ces trois sphères au niveau de leur équateur, un petit cercle s’inscrit entre ces trois équateurs, et l’ordre de grandeur du rayon de ce petit cercle inscrit est 10% du diamètre D des grains sphériques en question.
Evidemment, il faut également considérer que la probabilité est très faible de se trouver entre 3 gros grains s’appuyant directement les uns sur les autres alors que l’on a une courbe granulométrique continue. Toutefois, si l’on considère le cercle inscrit qui peut être obtenu selon le même procédé décrit précédemment pour 3 grains sphériques de même diamètre qui s’appuient les uns contre les autres mais cette fois en supposant la juxtaposition de 2 gros grains de diamètre D1 et d’un petit grain de plus petit diamètre D2, le cercle inscrit entre ces trois grains a un rayon r qui correspond pratiquement à celui du cercle inscrit entre 3 grains de la plus petite taille de diamètre D2 qui s’appuieraient les uns contre les autre, de sorte que l’on peut en conclure que ce sont les petits grains qui «imposent aux gros grains» leur taille de porosité .
Evidemment, la remarque géométrique ci-dessus est faite en 2D dans un plan coupant les trois sphères au niveau de leur équateur et sans même avoir considéré qu’il existe des arrangements plus ou moins lâches ou plus ou moins serrés des grains supposés sphériques les uns contre les autres. Cependant, dans un objectif limité consistant seulement à considérer l’ordre de grandeur des tubes qui pourraient représenter la porosité, ce simple raisonnement permet déjà de constater que les trous en 3D n’ont pas la taille des grains mais sont plutôt 10 fois plus petits et ne sont pas non plus 100 fois plus petits : Cela permet d’avoir l’ordre de grandeur des « tubes de Jurin » qui pourraient représenter les pores d’un substrat imaginé comme un empilement de sphères et décrit par la distribution des tailles de ces sphères , c’est à dire l’image d’un substrat dont l’homme de l’art a la plus grand habitude.
A partir de cette remarque géométrique grossière, il est déjà possible de considérer que les petits grains ont un rôle plus significatif que les gros grains sur le plan statistique pour imposer la taille de la porosité entre eux et leurs voisins et on peut ensuite appliquer la loi de Jurin à la taille des petits cercles ainsi calculés en imaginant un empilement de sphères d’un diamètre représentatif des petits grains du substrat, ce qui permet d’en déduire un ordre de grandeur de la hauteur capillaire que l’on peut s’attendre à trouver dans un tel substrat défini par sa courbe granulométrique.
Pour calculer cette hauteur représentative, on peut choisir le D10 du sable et on peut alors calculer la hauteur correspondant au rayon représentatif correspondant au cercle inscrit entre 3 sphères de diamètre D10dans un plan sécant et on aboutit à un rayon rreprésentatif, représentatif de la taille de la porosité du substrat, avec rreprésentatif= 0,1 D10
Le terme 0,1 correspond au fait que le rayon r du cercle inscrit entre 3 grains sphériques de même d’un même diamètre D vaut 0,1 D.
En appliquant la formule de JURIN à rreprésentative= 0,1 D10cela donnerait finalement une hauteur représentative de la remontée capillaire dans le substrat, selon la formule :
hreprésentative= 1,5 mm2 / ( 0,1 D10)
soit hreprésentative= 15 mm2 / D10
avec hreprésentativeet D10en mm
Si l’on prend par exemple un sable dont le D10vaut 500 µm , soit 0,5 mm, cela donnerait une hauteur représentative de 30 mm soit environ 3 cm
si l’on prend un sable dont le D10vaut 100 µm , soit 0,1 mm, cela donne une hauteur de 150 mm soit environ 15 cm.
Même si l’on ne sait pas très bien en fait à quoi correspond la hauteur représentative:
- on a un ordre de grandeur du phénomène global de remontée capillaire
- et surtout le rapport d’échelle entre 2 courbes granulométriques reste valable car les formes géométriques ne changent pas si on change d’échelle.
Or, ces calculs par simple analogie intuitive utilisant les valeurs de D10comme grandeur représentative du phénomène de capillarité attendue dans le substrat appliqué à des valeurs de D10correspondant à des sables effectivement utilisables laissent envisager :
- d’une part un rapport 1 à 5 concernant l’effet capillaire de deux sables à courbe granulométriques « assez voisines » et correspondant à des substrats sportifs existants.
- d’autre par une différence de valeur de hauteur représentative de capillarité de l’ordre de grandeur des racines de graminées classiquement utilisées que l’on peut mesurer dans des terrains de sport
- des ordres de grandeur de hauteur correspondant à des épaisseurs de substrat que l’on peut trouver de façon classique dans les terrains classiques sur couche drainante.
Aussi , cette première simple approche analogique et d’analyse dimensionnelle laisse probablement envisager une très forte sensibilité de la granulométrie par rapport aux effets recherchés et surtout un effet de sensibilité pertinent par rapport aux épaisseurs de substrat en lien avec la taille des racines et des granulométrie de substrats effectivement rencontrés en construction de terrains de sport.
L’avantage de cette première approche intuitive à partir de l’analyse dimensionnelle de la loi de Juin est qu’elle permet déjà de donner une compréhension des phénomènes de capillarité adossée à l’expérience familière dans les terrains de sport et exprimée dans le cadre d’une modélisation du substrat implicitement conçu comme un ensemble de tubes et caractérisé par la distribution des rayons de ces tubes, modélisation mentale des substrats déjà familière et compréhensible de façon intuitive par l’homme de l’art, le substrat étant implicitement conçu comme un ensemble de tubes que l’on pourrait caractériser par la distribution de leurs rayons . Un avantage de cette démarche par analogie avec un faisceau de tubes est de permettre à l’homme de l’art une approche intuitive de l’existence et de l’ordre de grandeur d’une force verticale qui tire l’eau vers le haut dans le substrat sans avoir à passer par une analyse fine des phénomènes physiques ou des équations.
Cette approche est donc une première étape utile même si il n’est cependant pas possible d’aller beaucoup plus loin par cette simple analogie consistant comparer un substrat avec des tubes par un raisonnement géométrique ou dimensionnel.
A ce stade, cette comparaison ne permet pas en particulier de savoir quelle est la part de la frange capillaire (qui est la hauteur saturée en eau au-dessus du niveau piézométrique) ni la proportion de l’eau qui atteint ou qui dépasse cette hauteur significative ni surtout d’encadrer le degré de saturation aux différentes profondeurs entre la nape et la surface, ce qui constitue une problématique essentielle de l’invention. Cette comparaison permet encore moins d’envisager dans quelle mesure un flux hydrique peut se constituer pour compenser la consommation d’eau par les plantes en cas d’évapotranspiration.
En particulier, il n’est pas possible en l’état de pousser et de généraliser le raisonnement fait précédemment en reliant le poids d’eau d’un tube individuel à la force individuelle en haut du tube car on ne sait pas quelle force tracte quel poids : les chemins empruntés par l’eau pour monter dans le substrat ne sont pas des tubes rigides verticaux mais des lacets entre les grains et ces chemins ne sont pas séparés mais interconnectés, de sorte que chaque chemin d’eau entre les grains est relié à toutes les interfaces air-eau situées plus haut et réciproquement chaque interface air-eau est reliée à tous les chemins sous-jacents c’est à dire finalement à toute la phase connexe d’eau à l’intérieur de la matrice poreuse.
De plus, il faut aussi garder en mémoire que les parois constituées par la juxtaposition des grains ne sont pas rigides mais souples car les grains peuvent se rapprocher les uns des autres sous l’effet des vibrations depuis la surface ou sous l’effet des forces capillaires elles-mêmes et sous l’effet de la compaction (ou de la décompactions naturelle artificielle) qui fait évoluer dans le temps l’arrangement des grains entre eux.
Ainsi, par exemple, si l’on considère le cas d’un arrangement de billes sphériques de même dimensions, l’arrangement le plus lâche est l’arrangement cubique (chaque bille au contact de 6 billes voisines) et l’arrangement le plus serré est l’arrangement rhombique (chaque bille au contact de 12 billes voisines). La porosité est de 0,47 % pour l’arrangement cubique et de seulement 0,26% pour l’arrangement rhombique. Dans le cas d’un sable « sphérique » à granulométrie serrée (faible étalement du spectre granulométrique) les valeurs de la porosité totale sont moins différentiées (46 % en arrangement lâche et 34 % pour l’arrangement compact) alors que pour un sable à granulométrie étalée, les valeurs de la porosité descendent à 40 % en arrangement lâche et 30 % pour l’arrangement compact. C’est la densité apparente qui mesure cette porosité totale et on constate qu’elle ne dépend aucunement de la taille des grains (un agrandissement homothétique de l’ensemble par un facteur quelconque est sans influence sur la densité apparente) mais elle dépend de la forme des grains (elle est minime pour une forme sphérique et augmente quand les grains sont plus angulaires ou plus plats) et elle est minimale pour un matériau homométrique et augmente avec la largeur du spectre et surtout quand les petites particules sont assez petites pour se loger dans la porosité engendrée par l’empilement des grosses particules. Dans le cas des terrains de sport selon l’invention, on cherche des densités apparentes aussi faibles que possible ( la plus grande porosité possible avec des grains sphériques et un spectre étroit) et on considère le substrat déjà compacté à son maximum de compaction d’usage, compte tenu du mode de fabrication et d’utilisation du terrain.
En ne prenant en compte que l’expérience de Jurin, on serait donc devant une impasse. Heureusement ce n’est pas le cas, car il y a d’autres phénomènes à prendre en compte.
Pour commencer, l’eau et l’air étant des fluides, on sait que les contraintes à l’intérieur des phases fluides s’expriment d’une façon très simple par la pression du fluide en chaque point ; De ce fait, la condition d’équilibre s’exprime très facilement en fonction de la pression et la pression s’exprime elle-même très simplement à l’équilibre en fonction de la hauteur.
Cependant, même si le raisonnement qui donne la pression hydrostatique à l’intérieur d’une masse d’eau est classique, il est utile de refaire ici ce raisonnement en exprimant bien les hypothèses nécessaires au raisonnement dans le cas où l’on n’est pas dans un volume saturé d’eau mais dans une matrice poreuse avec de l’eau et de l’air. Le principe de la démonstration est semblable au principe d’Archimède et consiste à exprimer qu’à l’équilibre un cube d’eau flotte sans être poussé ni vers le haut ni vers le bas mais il importe de garder à l’esprit que l’hypothèse d’un chemin d’eau faite ci-dessous pour pouvoir démontrer la formule de pression hydrostatique est une hypothèse nécessaire pour que s’applique la formule de pression hydrostatique, qui ne s’applique donc que dans une phase connexe.
De plus, la démonstration est faite en sous-entendant implicitement que la densité de l’eau est constante (sinon on fait la même démonstration mais en introduisant la densité dans les formules) Autrement dit la formule simplifiée utilisée ici sous-entend implicitement que l’on ne tient pas compte d’un gradient de température ou de concentration saline. Concernant l’équilibre capillaire dans le cadre de l’invention, cette simplification se justifie par l’objectif recherché qui est de trouver une configuration où l’on évite une longue période de stagnation d’eau saturant la porosité, car ce qui est « redouté » est l’immobilité de l’eau saturant longtemps la porosité en hiver, de sorte qu’une mobilité de l’eau sous l’effet d’un gradient de densité serait une correction favorable, que l’on n’a donc pas besoin de considérer.
On reviendra par ailleurs sur ces hypothèses dans l’analyse complète des flux en cas de demande évaporatoire climatique estivale.
Si l’on considère donc un chemin d’eau entre la nappe d’eau et l’interface eau/air, c’est à dire une courbe quelconque dans l’espace géométrique 3 D, cette courbe montant et descendant et faisant des lacets pour passer entre les grains mais avec , pour chaque point de la courbe un volume entièrement rempli d’eau avec le point considéré strictement inclus dans ce volume, il est alors possible autour de chaque point de considérer un cube d’eau élémentaire avec des faces horizontales et 4 faces verticales , toutes de surface dS .
L’équilibre s’exprimant en particulier dans ce cube d’eau, on exprime le fait que les forces qui s’exercent sur ce cube d’eau ne le poussent ni à monter ni à descendre.
Les forces exercées par l’eau autour du cube autour du point P à l’altitude z sur le cube sur les 4 faces verticales sont des forces horizontales qui doivent s’annuler à l’équilibre et les forces verticales exercées par l’eau environnante sur le cube d’eau sont les forces de pression sur la face horizontale haute et sur la face horizontale basse du cube et valent respectivement P(z) dS et P( z+dz) dS
En plus de la force exercée sur le cube d’eau par l’eau de l’extérieur il y a le poids du cube d’eau qui l’attire vers le bas et qui vaut ρ g dS. dz.
On doit donc avoir une compensation du poids par la différence de pression qui permette au volume élémentaire d’avoir une résultante nulle des forces qui lui sont appliquées par l’extérieur, ce qui conduit à la relation :
∂P/∂z = - ρ g
soit P = Cste - ρ g z
C’est à dire P = Pa- ρ g z
avec Pa= pression atmosphérique , qui est la pression de l’eau au niveau piézométrique de la nappe
et avec z l’altitude à partir du niveau piézométrique de la nappe
On voit donc que malgré l’extrême complication de la géométrie du substrat, la « réponse » à l’équilibre de la pression d’eau à l’intérieur de la phase liquide est d’une simplicité tout aussi extrême : la réponse est une pression correspondant à une énergie potentielle qui ne dépend pas de la matrice poreuse et qui est tout simplement la pression hydrostatique dans un liquide à l’équilibre.
Attention cependant : cette formule simple P = Pa- ρ g z a été obtenue en tout point M occupé par du liquide avec la possibilité de trouver un petit cube entièrement rempli d’eau autour du point considéré et avec un chemin continu de points respectant cette même condition, permettant de relier le point M à la nappe d’eau par des points qui ont chacun un petit volume d’eau autour de soi. Cette condition s’exprime en disant que la phase liquide considérée est une phase connexe.
Cette formule n’est donc pas démontrée pour un point appartenant à l’interface avec l’air ou avec le solide mais elle s’applique au contact d’un solide ou au contact de l’interface air/eau pour calculer la force appliquée par l’eau à une surface élémentaire de solide ou respectivement à une surface élémentaire de l’interface air/eau.
En revanche, il faut retenir que cette formule n’est pas valable pour une masse d’eau isolée de la nappe, c’est à dire qui ne peut pas être reliée à la nappe par un chemin d’eau continu tel que décrit précédemment
Dans le cas d’une masse d’eau isolée de la nappe par de l’air et de la matière solide, le raisonnement concernant des chemins à l’intérieur de la masse d’eau reste valable mais s’applique en interne et la constante n’est pas connue
On peut seulement écrire, à l’intérieur de la masse d’eau isolée que si M2 et M1 sont deux points quelconques de la masse d’eau isolée, on a
P (M2) = P(M1) - ρ g ( z(M2) - z ( M1) )
Autrement dit, tant qu’on est à l’intérieur de la phase liquide et jusqu’au contact avec la matrice solide du liquide avec l’interface air-eau, le liquide est exactement comme du liquide en l’absence de solide, à ceci près qu’il est confiné à l’espace connexe de la porosité
De même la pression de l’air dans la porosité est on ne peut plus simple puisqu’elle est égale à la pression atmosphérique dans toute la phase connexe, c’est à dire en tout point de la porosité où il y a de l’air qui peut être relié à atmosphère par un chemin plein d’air.
Ainsi donc dans l’air comme dans l’eau, la multiplicité et la forme et l’épaisseur des chemins d’eau reliant un point de la phase liquide à la nappe ou un point de la phase gazeuse à l’atmosphère n’ont aucune importance sur la pression à l’équilibre mais avec toutefois une condition importante : à la condition qu’un tel chemin existe
Pa ailleurs, et de la même façon même quand il n’existe pas un chemin entre la nappe et un point de la phase liquide de la porosité(cas d’une masse d’eau piégée) , on peut relier la pression qui existe entre 2 points A et B de la même masse d’eau : Quand il existe un chemin continu d’eau entre deux points A et B , la condition d’équilibre peut s’écrire en chaque point de ce chemin et en intégrant cette équation d’équilibre le long du chemin d’eau, on trouve que la différence de pression entre le point B et le point A ne dépend pas du chemin ou des chemins remplis d’eau entre A et B mais seulement de la différence d’altimétrie entre ces eux points .
On a PB= PA- ρ g zB- zA)
Dit autrement dans le cas le plus général, on connaît la pression en tout point à l’intérieur d’une phase liquide connexe dès que l’on connaît la pression en un point de cette phase liquide.
Il n’en est pas de même pour l’eau au contact de l’air ou de la triple interface.
Il existe à la triple interface des phénomènes physiques spécifiques qui sont le moteur de la capillarité que ce soit pour la détermination de l’équilibre ou des flux capillaires et qui dépendent de façon essentielle de caractéristiques intrinsèques de l’eau et de la géométrie précise de la matrice poreuse, au niveau de cet interface
L’objectif, très important dans ses conséquences pour l’invention, est ici de cerner l’origine physique des forces qui font monter l’eau.
L’origine physique de cette force ascendante est la tension de surface qui se crée à la frontière entre l’eau et l’air du fait de la différence des forces à l’échelle moléculaire entre ces deux fluides non miscibles. Une barrière est tendue à la frontière par les molécules d’eau qui constituent une paroi tendue avec une force de tension tangente à la surface de la paroi et d’une valeur constante liée aux fores d’attraction-répulsion des molécules d’eau.
A la surface de séparation entre l’eau et l’air, on a des molécules d’eau qui sont assez fortement liées entre elles par le fait qu’il s’agit d’un liquide, ce qui signifie que les molécules exercent les unes sur les autres des forces qui maintiennent un lien entre elles tandis que l’air est un gaz avec des molécules qui sont nettement plus libres de faire des courses plus grandes et n’exercent surtout entre elles que des forces extrêmement répulsives et uniquement quand elles sont très proches les unes des autres pour leur éviter au dernier moment de se « cogner » quand par hasard leurs trajectoires se croisent. Dans le milieu liquide, c’est à dire dans un milieu où il existe un volume d’eau autour de chaque molécule d’eau du milieu, les forces exercées par les molécules les unes sur les autres s’annulent deux à deux.
En revanche, au niveau de l’interface, les molécules de l’interface ne disposent pas d’un volume d’eau du côté de l’air, de sorte que le maintien des molécules sur une surface implique une résultante des forces sur une molécule qui n’ait pas de composante normale par rapport à la surface (sinon la molécule d’eau recevant une résultante des forces avec une composante normale vers l’extérieur serait éjectée vers le milieu gazeux et se mélangerait à l’air ou bien ce serait au contraire un trou dans la surface qui permettrait à de l’air de pénétrer et de se mélanger à l’eau si cette résultante normale était dirigée vers l’intérieur. Or, l’eau et l’air n’étant pas miscibles, il peut en être déduit que la force résultante exercée sur l’interface est nécessairement tangente à l’interface. L’interface se comporte donc comme une membrane, avec une tension de cette membrane dans le plan tangent de la membrane, cette force étant constante (contrairement à une membrane élastique dont la tension croit avec l’allongement de la membrane) puisque créée par les forces au niveau moléculaire qui permettent la distance constante entre aux molécules voisines de se maintenir à distance les unes des autres et accrochés les unes aux autres.
Dans le liquide, contrairement à un gaz qui n’a ni forme propre ni volume propre, les molécules du liquide qui a un volume propre sont attachées les unes aux autres, comme dans un solide. Contrairement au cas solide qui a un volume propre et une forme propre, ces liaisons de liquide qui n’a pas de forme propre sont faibles et souples, de sorte que la membrane peut s’adapter à la forme de n’importe quel contenant solide lorsque le liquide « coule » et devenir plane et horizontale à la surface libre sous l’effet de la pression hydrostatique à l’équilibre. en l’absence de force capillaire. Contrairement à une membrane élastique, ce n’est pas la force de tension qui augmente quand s’allonge la membrane mais c’est le nombre de molécules d’eau qui augmente pour conserver la bonne distance et la force tangente constante correspondante.
Ainsi, l’interface air-eau est une membrane avec une force tangentielle de module constant σ et
σ est une constante intrinsèque de chaque fluide mouillant, en l’occurrence de l’eau, cette constante étant liée à l’organisation moléculaire de l’eau liquide et à rien d’autre.
Pour l’eau à 25°C , La valeur de σ est σ = 0,072 N/m
Le problème de l’interface se complique quand cette interface eau-air rencontre un solide.
En effet, il existe alors un autre phénomène physique qui est le phénomène de mouillabilité du liquide par rapport au solide : cette mouillabilité de l’eau est une affinité de l’eau pour une paroi à caractère hydrophile ou une répulsion pour une paroi à caractère hydrophobe et cette caractéristique se traduit par une exigence qui est l’angle de mouillage entre la surface d’eau et la surface du solide (tangente si le liquide est parfaitement mouillant (et avec un angle A aigu pour un mouillage non parfait, A de plus en plus petit jusqu’à A= 0 pour le mouillage parfait).
Du fait de cette mouillabilité et a fortiori avec une mouillabilité parfaite, si la paroi du solide est verticale et du fait de la parfaite mouillabilité, la membrane que constitue l’interface a l’obligation de se coller à la paroi en se mettant elle aussi à la verticale.
Du coup, la force de traction σ qui tire la membrane vers l’extérieur et qui était une force horizontale sans effet à l’équilibre dans une interface air/eau en l’absence de paroi se trouve être une force de traction verticale dirigée vers le haut en présence d’une paroi.
Si l’on revient au cas d’un tube vertical de rayon r, la membrane de l’interface va donc être dans l’obligation de trouver une forme qui lui permette d’arriver à la verticale en périphérie du tube. Arrivant à la verticale en périphérie du tube sur laquelle cette membrane s’appuie, la force de tension σ est donc dirigée verticalement et orientée vers le haut au niveau de cette périphérie : C’est cette force verticale dirigée vers le haut qui constitue la force ascensionnelle appliquée à la membrane
Si l’on fait le bilan des forces en confondant la surface de l’interface par approximation avec la surface horizontale en haut du tube, on a en périphérie une force verticale de tension constante σ dirigée vers le haut appliquée sur une circonférence de longueur 2 π r , dont la résultante est une force verticale dirigée vers le haut de module : Fpériphérie= 2 π σ r
Dans les formules ci-dessus on après implicitement l’hypothèse d’un mouillage parfait (angle de mouillage nul) et d’une membrane dont les deux extrémités sont à la verticale. SI l’angle de mouillage n’est pas nul, on ne doit considérer que la composante verticale qui tire vers le haut et il suffit pour cela de multiplier par cos A. Toutes les formules ci-après sont données sans préciser ce facteur cos A d’angle de mouillabilité mais il suffirait pour avoir une formule générale de considérer que ce facteur est déjà inclus dans le terme σ.
