Steady state analysis of unsaturated flow above a shallow water-table aquifer drained by ditches
Analyse en régime permanent de l'écoulement dans la zone non saturée au dessus d'une nappe superficielle drainée par fossés
Résumé
The one-dimensional pressure head profile above a fixed water-table was studied for different steady infiltration rates. As shown in previous studies, when the infiltration rate (qin) is less than the soil saturated hydraulic conductivity (Ks), this profile can be divided into two parts: (1) from the water-table surface (z0) to an elevation z, the pressure head varies from 0 to a value h such as K(h)=-qin; (2) above the elevation z the pressure head is constant and equal to h. Above the water-table the zone where the pressure head is variable has been called `transition zone'. Its height is shown to be highly variable and to depend on soil properties as well as on the infiltration rate. This transition zone is not the `capillary fringe' as defined by Gillham (Gillham R.W., 1984. The capillary fringe and its effect on water-table response. J. Hydrol. 67, 307-324). Numerical experiments performed with HYDRUS-2D(r) for the case of a water-table drained by parallel ditches have shown that the height of the transition zone is similar in the one-dimensional profile and in the two-dimensional system as long as the local slope of the water-table is small. This result is important since in a two-dimensional system, the transition zone is the place where all the horizontal component of the unsaturated flow occurs. The ratio of the horizontal component of the unsaturated flow vs the total horizontal flow in both the unsaturated and saturated zones has been computed. For a given soil, this ratio decreases as the infiltration rate increases; for a given infiltration rate, the soil with the thinnest transition zone transfers the largest amount of water above the water-table.
Le profil vertical de pression au dessus d'une nappe de niveau fixé a été étudié pour différents régimes d'infiltration. Comme l'ont montré de précédents travaux, quand le taux d'infiltration (qin) est plus faible que la conductivité à saturation (Ks), le profil peut être décomposé en deux parties : (1) entre le toit de la nappe et une côte (z0), la pression varie entre 0 et une valeur h, telle que K(h)=-qin; (2) au dessus de la côte z, la pression est constante et égale à h. Au dessus de la nappe, la zone de pression variable a été appelée "zone de transition". Nous avons montré que l'extension verticale de cette zone est variable et dépend aussi bien des propriétés du sol que du régime d'infiltration. Cette zone de transition n'est pas assimilable à la "frange capillaire" telle que définie par GILLHAM (1984). Des expérimentations numériques réalisées avec HYDRUS 2D dans le cas d'une nappe drainée par des fossés parallèles ont montré que la hauteur de la zone de transition était identique au cas monodimensionnel, tant que la pente de la nappe est faible. Ce résultat est important dans la mesure où dans le système 2D la zone de transition est la zone où peuvent exister des écoulements non saturés à composante horizontale. Le rapport entre cette composante horizontale et le flux horizontal total a été calculé. Pour un sol donné, ce rapport décroît alors que le taux d'infiltration augmente ; pour un taux d'infiltration donné, le sol avec la zone de transition la plus fine transfère le plus d'eau dans la zone non saturée au dessus de la nappe.