En fait, dans les substrats, il arrive que les surfaces solides de la matrice poreuse n’aient pas toutes la même affinité pour l’eau et ce sont des facteurs supplémentaires de complexité et on a même dans certains substrats des grains de liège qui sont hydrophobes ; Cette complexité liée à l’hétérogénéité des angles de mouillage peut donc en effet se rencontrer dans les substrats selon l’invention mais ne font que complexifier les calculs qui seraient à réaliser, et sans rien changer au principes exposés ci-dessous pour expliquer les causes physiques et le mode de comportement de l’eau dans la porosité et qui n’ont heureusement pas pour objet de calculer quoi que ce soit .
La force comptée vers le haut qui s’applique sur la membrane du fait de la pression de l’eau sur la membrane est égale à la pression de l’eau que multiplie la surface, soit : (Pa - ρ g h ) . π r2
Cette force est positive si h est plus petit que 10 mètres ou négative si h est très grand.
Pour donner un ordre de grandeur, on a en effet ρ g h = Pression atmosphérique = 0,1 MPa pour h = 10 mètres et d’autre part cette hauteur de 10 mètres correspond à la montée capillaire dans un tube d’un diamètre de 2µm environ.
Il faut rajouter la force Pa . π r2qui s’applique vers le bas sur la membrane de surface π r2du fait de la pression atmosphérique Pa de l’air de la porosité de l’autre côté de l’interface qui pousse sur la membrane.
On appelle pression capillaire Pc la différence entre la pression atmosphérique (qui s’exerce sur la membrane coté atmosphérique) et la pression de l’eau qui s’exerce de l’autre coté.
Du fait que la pression de l’eau vaut ( Pa - ρ g h ) , cette pression de l’eau est toujours inférieure à Pa , de sorte que le solde , c’est à dire la pression capillaire Pc, est toujours positive, ce qui signifie que la résultante des pressions appliquées sur l’interface air-eau, par l’air en partie supérieure et par l’eau en partie inférieure est toujours dirigée vers le bas.
Dans le cas des petites remontées capillaires en dessous de 10 mètres la pression de l’air pousse l’interface vers le bas tandis que la pression de l’eau pousse moins fort que l’air vers le haut, de sorte que la résultante pousse vers le bas.
Dans le cas des remontées capillaires plus importantes que 10 mètres (ce qui correspondait pour un tube capillaire selon la loi de Jurin à un tube de diamètre inférieur à 2 µm) , la pression de l’eau est elle-même négative au niveau de l’interface , de sorte que l’air pousse l’interface vers le bas et l’eau tire également l’interface vers le bas
A l’équilibre, on doit avoir la somme des forces qui s’appliquent à l’interface doit être nulle et on a donc la condition d’équilibre qui peut s’écrire :
Fpériphérie+ Fsurface= 0
soit :
Pc. surface de l’interface = . circonférence de la surface d’interface
La pression capillaire appliquée à la surface de l’interface crée une force vers le bas égale en intensité à la force verticale vers le haut exercée par la tension de surface sur la périphérie de ladite surface au niveau de la triple interface
Quand on entend souvent dire que « la pression capillaire fait monter l’eau », cette expression est cependant source de confusion car du point de vue de la physique c’est en faitexactement le contraire: En fait, la pression capillaire n’est pas ce qui fait monter l’eau mais ce qui fait descendre l’eau. En revanche, l’eau monte sous l’effet de forces supplémentaires que l’on peut nommer forces de capillarité car liées à la présence du tube et au confinement de l’eau dans ce tube. Ces forces résultent comme on l’a vu de la combinaison de la tension de surface et de la contrainte liée à la mouillabilité qui oblige les extrémités de la membrane à remonter à la verticale (si mouillabilité parfaite et accrochage sur paroi verticale) et ce sont ces forces supplémentaires que l’on peut donc nommer à juste titre forces de capillarité, ou « forces de traction capillaire » qui font monter l’eau jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint car la pression capillaire (qui crée une force poussant l’eau vers le bas) augmente proportionnellement à la hauteur de montée de l’eau. L’équilibre est atteint une fois que les forces de pression capillaire qui poussent l’eau vers le bas sont égales aux forces de traction supplémentaires créées par la présence du tube et qui tirent l’eau vers le haut.
Cependant, comme à l’équilibre on a même valeur absolue des forces de traction capillaire tirant vers le haut et des forces de pression capillaire tirant vers le bas, on confond par abus de langage la pression capillaire et la force de traction capillaire alors qu’elles sont en fait opposées) . Ce qui est exact, c'est que le module de la force qui tire un élément d’interface vers le haut est de même grandeur que la pression capillaire multipliée par la surface considérée de l’interface
Pour tenir compte de ce signe inversé, il est également classique de nommer « pression de succion » la pression dirigée vers le haut , de même grandeur mais de sens opposé à la pression capillaire qui, elle, pousse l’interface vers le bas.
Certes , avec la « pression » de succion, le sens et la grandeur de la force de succion sont cette fois corrects pour représenter la force de traction capillaire vers le haut mais cela prête encore gravement à confusion et nous n’utiliserons pas non plus cette simplification de langage courante mais qui incite à penser, à tort , que la force de traction vers le haut par pression de succion est une pression qui s’exerce sur une surface alors que, comme on vient de le voir, ce n’est pas le cas puisque la traction capillaire s’exerce, elle, sur la périphérie. Or, c’est ce genre de liberté de langage, pratique et sans conséquences pour les spécialistes de ces questions, qui sème la confusion auprès des non spécialistes et qui du coup les empêche de comprendre la nature même ce qui se passe dans le substrat.
On peut en particulier appliquer les formules vues ci-dessus au cas particulier de la remontée capillaire dans un tube trempé dans une nappe d’eau conformément l’expérience des tubes de Jurin
On a vu précédemment que dans le cas d’une nappe d’eau, on a partout dans la phase liquide :
P = Pa - ρ g h où h est la hauteur d’eau au-dessus du niveau piézométrique de la nappe.
Dans ce cas on a : Pc = Pa - ( Pa - ρ g h ) = ρ g h
Au bout du compte, la force exercée sur la membrane par l’air d’un coté et l’eau de l’autre et que l’on compte positive si elle est dirigée vers le haut est : Fsurface= Pc. ∆S = - ρ g h . π r2
La condition Pc. surface de l’interface = . Circonférence de la surface d’interface peut alors s’écrire :
ρ g h . π r2= 2 π σ r
On retrouve donc bien à l’équilibre la formule de Juin déterminée expérimentalement à l’origine et qui se déduit ici de la combinaison de la loi de pression hydrostatique en milieu poreux et des lois physiques (ension capillaire et mouillabilité) exprimant la force de traction capillaire :
h = 2 σ / ρ g r soit : h = 15 mm2r-1
Ainsi, dans le cas particulièrement simple du tube de Jurin, on retrouve bien la hauteur de remontée d’eau conforme à la loi expérimentale de Jurin par application des deux principes physique :
- le respect de l’angle de mouillabilité parfaite de l’eau sur la silice
- et la tension de surface constante σ (propriété intrinsèque de l’eau) à l’interface air-eau
en rajoutant le fait que dans le cas particulier de la présence d’une nappe d’eau, la pression hydrostatique dans la phase liquide en un point quelconque situé à la hauteur h par rapport au niveau piézométrique del nappe vaut P = Pa - ρ g h
On a vu également que la condition d’équilibre compte tenu de ces deux principes peut s’écrire :
Pc. surface de l’interface = . circonférence de la surface d’interface
où Pc= Pair- Peau, différence entre la pression atmosphérique et la pression de l’eau est la pression capillaire, soit Pc= ρ g h
On a vu ci-dessus que la condition d’équilibre d’une interface au niveau d’un pore pouvait s’écrire :
Pc . surface de l’interface = . circonférence de la surface d’interface
soit Pc = . (circonférence de la surface d’interface / surface de l’interface)
Dans chaque pore, en tirant l’interface vers le bas, la pression capillaire appliquée à une surface est ce qui s’applique à la surface de l’interface et tire cette interface vers le bas et qui équilibre l’effet de la tension de surface qui s’applique sur la circonférence de l’interface et qui tire, elle, l’interface vers le haut.
La loi de Laplace donne une précision mathématique supplémentaire et essentielle concernant le rapport géométrique qui doit nécessairement exister entre la circonférence de l’interface et la surface qui s’appuie dessus.
Cette interface entre l’air et l’eau dans l’espace poral doit s’appuyer sur les grains selon une courbe d’appui correspondant à la triple interface avec l’angle de mouillage de l’eau et la tension de surface de la membrane. Or, non seulement la membrane doit être en équilibre dans sa globalité mais toute micro -surface dessinée sur cette membrane d’interface doit être elle-même en équilibre. Si cette micro-surface n’était pas en équilibre, elle ne resterait pas en place et obligerait l’ensemble de la surface à se déformer jusqu’à ce qu’elle trouve son équilibre.
Or, si l’on considère une micro-surface quelconque dessinée sur la membrane de l’interface et dont la projection sur un plan tangent serait un petit rectangle, la force résultante qui s’exerce sur cette petite surface est la résultante des forces qui s’exercent sur sa périphérie et des forces qui s’exercent sur sa surface, c’est à dire la pression capillaire (c’est à dire la pression atmosphérique d’un côté moins la pression de l’eau de l’autre côté et en sens opposé) .
Si l’on considère les cotés de la petite surface considérée, c’est comme un rectangle avec deux cotés parallèles de longueur X selon l’axe des x et 2 cotés parallèles de longueur Y selon l’axe des y (perpendiculaire à l’axe des x) mais dont les côtés sont courbés et avec un rayon de courbure Rxpour les cotés selon l’axe des x et avec un rayon de courbure Rypour les côtés selon l’axe des y .
Soient Axet Ayles angles respectifs sous lesquels sont vus le coté X et le coté Y depuis leur centres respectifs, on donc X = Ax. Rxet Y = Ay. Ry
La force exercée par la pression capillaire est égale à :
FPression= Pc. X.Y = Pc. Ax. Rx. Ax. Rx
La force exercée par la tension de surface sur chacun des deux cotés selon l’axe des y est proportionnelle à la longueur Y dudit coté et une valeur qui dépend de la courbure perpendiculairement à Y, c’est à dire selon X.
La longueur sur laquelle s’exerce la force est Y qui vaut et qui vaut Ay. Ryet comme il y a 2 cotés parallèles cela fait une longueur de 2 Ay. Ry
La force exercée est égale à σ mais sa projection dans l’axe normal à la surface est
σ. cos ( ∏/2 - Ax) = σ . Ax/ 2
de sorte que la force exercée par les 2 cotés selon l’axe des y vaut . Ax/2 . ( 2 Ay. Ry )
de même la force exercée par les 2 cotés selon l’axe des x vaut . Ay. ( Ax. Rx )
en sommant les deux contributions, on a :
Fpériphérique= . Ax. Ay. ( Rx+ Ry)
On doit avoir Fpériphérique= FPression
soit . Ax. Ay. ( Rx+ Ry) = Pc. Ax. Rx. Ay. Ry
On en déduit finalement qu’on a à l’équilibre :
Pc= . ( 1/Rx + 1/Ry )
On sait qu’une démonstration géométrique permet également de dire que cette somme ( 1/Rx + 1/Ry ) a la même valeur pour 2 plans quelconques et perpendiculaires entre eux et on définit le rayon de courbure de la surface Rc par 1/Rc = ( 1/Rx + 1/Ry )
Dans ces conditions, la condition d’équilibre à l’interface eau/air s’écrit en tout point de l’interface :
Pc= . 1/Rc
ou, de façon équivalente :
Rc= . 1/Pc
où Rcest la valeur de la courbure de l’interface et Pcest la valeur de la pression capillaire
C’est la formule de Laplace.
Cette formule de Laplace exprime le fait que les forces de tension de surface qui tirent l’interface eau/air vers l’air et les forces de pression qui tirent l’interface eau/air vers l’eau s’équilibrent à partir de la courbure capillaire de la surface de l’interface eau/air qui s’établit spontanément sur la surface de l’interface pour obéir à la contrainte de mouillabilité et de tension de surface , qui a nécessairement à l’équilibre une courbure identique en tout point de l’interface et dont on connaît la valeur unique par la formule de Laplace, (pour σ connu qui est une constante ne dépendant que du fluide) et pour une pression capillaire donnée .
L’intérêt de cette formule de Laplace est de montrer que finalement la surface de l’interface a en tout point une courbure déterminée par 2 paramètres :
- la tension de surface σ du liquide mouillant
- la pression capillaire
Or, pour un liquide mouillant donné, la tension de surface σ est une constante. (à température constante)
La conséquence directe de la formule de Laplace est donc que dans chaque pore de la matrice poreuse aussi bien que dans l’ensemble du substrat, le rayon de courbure de la surface Rc de l’interface air-eau à l’intérieur du pore considéré est une fonction de la seule pression capillaire.
Ainsi, pour un pore quelconque dans lequel sont présents simultanément de l’eau et de l’air, l’interface est une surface gauche de rayon de courbure de surface constante sur toute l’interface et s’appuyant en périphérie sur la matrice poreuse selon la courbe de la triple interface (air-eau- solide ) . Cette courbe est-elle même fonction de la géométrie particulière de chaque pore
Or, si l’on considère connue cette courbe de la triple interface, une démonstration mathématique concernant la géométrie d’une surface de rayon de courbure surfacique constante et s’appuyant avec un angle constant sur une courbe simple ( courbe simple mais démonstration plutôt compliquée puisqu’elle a valu la médaille Fields à son auteur) prouve que pour une courbure de surface constante donnée et une courbe périphérique donnée, il existe une et une seule surface s’appuyant sur la courbe simple considérée.
Restons d’abord sur le cas de cette courbe d’interface supposée connue. Cette surface unique sépare le volume d’eau du volume d’air qui font une partition de la porosité, de sorte que cela détermine dans ce pore considéré le volume d’eau et le volume d’air et donc tout aussi bien le taux de saturation de l’eau dans ou de teneur en eau θ ( Pc) à l’intérieur du pore considéré.
Il faut admettre cependant qu’une difficulté se présente dans la mesure où il n’existe pas une unique courbe d’appui de l’interface sur les parois de la porosité. Cependant, même si la teneur en eau à l’intérieur du pore considéré dépend de la courbe d’appui, la répartition des volumes d’air et d’eau dépend surtout du rayon de courbure surfacique de l’interface et de façon plus marginale de la courbe d’appui et en prenant l’ensemble des courbes périphériques d’interface possibles, on peut alors considérer le minimum et le maximum de θ ( Pc) pour le pore considéré en passant fictivement en revue toutes les courbes de cet ensemble et de toutes façons on peut écrire que
θ ( Pc) = θmoyen( Pc) + correction aléatoire (courbe d’appui)
Pour la plupart des géométries de pores que l’on peut rencontrer, la valeur absolue de la fonction corrective correction aléatoire (courbe d’appui) a finalement une valeur relativement marginale par rapport à celle de θmoyen( Pc)
Ensuite, de toutes façons, si l’on passe d’un pore unique à un volume représentatif de substrat comprenant un très grand nombre de pores connexes et soumis à la même Pression capillaire, le raisonnement est le même dans chacun des pores constitutifs d’une partition de ce volume d’eau et le volume d’eau est égal à la somme des volumes d’eau des pores de cette partition et il en est de même pour les volumes d’air.
Pour chacun de ces pores Pi, le volume d’eau vaut
volume d’eaui( Pc) = volume d’eaui moyen( Pc) + correction aléatoirei(courbe d’appui)
Le volume d’eau dans le volume complet st égal à la somme des volumes d’eau dans chacun des pores
volume d’eau ( Pc) = ∑ volume d’eaui moyen( Pc) + ∑ correction aléatoirei(courbe d’appui)
Statistiquement, la somme des corrections aléatoires par rapport à la moyenne est assez faible car les corrections en excès et les corrections en défaut se compensent globalement
De sorte que finalement, pour chaque pression capillaire donnée, le volume d’eau dans le volume représentatif de substrat est proche de la somme des valeurs moyennes individuelles de volume d’eau pour la pression capillaire considéré de chacun des pores constituant une partition du volume représentatif considéré .
Autrement dit, pour un volume représentatif de substrat à une pression capillaire donnée :
- le rayon de courbure de l’interface air-eau est totalement déterminé
- le volume d’eau et par conséquence la teneur en eau ou le taux de saturation sont eux aussi pratiquement déterminés, à une petite marge d’erreur près
Ce résultat fondamental explique l’existence pour chaque substrat de courbes de profils hydriques caractéristiques reliant la saturation en eau à la pression capillaire.
Il y a bien un petit bémol théorique dans la mesure où la loi de Laplace permet d’affirmer que la pression capillaire détermine totalement le rayon de courbure de l’Interface mais ne permet de déterminer la teneur en eau qu’avec une marge d’erreur relativement marginale.
Malgré ce bémol d’une détermination avec une petite marge d’incertitude, il s’agit d’un résultat théorique d’une très grande portée car cela permet de dire que le taux de saturation dans un substrat est à peu près entièrement déterminé par la géométrie du substrat et la tension de surface du liquide mouillant qui sont des constantes et par la pression capillaire comme variable unique .
Or, pour l’eau, la tension de surface est une constante (à température constante) et la géométrie du substrat est une donnée (même si cette géométrie peut évoluer à une échelle de temps plus longue avec la compaction) et ainsi, le taux de saturation qui nous intéresse ne dépend finalement que de la géométrie du substrat qui est une constante caractéristique du substrat et de la pression capillaire.
Ainsi, on peut donner de chaque substrat une caractérisation théorique par une courbe reliant directement le taux de saturation à la pression capillaire
Or, on a vu que dans le cas d’un milieu poreux saturé jusqu’à une certaine hauteur par une nappe d’eau la pression capillaire s’exprime directement en fonction de l’altitude h de chaque point au-dessus du niveau pézométrique par la formule Pc= ρ g h
Dans ces conditions, on peut donc donner dudit substrat la caractérisation théorique ci-dessus par une courbe reliant directement le taux de saturation à l’altitude.
Or, relier le taux de saturation à l’altitude est justement ce que l’on souhaite obtenir.
En effet, le profil θ ( h ) correspond exactement à ce que l’on cherche à maîtriser.
On peut combiner la loi de Laplace et la loi de pression hydrostatique pour un volume représentatif, un échantillon représentatif ou pour l’ensemble du substrat en place car la pression hydrostatique, comme la pression capillaire sont des fonctions d’état (contrairement à la teneur en eau qui dépend d’une donnée géométrique contingente.
La pression capillaire vaut Pc= Pa- (P0rigine- ρ g h) . C’est une fonction d’état qui peut changer dans le temps mais à valeur uniformément égale dans l’ensemble de l’échantillon représentatif pour une altitude donnée (avec la restriction que soit bien respectée l’hypothèse d’une phase d’eau connexe jusqu’à cette altitude et d’une phase d’air à pression atmosphérique car connexe jusqu’à l’atmosphère).
En effet, dès lors que cette hypothèse est bien respectée, Paest la pression atmosphérique qui est uniforme dans la porosité (en tout cas dans la phase connexe de l’air de la porosité c’est à dire en dehors d’air éventuellement piégé dont il n’est pas (encore) question ici ; D’autre part (P0rigine- ρ g h) est uniforme dans l’échantillon pour une hauteur h déterminée par rapport à une origine quelconque à la pression P0rigineet donc la pression d’eau demeure partout la même à une altitude donnée .
Si l’on considère en particulier un petit volume de substrat représentatif, c’est à dire « suffisamment grand » pour être statistiquement représentatif de la géométrie du substrat et suffisamment peu épais pour considérer l’altitude h de l’échantillon comme une constante dans l’échantillon, il en résulte que la pression capillaire est donc elle-même une variable d’état constante dans l’échantillon représentatif (étant la soustraction de deux variables d’état constantes dans le volume représentatif).
Du coup, la conséquence de cette formule de Laplace est que pour un volume représentatif du substrat peu épais à une hauteur quelconque, la courbure de l’interface ne dépend en tout point que de la seule pression capillaire, c’est à dire de l’altitude pour une géométrie du substrat donnée.
Aussi, même sans connaitre ou pouvoir se représenter mentalement cette géométrie complexe en 3D, on fait simplement confiance à la loi des grands nombres pour dire qu’elle est uniforme dans tout le substrat à une échelle satisfaisante. (Cette hypothèse n’est pas évidente pour tous les poreux mais peut être admise pour les substrats de structures assez simples dans le cadre de la présente invention).
Finalement, pour une pression capillaire donnée, on peut faire une partition du volume représentatif de substrat considéré en un très grand nombre de pores distincts quoique juxtaposés et connectés.
La problématique de l’invention est de chercher à déterminer pour z donné quelle va être le profil de teneur en eau du substrat en fonction des conditions choisies ( composition et épaisseur du substrat , profondeur de la nappe).
Dans le cas d’un substrat avec nappe d’eau avec pression atmosphérique à l’altitude h (c’est à dire avec niveau piézométrique à la profondeur h ) , on sait que la pression capillaire à l’altitude z vaut Pc= Pa- ( Pa- ρ g (z-h ) ) = ρ g (z-h ) ρ g ( hc )
en appelant hauteur capillaire hc la hauteur d’eau z-h au-dessus des niveau la surface libre où la pression capillaire vaut zéro.
On connaît la tension de l’eau σ.
Donc pour toute profondeur z, on sait par la loi de Laplace que la courbure Rc de l’interface.
est déterminée en tout point de la porosité du substrat par la formule : Rc= σ / ρ g ( hc )
Ainsi, sans même savoir calculer les courbures de la surface de l’interface puisque l’on ne peut pas décrire la géométrie du milieu poreux, le seul fait de savoir qu’il est déterminé par la seule hauteur capillaire permet d’en déduire que l’on peut caractériser l’équilibre capillaire du substrat par un simple échantillon statistiquement représentatif ou par une mesure de profil hydrique sur une colonne de substrat représentative.
En effet, pour chaque pore, la surface de l’interface étant (statistiquement) déterminée par la courbure de l’interface, cette surface géométriquement déterminée par la courbure et la géométrie du pore partage le pore en 2 volumes statistiquement) déterminés, de sorte que le rapport du volume d’eau par rapport au volume poral de chacun des pores est déterminé par la courbure de la surface (et idem par différence pour l’air).
Aussi, pour un rayon de courbure donné qui est le même dans tous les points de l’échantillon (la courbure étant fonction déterminée de variables d’état étant donc elle même une variable d’état) En sommant tous les volumes d’eau de tous les pores on obtient la teneur en eau de l’échantillon représentatif et en sommant le volume poral de tous les pores, on obtient le volume poral de l’échantillon représentatif et en divisant les deux quantités à l’échelle de l’échantillon représentatif, on obtient la teneur en eau représentative θ (Courbure) de l’échantillon pour une courbure donnée.
Or la courbure est elle-même fonction de la pression capillaire par la formule de Laplace :
Rc= . 1/Pc
Par changement de variable on obtient donc la courbe θ (Pc) et comme la pression capillaire est fonction de la hauteur dans l’échantillon, on obtient donc par changement de variable le profil de teneur en eau θ (hc)
C’est l’obtention de cette conclusion qui justifie à elle seule tous les développements qui précèdent sur l’origine physique des forces qui déterminent l’équilibre de l’interface air/eau.
On peut donc légitimement exprimer la Loi de Laplace en exprimant la pression capillaire par un simple changement de variable réalisé en exprimant la pression capillaire comme la hauteur au-dessus du niveau piézométrique d’une nappe (altitude où la pression de l’eau est à la pression atmosphérique)
On ne sait pas à partir des lois physiques calculer la teneur en eau dans un substrat donné car cette teneur en eau dépend de la géométrie de la porosité du substrat et qu’il n’est pas possible d’avoir accès à cette géométrie réelle 3D et hyper complexe du substrat.
Cependant, grâce à la loi de Laplace, il n’est pas nécessaire de connaître cette géométrie pour prévoir la teneur en eau dans le substrat car on peut faire des mesures pour connaître la teneur en eau en fonction de la pression capillaire dans des conditions expérimentales dans lesquelles on la connaît et on sait par la loi de Laplace que cette teneur en eau à l’équilibre capillaire sera toujours identique ( avec des réserves explicitées plus bas) pour la même pression capillaire ( loi de Laplace) et donc pour la même altitude ( loi de pression capillaire) si l’on reproduit l’expérience dans des conditions expérimentales semblables.
Quand on considère un tube cylindrique circulaire comme dans l’expérience de Jurin, on peut calculer le rayon de courbure de l’interface au sommet de la colonne d’eau s’accrochant au tube. Une interface sphérique s’appuyant tangentiellement sur un cylindre de diamètred, a une courbure qui vaut 4 /det le rayon de courbureRc=d/ 4 .
La loi de Laplace s’écrit alors : Pc= σ / Rc= 4σ / d
On peut donc écrire la loi de Laplace en remplaçant le rayon de courbure par cette valeur et cela rend alors parfaitement légitime une modélisation des pores par des cylindres.
Il s’agit d’un simple changement de variable réalisé en associant à une pression capillaire le diamètre du tube de Jurin qui a la même pression capillaire à l’interface à l’équilibre.
Cela ne signifie nullement qu’il y a des cylindres dans la porosité du substrat mais cela crée une relation mathématique entre une pression capillaire et le diamètre du tube qui créerait la même pression capillaire à l’équilibre.
Dans une première étape parfaitement rigoureuse, ce n’est pas le substrat qui doit être imaginé comme un réseau de pores cylindriques parallèles, c’est la pression capillaire qui est exprimée en diamètre par un simple changement de variable parce qu’il y a une bijection entre la pression capillaire et le diamètre de cylindre correspondant à cette pression capillaire par la fonction Pc = 4σ / d ou de façon équivalente d = 4σ / Pc
σ étant une constante pour un fluide donné à température donnée, la fonction Pc = 4σ / d est en effet bijective.
Du coup, on peut interpréter toute pression capillaire comme la pression capillaire correspondant à d = 4σ / Pc
Aussi, dès lors que l’on s’appuie sur la formule de Laplace exprimée selon la formule ci-dessus, il s’agit d’un simple choix de présentation par un changement de variable qui consiste à exprimer la pression capillaire non pas comme une pression mais comme un diamètre de pore en relation bijective avec cette pression.
Cette présentation se justifie pleinement car elle favorise une interprétation intuitive des phénomènes capillaires qui concernent la présente invention et sera donc dès lors largement utilisée ci-dessous dans la suite des explications.
Cette présentation porométrique consiste à représenter (partiellement comme on le verra ) le substrat par sa distribution porométrique.
Le comportement pris en compte par l’analogie porométrique est le suivant :
Selon l’analogie porométrique, pour une pression capillaire Pc donnée, l’eau remplit tous les pores d’une dimension de pores de diamètre inférieur à d = 4σ / Pc
Implicitement, on fait référence à des pores de forme cylindrique qui bien évidemment n’existent pas et on imagine le substrat comme un réseau de pores comme dans le substrat, chaque pore laissant ou non monter l’eau en fonction de son « diamètre » (en faisant évidemment référence implicite au diamètre d’un tube cylindrique ayant le même effet).
Pour une Pression capillaire donnée, la loi de Laplace associe une courbure d’interface 1 /RC
et d = 4σ / Pcoù d est le diamètre du tube qui permet à la sphère de rayon 4 RCde s’appuyer tangentiellement sur le tube.
Ceci signifie que tous les rayons de sphère inférieure permettent à la sphère d’être à l’intérieur du tube tandis que les rayons supérieurs ne permettent pas à la sphère de rentrer dans le tube.
De ce fait, tous les diamètres de tubes inférieurs permettent à l’eau de monter et de remplir le tube tandis que les tubes de diamètres supérieurs restent remplis d’air car une interface de rayon de courbure 1 /RCest trop exigüe pour pouvoir s’accrocher aux parois des pores qui sont trop éloignées l’une de l’autre.
Ainsi, à partir de la fonction bijective d = 4σ / Pc, on définit la distribution porométrique η (d), qui à tout diamètre d associe le volume cumulé de tous les pores de diamètres inférieur ou égal à d, ( analogie implicite des tubes cylindriques) en considérant que ce volume η (d) correspond au volume d’eau que doit retenir la matrice poreuse, puisque, selon l’analogie porométrique des pores cylindriques, pour une pression capillaire Pc donnée, l’eau remplit tous les pores d’une dimension de pores de diamètre inférieur à d = 4σ / Pc.
Ce raisonnement simple justifié par la formule de Laplace permet d’expliquer la nature de la fonction cumulative η (d) en considérant chaque diamètre de tube comme équivalent à une pression capillaire donnée, selon la formule d = 4η / Pc.
Selon cette analogie traduite par un changement de variable bijectif, quand on passe du diamètre d au diamètre d + ∆d, cela revient à passer de la pression capillaire Pc= 4σ /d à la pression capillaire Pc’= 4σ / (d+∆d)
Autrement dit, distribution porométrique h (d) est la proportion du volume poral occupée par des pores de diamètre inférieur ou égal à d en calculant d par la formule de Laplace en fonction de la pression capillaire d = 4η / Pc
Cette interprétation porométrique permet une compréhension plus intuitive des phénomènes. Par exemple, on a vu qu’ aux fortes courbures d’interface, c’est à dire lorsque le liquide est confiné dans des pores très fins, la loi de Laplace montre que l’eau peut ainsi être dans un état de traction, c’est à dire avec une pression négative : autrement dit si l’on prend une surface fictive séparant un volume 1 d’un volume 2 d’eau , la force exercée par le volume 2 sur le volume 1 à travers la surface est une fore qui attire le volume 1 vers le volume 2 alors qu’avec une pression positive le volume 2 pousse la surface en direction du volume 1.
Avec Pc= 4σ / d = Pa -Pliquide
La condition Pliquide≤ O s’écrit : 4σ / d ≥ Pa
ce qui s’interprète par d ≤ 2µm (comme on l’avait calculé plus haut de façon directe dans le cas des tubes de Jurin).
Ainsi, dans cet exemple, on peut interpréter cela dans un substrat quelconque en disant que c’est la présence (ou non) de pores de très petite dimension, « d’une pyrométrie inférieure à 2 µm » qui permet (ou non) d’avoir des pressions négatives dans le substrat.
En fait, on voit bien à ce stade que si il n’y avait pas d’autres phénomènes physiques qui se rajoutaient à la seule combinaison de la loi de Laplace et de la loi de pression hydrostatique, on devrait avoir une correspondance parfaite et en toutes circonstances entre l’altitude et la teneur en eau à l’équilibre capillaire, correspondance régie par la seule distribution porométrique du substrat.
C’est ce à quoi on s’attend à ce stade des explications mais cependant il sera vu plus loin que d’autres phénomènes physiques ( liés à la répartition statistique non plus des seules dimensions des pores du substrat mais également de leur répartition géométrique dans le substrat) interviennent se rajoutent aux phénomènes déjà vus ci-dessus pour rendre possible ou non la percolation jusqu’au point d’équilibre capillaire ainsi prévu et que ces phénomènes doivent donc également être répertoriés, analysés et pris en compte pour estimer dans quelle intervalle peut se trouver à tout moment et en toutes circonstances la teneur en eau à l’équilibre capillaire pour une altitude donnée.
Ce résultat idéal « miraculeux » étant un peu trop beau doit donc être pris avec ces quelques pincettes. Cependant, l’expérience montre, que l’interprétation par la distribution porométrique donne des résultats parfaitement fiables, si l’on prend les précautions appropriées, comme nous allons le voir.
Si l’on considère un substrat installé au-dessus d’un support avec une nappe d’eau dont on connaît le niveau piézométrique, et que l’on dispose in situ d’outils de mesure de la teneur en eau du substrat à différentes profondeurs , il est possible de prendre à diverses reprises quelques mesures de points du profil de teneur en eau θ ( z ) et de comparer ces résultats expérimentaux à la même profondeur en fonction des circonstances.
Les deux seules circonstances plus ou moins reproductibles expérimentalement sont celles des deux conditions initiales extrêmes opposées correspondant à un substrat initialement rempli d’air ou d’eau.
Dans le cas d’une expérience d’imbibition capillaire à partir d’un état de substrat initialement sec, on observe que l’eau remonte spontanément à l’intérieur de la porosité du substrat, s’élevant donc, sous l’effet des forces capillaires, plus haut que le niveau piézomètrique de la nappe à la pression atmosphérique Pa .
De l’opposition entre les forces de gravité qui tirent l’eau vers le bas et des forces de capillarité qui tirent l’eau vers le haut, il résulte un certain profil d’équilibre θ/ε (z) qui est considéré atteint « au bout d’un certain temps » quand l’eau « cesse de monter » dans le substrat initialement saturé d’air, cet équilibre d’imbibition se traduisant par une courbe de saturation θ/ε (z) d’imbibition du milieu poreux au-dessus de ce niveau piézométrique.
De la même façon, il est également bien connu par l’expérience que si l’on considère au contraire un substrat initialement saturé d’eau au-dessus de la nappe et qu’on laisse le système s’équilibrer, l’eau va percoler à l’intérieur du substrat sous l’effet de la gravité mais une partie seulement de l’eau va descendre tandis qu’une autre partie va rester « accrochée » par capillarité à la matrice poreuse du substrat et on aboutit finalement , toujours « au bout d’un certain temps », une fois que l’eau « cesse de descendre » sous l’effet de la gravité, à un nouvel équilibre de la courbe dite de drainage primaire ou de de désaturation θ/ε (z) au-dessus de ce niveau piézométrique.
Si l’on répète plusieurs fois l’opération de remplissage du substrat initialement saturé d’air par remontée d’eau depuis la nappe par capillarité ou si l’ on répète plusieurs fois le drainage par gravité vers la nappe du substrat initialement saturé d’eau, on constate que l’on obtient es courbes expérimentales de saturation θ/ε (z) :
- qui sont pratiquement les mêmes à chaque descente par drainage et pratiquement les mêmes à chaque montée par remonté capillaire
- qui sont cependant nettement différentes en haut du profil et en bas du profil selon que l’on est en drainage ou en imbibition
qui sont relativement semblables en drainage et en imbibition dans la partie médiane du profil (quoique différentes ))malgré leurs différences nettement plus sensibles dans la partie haute et dans la partie basse du profil
- avec la courbe de drainage toujours supérieure du haut en bas du profil à la courbe d’imbibition
- avec une nette différence en haut et en bas du profil et une différence légère sur la partie médiane entre les deux parties du bas et du haut du profil
- avec une une forme en S des proils, avec une partie haute et une partie basse de la courbe où les saturation en eau sont pratiquement constantes, avec peu très d’eau en eau et quasi- saturation en bas et une courbe qui rejoint ces deux situations extrêmes, avec une pente d’autant plus forte que le spectre porométrique est étroit et une amplitude d’autant plus grande que la porométrie concerne des petits diamètres
Puisque ce que l’on cherche à connaître dans le cadre de la présente invention est le profil à l’équilibre capillaire de saturation θ/ε (z) ou de teneur en eau θ (z), et puisque l’on sait par la loi de Laplace et de la pression hydrostatique que ce profil a du sens, Il serait naturellement tentant pour le connaître de se contenter en première approche de le mesurer « tout bêtement » une fois pour toutes in situ
Cependant, on n’est jamais capable in situ de mesurer vraiment une courbe représentative d’une caractéristique capillaire. Cette impossibilité résulte tout d’abord de deux raisons théoriques et ensuite d’une raison pratique de mesures.
Une première raison théorique concerne la cinétique de mise à l’équilibre.
Si l’on prend une mesure à un moment donné des pressions capillaires in situ, cette mesure ne concerne pratiquement jamais un état d’équilibre capillaire. Compte tenu de l’eau qui descend par gravité après une arrivée par la pluie ou l’arrosage ou la condensation superficielle et compte tenu de l’eau qui monte par capillarité ou qui s’évapore, l’eau dans le substrat in situ est très rarement en équilibre mais dans un mouvement vers l’équilibre entre la capillarité et le drainage capillaire qui sont des processus assez lents, suffisamment lents pour ne pas avoir souvent le temps d’arrière à l’équilibre entre deux perturbations du milieu. Ainsi, il se peut que l’eau soit « à un moment donné » au-dessus de son équilibre en partie haute par exemple et en dessous de son équilibre en partie basse et il faut « un certain temps » pour que les percolations de l’eau dans les deux sens permettent à la teneur en eau d’évoluer en diminuant en haut et en augmentant en bas vers un nouvel équilibre par des percolations qui peuvent être plus ou moins libres ou empêchées d’avoir lieu plus ou moins rapidement ; Au bout du compte il est difficile de savoir en quoi un profil de teneur en eau mesuré à un instant t est plus ou moins représentatif d’une quelconque caractéristique capillaire et de laquelle. Aussi, la mesure du profil hydrique à deux instants différents donnera en principe deux profils différents dont aucun ne correspondra à un profil d’équilibre capillaire. La seule façon de connaître une relation entre le taux de saturation et la hauteur capillaire à l’équilibre est un protocole qui permet de garantir que l’on est à l’équilibre à la hauteur capillaire déterminée.
Une seconde raison théorique concerne les phénomènes d’hysteresis . A supposer que le substrat soit à l’équilibre capillaire à un moment donné, ce résultat à l’équilibre capillaire in situ dépend de l’histoire passée du substrat. Ces phénomènes d’hysteresis sont inéluctables in situ car ils sont liés à l’existence d’une histoire du substrat. Comme cela sera expliqué plus loin, ils sont liés à la géométrie 3D qui permet en principe à la plupart -mais seulement à la plupart - des masses d’air d’être en connexité directe avec l’air de surface par des chemins continus qui transmettent la pression atmosphérique à l’air de la porosité tandis que presque toute l’eau - mais seulement presque toute - est également en connexion directe avec la nappe sous-jacente par des chemins continus d’eau qui transmettent la pression hydrostatique de l’eau. Il reste cependant des « poches « d’air piégées quand l’eau remonte et remplit un substrat initialement saturé d’air et des poches d’eau piégées quand l’air descend et remplit un substrat initialement saturé d’eau. Ce sont ces poches qui créent une différence d’une expérience à l’autre et surtout une différence entre les courbes de saturation d’eau obtenues par imbibition à la montée versus par désaturation à la descente (drainage gravitaire). Dans un substrat réel qui a déjà subi toute une histoire et comporte déjà des zones de piégeage qui dépendent de cette histoire, chaque nouvelle montée ou descente d’eau est perturbée par les zones de piégeage issues du passé et rencontrées, de sorte que l’équilibre vers lequel tend le substrat à un moment donné de son histoire dépend de l’ aspect aléatoire des piégeages et de l’histoire passée de la saturation de la porosité à l’intérieur du substrat. Ce phénomène connu sous le nom d’hystérésis explique que l’on ne puisse pas prévoir de façon déterministe un profil de saturation du substrat à l’équilibre capillaire sans une marge d’erreur non négligeable, malgré la démonstration de déterminisme faite précédemment à l’échelle microscopique.
Se rajoute la raison pratique concernant la difficulté de mesurer un profil instantané de teneur en eau. Non seulement on ne saurait pas interpréter un profil instantané de teneur en eau à l’instant t car il ne s’agit d’aucune des deux caractéristiques capillaires principales ( drainage et imbibition) mais d’un intermédiaire difficile à caractériser mais en plus il y a la raison pratique des mesures in situ non adaptées à la détermination d’un profil instantané de teneur en eau .
Chaque mesure est réalisée par un appareillage qui fait une moyenne de la teneur en eau sur un intervalle de hauteur et non à un point de hauteur donnée et nécessite l’installation de l’appareillage qui perturbe significativement le milieu.
Aussi, même si, compte tenu de la loi de Laplace d’une part et de la loi de pression hydrostatique d’autre part, il serait tentant de s’imaginer de façon simplificatrice qu’il serait finalement très simple de se contenter de placer expérimentalement une colonne de substrat au-dessus d’une nappe d’eau et de mesurer la teneur en eau aux différentes hauteur et que cette mesure donnerait automatiquement « le » profil de teneur en eau θ (z) qui se confondrait avec le profil hydrique unique qui semble découler de la simple combinaison de la loi de Laplace et de la loi de pression hydrostatique, ce n’est pas ce qui résulte de l’expérience qui montre au contraire qu’il existe plusieurs chemins dans le plan (θ , Pc) et qu’on ne pourrait pas déduire grand-chose d’une mesure hypothétiquement parfaite d’un profil de profil de teneur en eau θ (z) à un moment donné car elle ne correspond pas généralement à un équilibre capillaire en tout point de la colonne de substrat, pouvant se trouver simultanément au-dessus de l’équilibre et en dessous de l’équilibre selon les tranches altimétries en fonction de la cinétique de flux de drainage vers le bas et de capillarité vers le haut en fonction des évènements antérieurs.
Aussi les seules mesures qui permettent de caractériser les caractéristiques principales caractérisant un substrat de façon intrinsèque ne se font pas in situ mais seulement à partir d’échantillons représentatifs en maîtrisant les chemins dans le plan ( , Pc ) par un protocole adéquat, comme ce sera expliqué ci-dessous.
Dans un second temps, à partir des résultats obtenus par des expériences maîtrisées selon le principe expérimental habituellement mis en œuvre pour déterminer des courbes de saturation en fonction de la pression capillaire, traditionnellement nommées caractéristiques capillaires, en ayant tout l’échantillon à la même pression capillaire au moment de chaque mesure et en faisant varier la pression capillaire entre deux mesures successives, on déduit ensuite les caractéristiques capillaires principales qui encadrent le profil de teneur en eau ou de saturation en fonction de la hauteur d’eau z au-dessus du niveau pézométrique de la nappe par la formule de la pression hydraulique Pc( z) = ρ g z .
En conclusion de cette démarche expérimentale, il est alors possible d’encadrer le profil hydrique à l’équilibre capillaire entre deux courbes dépendant de la disposition et des caractéristiques intrinsèques du substrat, et c’est bien ce que l’on cherche à obtenir de façon paramétrique pour pouvoir maîtriser selon l’invention la gestion de la teneur en eau à l’équilibre capillaire par un choix judicieux des paramètres en question.
Conformément à la loi de Laplace, on a vu que l’analogie porométrique permet de représenter une partie de ce qui se passe réellement dans le substrat d’une façon relativement aisée à concevoir, en considérant le substrat comme un réseau de tubes parallèles , caractérisé par sa distribution, cette distribution étant ajustée pour avoir le même équilibre hydrique que celui du substrat.
Néanmoins, Il est bien évident qu’il ne faut pas sur-interpréter cette équivalence entre le substrat et sa seule distribution porométrique.En effet, aucun des chemins empruntés par l’eau ou par l’air entre les grains n’est rigide, cylindrique, à section circulaire et axe vertical et par ailleurs tous les chemins communiquent entre eux et s’équilibrent ente eux et non pas séparément comme dans des tubes cylindriques séparés : La représentation par une distribution porométrique ne peut en aucune façon prétendre viser la description réaliste de la réalité géographie du substrat.
Aussi, si l’on veut représenter le comportement de l’eau à travers le substrat (et notamment les phénomènes de seuil de percolation et d’hystérésis ) on voit rapidement que la seule distribution porométrique est insuffisante et qu'il faudrait également rajouter un moyen de représenter les caractéristiques de la fonction de percolation à travers le substrat. Il est en effet possible de pousser plus loin l’analogie en rajoutant un deuxième réseau de tubes qui de façon analogique relient entre eux les tubes représentant la distribution porométrique qui représente, elle, les caractéristiques de la fonction de capillarité tandis que le deuxième réseau de tubes représente la fonction de percolation. Cette démarche possible est en effet pertinente et existe effectivement en science des milieux poreux mais dans le cadre de la présente invention, il n’est pas nécessaire de pousser plus loin cette analogie car il suffit de comprendre le principe du phénomène pour expliquer son impact et la différence entre ce que révèle l’expérience et ce que l’on attendrait avec la seule analogie pyrométrique.
Dans cette perspective, il convient simplement ci-dessous de donner un début d’explication du phénomène de seuil de percolation pour faire apparaître le principe des raisons physiques qui expliquent les phénomène de « blocage » de la capillarité. Ce principe de blocages de percolation pour raison statistique, exposé ci-dessous à travers quelques exemples de distributions géométriques théoriques, permet en effet d'expliquer et de cadrer la différence entre ce que l’on peut observer réellement dans le substrat et ce que l’on pourrait attendre par la simple analogie porométrique .
En effet, l’analogie porométrique est effectivement très utile pour pouvoir se représenter une partie de l’effet du substrat sur l’eau et il est même difficile de se représenter le substrat autrement que par cette représentation analogique porométrique implicite mais il faut alors, pour prévoir et gérer correctement le comportement réel de l’eau dans le substrat connaître également des effets physiques supplémentaires non pris en compte par cette analogie porométrique et en tenir compte.
Le double objectif des explications qui suivent est :
- d’une part d'exposer le principe de phénomènes physiques supplémentaires liés à la percolation qui expliquent la différence entre le comportement réel de l’eau dans le substrat ce que l’on attendrait par la seule analogie porométrique
- d’autre part de déterminer l’ordre de grandeur et le sens de ces corrections physiques à rajouter pour encadrer correctement la teneur en eau dans le substrat selon son niveau altimétrique entre deux courbes intrinsèques du substrat accessibles de façon expérimentale
Or, contrairement à ce que l’on pouvait espérer du fait de la Loi de Laplace, les mesures expérimentales que l’on peut réaliser sur un échantillon de substrat dans les expériences visant à relier la teneur en eau à la pression capillaire permettent d’obtenir des profils de teneur en eau θ (Pc) qui peuvent être traduits de façon équivalente en θ (z) grâce à la formule de pression hydrostatique. Ces profils expérimentaux montrent que les teneurs en eau mesurables à l’intérieur d’un échantillon ne dépendent pas seulement de la pression capillaire à laquelle on soumet l’échantillon, comme semblait le prédire la loi de Laplace mais qu’elle dépend également de l’état initial de teneur en eau, de la taille de l’échantillon, du processus de mesure (et aussi du temps d’observation).
On constate donc expérimentalement que les observations à l’échelle du substrat font apparaître une réalité « à l’équilibre » significativement différente de la simple déduction de la seule combinaison de la loi de Laplace et de la loi de pression hydrostatique décrites ci-dessus.
Il convient donc ci-dessous de prendre la mesure de ces effets additionnels qui apparaissent à l’échelle de l’échantillon et qui s’ajoutent au profil hydrique théorique décrit ci-dessus et modifient ainsi ce qui semblait acquis par la seule loi de Laplace combinée à la pression hydrostatique.
Commençons par décrire le principe expérimental type d’une mesure de courbe θ (Pc)
Malgré de nombreuses variantes, le principe en est toujours le même. Il s’agit de soumettre un échantillon d’une certaine taille à une pression capillaire généralement considérée comme constante dans l’échantillon, cet échantillon étant relié sur une face à un fluide mouillant et sur l’autre face à un fluide non mouillant, la pression capillaire étant la différence entre la pression du fluide non mouillant et celle du fluide mouillant.
L’échantillon de substrat ayant deux faces opposées dont l’une est au contact de l’eau et l’autre au contact de l’air , on fait varier la pression capillaire (pression de l’air moins pression de l’eau) aux deux extrémités en mesurant la quantité d’eau et/ou d’air rentrant ou sortant
Pour chaque pression capillaire, on mesure le taux de saturation à l’équilibre correspondant à la pression capillaire considérée et ensuite on fait varier la pression capillaire et on mesure le nouveau taux de saturation et ainsi de suite pour tous les points de mesure de la courbe. Du fait même du principe d’une mesure successive de plusieurs couples à l’équilibre, se pose naturellement le problème du temps de mise à l’équilibre et plus généralement du déplacement de l’eau dans l’échantillon entre un équilibre donné et l’équilibre suivant.
On maîtrise les pressions des deux fluides et après un équilibre à une pression capillaire donnée, on fait varier légèrement l’une des pressions (ou les deux mais en général une seule par simplicité ) et cette variation de pression capillaire fait varier le solde PC; On mesure simultanément le volume de fluide mouillant qui rentre et le même volume de fluide non mouillant qui sort quand on fait diminuer la pression capillaire (ou le contraire si l’on fait augmenter la pression capillaire) ce qui permet pour chaque pas de mesure de déterminer la variation de saturation en liquide mouillant pour chaque variation élémentaire de pression capillaire et de la variation de taux de saturation entre les deux pressions capillaires successives, cela permet par récurrence de déduire le nouveau taux de saturation à partir du taux de saturation supposé par principe connu à la pression capillaire précédente.
Du fait que l’on maitrise totalement la saturation initiale et la pression capillaire et que l’on sait mesurer la teneur en eau à chaque étape, il est possible de répéter les expériences et de faire varier l’état initial.
Au bout du compte, on constate ainsi systématiquement que la teneur en eau par une pression capillaire donnée est toujours comprise entre les deux courbes du plan ( teneur en eau, pression capillaire ) que sont les deux caractéristiques principales correspondant à l’imbibition à partir de l’état sec ou au drainage à partir de l’état initial saturé.
Ainsi , quand on prend par exemple la caractéristique d’imbibition qui est obtenu à partir d’un échantillon initialement sec , relié à une extrémité à de l’eau dont on maîtrise la pression et relié à l'autre extrémité à de l’air dont on maîtrise la pression, on peut faire diminuer progressivement la pression capillaire par exemple en faisant progressivement augmenter la pression d’eau . C’est très simple à réaliser puisque la pression d’eau est proportionnelle à la hauteur du niveau d’eau au-dessus de l’échantillon horizontal.
Or, quand on diminue légèrement la pression capillaire, un volume d’eau supplémentaire doit pénétrer dans l’échantillon. Si l’on mesure ce volume d’eau qui pénètre dans la porosité entre l’équilibre à la pression Pcet l’équilibre à la pression Pc’= Pc- ∆ Pc, cela permet de déduire la teneur en eau θ ( Pc’) à la pression capillaire Pc’=Pc- ∆ Pcà partir de la teneur en eau θ ( Pc) supposée connue à la pression capillaire Pcet en rajoutant le volume d’eau mesuré qui pénètre dans l’échantillon que l’on divise par le volume de l’échantillon.
C’est en effet par ce principe, selon différentes variantes expérimentales possibles, que sont expérimentalement mesurés les caractéristiques hydriques θ ( Pc) des différents substrats.
Si l’on veut ensuite traduire ces profils en hauteur d’eau, on peut exprimer Pcen fonction de la hauteur d’eau z au-dessus du niveau piézométrique par la formule Pc= ρ g z
et cela permet de traduire un profil θ ( Pc) en un profil ρ ( z)
Evidemment, un tel protocole présente des difficultés de réalisation .
En particulier, du fait même du principe des mesures successives de plusieurs couples à l’équilibre , se pose naturellement le problème du temps de mise à l’équilibre et plus généralement du déplacement de l’eau dans l’échantillon entre un équilibre donné et l’équilibre suivant.
En particulier, du fait même du principe des mesures successives de plusieurs couples à l’équilibre , se pose naturellement le problème du temps de mise à l’équilibre et plus généralement du déplacement de l’eau dans l’échantillon entre un équilibre donné et l’équilibre suivant.
Egalement, dans un tel protocole expérimental visant à déterminer la courbe de teneur en eau θ ( Pc) dans un échantillon, on veille à ce que l’échantillon soit « allongé horizontalement » , d’une « certaine dimension horizontale » et assez « mince » dans sa dimension verticale pour que la différence de pression entre le haut et le bas de l’échantillon liée à l’épaisseur de l’échantillon puisse être négligée par rapport à la pression de l’eau dans l’échantillon et considérer ainsi que la pression de l’air et la pression de l’eau ne dépendent pas de l’altitude dans l’échantillon.
Bien que le fait de négliger la différence de pression liée à l’épaisseur verticale de l’échantillon soit le principe général de ce type de protocoles, nous verrons plus loin un protocole choisi de façon préférable dans le cas d l’invention et qui ne néglige pas cette différence de pression capillaire à l’intérieur de l’échantillon du fait de son épaisseur mais qui au contraire en tient compte.
D’autre part, parmi les variantes de protocoles de mesures des caractéristiques capillaires, et dans le but fréquent de pouvoir examiner de larges gammes de pression capillaires , ce qui se justifie pour beaucoup de milieux poreux ayant une gamme porométrique large, il est classique de choisir deux fluides différents de ceux qui vont se trouver dans la nature (l’eau et l’air) et l’on prend souvent le couple (mercure, vide) selon un protocole nommé porosimétrie au mercure . De la mème façon, toujours pour la même raison qui est de permettre en une seule courbe de faire figurer des mesures sur de très larges gammes de pression capillaire, il est courant de représenter les pressions capillaires à l’échelle logarithmique , ce qui permet de représenter une pression capillaire multipliée par 100 par seulement le double ou multipliée par mille par le triple et d’avoir ainsi une lisibilité de courbes relatives à une gamme très étendue de pressions capillaires qui puisse être représenté en une seule courbe sur le format réduit d’une feuille de papier.
Cependant, ces variantes très habituelles ne sont pas du tout préférables dans le cas de l’invention où l‘on veut au contraire s’intéresser à des substrats sableux à spectre porométrique étroit et dans une gamme de pressions capillaires correspondant à une hauteur d’eau de seulement quelques dizaines de centimètres (et non dizaines de mètres comme dans certains substrats très fins).
Dans le cas de la présente invention, on s’intéressera donc de façon préférable aux courbes obtenues avec les deux fluides que sont l’eau et l’air et aux courbes de pressions capillaires faibles correspondant à la pression hydrostatique de quelques décimètres d’eau et représentées en échelle naturelle proportionnelle et non pas en échelle logarithmique.
Du coup, il et parfaitement possible de traduire la pression capillaire par une hauteur d’eau au-dessus du niveau piézométrique et d’exprimer la teneur en eau par rapport à z dans une courbe expérimentale selon une présentation totalement comparable à un profil hydrique θ ( z).
Les caractéristiques capillaires principales obtenues sur échantillon se traduisent par simple changement de variable comme des courbes de drainage ou d’imbibition représentant la teneur en eau en fonction de la hauteur au-dessus du niveau piézométrique de la nappe
Aussi, totalement semblables dans la forme et allant dans le même sens que les observations que l’on peut faire par mesures de teneur en eau in situ mais de façon beaucoup plus fiable et lisible, mais cette fois de façon accessible et reproductible on détermine les caractéristiques intrinsèques de la capillarité à l’équilibre dans un substrat considéré.
On constate finalement que l’on obtient expérimentalement sur échantillon des courbes de saturation θ (Pc) que l’on peut par simple changement de variable exprimer sous la forme θ (z) :
- parfaitement reproductibles concernant le drainage à partir de l’état initial saturé et parfaitement reproductibles concernant l’imbibition à partir de l’état sec, ces deux courbes constituant les caractéristiques capillaires principales qui servent de référence
- non reproductibles si l’on part d’un état donné et que l’on fait successivement et à plusieurs reprises augmenter puis diminuer puis remonter et diminuer un certain nombre de fois la pression capillaire (hystérésis)
- avec deux courbes caractéristiques capillaires principales (drainage et imbibition) distinctes, la courbe de drainage étant au-dessus de la courbe d’imbibition dans le plan de Pression capillaire et teneur en eau croissants, avec une différence sensible des courbes près de la saturation et près de l’état sec et des courbes qui se rapprochent pour une saturation entre 20% et 80%
- avec une forme caractéristique en S des caractéristiques principales , avec une partie haute et une partie basse des courbes presque horizontales pour une courbe où la pression capillaire est en abscisse et la teneur en eau en ordonnée , ( la partie horizontale correspondant à une zone de pression capillaire où les saturation en eau sont pratiquement constantes ) ,et avec une pente d’autant plus forte que le spectre porométrique est étroit et une amplitude d’autant plus grande que la porométrie concerne des petits diamètres
Mais on constate aussi que la partie presque horizontale est d’autant plus horizontale et concerne une plage de pressions capillaires d’autant plus étendue que l’échantillon est grand, avec à la limite une transition « angulaire » pour un échantillon tendant vers l’infini, avec une forme caricaturale discontinue pour un échantillon infini
Pour pouvoir réaliser des mesures, il faut déterminer un échantillon d’un volume représentatif. Ce volume représentatif doit être assez grand pour être statistiquement représentatif des différents arrangements possibles des grains entre eux et il doit être assez petit pour que les variables d’état soient uniformes (ou approximativement uniformes) dans l’échantillon.
Si l’on considère pour donner par exemple concret un substrat dont l’ordre de grandeur de la taille des grains est de 100µm, un volume cubique de 20 cm de côté contient environ 8 million de milliards de grains ( plus de 1016grains ) , ce qui est très largement suffisant par la loi des grands nombres pour créer une disposition des grains les uns par rapport aux autres créant une distribution géométrique de la porosité représentative de la porosité du massif et d’autre part un tel échantillon dispose aussi d’une taille suffisante pour le protocole de mesures. A l’intérieur de cet échantillon, on peut utiliser l’analogie porométrique qui consiste à considérer chaque pore comme un petit cylindre de diamètre d et on peut considérer que chaque chemin d’eau passe d’un pore Poreiau pore suivant Porei+1comme si l’on passait d’un cylindre de diamètre dià un cylindre de diamètre di+1.
Principe de l’effet de la double répartition des pores (distribution quantitative et répartition géographique) pour expliquer les différents phénomènes observés
Or, on a vu plus haut que pour chaque diamètre d correspond une Pression capillaire P = et que réciproquement à chaque pression capillaire, correspond un diamètre équivalent d ( Pc) =
Si le pore i Poreia son diamètre équivalent di ≤ d (Pc) et si l’eau est arrivé jusqu’au pore Pi, alors le pore Pi se remplit d’eau et permet à un pore Pi+1 d’être au contact de l’eau et de se remplir d’eau lui aussi si également le diamètre di+1 ≤ d (Pc).
On comprend bien que le remplissage des pores du substrat obéit en fait à 2 critères et non pas à un seul :
- le critère purement porométrique qui est lié à la taille du pore considéré : le pore se remplit d’eau si di≤ d (Pc)
- le critère de propagation du remplissage jusqu’à un pore considéré par au moins un cheminement continu permettant à l’eau de percoler depuis la face au contact avec l’eau jusqu’au pore Pi situé par hypothèse au cœur de l’échantillon. Dans chaque chemin de percolation permettant hypothétiquement de relier le pore Pi à la face au contact de l’eau l’eau percole de façon continue d’un pore Pi au poreadjacentPi+1 à condition que tous les pores successifs du chemin considéré aient un diamètre équivalent di ≤ d ( Pc) car si on ne trouve pas de voisin de Pi d’un diamètre inférieur à d (Pc) le chemin s’arrête à Pi. Pour chaque chemin permettant de relier la face au contact de l’eau au pore Pi, il suffit d’un pore au diamètre supérieur à d (Pc) pour que la chaîne s’arrête et invalide le chemin considéré.
La condition de remplissage d’un pore donné est finalement double : il faut que l’eau arrive jusqu’au pore considéré d’une part et que le diamètre du pore soit plus petit que d (Pc), d’autre part.
Evidemment ce deuxième critère de répartition géographique des pores dépend d’autre chose que de la distribution porométrique quantitative. Ce deuxième critère dépend non seulement de la répartition quantitative globale des dimensions des pores mais aussi de leur distribution géographique. Or, une fois que l’on connaît la proportion de trous de tel ou tel diamètre, cela ne donne pas leur répartition géographique. Si c’était des balles, on pourrait avoir la répartition quantitative des balles d’un côté mais à chaque fois que l’on mélange ou qu’on ordonne les balles les unes par rapport aux autres cela change leur distribution géographique : Tout dépend de la façon dont ont été mélangés les éléments poreux du milieu lors de sa constitution.
Par exemple dans un milieu biologique comme le corail ou le bois ou dans des matériaux fibreux comme de la tourbe, les arrangements des pores sont plutôt organisés en faisceaux de tubes continus. On peut avoir également une continuité d’une certaine gamme d’épaisseurs si l’on réalise un pelliculage avec un mélange qui s’organise en pores connectés.
Dans d’autres arrangements, les pores seront à l’inverse distribués avec une très forte équi-répartition géographique.
Si l’on imagine par exemple un substrat à répartition granulométrique bi-modale avec 2 pics granulométriques et où les particules du plus petit pic font moins de 5% de la taille des particules du gros dimension et représentent un volume apparent de moins de 20 % du volume apparent constitué par les grosses particules, cela permet aux petites particules de rentrer complètement dans la porosité des grosses particules mais sans la remplir complètement, de sorte que les petites porosités seront comme « encapsulées » dans la grosse porosité des grosses particules.
Pour expliquer simplement l’incidence de cette distribution géographique des porosités, on peut donc donner ici 2 cas d’école qui ne sont que des exemples théoriques plus ou moins réalistes pour un substrat.
Le premier exemple concerne le cas où tous les pores de même dimension seraient regroupés de façon à constituer un faisceau de cylindres à touche-touche dans le sens de l’échantillon. C’est de façon idéalisée le cas d’un matériau fibreux organisé. Dans ce pur cas d’école, l’ensemble des pores de même dimension dide l’échantillon, étant positionnés d’emblée bout à bout, se rempliraient dès que la pression capillaire serait égale à d(Pi). On aurait une courbe de remplissage correspondant exactement à ce que prévoit le modèle porométrique « idéal ».
Dans un cas d’école opposé, on imagine une répartition totalement homogène répartissant les pores dans des empilements de sphères, avec dans chaque sphère les plus petits pores au centre et les pores répartis dans les sphères avec les porosités croissantes vers l’extérieur des sphères, jusqu’aux plus grosses porosité. Ce cas d’école ressemble plutôt mais idéalisé à l’exemple du substrat à granulométrie bi-modale décrit ci-dessus qui permet « d’encapsuler » les petites porosités dans une organisation de grosses porosités. Dans ce deuxième cas d’école, à l’inverse du premier cas, les chemins passant des petits diamètres de pores à l’intérieur d’une sphère et reliant les petits diamètres dans la sphère adjacente seraient bloqués au passage d’une sphère à l’autre : Les plus petits pores seraient toujours coupés des pores aussi petits qu’eux qui se trouveraient répartis dans les sphères voisines et la propagation de l’eau serait impossible au-delà de la taille d’une sphère pour tous les diamètres inférieurs aux diamètres des pores de la périphérie des sphères individuelles, c’est à dire les plus gros diamètres.
Ainsi, on voit bien qu’au-delà de leur fréquence quantitative statistique, c’est la probabilité du regroupement des petits diamètres en « amas efficaces » qui rend ou non possible la propagation du remplissage de l’échantillon par de plus en plus d'eau au fur et à mesure que la pression capillaire diminue.
Ainsi, on comprend bien que c’est la probabilité de regroupement statistique des particules d’une taille suffisamment petite en chaînes continues qui permet sur une distance donnée la percolation à une pression capillaire donnée.
Pour une pression capillaire donnée, se remplissent les pores d’un diamètre inférieur au diamètre d (Pc) , mais à la condition que l’eau soit arrivée jusqu’à eux.
La possibilité de percolation dans l’échantillon ou dans le substrat sur une longueur L dépend de la probabilité de regroupement à touche touche de pores permettant de constituer un chemin continu d’une longueur L pour permettre à l’eau de percoler à travers ce chemin.
Pour raisonner sur un exemple évocateur de la réalité des substrats, on peut considérer un substrat constitué d'un empilement de sphères plus ou moins grosses, ce qui va générer des pores entre les grains sphériques, avec des tailles de pores dépendant de la taille des grains adjacents considérés. De même que chaque grain est au contact de plusieurs grains à la fois, de même chaque pore est au contact de plusieurs pores à la fois.
Imaginons un pore Pi qui se remplit d’eau parce que d’une part l’eau est arrivée jusqu’au pore Pi-1 et que d’autre part di ≤ d (Pc)
La question qui se pose à partir d’un pore Pi est de savoir la probabilité que l’on ait au contact de Pi un pore Pi+1 et au contact Pi+1 un pore Pi+2 qui satisfassent tous les deux à la condition di+1 ≤ d (Pc) et di+2 ≤ d (Pc) . Et ainsi de suite par récurrence jusqu’à Pi+n
Pour chaque Pi, l’objectif étant d’aller dans la direction de la face mouillée à la face non mouillée, par exemple de gauche à droite, on ne considère que les pores au contact de Pi et qui sont situés sur sa droite . Supposons qu’en moyenne il y ait 4 candidats au maximum
Si l’on suppose que d’est en bas de la courbe porométrique, par exemple que la probabilité porométrique pour un pore d’avoir un diamètre équivalent d ≤ d (Pc) est égale à η (d) = 1 % , la question est de savoir ( en fonction de la répartition géographique statistique des pores) quelle est la probabilité que à partir d’un pore satisfaisant on puisse avancer de deux ou 3 ou n pores satisfaisants supplémentaires ?
Pour faire ce calcul, il faudrait connaître « l’organisation géométrique » qui peut être ordonnée (les cas d’école précédents des fibres ou ordonnée en sens opposé des sphères) ou désordonnée.
Examinons ici le cas parfaitement désordonné où l’on suppose que les pores sont répartis de façon totalement aléatoire ce qui veut dire que la probabilité pour un pore d’avoir un diamètre donné est le même pour l’ensemble du substrat que la probabilité conditionnelle quand on connaît la taille des pores adjacents jusqu’à une distance quelconque (immédiatement adjacents ou adjacents à plusieurs degrés) .
Dans un tel cas, on peut calculer la probabilité de ne pas rompre la chaîne de percolation
En supposant donc ici une répartition totalement aléatoire où la probabilité d’être inférieur à telle taille en sachant que son voisin ou ses voisins a ou ont telle(s) autre(s) taille(s) est égale à la probabilité globale d’être inférieur à telle taille (probabilité porométrique )
Appelons candidat i+n un pore adjacent qui peut être atteint à partir du pore i par un chemin constitué de n pores adjacents en progressant vers la droite.
Dans le nouveau cas d’école ci-dessus, cette équi-répartition parfaite des porosités donnerait pour résultat qu’en prenant tous les chemins possibles de n candidats à partir du point i compris, chacun de ces chemins a la même probabilité d’être constitué de n points de dimension inférieure à d (Pi), en sachant que le premier point a déjà cette taille inférieure à d (Pc).
Prenons l’exemple d’une distribution porométrique qui donne une probabilité de 1 % d’avoir un diamètre équivalent inférieur à d (Pc).
Dans ce cas, la probabilité pour 1 pore satisfaisant la condition + 2 candidats adjacents vérifient la condition d’avoir tous les 3 une dimension inférieure à d (Pc) serait 1/ 100 x 1/100 = 1 /104
Si l’on poursuit le raisonnement avec les mêmes hypothèses en cherchant à ce que 4 points de suite vérifient la même condition en sachant que le premier la remplit déjà , la probabilité serait alors pour 4 pores adjacents 1 /106.
Pour un pore candidat qui laisse passer l’eau la probabilité que les n pores suivant vérifient également la condition serait 1 /102n.
Evidemment, il faut multiplier par le nombre de chemins possibles à partir d’un pore donné. Si l’on considère 4 possibilités à droite de chaque candidat, on va compter plusieurs fois différents bouts de chemins mais on peut écrire simplement que la probabilité d’un chemin valable au moins est inférieure à 4n/102n .< 1 /10n.
L’objectif n’est pas ici de poursuivre un calcul théorique de probabilités mais justesse montrer par cet exemple selon quel processus, et c’est le principal intérêt de cet exemple ( dont on verra ci-dessous pourquoi il ‘est pas représentatif de la réalité physique ) qu’avec une répartition parfaitement aléatoire des pores , la propagation pour une dimension d de pores où η (d) = 1 % ne peut avoir lieu sur plus que quelques fois la taille d’un pores l’on considère une taille de pores correspondant au début de la courbe porométrique du substrat considéré.
Dans ce cas de figure et pour une distribution porométrique où la probabilité des pores d’avoir un diamètre en dessous de 10µm serait de 1% , la probabilité de se propager à plus de 100µm à partir d’un pore donné pour une pression capillaire supérieure à la pression capillaire correspondant à un diamètre de 10 µm ( soit exprimé en hauteur d’eau 150 mm2/ 0, 05 mm =3 mètres d’eau) , est inférieure à 1 /10-10.
.
Autrement dit, dans le cas d’école d’une telle distribution géométrique qui devrait permettre de remplir les pores de diamètre inférieur à 10 µm par remontée capillaire pour les pressions capillaires inférieures à la pression de 3 mètre d’eau ( 0,3 bars) cette remontée sera en fait inférieure à 0,1mm car on ne pourra pas constituer de chaînes de plus de 0,1 mm ( probabilité 10-10) permettant à l’eau de percoler de pore en pore , tous ces pores à touche-touche ayant chacun une taille inférieure à 10 µm.
Or, la seule loi de Laplace indique que l’on devrait avoir un taux de saturation de 1% dans l’hypothèse considérée.
Et pourtant, ce n’est pas ce qui va être mesuré en divisant par le volume total de la porosité de l’échantillon le faible volume d’eau qui va être finalement absorbé du fait de la faible longueur des chaînes de percolation efficace.
Pour le montrer sur un exemple moins préjudiciable à la percolation que dans l’exemple précédent, oublions ici la probabilité de 10-10calculée ci-dessus dans le cas d’école considéré pour la traduire par une probabilité moins préjudiciable à la remontée capillaire comme par exemple une probabilité certaine d’atteindre la longueur de chaîne de 1 mm ( Proba = 1) tandis que la probabilité d’atteindre une chaîne strictement supérieure à 1 mm = 0 et voyons comment se traduirait une telle condition sur la mesure expérimentale de la teneur en eau pour la pression capillaire correspondante réalisée sur un échantillon d’une longueur de 10 cm puis réalisée sur un échantillon d’une longueur de de 1m.
Dans ce nouvel exemple, même si on a 1% des pores qui devraient potentiellement pouvoir se remplir selon la loi de la place et la distribution porométrique du substrat sur la longueur de l’échantillon, il n’y a en réalité que 1% des pores mais seulement sur une longueur de 1mm. De sorte que le pourcentage des pores effectivement remplis d’eau sera égal au produit 1% x 1mm / longueur de l’échantillon. Si par exemple l’échantillon fait 10 cm de long on a seulement beaucoup moins que 1% x1mm/100 mm = 10-3% des pores qui se rempliront d’eau.
Si l’échantillon fait un mètre de long, c’est seulement 10-4% des pores qui se rempliront d’eau.
On voit ainsi sur cet exemple le principe de l’influence de la longueur de l’échantillon par rapport à la taille des chaînes ayant une certaine probabilité de se constituer.
Bien entendu, on peut remarquer tout de suite qu’ un tel cas d’école d’une répartition géométrique aussi équiprobable que celle décrite dans l’exemple précédent où la probabilité de chaînes de n pores de suite d’une taille inférieure à d est inférieure à 10-npour un diamètre d = η-1(1 % ) ne se rencontre pas dans les substrats constitués d’un empilement de grains sphériques. En effet, si l’on revient à un substrat que l’on imagine comme un empilement de sphères, il a été vu plus haut qu’une petite sphère disposée à coté de plusieurs sphères petites ou grosses « impose sa petite taille » aux pores constitués entre elle et ses voisines. De ce fait, quand on a un pore de petite dimension, cela implique que au moins l’une des sphères au voisinage du pore est petite et de ce fait même, la probabilité d’avoir un pore petit à côté d’un autre pore petit est très importante. En revanche, la probabilité d’avoir un pore plus petit au bout d’une chaîne par exemple de 4 pores ou 10 pores n’est probablement pas influencée directement de façon très significative par la petite taille des grains en début de chaîne.
Cependant, même si l’exemple donné ci-dessus est légèrement plus réaliste et conforme au type de substrat de l’invention, ce n’est pas ici l’objectif de rentrer dans la théorie de la percolation et des « amas aléatoires » pour prévoir de la façon la plus prédictive possible les comportements capillaires à l’équilibre à partir de la constitution et de la répartition des grains. Il s’agit seulement ici d'expliquer la nature du principe des phénomènes de freins à la percolation en fonction de la répartition géométrique des pores d’une distribution porométrique donnée.
On observe simplement à travers les exemples d’école analysés ci-dessus que ce qui caractérise finalement le comportement capillaire pour une pression capillaire Pc donnée est que la teneur en eau mesurable dans l’échantillon est le produit de la distribution porométrique quantitative η (d(Pc)) et de la probabilité conditionnelle de trouver une chaîne de propagation efficace qui dépend à la fois elle-même de la distribution porométrique quantitative η (d) et de la répartition géométrique des pores de taille inférieure à η (Pc).
Or, η (d) et la probabilité de percoler à travers des chaînes de pores plus petits que η (d) sont deux fonctions décroissantes de Pc.
Il en résulte que la courbe est horizontale et ne décolle pas tant que »la percée » n’a pas lieu , c’est à dire tant que la probabilité de percoler d’un bout à l’autre de l’échantillon est faible mais dès que Pc est assez petit le produit qui donne la teneur en eau est le produit de 2 fonctions décroissantes en Pc (ou de façon équivalente en z) et la probabilité de percolation est, comme dans l’exemple en cas d’école donné ci-dessus, une fonction proche de zéro qui commence à croître d’un coup quand Pc diminue jusqu’à un seuil de percolation qui dépend de chaque substrat pour atteindre très rapidement une valeur proche de 1.
Il en résulte alors qu’en dessous du seuil de percolation, la teneur en eau mesurée dans l’échantillon est légèrement inférieure mais proche de la courbe théorique que l’on aurait par la seule distribution quantitative η (d).
Tout le raisonnement fait ci-dessus en courbe d’imbibition à partir de l’état initial sec s’applique de la même façon mais en sens inverse aux courbes de drainage à partir de l’état initial saturé si ce n’est que courbes sont cette fois ci croissantes en teneur en air avec la pression capillaire et que le seuil de percolation est un seuil de percolation d’air et que la teneur en air vaut (ε - saturation en eau).
On peut aussi remarquer simplement au passage que des types d’arrangements de grains semblables à ce que l’on trouve dans les substrats donnent des types de courbes capillaires aux caractéristiques semblables et que trouver tel type d’amas de pores efficace pour la propagation à une pression capillaire donnée dépend de la probabilité de rencontrer un pore de taille convenable autour d’un pore déjà convenable en fonction du gradient de voisinage avec le pore convenable déjà rencontré.
Il est cependant inutile d’essayer une investigation plus importante dans le monde de l’empilement des sphères car de toutes façons les substrats utilisés dans le cadre de l’invention comportent également des éléments de synthèse de renforcement du substrat (de différents types possibles selon le type de terrain hybride choisi) et que les éléments ont un rôle sur la continuité de percolation ; De plus, certains substrats préférablement choisis comportent des grains de liège d’une dimension supérieure d’un ordre de grandeur au dimensions des grains de sable et ont de plus une surface hydrophobe, augmentant d’autant la complexité de description de la véritable géométrie du milieu poreux réellement constitué par l’arrangement à l’intérieur du substrat, déjà impossible à décrire en 3D et de plus variable dans le temps.
Cependant, les résultats généraux déjà mis en avant par les analyses ci-dessus sont amplement suffisants, dès lors que l’on sait comment la teneur en eau est encadrée entre deux courbes intrinsèques accessibles de façon expérimentale, et la forme générale et les caractéristiques de ces deux courbes.
Aussi, il suffit simplement de constater et de retenir à travers les exemples théoriques évoqués ci-dessus :
- que le comportement capillaire de l’eau (teneur en eau par rapport à la pression capillaire) en imbibition à partir de l’état sec comme du drainage à partir de l’état saturé nécessite deux distributions statistiques des pores dans le substrat : la distribution quantitative de la taille des pores et la distribution de répartition géométrique de ces pores ,
- que θimbib(Pc) = η o d (Pc) . Probapercol imbib, c’est à dire que la teneur en eau mesurable de la courbe d’imbibition à partir de l’état initial sec est le produit de la distribution porométrique quantitative η o d (Pc)) par une fonction de probabilité de percolation d’imbibition qui est proche de 0 pour les valeurs de Pc ( ou de façon équivalente de z )supérieuresà un seuil de percolation d’imbibition et proche de 1 pour les valeursinférieuresce seul d’imbibition
- que θdrainage(Pc) = ε - (ε - η o d (Pc)) . Probapercol air drainage, c’est à dire que la teneur en eau mesurable de la courbe de drainage à partir de l’état initial saturé vaut la valeur de la porosité ε moins la teneur en air et que la teneur en air vaut elle-même la porosité - la teneur en eau , qui vaut elle-même le produit de la distribution porométrique quantitative η o d (Pc)) par une fonction de probabilité de percolation d’air au drainage qui est proche de 0 pour les valeurs de Pc ( ou de façon équivalente de z )inférieureà un seuil de percolation d’air au drainage et proche de 1 pour les valeurssupérieuresà ce seuil de drainage
- que η o d (Pc) est une fonction décroissante de Pc qui vaut ε à saturation et 0 à l’état sec
- que Probapercol imbibest une fonction décroissante de Pc qui est proche de 0 pour les valeurs de Pc ( ou de façon équivalente de z )supérieuresà un seuil de percolation d’imbibition et proche de 1 pour les valeursinférieuresce seul d’imbibition
- que Probapercol air drainageest une fonction croissante de Pc qui est proche de 0 pour les valeurs de Pc ( ou de façon équivalente de z )inférieuresà un seuil de percolation d’air au drainage et proche de 1 pour les valeurssupérieuresà ce seuil de drainage
Précisons que la fonction composée η o d ci utilisée dessus est la fonction définie de façon classique par sa valeur en tout point z : η o d (z) = η (d (z)).
Ainsi, et ce résultat est déterminant dans le cas de la présente invention, on sait que pour toute pression capillaire, c’est à dire pour tout niveau altimétrie au-dessus du niveau piézométrique de la nappe , la teneur en eau dans le substrat sera encadrée entre la valeur maximale que constitue la valeur de la courbe de drainage à état initial saturé pour la pression capillaire considérée et la valeur minimale que constitue la valeur de la courbe d’imbibition à état initial sec pour la pression capillaire considérée
Autrement dit, pour toute pression capillaire, la teneur en eau dans le substrat vérifie la relation :
θimbibition(PC) ≤ θ (PC) ≤ θdrainage(PC)
Pour tout substrat donné, on peut déterminer la courbe de drainage θdrainage(PC) par mesure expérimentale.
Cette courbe est une caractéristique du substrat, accessible de façon expérimentale par un protocole de mesures reproductible.
On peut donc caractériser le substrat par des conditions relatives à cette courbe caractéristique du substrat.
On sait que pour toute valeur de pression capillaire dans le substrat, la valeur de la teneur en eau à l’équilibre capillaire pour un point du substrat se situant à la pression capillaire considérée sera inférieure à la valeur de la courbe de drainage représentative du substrat
Une fois vu comment prendre en compte de façon générale les phénomènes de freins à la propagation qui déterminent les différentes courbes θ (PC) ( ou de façon équivalente θ/ε (PC) en divisant par le taux de porosité ) , on peut revenir à l’objectif consistant à estimer et à encadrer la courbe θ (z) dans les conditions de l’invention d’un substrat installé au-dessus d’un support avec une nappe d’eau dont on connaît le niveau piézométrique, en fonction de l’altitude z au-dessus de ce niveau piézométrique de la nappe d’eau.
En effet, et en dehors des petites zones marginales de piégeage d’eau ou d’air, on peut exprimer simplement la pression capillaire par l’altitude z au-dessus de la nappe
On peut donc appliquer le résultat précédent en disant simplement que pour z donné, correspond une pression capillaire Pc= Pa- ( Pa- ρ g (z-h ) ) = ρ g (z-h ) = ρ g z si on prend la hauteur piézométrique de la nappe comme origine
La teneur en eau à l’altitude z est comprise entre la valeur de la courbe drainage à la pression capillaire Pc= ρ g z et celle de la courbe d’imbibition à cette même pression capillaire Pc= ρ g z
La teneur en eau à une altitude z au-dessus du niveau piézométrique de la nappe vérifie la relation :
θimbibition( g z) ≤ θ ( z) ≤ θdrainage( ρ g z )
Quand on considère les courbes expérimentales d’imbibition ou de drainage, on constate que les courbes que l’on obtient ne sont pas les mêmes selon la longueur de l’échantillon.
Quand la longueur d’échantillon augmente, l’intervalle de pression capillaires trop élevées pour que l’imbibition commence de façon significative augmente avec la longueur de l’échantillon, : la pression capillaire permettant à la courbe de saturation de décoller est de plus en plus petite (ou hauteur z plus petite au-dessus du niveau piézométrique) quand la taille de l’échantillon augmente et la forme de la courbe pour les pressions capillaires supérieures plus horizontale et proche de zéro au-dessus de cette pression capillaire de percolation de l’eau quand la taille de l’échantillon augmente.
De façon symétrique, toujours quand la longueur de l’échantillon augmente, l’intervalle de pression capillaires trop faibles pour que le drainage commence de façon significative augmente avec la longueur de l’échantillon, : la pression capillaire permettant à la courbe de drainage de plonger est de plus en plus grande (ou hauteur z plus grande au-dessus du niveau piézométrique) quand la taille de l’échantillon augmente et la forme de la courbe pour les pressions capillaires supérieures plus horizontale et proche de la porosité ε (soit θ/ρ proche de 1) au-dessous de cette pression capillaire de percolation de l’air quand la taille de l’échantillon augmente.
Ces deux phénomènes observés permettent de définir deux seuils de percolation que sont le seuil de percolation de l’eau en courbe d’imbibition à partir de l’état initial sec et la courbe de percolation de drainage à partir de l’état initial saturé
L’explication des deux phénomènes est la même mais concernant la probabilité de constituer une chaîne de percolation de l’eau à partir de la face mouillée pour le premier et de façon symétrique la probabilité de constituer une chaîne de percolation de l’air à partir de la face sèche pour le second.
Pour le premier, il s’agit pour une pression capillaire donnée de considérer la probabilité de constituer une chaîne de longueur équivalente à la taille de l’échantillon, cette chaîne étant constituée de pores jointifs, tous de dimension inférieure à d(Pc) .
Dès que la distribution porométrique η (d (Pc)) est supérieure à un certain seuil qui dépend comme on l’a vu de la distribution géométrique, la probabilité de trouver un chemin continu à travers un échantillon de taille infinie est égale à 1.
A partir de ce moment-là, tout pore a une probabilité certaine d’être au contact de la face humide par un chemin continu de pores pleins d’eau et la probabilité de ce pore de se remplir lui-même est égale à η (d (Pc)).
Autrement dit, dès que le seuil de percolation est dépassé, la courbe de teneur en eau tend rapidement vers la courbe porométrique η (d) qui est la courbe de profil hydrique que l’on aurait par le seul effet de la distribution porométrique.
De la même façon, le même raisonnement avec la courbe de drainage montre que la courbe de drainage doit tendre vers la même courbe porométrique η (d) dès que la pression capillaire est supérieure au seuil de percolation
En principe, la courbe de drainage et la courbe d’imbibition devraient être confondues pour les porométries comprises entre les deux seuils de percolation s’il n’y avait que le phénomène direct du seuil de percolation. Cependant, ces seuls de percolation entraînent un phénomène supplémentaire indirect dit d’hystérésis qui vient créer un espace plus ou moins irréductible entre les deux courbes de drainage et d’imbibition.
Or, Si l’on regarde ensuite un profil de drainage au-dessus d’une couche drainante, on va avoir le même type de constatation qu’en imbition, mais à l’autre extrémité du profil.
Si l’on exprime la pression capillaire en altitude au-dessus du niveau piézométrique d’une nappe ou en épaisseur au-dessus d’une couche drainante (de façon paradoxale les deux types de fonds sont finalement équivalents en terme d’équilibre capillaire en drainage car tous deux à pression atmosphérique) on comprend donc que le drainage n’aura pas lieu si l’épaisseur de substrat qui donne la pression capillaire en haut du substrat est inférieure au point de percolation de l’air
Si l’on considère par exemple une porométrie qui se répartit entre 10 µm et 30 µm, cela signifie que les pores doivent se vider, selon la seule loi de Laplce :
- pour une pression capillaire supérieure à 15 cm d’eau (0, 015 bars) pour tous les pores de plus de 10 µm de diamètre,
- pour une pression supérieure à 5cm d’eau 0, 005 bars) pour tous les pores les plus importants de plus de 30 µm de diamètre
- et pour une pression capillaire supérieure à 10 cm d’eau (0, O01 bars) pour les pores de plus de 20 µm.
Supposons que le substrat soit saturé d’eau initialement, avec une épaisseur de 10 cm au-dessus d’une couche drainante ou au-dessus du niveau piézométrique d’une nappe et qu’on ait une réparation quantitative avec 10% des pores plus grands que 20 µm et 90 % du volume de la porosité répartie dans des pores plus petits que 20 µm.
Cela signifie que 10 % des pores qui sont situés entre la surface et 5 cm de la surface devraient en principe se vider de leur eau s’ils sont au contact de l’air à pression atmosphérique. Pour qu’un pore considéré se trouve dans la porosité au contact de l’air à pression atmosphérique, cela suppose que se constitue une chaîne de pores qui se vident d’eau et se remplissent d‘air, cette chaîne continue de pores pleins d’air parvenant jusqu’au pore considéré. On retrouve la problématique de la probabilité de constitution d’une telle chaîne décrite dans le sens de l’imbibition pour l’eau.
Dans un tel substrat, en fonction de la répartition géographique de la porosité, on aura un point de percolation de l’air qui peut se trouver à une pression capillaire supérieure ou inférieure à la pression hydrostatique correspondant à l’épaisseur de substrat au-dessus d’un fond à pression atmosphérique.
Si cette pression de percolation exprimée en hauteur d’eau est inférieure à l‘épaisseur du substrat, le drainage a lieu mais si cette pression de percolation est supérieure à l’épaisseur du substrat, cette percolation n’a pas lieu et c’est ce phénomène paradoxal que l’on rencontre parfois sans se l’expliquer par la seule distribution porométrique.
Il est par ailleurs certain que si la pression d’équilibre du plus gros constituant granulométrique de la distribution porométrique du substrat est-elle même supérieure à l’épaisseur du substrat, le drainage n’aura pas lieu.
Ainsi, si tout le substrat a une porométrie inférieure par exemple à 20µm (soit η (20 µm) = 100 %), on sait que la pression capillaire correspondant à 20µm est 10 cm d’eau, c’est à dire que la porosité se remplit d’eau pour une pression capillaire inférieure à 10 cm d’eau et d’air pour une pression supérieure à 10 cm d’eau.
Si l’épaisseur du substrat est par exemple de 8 cm au-dessus d’un fond à pression atmosphérique, (couche drainante ou niveau piézométrique de nappe), le drainage ne pourra avoir lieu, même si le substrat est très drainant et le substrat restera saturé d’eau (par le seul effet de la gravité c’est à dire en l’absence d’évapotranspiration)
De ce fait, on comprend bien qu’il existe à l’équilibre capillaire au-dessus du niveau piézométrique une « frange capillaire » toujours remplie d’eau , l’ épaisseur de cette frange capillaire correspondant a minima par la seule distribution porométrique à la hauteur d’eau équivalente à la pression capillaire qui correspond elle-même à la plus grosse porosité présente dans le substrat . Cependant cette frange capillaire peut être supérieure à la frange capillaire lie à la seule distribution poroétriue quantitative si la distribution porométrique géographique ne favorise pas la constitution de chaînes de drainage efficace à cette pression capillaire.
L’épaisseur de la frange capillaire selon le seul effet de la distribution porométrique quantitative eut se calculer aisément en disant que l’eau commence à s’écouler quand l’air peut traverser l’échantillon, c’est à dire quand les pores les plus grossiers commencent à se vider.
On a alors hc frange capillaire =hcfrange capillaire = 4σ / r g dmax
Mais avec l’effet supplémentaire de la distribution géographique des pores, il se peut que la frange capillaire soit un peu ou beaucoup plus élevée car les pores les plus grands qui se videront les premiers ne se videront qu’à partir d’une pression capillaire suffisante pour que l’air puisse traverser les substrats, c’est à dire pour une pression capillaire supérieure au point de percolation de drainage.
On a donc en fait la relation :hcfrange capillaire ≥ 4σ / r g dmax
Cette relation d’égalité avec la seule porométrie quantitative ou d’inégalité en prenant en compte la distribution géographique des pores permet aussi bien de déduire l’épaisseur capillaire minimale en fonction de la distribution porométrique quantitative si on la connaît que de déduire le diamètre maximum de la distribution porométrique quantitative si l’on détermine de façon expérimentale l’épaisseur de la frange capillaire du substrat
De façon générale, l’inégalité du fait de l’effet géométrique qui bloque la probabilité de constitution de chaînes efficace peut être importante dans un substrat et augmente avec l’état de compaction du substrat.
Dans le cas des substrats hybrides de l’invention, la présence de fibres ou d’éléments synthétiques de renfocement d’une dimension très grande par rapport à la granulométrie du squelette du substrat lui-même constitue un moyen privilégié de pénétration de l’air (le long des parois de ces structures) jusqu’au cœur du substrat, un peu comme les mésopores dans un sol bien structure.
Pour cette raison, le comportement en drainage correspond beaucoup plus au comportement lié à la distribution porométrique quantitative, surtout quand le substrat n’est pas trop compacté et bien aéré grâce à un entretien régulier efficace.
Enfin, il ne faut pas négliger un aspect perturbateur difficile à prendre en compte.
En effet, non seulement on ne sait pas décrire la géométrie en 3D du substrat à un instant donné mais de plus il ne faut pas oublier que malgré la modélisation que l’on fait des substrats comme une matrice stable dans laquelle ne varient que la teneur en eau et en air de façon complémentaire, la réalité est en fait plus complexe, car les grains peuvent se mouvoir les uns par rapport aux autres et modifier cette géométrie, et en particulier sous l’effet même des modifications de l’état hydrique du substrat. Dans le cas des substrats de terrains de sport dont on sait bien qu’ils se compactent par tassement hydraulique lors de périodes de saturation et avec la pratique sportive et l’entretien, cette compaction se traduisant par une augmentation de la densité apparente correspondant à la diminution de la porosité totale. Ainsi, même si l’on utilisait une représentation statistique avec des tubes parallèles de différents rayons et reliés entre eux pour simuler convenablement les trajets capillaires, ces trajets capillaires ne devraient pas être conçus comme des tubes rigides mais au contraire comme des tubes à parois souples. Or, des parois souples sont amenées à se rétrécir, justement sous l’effet des forces de cohésion, de la même nature que la capillarité, ce qui peut permettre ainsi à l’eau de remonter beaucoup plus haut et plus vite (phénomène de spirale). Ce phénomène est encore plus vrai en présence d’éléments résilients et de fibres qui favorisent cette souplesse des parois des « tubes capillaires » en encaissant mécaniquement les compressions liées aux mouvements de compression des tubes. (Ce phénomène est connu dans la nature avec les racines et les cellules végétales qui ne sont pas des tubes rigides mais des cellules capables de se comprimer et de favoriser ainsi des aspirations d’eau sur plusieurs dizaines de mètres).
De plus, lorsque les joueurs piétinent, cette énergie mécanique transmise au sol crée un phénomène important et complémentaire qui permet également de créer l’effet bien connu (ou plutôt souvent observé) de faire remonter l’eau dans le substrat bien plus haut que la hauteur de capillarité en l’absence de vibration.
Si l’on considère maintenant un même échantillon à qui l’on fait faire plusieurs cycles d’imbibition et de drainage, apparaît un phénomène différent de ceux qui ont été décrits ci-dessus, même s’il s’agit d’une même origine théorique.
De plus, avec l’historique des montées et descentes successives de l’eau dans un substrat, apparaît un phénomène supplémentaire d’hystérésis.
En effet, un substrat n’a pas une répartition parfaitement homogène de sa porosité, de sorte que l’eau va pouvoir commencer à monter parce que le seuil de percolation a été atteint en un point du substrat alors que juste à côté la distribution différente de la porosité exige une pression capillaire plus basse pour dépasser le seuil de percolation. De ce fait, des zones vont se retrouver entourées d’eau alors qu’elles restent pleines d’air car étaient encore à une pression supérieure au seuil local de percolation. Une fois ces zones entourées d’eau, elles perdent la connexité avec l’air et il n’y a plus de pression capillaire assez basse pour faire pénétrer de l’eau et au contraire la pression de l’air va augmenter à l’intérieur d’une bulle qui se contracte au fur et à mesure que la pression de l’eau alentour augmente et cela constitue des masses d’air piégé (qui sont d’ailleurs autant de poires pour la soif d’oxygène des plantes).
En drainage, on a le même phénomène, avec constitution de poches d’eau isolées ( c’est à dire ayant perdu la connexion avec la face au contact de l’eau, de sorte que la formule de pression hydrostatique ne fonctionne plus et cet eau va être également piégée définitivement ( définitivement si l’on considère seulement la capillarité et la gravité mais en réalité ces masses d’eau piégées constituent elles aussi des réserves « poires pour la soif » en eau pour les plantes qui les utilisent pour leurs besoins d’hydratation).
Le résultat de ces piégeages aléatoires car dépendant de l’histoire passée du substrat et des évènements successifs de monté et de descente de l’eau dans le substrat est que l’on ne peut pas déterminer de façon strictement prédictive quelle sera à un moment donné la teneur en eau à l’équilibre à un endroit donné du substrat car il y a une incertitude aléatoire correspondant à l’effet d’hystérésis décrit ci-dessu .
La première remarque à faire sur les phénomènes physiques additionnels lié à la répartition statistique des pores et à la probabilité de constituer des amas de percolation efficaces est qu’ils ne modifient pas la direction dans laquelle va circuler l’eau pour se diriger vers l’équilibre prévu par la loi de Laplace mais que ce phénomène va seulement amoindrir le déplacement d’équilibre prévu par la distribution porométrique : amoindrir un peu ou amoindrir beaucoup cette mise à l’équilibre et potentiellement même la bloquer.
Un phénomène analogue bien connu à l’échelle des équilibres mécaniques à l’échelle macroscopique est le frottement qui est lui aussi un phénomène correctif perturbateur, avec un effet parfaitement équivalent.
Si l’on pose un objet sur un plan solide en pente, l’équilibre de cet objet soumis à la gravité qui tire l’objet vers le bas et le plan qui pousse l’objet vers le haut pour l’empêcher de passer à travers le plan se trouve en bas du plan. Cependant, en fonction de phénomènes physiques extrêmement complexes à l’échelle microscopique (et qui permettent le développement indéfini d’une science de la lubrification des surfaces ), l’objet peut très rapidement descendre sa future position d’équilibre ou n’y descendre que lentement ou encore ne pas bouger du tout à cause du frottement.
Sans rentrer dans le détail de ce qui se passe à l’échelle microscopique, la loi de Coulomb indique que le frottement exercé par le plan est proportionnel à la composante normale du poids sur le plan avec une constante qui dépend de la nature microscopique de la surface du plan et on en déduit l’angle en dessous duquel l’objet ne va pas bouger et va conserver un équilibre « instable » en haut du plan.
Bien évidemment, dans le cas de la capillarité, le même phénomène de résistance à la mobilité de l’eau vers son état d’équilibre prévu par la loi de Laplace va provoquer le même effet. Il y aura un seuil de percolation, c’est à dire une pression capillaire en dessous de laquelle l’eau commence à monter alors qu’elle ne monte pas tant que la pression capillaire est au-dessus de ce seuil.
A l’inverse, en drainage, l’air ne descend pas tant que la pression capillaire est en dessous d’un seuil de percée de l’air et descend ensuite.
L’équivalent de l’angle du plan en deçà duquel l’objet ne glisse pas est la pression capillaire au-dessus de laquelle l’eau ne monte pas en imbibition et la pression capillaire au-dessous de laquelle l’eau ne s’écoule pas en drainage.
On sait cependant que la courbe de saturation d’eau à l’équilibre se trouve toujours comprise dans une enveloppe constituée par les 2 courbes que sont la courbe moyenne de désaturation à la descente par drainage gravitaire et la courbe moyenne de saturation à la montée par imbibition. D’autre part, et plus intéressant dans le cadre de l’invention, on sait que la courbe de désaturation au drainage est l’enveloppe haute qui maximalise la courbe de saturation à un moment donné.
Or, de façon pratique dans le cadre de la présente invention, l’objectif est de s’assurer qu’il n’y a pas trop d’eau à l’équilibre.
Si l’on revient à l’objectif de caractériser le substrat par une mesure pertinente sur un échantillon représentatif, il est donc préférable et suffisant de réaliser cette mesure par un protocole de mesure de désaturation d’un échantillon initialement saturé en partant d’une pression capillaire correspondant à une hauteur supérieure à 1 ou 2 mètres d’eau et en descendant progressivement la pression capillaire
Certes Compte tenu des phénomènes d’hystérésis, on ne sait pas prédire de façon déterministe à un instant donné quelle sera la teneur en eau pour une pression capillaire donnée ou une hauteur capillaire donnée.
Mais on a des inégalités qui permettent de dire en particulier que la saturation à une hauteur capillaire donnée est inférieure à la saturation du profil hydrique de drainage à partir de l’état saturé à ladite hauteur capillaire et dans le cadre de l’invention il suffit donc que ce profil de drainage à partir de l’état saturé soit satisfaisant puisque la condition recherchée est de garantir à l’équilibre une quantité d’air minimale , c’est à dire une teneur en dessous du seuil de satisfaction.
De plus, il convient de remarquer que l’air piégé étant compressible va très lentement diminuer de volume dans le temps, de sorte qu’après l’équilibre à court terme constaté après une remontée d’eau par capillarité, cet élément perturbateur que constituent les poches d’air va progressivement se résorber à moyen terme par compressibilité de l’air mais également par consommation de l’oxygène et du gaz carbonique car l’air piégé contient de l’oxygène qui a de façon concrète vocation à être consommé. Ainsi, cette " perturbation de la capillarité par l’air piégé » lors d'une remontée capillaire n’est pas seulement un élément perturbateur pour la prédiction de la saturation mais c’est surtout un phénomène physique utile pour introduire dans le substrat une réserve d’oxygène non négligeable pour la respiration des plantes.
De même, l’eau piégée dans l’air lors d’un drainage a vocation à moyen terme à être consommée par les plantes pour l’hydratation ou l’évaporation et constitue également une « poire pour la soif » atout pour les plantes.
Autrement dit, les effets aléatoires en haut et en bas de la courbe ont tendance à s’estomper avec le temps par l’action d’autres phénomènes plus lents que la mise en équilibre capillaire (respiration et consommation d’eau des plantes) qui prennent le relais de la capillarité et de la gravité et peuvent gommer partiellement à moyen terme une partie de l’effet de ces perturbations par rapport à la courbe hydrique théorique mais surtout constituent un atout pour les plantes.
De plus, dans le cadre de l’invention, on choisit des matériaux poreux particuliers puisque ce sont par comparaison avec les milieux poreux en général des substrats sableux hybrides avec un squelette sableux à porométrie grossière et spectre porométrique quantitatif étroit et des éléments macroscopiques de renforcement qui favorisent la percolation. Or, tous ces facteurs contribuent à diminuer l’effet d’hystérésis et à avoir des courbes hydriques réelles relativement proches des courbes théoriques correspondant aux courbes résultant de la seule distribution porométrique quantitative
Finalement tous ces éléments justifient donc de ne pas se préoccuper de ces phénomènes d’hystérésis in situ, ces phénomènes devant seulement être pris en compte pour expliquer la complication de détermination expérimentale des profils hydriques in situ mais n’apportant pas de perturbation négative dans le fonctionnement du biotope, au contraire
Ainsi, malgré des phénomènes correctif d’hystérésis relativement marginaux , l’équilibre du milieu s’établit au bout du compte en convergeant à moyen terme vers une courbe de saturation « pure » ou de référence , c’est à dire sans les corrections dues au piégeage de l’air et de l’eau, et qui ne dépend finalement que des caractéristiques porométriques quantitatives et géométriques intrinsèques du substrat posé au-dessus de la nappe, sous l’effet combiné et contraires des forces de gravité et des forces capillaires,
Même à court terme, toutes les courbes de saturation d’eau que l’on peut mesurer dans le substrat sont finalement essentiellement semblables malgré leurs dissemblances, dans la mesure où les seules différences marquées sont limitées à la partie haute et à la partie basse du profil et dans la mesure où, en dehors des partie hautes et basses du profil, les différences entre toutes ces courbes sont tout à fait marginales . La raison en est que, malgré ces phénomènes perturbateurs de piégeage relativement marginaux qui créent l’hystérésis et malgré les phénomènes e percolation qui se manifestent aux deux extrémités du profil le moteur du phénomène en milieu de courbe est essentiellement la distribution porométrique quantitative.
C’est d’ailleurs la raison pour laquelle, il est classique de prendre comme référence les courbes obtenues par porosimétrie au mercure où l’on utilise le même substrat qui conserve sa propre géométrie mais avec un autre couple fluide mouillant, fluide non mouillant ) et l’on choisit généralement le coupe ( mercure, vide) . Le mercure est le fluide non mouillant et le vide le liquide mouillant.
Il faut ensuite faire un changement d’échelle adéquat pour tenir compte des différences de tension de surface, de densité et de mouillabilité pour passer de la formule de Laplace appliquée au couple (mercure, vide) à la formule de Laplace appliquée au couple (eau, air) et cette mesure avec le couple (mercure, vide) permet d’avoir un profil hydrique applicable au couple (eau, air).
Ce choix de protocole de mesure classiquement mis en œuvre présente dans son principe deux avantages :
Le premier avantage, d’ordre pratique, de cette méthode classique (porosimétrie au mercure + échelle logarithmique) est de pouvoir explorer une large gamme de porosités très fines car le poids d’une colonie de mercure d’une taille compatible avec le bâtiment de laboratoire permet d’atteindre de très fortes pressions capillaires.
Le second avantage est que le vide ne se laisse pas piéger et que cela supprime une cause d’hystérésis et donne des caractéristiques capillaires « débarrassées » de cette perturbation
Cependant, dans le cadre de l’invention, ce choix n’est pas pertinent et il est au contraire beaucoup plus pertinent d’utiliser de façon préférable des protocoles de mesure utilisant l’eau et l’air car la porométrie des substrats choisis est grossière et peu étalée et que l’obtention des caractéristiques capillaires principales de drainage primaire et d’imbibition primaire pour lesquelles les phénomènes de piégeage ne sont pas problématiques et sont suffisantes pour les besoins de l’invention qui concernent justement l’analyse de ce qui se passe aux deux extrémités de la courbe de profil hydrique et non pas tellement ce qui se passe entre les deux.
On préfère donc choisir des caractéristiques capillaires en échelle naturelle et avec une pression capillaire exprimée en hauteur d’eau au-dessus de la nappe, ce qui correspond exactement à la gamme de faibles hauteurs au-dessus de la nappe que l’on étudie dans le substrat.
Comme il a été vu plus haut, la teneur en eau à l’équilibre capillaire à une altitude donnée au-dessus d’une nappe ne dépend que de la pression capillaire à l’altitude considérée (fonction de la seule différence d’altitude entre le point considéré et elle niveau piézométrique de la nappe) et de la porosité du substrat à l’altitude considérée.
Autrement dit, à l’équilibre capillaire, on ne considère pas le type de substrat situé dans les couches situées au-dessus ou en dessous de la couche considérée mais seulement la hauteur par rapport à la nappe et les caractéristiques capillaires du substrat dans la couche considérée.
Evidemment cela suppose qu’il existe des chemins de capillarité entre la nappe et la couche considérée, ce qui n’est plus le cas si il existe une couche totalement non capillaire (barrière capillaire du gravier par exemple) ou une membrane imperméable entre la couche considérée et la nappe d’eau.
D’autre part, bien entendu, l’influence des couches en dessous existe bel et bien à travers la cinétique de mise à l’équilibre qui dépend de la perméabilité équivalente.
De façon pratique, quand l’objectif est de savoir que sera la teneur en air à l’équilibre capillaire pendant des mois d’hiver en dehors de demande évaporatoire, on ne regarde que les caractéristiques capillaires des différentes couches concernées par la tranche d’oxygénation des racines ainsi que la profondeur de la nappe.
Bien entendu dans le cas classiquement rencontré sur de nombreux terrains de sport des premières générations avec des couches sous-jacentes très peu perméables ou fortement imperméables, ce n’est pas l’eau capillaire qui est responsable de l’ennoyage superficiel mais l’absence de perméabilité des couches sous-jacentes qui empêche le drainage de l’eau de pluie ou le ralentit tellement entre eux pluies successives que le substrat superficiel est toujours saturé ou quasi saturé d’eau. Cependant, ce cas est exclu d’emblée dans le cas de l’invention qui concerne des substrats bonne perméabilité jusqu’à la nappe, de sorte que les excès d’eau par les précipitations sont drains très rapidement et que ne reste pendant de longues périodes que l’eau retenue par capillarité, compte tenu des caractéristiques capillaire du substrat et de la pression capillaire qui ne dépend que de la différence d’altitude avec la nappe sous-jacente.
Dans le cas particulier correspondant aux conditions de l’invention où l’on ne peut négliger les différences de pression hydrostatique et donc de pression capillaire dans l’échantillon car l’ordre de grandeur de ce que l’on négligerait serait équivalent à ce que l’on cherche à mesurer, il est bien entendu préférable de déterminer les caractéristiques capillaires principales par un protocole de mesures spécifiquement adapté à ce cas particulier qui ne néglige pas la différence de pression capillaire de l’échantillon du fait de son épaisseur dans le sens vertical mais qui au contraire en tient compte. Ce cas particulier est celui de l’invention car on cherche des profils capillaires sur quelques dizaines de cm, une frange capillaire qui est de l’ordre de grandeur de la dizaine de cm et des tailles d’échantillons d’un ordre de grandeur comparable.
La description d’un protocole par récurrence préféré donnée ci-dessous donne un exemple de moyen de détermination d’un profil capillaire en tenant compte de la différence de pression capillaire à l’intérieur de l’échantillon mais en ayant une précision sur la teneur en eau sur une tranche aussi mince que l’on veut par une mise en équilibres successifs de l’échantillon monté progressivement d’une différence de niveau ∆ z qui donne la précision voulue à la mesure, même si l’épaisseur (a) de l’échantillon est nettement supérieure à ∆ z.
Même si l’utilisation de ce protocole précis n’est pas imposée par la méthode selon l’invention et que ce protocole n’est donné qu’à titre d’exemple de la possibilité de déterminer la courbe de façon expérimentale et précise malgré un profil hydrique de quelques décimètres seulement, on va expliquer ci-dessous ce processus dans un cas particulièrement pratique pour le raisonnement par récurrence, en supposant que :
- l’épaisseur (a) de l’échantillon est plus petite que la frange capillaire
- que l’on soulève l’échantillon relié par un tuyau d’eau à la surface libre d’une hauteur ∆z à chaque pas expérimental
- en choisissant que a soit un multiple de ∆z, c’est à dire a = m ∆z, avec m entier
Les deux figures 4a et 4b, qui représentent respectivement la phase n et la phase n+1 d’un processus de détermination par récurrence de la courbe d’équilibre capillaire, permettent d’illustrer le dispositif de mesure expérimentale du profil hydrique de drainage par récurrence.
Ces deux figures sont représentées exactement de la même façon, mais à deux étapes successives de la récurrence.
On a choisi une représentation avec ∆z = a/2
Ainsi, la figure 4 b est semblable à la figure 4 a mais en ayant soulevé l’échantillon de ∆z = a/2 , c’est à dire de la moitié de l’épaisseur de l’échantillon
La courbe du profil hydrique de drainage représentée en figure 4a et 4b est la courbe qui donne en abscisse la quantité d’eau θ (z) qui reste dans la porosité après vidange complète en fonction de la hauteur capillaire hc représentée en ordonnée
C’est justement cette courbe que l’on détermine de façon expérimentale par le dispositif de mesure expérimentale du profil hydrique de drainage par récurrence dont le principe est expliqué ci-après
Comme l’illustre la figure 4a, (z) est l’altitude du bas de l’échantillon (5) par rapport au niveau de la nappe (6) correspondant à l’étape n de la récurrence et (z +a) est donc l’altitude du haut de l’échantillon à l’étape n de la récurrence. De même, comme l’illustre la figure 4b, en remontant de ∆z l’échantillon à l’étape n+1, on a donc l’altitude du bas de l’échantillon qui passe à z + ∆z et le haut de l’échantillon qui passe à z + ∆z +a .
Les figures 4a et 4b montrent en grisé à quelle partie de la courbe correspond l’épaisseur de l’échantillon et cette partie de la courbe se décale donc naturellement par rapport à la courbe quand on passe de la figure 4a à la figure 4 b
Sont représentées à droite l’épaisseur de la frange capillaire ( fc) et la hauteur de remontée capillaire maximale (H)
Comme on le voit sur les figures 4a et 4b, pour hc= 0 , on a θdrainage(0) = ε et cela se maintient quand dans la frange capillaire pour ensuite faire une courbe en S qui tend vers zéro et arrive presque à zéro quand on atteint la hauteur de remontée capillaire maximale (H)
On dispose d’un dispositif de contrôle de la pression (1) et d’un dispositif de mesure du volume entrant/sortant (3) sur un circuit d’eau (2) qui relie l’eau de l’échantillon (5) posé sur un milieu poreux (4) à la nappe pour que la pression capillaire en tout point de l’échantillon soit la pression correspondant à l’altitude de ce point par rapport au niveau piézométrique (6) de la nappe.
De façon classique, l’échantillon (5) est posé sur un milieu poreux (4) adéquat pour transmettre de façon uniforme la pression capillaire dans l’échantillon, ce milieu poreux étant relié à la nappe par le circuit d’eau (2)
Ainsi, quand on a l’échantillon tout en bas il reste saturé d’eau et Il suffit de compter le nombre p de pas de hauteur ∆z avant d’observer le premier drainage effectif pour connaître la taille de la frange capillaire qui vaut entre a + (p-1) ∆z et a + (p) ∆z
En effet, quand, au pas p-1, le sommet avait une altitude a + (p-1) ∆z, il n’y avait pas de drainage du tout , et on a donc a + (p-1) ∆z < ( fc)
En revanche, on constate un drainage au pas p et cela signifie donc que a + (p-1) ∆z ≥( fc)
∆z donne l’incertitude maximale sur la hauteur de frange capillaire (même si on peut encore resserrer l’incertitude en comparant la perte d’eau au pas p à celle au pas p+1)
On a choisi une épaisseur a de l’échantillon multiple de ∆ z avec a = m ∆z, de façon à avoir m tranches dans l’échantillon
Quand on remonte l’échantillon de ∆z, on sait par récurrence ce que les m-1 tranches inférieures perdent par drainage et, en mesurant ce que perd l’échantillon complet, on en déduit donc par différence ce que perd la tranche supérieure d’épaisseur ∆z.
Ainsi, par récurrence, on connaît la quantité d’eau perdue au drainage par chaque tranche d’épaisseur ∆z depuis la nappe
En effet, on connaît au début de la récurrence, la quantité d’eau qui est sortie de la tranche supérieure, la première fois où l’on a constaté une vidange.
On connaît donc au pas suivant la quantité d’eau qui sort de la tranche juste en dessous de la tanche supérieure, sachant qu’il ne sort rien des tranches en dessous, et par différence, la quantité d’eau qui sort moins la quantité d’eau qui sort e la tranche juste en dessous de la tranche supérieure donne la quantité d’eau qui sort de la tranche supérieure.
Aux pas suivants, on sait tout ce qui sort des différentes tranches en dessous de la tranche supérieure et par différence, on en déduit la quantité qui sort de la tranche supérieure. A chaque pas, ce qui sort de la tranche supérieure se déduit de ce qui sort de l’ensemble de l’échantillon et c’est ce qui sort de la tranche supérieure que l’on cherche à connaître pour avoir la courbe de profil hydrique et qui servira aux pas suivants à connaître ce qui va sortir des tranches situées en dessous
Ainsi par récurrence, on connaît à chaque pas la quantité d’eau qui sort de la tranche supérieure et donc également la quantité d’eau θ (z) qui reste dans la porosité et qui est égale à la porosité ε (du fait de la saturation initiale ) moins ce qui est sorti de la tranche supérieure que l’on a calculé comme ce qui est sorti de l’échantillon tout entier diminué de la somme de ce qui est sorti de l’ensemble des tranches strictement en dessous de la tranche supérieure.
On peut ainsi déterminer la quantité d’eau perdue par rapport à ε cela donne donc la quantité d’eau qui reste soit θdrainage(z) à la hauteur capillaire correspondant à la tranche supérieure de l’échantillon.
On dispose ainsi du profil hydrique principal de drainage à partir de l’état initial saturé déterminé selon un protocole expérimental reproductible.
La représentation de profil choisie pour illustrer la méthode expérimentale est évidemment assez réaliste dans la mesure où ce type de coupe est conforme aux observations pour le type de substrat étudié. On y remarque que la frange capillaire est bien visible comme prévu par les explications théoriques données ci-dessus mais que le seuil de percolation n’est pas franchement visible. Cette représentation a été choisie volontairement ainsi car c’est ce que l’on observe effectivement avec le type de substrats représentatifs des substrats candidats pour la présente invention qui ont été testés.
Aussi, une façon simple de fixer un seuil est de considérer le rapport θdrainage( hc) / θ (0) ≤ λ
L’exigence caractéristique selon l’invention porte alors sur le choix de λ
L’expérimentation permet de trouver hcλtel que θdrainage(hc) / θdrainage(0) ≤ λ pour toute hauteur capillaire supérieure à hcλ
En effet, la fonction θdrainage (hc) correspondant à la caractéristique principale de drainage à partir de l’état initial de saturation étant décroissante, cela permet pour tout λ entre 0 et 1 de déterminer la hauteur capillaire hcλt elle que pour toute hauteur capillaire hc supérieure à hcλon vérifie la relation θdrainage (hc) / ε ≤ λ
Or, on a vu par ailleurs précédemment que la teneur en eau in situ dans le substrat à une hauteur capillaire quelconque θ (hc) est indéterminable de façon précise du fait de l’hystérésis mais qu’elle vérifie à l’équilibre capillaire la relation : θ (hc) ≤ θdrainage (hc)
Ainsi, pour tout λ entre 0 et 1 on peut déterminer une hauteur capillaire hcλ dépendant de λ telle que in situ , à tout moment à l’équilibre capillaire et à toute hauteur capillaire hc , la teneur en eau θ (hc) effective in situ à la hauteur hc et à l’équilibre capillaire au moment considéré vérifie la relation :
hc ≥ hcλ => θ ( hc) / ε ≤ λ
A ce stade, par cette relation on dispose donc des éléments caractéristiques intrinsèques recherchés qui permettent de caractériser l’invention.
Il faut enfin veiller à ce que la combinaison de l’épaisseur et de la granulométrie soit adaptée pour permettre un flux d’alimentation suffisant pour compenser les pertes estivales par évapotranspiration.
Il est à cet égard connu qu’un flux d’alimentation par les remontées capillaires se crée spontanément dans le substrat de façon à rétablir l’équilibre de pression hydrique dans le substrat, c’est à dire en compensant les pertes par évapotranspiration pour rétablir l’équilibre dès qu’un gradient de potentiel de pression hydrique se crée dans la colonne d’eau.
Cette condition concerne les flux de remontée d’eau depuis la nappe en présence d’une demande évaporatoire de l’atmosphère définie à tout instant par l’évapotranspiration potentielle au-dessus du terrain, en fonction de la demande climatique (rayonnement, l’albédo, vent, température et l’humidité relative de l’air).
Or, la littérature fait apparaître que le flux de remontée capillaire s’adapte en constituant un flux capillaire journalier permanent égal au flux journalier moyen d’évapotranspiration, tant que ce flux journalier est inférieur au flux capillaire limite correspondant à la combinaison d’épaisseur et de granulométrie dudit substrat. Si les pertes d’eau journalières par évapotranspiration potentielle sont supérieures au flux capillaire limite du substrat, le flux capillaire se borne au flux capillaire limite et le stock d’eau commence par conséquent à diminuer et ce sont alors les plantes qui s’adaptent pour faire baisser la transpiration de sorte que l’évapotranspiration réelle soit inférieure à l’évapotranspiration potentielle.
Dans l’étude des états d’équilibre, et même si les équations du mouvement s’appliquent bien entendu à la recherche de solutions statiques à l’équilibre qui correspondent tout simplement aux solutions permanentes (∂/∂t =0) et à flux nul, cela n’aurait en fait rien apporté de plus de faire appel à ces équations du mouvement et toutes les analyses de l’équilibre capillaire ont donc été faites dans les chapitres précédents sans faire appel aux équations du mouvement mais en analysant seulement les phénomènes physiques et en particulier les forces et la possibilité de percolation en déplacement implicitement supposé quasi statique par des chemins utilisés pour le déplacement de l’eau entre deux équilibres successifs mis en jeux .
À l’inverse, dès que l’on s’intéresse aux flux, il est nécessaire de considérer ces équations du mouvement qui explicitent de façon mathématique les règles physiques auxquelles doivent obéir ces flux.
Ces équations vont être ici explicitées mais ne vont pas ci-dessous être résolues. En revanche, le simple examen de la forme de ces équations permet déjà de révéler quelques aspects essentiels et suffit à expliquer ce qui apparait souvent paradoxal -.
De plus, sont utilisés dans le cadre de l’invention des résultats récents de la recherche sur les flux en présence d’une nappe d’eau et d’une demande climatique évaporatoire. Ces résultats étant obtenus par la résolution numérique de ces équations couplées à l’observation expérimentale pour déterminer des caractéristiques de flux dans des circonstances expérimentales correspondant à la présente invention, il convient simplement ici d’exposer le principe de ces résultats pour montrer en quoi ils répondent parfaitement aux questions posées dans le cadre de l’invention. Ceci nécessite ci-dessous un exposé synthétique de la façon de poser le problème et des résultats connus en fonction de paramètres qui seront ci-dessous explicités dans le cade de la présente invention
L’objectif est ci-dessous d’expliciter les équations du mouvement de l’eau à travers le substrat depuis une nappe peu profonde en présence d’une demande évaporatoire.
Ces équations permettant non seulement de considérer le flux, c’est à dire le mouvement de l’eau mais également les transferts d’énergie et les passages de l’eau liquide à l’eau vapeur ou réciproquement avec les transferts de chaleur correspondants.
L’objectif de coupler le mouvement et les transfert d’énergie n’est pas de compliquer inutilement le système d’équation mais vient du fait que a priori, quand on considère l’ensemble des flux de matière et d’énergie susceptibles de se développer dans le substrat en raison de la présence d’une demande évaporatoire en surface et compte tenu de la présence d’une nappe d’eau à une profondeur donnée et des caractéristiques du substrat , on ne sait absolument pas a priori quels flux d‘eau ou d’énergie vont pouvoir se développer en réponse à cette demande ni sous quelle forme auront lieu ces flux de matière ou d’énergie. On ne sait pas si les transferts d’eau vont se faire sous forme liquide ou vapeur et si le moteur physique principal de remontée d’eau est la capillarité ou la convection thermique, s’il y a un moteur principal et un moteur marginal ou deux ou trois moteurs de puissances à peu près équivalentes. En effet, toutes ces situations se rencontrent dans les substrats selon différentes circonstances naturelles ou artificielles connues (ventilation forcée par exemple) et il est donc logique de mettre toutes les forces ensemble dans les équations et de constater ensuite l’effet de chacune de ces forces dans les circonstances particulières des conditions aux limites correspondant au cas étudié.
Or, seule la prise en compte des phénomènes de transferts couplé de masse et de chaleur, leur formulation mathématique et l’ examen de ces équations dans le cadre précis de l’invention a pu permettre d’avoir une réponse à ces questions.
Il faut noter en particulier ce qui se passe en l’absence de nappe d’eau peu profonde qui correspond à la situation la plus couramment observée dans les terrains de sport non arrosés où le stock d’eau, en l’absence de nappe, n’est renouvelé que par les pluies. L’évaporation est alors un phénomène transitoire conduisant à l’installation progressive du dessèchement du sol selon trois étapes aboutissant à une évaporation très faible contrôlée par une couche de sol sèche en surface dont l’humidité tend vers celle de l’air. La transmission de l’eau vers la surface du sol s’effectue alors sous forme vapeur la genèse de cette couche sèche est liée à la diminution progressive de la teneur en eau dans l’horizon supérieur de sol. On sait bien qu’au départ le sol humide est capable de satisfaire la demande atmosphérique (première étape), puis que le sol n’est plus en mesure de transmettre suffisamment d’eau à la surface pour compenser l’évaporation potentielle pendant une seconde phase de dessèchement de la surface (deuxième étape) avec un flux mixte liquide et gazeux au départ aboutissant finalement à un flux purement vapeur à la fin en troisième étape à un flux de plus en plus faible d’évaporation à travers une couche superficielle sèche sur une épaisseur de plus en plus importante de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres.
Ainsi en l’absence de nappe, on sait que le sol répond aux contraintes évaporantes imposées par les conditions atmosphériques de façon à conserver le stock d’eau qu’il contient, par un assèchement de la couche de surface qui réduit la transmissivité de l’eau dans cette zone, limite l’évaporation et permet de conserver l’eau des zones sous-jacentes et que l’efficacité de cette action peut être renforcée par la formation de croûtes jouant un rôle de « mulch spontané ».
L’objectif ci-dessous de la prise en compte couplée des différents transferts est de voir dans quelles conditions la présence d’une nappe d’eau à une faible profondeur donnée permet de changer ce processus et de permettre la mise en place d’une solution de flux liquide capable d’alimenter la demande évaporatoire superficielle par un flux essentiellement liquide et capillaire en en régime permanent comme c’’est en effet ce que l’on constate.
De plus, un autre avantage dans le cas de la présente invention d’envisager le système couplé complet des équations du mouvement et des transferts est que les objectifs préférables poursuivis selon l’invention concernent également la possibilité d’intervenir sur la température et l’humidité du substrat en rajoutant des moyens de forçage artificiel des flux d’air ou d’eau de dans le cadre spécifique du choix de substrat et de profondeur de la nappe qui seront déterminés et explicites plus bas . Or ces effets sont obtenus à partir des mêmes équations de transfert mais cette fois en imposant le flux au lieu de le déduire des conditions aux limites.
Pour établir ces équations, on considère tout d’abord que le milieu est homogène dans le plan horizontal et la surface du gazon plane et horizontale, et donc que les transferts de masse et d’énergie sont verticaux : les équations sont donc à une seule dimension selon l’axe des z (dirigé vers le bas)
La première équation est celle de la conservation de la masse d’eau qui exprime le fait que dans un volume élémentaire de surface S et d’épaisseur ∂z, l’augmentation de masse d’eau pendant un intervalle de temps ∂t est égale à la masse d’eau qui est rentrée en plus par une face comparée à ce qui est sorti par l’autre face à la distance ∂z diminuée de la consommation à l’intérieur du volume élémentaire considéré.
On exprime également dans cette équation le fait que l’eau qui rentre, tout comme l’eau qui sort est la somme de l’eau qui rentre (ou qui sort ) sous forme vapeur et sous forme liquide.
L’équation s’écrit :
¶ / ¶t [rwqw +rvqv] = - ¶ / ¶z [Jw +Jv] - consommation
rw etrv étant les masses volumiques de l’eau et de la vapeur d’eau,qw etqv les concentrations volumiques de l’eau et de la vapeur d’eau, Jw et Jv les densités de flux de masse en phase liquide et en phase vapeur, Jm étant le flux d’eau vertical, Jw le flux sous forme liquide et Jv le flux sous forme vapeur
La simple forme de l’équation montre que l’alimentation en eau ne se fait pas par la quantité d’eau que le substrat peut retenir mais par la différence entre l’eau qui rentre et l’eau qui sort. C’est pourquoi, dans certaines conditions à examiner, un substrat grossier qui ne retient pas beaucoup d’eau peut toutefois soutenir un flux important.
Or, un indice de faisabilité est que même si les substrats grossiers retiennent moins d’eau, ils laissent en revanche passer l’eau plus facilement (porosité plus grossière signifiant « tuyaux plus gros » et donc flux Jw potentiellement plus importants à charge équivalente. Malheureusement si il est vrai que la perméabilité à saturation augmente avec la porosité, un indice de difficulté apparait simultanément dans la mesure où, en sens inverse, la perméabilité du milieu diminue avec la teneur en eau - devenant même nulle en dessous d’une certaine teneur en eau . Or la teneur en eau est en effet plus faible avec les sols plus grossiers. Cependant, la baisse de saturation est accompagnée par une augmentation de la pression de succion qui est le moteur de la capillarité et le résultat du flux dépend donc du produit d’un facteur qui diminue par un facteur susceptible d'augmenter. La question à ce stade n’est donc pas résolue a priori mais seulement déplacée: Il ne s’agit pas de considérer la teneur en eau mais les flux.
Il convient donc ci-dessous d’examiner les règles qui déterminent le flux et de l’exprimer par les équations correspondantes.
Quand on est en milieu saturé, le flux à travers une section de surface A est fonction linéaire du gradient de pression selon une loi de Darcy qui exprime en milieu saturé que le courant est proportionnel et opposé au gradient de pression P : Jw = - k ¶ / ¶z ( p )
On exprime P en hauteur d’eau et en séparant la part hydrostatique ρ g z.
on écrit P = ρ g H = ρ g ( h + z ) et on note K = k /ρ g
on a donc : Jw = - k /ρ g A ¶ / ¶z ( h + z ) = - K ( ¶ h/ ¶z + 1 )
En milieu non saturé, cette équation se généralise en introduisant un facteur Kr qui caractérise l’effet de la non saturation sur le coefficient de perméabilité
On a donc : Jw = - KrK ( ¶ h/ ¶z + 1 )( équation de Darcy-Buckingham )
On peut l’écrire plus simplement en notant que K est une fonction de la teneur en eau θ sous la forme : Jw = − K(θ) ( ¶ h/ ¶z + 1 )
On a donc un produit entre d’une part K(θ) qui est une fonction croissante de θ, et qui diminue donc avec la baisse de teneur en eau et d’autre part le gradient de pression qui peut dans certaines conditions compenser et créer un flux important.
Si l’on remplace maintenant Jw par sa valeur dans l’équation de conservation de la masse exprimée plus haut, et si l’on supprime les termes de consommation et de transfert de masse sous forme vapeur, on obtient l’équation du mouvement par capillarité et gravité :
¶ / ¶t (rwqw ) = - ¶ / ¶z [Jw] = - ¶ / ¶z [ − K(θ(z)) ( ¶ h/ ¶z + 1 )]
C’est l’une des formes de l’équation de Richards
Il convient simplement ici de voir que ce qui compte est le gradient de cette expression
[ − K(θ(z)) ( ¶ h/ ¶z + 1 )]
Il est clair que le terme K(θ(z)) risque d’être petit quand il y a peu d’eau mais le terme ∂ h/ ∂z ne dépend pas de la quantité d’eau mais du gradient de séchage et peut donc devenir très grand de sorte que le produit peut être aussi bien petit que grand en fonction de ce gradient.
De toutes façons, le fait que ce terme soit petit ou grand n’a pas beaucoup d’importance en soi car c’est le gradient de ce produit qui est le moteur du flux.
Cependant même si il arrive souvent en fonction des conditions que certains des termes soient négligeables devant d’autres il arrive aussi que dans d’autres conditions aux limites tous les termes soient du même ordre de grandeur tandis que dans d’autres conditions aux limites encore il peut y avoir inversion des termes négligeables. Les termes négligeables par rapport aux autres dépendent justement des conditions expérimentales. Or, l’objectif général des recherches menées dans les conditions expérimentales d’une nappe d’eau proche de la surface en présence d’une demande évaporatoire forte consistait justement à étant de déterminer dans quelles conditions l’effet de certains termes devient négligeable. C’est la raison pour laquelle sont présentées ici les équations sous une forme plus générale dans laquelle les termes liés à la convection thermique ne sont pas négligés comme dans une équation de mouvement quand on sait d’emblée que le moteur principal est capillaire. Ici, justement on ne sait pas a priori mais on cherche à savoir dans quelles conditions c’est le flux d’eau liquide ou le flux d’eau vapeur qui importe et si ce flux est capable ou non de supporter la demande évaporatoire.
Il faut donc revenir à l’équation complète comprenant flux d’eau sous forme liquide ou vapeur et il faut donc gérer parallèlement et sans a priori les équations du mouvement dont le moteur est la capillarité ou dont le moteur est la thermodynamique. De ce fait, il faut non seulement exprimer la conservation de la masse mais également exprimer la condition de conservation de l'énergie et il faut résoudre simultanément toutes les équations du système.
Il convient donc d’exprimer la conservation de l’énergie en plus de la conservation de la masse déjà exprimée plus haut.
Concernant la conservation de l’énergie, on ne considère pas à l’échelle de temps considérée les sources d’énergie comme la combustion organique des sucres par l’oxygène et on considère qu’il n’y a ni consommation ni production d’énergie dans le substrat, mais seulement des transferts via la conduction, la convection, la chaleur latente (on néglige aussi le rayonnement car les rayonnements émis et reçus s’annulent deux à deux - en dehors bien sûr de la surface). On considère ici la densité apparente ρd de la matrice solide et les indices d, w, v qui désignent respectivement la phases solide de la matrice, et les phases liquide et vapeur de l’eau, et on peut écrire de la même façon que pour la conservation de la masse que la variation d’enthalpie spécifique pendant un intervalle de temps dt à l’intérieur d’un volume élémentaire est égal à la différence d’énergie qui sort en z + dz par rapport à celle qui entre en z ; or ce flux d’enthalpie à travers une face est la somme du flux par conduction Jcet du flux de convection, qui est lui-même la somme de la convection d’enthalpie par la phase liquide ewJwet par la phase vapeur evJv
C’est ce qu’exprime l’équation :
¶ / ¶t [ρded+ ρwθwew+ ρwθwew] = − ∂/ ∂z [ Jc +ewJw +evJv]
Une fois exprimées les deux lois de conservation, il faut exprimer les lois physiques qui régissent les flux de transfert de masse ou de chaleur à travers les équations de transfert , qui sont toutes de formes relativement semblables et qui concernent le flux liquide (loi de Darcy) ,le flux de vapeur (loi de Fick ) et le flux de chaleur ( loi de Fourier ).
On a déjà exprimé la loi de Darcy mais on peut ici l’exprimer différemment pour avoir un système d’équations dont on choisit les variables primaires en fonction des mesures expérimentales et des modélisations choisies. De façon à pouvoir simplifier les équations de diffusion en divisant le tout par un facteur commun, on exprime ces équations en utilisant les coefficients de diffusivité et de façon à faire apparaître les gradients de pression et de température.
Ensuite, comme vu ci-dessus pour la loi de Darcy il est possible de remettre l‘expression des flux dans les équations de conservation de la masse et du flux et cela permet d’ obtenir un système d’équations du mouvement qui permet, couplé aux mesures expérimentales réalisées de faire une résolution numérique , ce qui permet en fin de compte de généraliser les mesures expérimentales et de tirer des conclusions dans un domaine de conditions expérimentales bien cerné sur le comportement de l’eau dans le substrat en fonction de conditions expérimentales paramétrées.
La description des expériences et des méthodes d’obtention des résultats obtenus ces dernières années par ce type de méthode couplant modélisation numérique et calibration expérimentale sort du champ explicatif de la présente invention mais les résultats connus et aujourd’hui publiés de ces expérimentations permettent désormais de répondre parfaitement à la question posée dans le cadre de la présente invention.
Le résultat expérimental, généralisé de façon numérique par les méthodes très sommairement exposées ci-dessus, est le suivant.
L’intensité du flux de remontée capillaire en fonction de la profondeur de la nappe, désormais connu, apparaît particulièrement sensible à la profondeur de nappe et secondairement à l’intensité de la demande évaporatoire lorsque la profondeur de nappe est faible ainsi que, mais seulement dans une moindre mesure, à la granulométrie du substrat.
Ainsi, il apparaît que de façon spectaculaire le flux de remontée capillaire maximum est divisé d’un facteur 2 à 3 lorsque le toit de la nappe passe de 40 à 100 cm de profondeur, puis d’un facteur 6 à 8 lorsqu’il passe de 40 à 150 cm de profondeur. Lorsque la profondeur de nappe est faible (Profondeur de nappe Pn=40 cm), l’influence de la demande évaporatoire est sensible sur l’intensité de l’évaporation qui varie de 10,4 mm/j en vent faible à 15,2 mm/j en vent fort & lampe. Lorsque la profondeur de nappe est plus élevée (Pn=100 cm et Pn=150 cm), le flux de remontée capillaire semble indépendant de la demande évaporatoire ; sa valeur semble plus directement corrélée à la seule profondeur de nappe. Ainsi, les mesures réalisées dans cette gamme de profondeurs de nappe, avec différents substrats et différentes demandes évaporatoires ont mis en évidence un comportement des flux capillaires ascendants qui peut être exprimé de façon simple par la théorie du flux limite.
Cette théorie du flux limite est que le flux capillaire ascendant est capable de croître pour s’adapter à la demande évaporatoire jusqu’à une certaine limite maximale appelée flux limite. Tant que la demande évaporatoire est inférieure au flux limite, le gradient de teneur en eau s’ajuste automatiquement et spontanément dans le substrat pour permettre au flux capillaire ascendant de s’ajuster à la demande évaporatoire.
Une fois que la demande évaporatoire est supérieure au flux limite, le flux capillaire ascendant qui se met en place atteint le flux limite et s’y maintient et un flux de vapeur vient se rajouter au flux limite qui a pour effet de sécher le sol plus profondément et de réduire son évaporation.
Ainsi, entre le toit de la nappe et la surface, les profils de pression présentent une partie quasi linéaire, correspondant à de très faibles gradients hydrauliques, puis s’infléchissent, ce qui représente un accroissement progressif de ces gradients. En fait, il y a un flux constant et l’évolution du gradient compense la diminution de la capacité de diffusion de l’eau au fur et à mesure de la décroissance de la teneur en eau quand on monte vers la surface et on constate que la teneur en eau du sol a la capacité de s’adapter spontanément pour permettre un flux de remontée capillaire constant de la nappe jusqu’à la surface qui s’adapte parfaitement à la demande évaporatoire, tant que celle-ci reste inférieure à un flux limite qui dépend principalement de la profondeur la nappe et de façon marginale à la granulométrie du substrat. Ainsi, de façon spontanée, les gradients hydrauliques augmentent à proportion que le coefficient de diffusion chute avec la baisse de teneur en eau.
Or, il apparaît que cet accroissement des gradients est d’autant plus prononcé que :
- la zone non saturée est étendue – l’inflexion n’est pas visible lorsque la profondeur de nappe est de 40 cm ; elle touche les 20 ou 40 premiers centimètres de sol lorsque la nappe est respectivement à 100 ou 150 cm de profondeur ;
- l’intensité de la demande évaporatoire s’accroît, pour une profondeur de nappe donnée.
Les observations rapportées dans la littérature indiquent que pour une nappe à 40 cm de profondeur, la surface du sol reste sombre et toujours très humide tandis que pour une nappe plus profonde, à 1 m et 1,5 m, l’aspect de la surface est extrêmement dur et de couleur claire et témoigne d’un dessèchement important de la surface du sol.
Ainsi, avec des substrats sableux grossiers comme avec des substrats fins, la teneur en eau du sol et les gradients de charge hydraulique s’équilibrent spontanément de manière à transmettre le flux en provenance de la nappe. Au flux limite, toute augmentation de la demande évaporatoire se traduit par un assèchement de la surface du sol réduisant la capacité de transport de l’eau ; cette réduction est contrebalancée par un accroissement des gradients. L’état de désaturation de la surface du sol n’est pas quantifiable mais est perceptible par les observations. Même si à trois centimètres de profondeur, le tensiomètre ne mesure pas de dépressions très élevées, il est certain qu’un saut important existe entre cette profondeur et la surface. Ainsi la diminution de la teneur en eau dans l’horizon supérieur du sol n’affecte pas le flux limite de remontée capillaire. L’intensité du flux limite est certes contrôlée par le sol mais pas par la couche de surface qui joue un rôle spécifique de frein à l’évaporation une fois que le flux limite est atteint mais sans préjudice pour la poursuite du flux capillaire qui se poursuit jusqu’à la surface malgré une teneur en eau extrêmement faible compensée par un gradient extrêmement fort.
Comme on s’y attendait par l’expérience qui montre que les sols fins sont plus efficaces pour alimenter a végétation par un flux capillaire ascendant depuis des nappes profondes , le flux limite de remontée capillaire décroît avec la profondeur de la nappe d’autant plus rapidement que le sol présente une texture grossière.
En revanche, et contrairement aux idées reçues consistant à poursuivre le raisonnement en appliquant au cas des nappes peu profondes les connaissances acquises par l’expérience des nappes profondes, il apparaît au contraire que pour des nappes peu profondes de moins de 40 cm de profondeur, ce sont les textures grossières qui donnent les flux limites les plus élevés. Ce résultat peut sembler étonnant dans la mesure où il fait apparaître un comportement opposé à un comportement plus couramment observé avec les nappes plus profondes mais il se comprend en fait aisément dans la mesure où la teneur en eau n’est pas diminuée de façon drastique, ce que révèle la couleur superficielle du sol qui reste colorée pour les nappes de moins de 40 cm. Dans ces conditions, la baisse de transmissivité liée à une moindre teneur en eau en texture grossière comparée à une texture plus fine est bien réelle mais elle est marginale et n’est donc pas suffisante pour compenser la meilleure transmissivité à saturation des textures grossières qui est de plusieurs ordres de grandeurs supérieure à la transmissivité des textures fines.
Lorsque la teneur en eau passe de 100% de la porosité à 10% de la porosité , la quantité d’eau qui va être soumise à un gradient semblable est divisée par 10 mais les obstacles et la résistance diminuent, de sorte que si l’on considère θl et θs la teneur en eau correspondant à de l’eau « libre » et à la teneur en eau à saturation , on doit voir kr ≥ θl / θs pour tout θ ≥ θl
Evidemment, une fois que l’eau qui reste est essentiellement de l’eau liée, c’est plus compliqué car les forces exercées sur l’eau par les surfaces sont susceptibles de bloquer l’eau en l’immobilisant contre le squelette granulaire immobile mais tel n’est justement pas le cas quand ce sont des forces de capillarité qui vont dans le sens de la remontée capillaire et s’exercent sur de l’eau retenue par capillarité et non par des forces de Van der Wals. Aussi, dans le cas du sable ou presque toute l’eau est soit libre soit retenue par de simples forces de capillarité « faibles et allant dans la direction du gradient capillaire » , on aura certes une légère diminution de perméabilité liée à la teneur en eau mais qui ne baissera pas la perméabilité d’un facteur supérieur à 10 pour une teneur en eau divisée par 10 , ce qui n’est pas grand-chose comparé à un rapport à 102ou 103entre les perméabilité des substrats dès que l’on passe de l’argile au limon ou du limon au sable. Ceci explique que le flux capillaire dans le sable reste très supérieur à celui dans de l’argile tant que le substrat n’est asséché que par une pression de succion modérée. C’est le cas quand la nappe est à une profondeur inférieure à 1 mètre et de plus en plus vrai quand la profondeur diminue. Ainsi, avec des profondeurs de nappe inférieures à 0,5 m, le flux limite de remontée capillaire d’un sol sableux est nettement supérieur au flux limite de remontée capillaire d’un sol sablo-limoneux, lui-même nettement supérieur au flux limite de remontée capillaire d’un sol argileux.
On constate aussi expérimentalement que la participation de la vapeur d’eau au flux total de remontée capillaire n’apparaît que pour des valeurs de succion supérieures à 500 m et augmente ensuite avec cette dernière mais est négligeable pour les petites profondeurs de nappe. L’intensité du flux gazeux augmente également avec la profondeur de la nappe pour une succion donnée. Le changement de phase s’effectue généralement dans les tous derniers millimètres au niveau de la surface, même quand la contribution liquide devient nulle en surface et le flux de remontée ascendante est donc complètement soutenu par la phase liquide. Les calculs réalisés montrent que le flux limite peut être maintenu quelles que soient les conditions d’humidité de la couche de surface par un ajustement du gradient de pression qui, en fonction de la capacité de diffusion de l’eau, permet de maintenir un flux constant dans toute la zone non saturée.
Quand on considère les profils de teneur en eau, on constate que l’épaisseur de la couche superficielle séchée pour freiner l’évaporation superficielle est très faible ; Le cas où la nappe est à 50 cm de profondeur illustre particulièrement l’efficacité de cette strate superficielle qui en quelques centimètres à peine permet de limiter l’évaporation. En effet on constate qu’en dessous de cette strate superficielle, la teneur en eau du sol est très proche de la saturation capillaire ( teneur en eau à l’équilibre capillaire ) mais que ce degré d’humidité important est toutefois impuissant à neutraliser l’efficacité de la couverture superficielle dont quelques centimètres suffisent à maintenir une évaporation réduite d’un rapport supérieur à 5 par rapport à un sol sans couverture superficielle .
Ainsi, compte tenu de toutes les constatations ci-dessus, il est remarquable de constater expérimentalement que le flux capillaire est toujours capable de fournir l’eau nécessaire à la pleine satisfaction de l’évaporation potentielle dès que le flux moyen nécessaire est inférieur au flux limite.
Pour une ETP inférieur à 6 mm /jour, cette condition est remplie pour un substrat sableux et une profondeur de nappe inférieure à 1 mètre mais le flux limite est divisé par un facteur proche de 10 quand la profondeur de nappe Pn augmente et passe de 0,5 m à 1 m et de plus les substrats sableux sont moins aptes que les substrats fins à soutenir un flux important quand la profondeur augmente. Comme par ailleurs, cela représente des contraires techniques et économiques d’augmenter la profondeur de la nappe, il est choisi selon l’invention dans une version préférée l’exigence d’une profondeur de niveau piézométrique de la nappe inférieure ou égale à 1 mètre et de préférence inférieure à 50 cm
Quand on diminue encore la profondeur pour monter le niveau de la nappe jusqu’à 40 cm, le flux limite permet de soutenir une évaporation de 15 mm/ jour environ, ce qui dépasse ce que l’on peut trouver en principe dans les climats tempérés et permet de répondre aux demandes évaporatoires des climats les plus exigeants. Or, cette profondeur de nappe est encore compatible avec la condition hivernale exposée plus haut mais uniquement avec une gamme de substrats peu étendue correspondant aux substrats essentiellement sableux utilisés pour la constitution des substrats hybrides son l’invention.
En considérant que les meilleurs substrats reconnus en exemple ( substrat Radicalé en particulier) permettant encore de répondre aux exigences hivernales avec une profondeur légèrement inférieure à 40 cm et en ayant le souci du « pied de pilote » souhaitable pour toute installation qui se veut robuste et fiable malgré toutes les imperfections qui se glissent souvent entre le projet et sa réalisation, une solution préférée de l’invention est l’exigence d’une profondeur de niveau piézométrique de la nappe inférieure ou égale à 40 cm.
Claims (18)
- - Procédé de construction et de gestion d’un terrain de sport hybride engazonné caractérisé :
- en ce qu’il comprend une première étape de construction d’une structure (S) posée sur un fond (F), ladite structure comprenant N couches poreuses (Ci) superposées, N ≥ 1, la couche inférieure (CN) étant dressée en premier sur le fond (F) et chaque couche (Ci) étant ensuite installée sur la couche (Ci+1) jusqu’à la couche supérieure (C1), qui est comprise entre la surface de profondeur nulle (Y0= 0) et le bas de la couche (C1) à la profondeur Y1, toutes les couches étant comprises entre la profondeur Yi-1du bas de la couche immédiatement supérieure (Ci -1), si i > 1, ou Y0,si i=1, et la profondeur Yidu bas de la couche (Ci) ;
- en ce que le procédé comprend une deuxième étape d’installation d’un gazon à la surface de la couche supérieure (C1), ladite installation dudit gazon pouvant être réalisée par semis, une fois ladite couche supérieure (C1) installée à sa place définitive lors de ladite première étape ou bien pouvant être réalisée préalablement en pré-cultivant ledit gazon sur une couche de substrat qui est ensuite découpée en une partition de sous éléments comportant chacun un volume de substrat de même épaisseur avec le gazon précultivé à sa surface et les racines installées dedans, ces sous-éléments étant transportés puis finalement rassemblés et installés pour finaliser la construction de ladite structure (S) ;
- en ce qu’il existe au moins parmi les N couches une couche hybride (H), constituée soit (i) d’un substrat de culture qui comprend des éléments synthétiques de renforcement, soit (ii) d’un substrat de culture qui se partage l’espace de la couche hybride (H) avec des éléments synthétiques de renforcement ;
- en ce que ledit procédé comprend une étape de gestion de la profondeur (Ppiézo)du niveau piézométrique de la nappe d’eau à l’intérieur de la structure (S), pour permettre une bonne hydratation du gazon par flux capillaire depuis ladite nappe. - - Procédé de construction et de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce en ce qu’il comprend aussi une étape de définition :
- de la profondeur PTORd’une tranche d’oxygénation des racines du gazon depuis la surface jusqu’à ladite profondeur PTOR, qui est supérieure ou égale à 5 cm et de préférence comprise entre 5 et 15 cm ;
- de la teneur en air minimale θAIR MIN TORexigée à l’intérieur de ladite tranche d’oxygénation des racines, ladite teneur en air minimale θAIR MIN TORétant supérieure ou égale à 5% et de préférence comprise entre 5 % et 15 % ; et,
- en ce que, pour permettre une bonne hydratation du gazon et pour respecter ladite teneur en air minimale exigée θAIR MIN TORà l’intérieur de la tranche d’oxygénation des racines entre la surface et ladite profondeur PTOR, on maintient la profondeur Ppiézodu niveau piézométrique de la nappe d’eau à l’intérieur de la structure (S) pendant au moins 80% du temps de l’année entre une profondeur minimale PpiézoMINet une valeur maximale PpiézoMAXqui vérifient les relations suivantes :
- Ppiézo MAX≤ 2m
- Ppiézo MIN≥ PMIN= MAX [ zi+ hc i drainage(εi- θAIR MIN TOR) ]1 ≤ i ≤ n(PTOR)
- où n(PTOR) est le nombre de couches entièrement ou partiellement au-dessus de ladite tranche minimale d’oxygénation des racines (TOR) d’épaisseur PTOR et en prenant comme définition d’une couche entièrement ou partiellement comprises dans ladite tranche superficielle d’oxygénation des racines (TOR) le fait que Yi-1< PTOR, ce qui permet de définir l’entier n (PTOR) ≤ N par la relation :
- où εiest la porosité totale caractéristique de la couche (Ci) dans son état de compaction in situ ;
- où la fonction hc i drainageest la fonction caractérisant la capillarité théorique de la couche (Ci) dans son état de compaction in situ, définie comme la fonction qui à une valeur θeaude teneur en eau volumique strictement comprise entre la teneur en eau εià saturation et la teneur en eau au point de flétrissement associe la valeur hc i drainage(θeau), qui est la hauteur capillaire équivalente exprimée en cm correspondant à θeausur la courbe strictement décroissante de teneur en eau par rapport à la pression capillaire sur un chemin de drainage quasi statique à partir de l’état initial saturé ;
- en définissant Zi, pouri ≤ n (PTOR), par la relation Zi= Yipour i < n (PTOR) et Zn (PTOR)= PTOR. - - Procédé de construction et de gestion selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que :
- il comprend une étape de définition de la teneur en air estivale minimale θAIR MIN ÉTÉ 5cmexigée à 5 cm de la surface à l’équilibre capillaire théorique,
- θAIR MIN ÉTÉ 5cmest supérieure à 15 %
- pour permettre une bonne hydratation du gazon et pour répondre à cette exigence de teneur en air estivale près de la surface, on maintient ladite profondeur Ppiézodu niveau piézométrique de la nappe d’eau à l’intérieur de la structure (S), pendant les périodes de l’année où la température nocturne dépasse 18°C, de façon que soit vérifiée la relation suivante :
Ppiézo≥ 5 cm + hc j drainage(εj- θAIR MIN ÉTÉ 5cm )
où j est le numéro de la couche (C) qui comprend les points à 5 cm de profondeur. - - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure (S) comprend des moyens permettant la convection d’air en présence de nappe d’eau peu profonde, lesdits moyens comprenant une couche de produit commercialisé sous la marque Capillary Concreete de la société Capillary Concrete utilisée pour la transmission horizontale et la répartition horizontale du flux d’air et sa mise en pression avant sa phase de percolation verticale ascendante à travers le substrat.
- - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la structure comprend des moyens permettant la convection d’air, lesdits moyens étant utilisés en présence de la nappe d’eau peu profonde pour climatiser le substrat et les feuilles du gazon ainsi que l’environnement en été et en hiver.
- - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de convection d’air utilisés en présence de la nappe d’eau pour climatiser le substrat et les feuilles du gazon ainsi que l’environnement en été et en hiver est mise en œuvre avec de l’air dont la température est préalablement tempérée sans dépense d’énergie par échange avec le milieu disponible au voisinage du terrain, ces échanges caloriques « gratuits » avec le milieu ambiant pouvant être réalisés par le principe connu sous le nom de "puits canadien » ou en utilisant l’air vicié des parkings ou des bureaux ou encore par échange calorique avec des eaux usées présentes à proximité(calories en été et frigories en hiver)
- - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le potentiel de marnage entre YNet Ppiézominest utilisé pour stocker de l’eau dans la structure du terrain par une gestion de l’eau à un niveau variable, haut en hiver et bas en été.
- - Terrain de sport hybride engazonné, caractérisé :
- Premièrement, en ce qu’il comprend une structure (S) posée sur un fond (F), ladite structure comprenant :
(i)N couches poreuses (Ci)avec 1 ≤ i ≤ N. superposées, la première couche en partant du haut étant comprise entre la surface de profondeur nulle Y0= 0 et le bas de la couche (C1) de profondeur Y1et toutes les couches étant comprises entre la profondeur Yi-1du bas de la couche immédiatement supérieur (Ci-1) si i > 1 ou Y0si i =1 et la profondeur Yidu bas de la couche poreuse (Ci), et avec au moins une couche hybride (H) parmi les N couches,
(ii)un gazon dont les racines sont ancrées dans cette couche hybride (H) ;
(iii)des moyens (m) permettant d’introduire de l’eau dans la structure (S) ou de l’en évacuer, d’y constituer une nappe d’eau et de gérer la profondeur (Ppié) du niveau piézométrique de ladite nappe d’eau à l’intérieur de ladite structure (S)
- Deuxièmement, en ce que la couche hybride (H) est constituée :
soit(i)d’un substrat de culture qui comprend des éléments synthétiques de renforcement,
soit(ii)d’un substrat de culture qui se partage l’espace de la couche hybride (H) avec des éléments synthétiques de renforcement. - - Terrain de sport selon la revendication 8, caractérisé en ce que, pour pouvoir répondre à l'exigences de teneur en air près de la surface pour une oxygénation hivernale minimale,la structure vérifie la relation :
YN≥ MAX [ zi+ hc i drainage(εi- θAIRMINTOR) ]1 ≤ i ≤ n (PTOR)
- avec PTOR= 5 cm et θAIRMINTOR= 5 %
- où εiest la porosité totale caractéristique de la couche poreuse (Ci) dans son état de compaction in situ ;
- où la fonction hc i drainageest la fonction caractérisant la capillarité théorique de la couche poreuse (Ci) dans son état de compaction in situ, ladite fonction hc i drainageétant définie comme la fonction qui à une valeur θeaude teneur en eau volumique strictement comprise entre la teneur en eau εià saturation et la teneur en eau au point de flétrissement associe la valeur hc i drainage(θeau) qui est la hauteur capillaire équivalente exprimée en cm correspondant à θeausur la courbe strictement décroissante de teneur en eau par rapport à la pression capillaire sur un chemin de drainage quasi statique à partir de l’état initial saturé ;
- où le nombre n( PTOR) de couches entièrement ou partiellement au-dessus de PTORest un entier défini par la relation :
- en définissant Zipour i ≤ n(PTOR) par la relation Zi= Yipour i < n (PTOR) et Z n(PTOR)étant égal à PTOR. - - Terrain de sport selon la revendication 9, caractérisé en ce que, pour pouvoir répondre à l'exigences de teneur en air près de la surface en donnant une priorité à la densité racinaire et au comportement hivernal, la structure vérifie la relation :
YN≥ MAX [ zi+ hc i drainage(εi- θAIRMINTOR) ]1 ≤ i ≤ n (PTOR)
avec PTOR= 15 cm et θAIRMINTOR= 12 % - - Terrain de sport selon l’une des revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la structure (S), pour pouvoir répondre à l'exigences de teneur en air près de la surface pour ne pas favoriser les maladies estivales en période caniculairevérifiela relation YN≥ 5 cm + hc j drainage( εj- 15 % )
où j est le numéro de la couche dans laquelle se situent les points à 5 cm de profondeur et εjla porosité totale caractéristique de la couche poreuse (Cj) dans son état de compaction in situ - - Terrain de sport selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que la couche hybride (H) comprend :
- un substrat de culture essentiellement sableux (SUB sab)
- des éléments synthétiques de renforcement (SYNT renf) qui peuvent être :
(a) fragmentés et incorporés au substrat (SUB sab) lors de la fabrication du substrat ; ou,
(b) fragmentés ou continus et incorporés in situ au substrat après que le substrat (SUB sab) a déjà été installé sur place ; ou,
(c) constitués en une structure organisée préalablement installée in situ à l’emplacement de la couche de jeu, le substrat (SUB sab) lui-même étant ultérieurement incorporé à l’intérieur de ladite structure. - - Terrain de sport selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que la couche hybride (H) appartient à l’une des configurations suivantes :
- les éléments synthétiques de renforcement (SYNT renf) sont des fibres, et le substrat (SUB sab) et les fibres sont mélangées préalablement ;
- les éléments synthétiques de renforcement (SYNT renf) sont des fibres longues qui sont incorporées au substrat, une fois le gazon installé.
- les éléments synthétiques sont une moquette synthétique avec un substrat incorporé ensuite ente les brins de la moquette synthétique, un semis étant ensuite réalisé pour constituer finalement une moquette synthétique semée dans laquelle pousse un vrai gazon naturel - - Terrain de sport selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche hy-bride est constituée du substrat commercialisé sous la dénomination Radicalé.
- - Terrain de sport selon l’une quelconque des revendications 8 à 14, caractérisé en ce qu’il présente une structure de bassin avec un fond de forme (F) et des bords et une membrane imperméable posée sur ledit fond de forme (F) et sous la structure (S) et remontant sur les bords de ladite structure de bassin, de sorte que la structure (S) a son fond et ses bords périphériques verticaux isolés de l’extérieur par ladite membrane imperméable
- - Terrain de sport selon l’une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que l’une des couches de la structure (S) est constituée d’un béton poreux, à porosité très grossière, à la fois très perméable et très capillaire, commercialisé sous la marque Capillary Concreete par la société Capillary Concrete.
- - Terrain de sport selon l’une quelconque des revendications 8 à 16 caractérisé en ce que la structure comprend une combinaison de 1 à 5 couches parmi lesquelles :
- une couche de top dressing de 1 à 3 cm située si elle est présente tout en haut de la pile de couches superposées,
- une couche de substrat commercialisé sous la dénomination Radicalé d’une épaisseur de 4 à 20 cm,
- une couche de sable dont le D10 est compris entre 200 et 800 µm située sous le substrat commercialisé sous la dénomination Radicalé, d’une épaisseur de 10 à 250 cm si elle est présente,
- une couche du produit commercialisé sous la marque Capillary Concreete de la société Capillary Concrete d’une épaisseur de 5 à 10 cm si elle est présente,
- une couche de sable dont le D10 est compris entre 200 et 800 µm située sous le produit commercialisé sous la marque Capillary Concreete de la société Capillary Concrete, d’une épaisseur de 50 à 250 cm si elle est présente. - - Terrain de sport selon l’une quelconque des revendications 8 à 17, caractérisé en ce que la structure comprend des moyens permettant la convection d’air à travers la structure
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