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Les sondes à neutrons et à rayons gamma: leurs

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1. nt du ue 42 4 ADDHCAHONS ined daret iate Ar EEIE 45 qu Stock d eau dans Ie Sob so suede eo het rene 45 4 2 Courbes de r tention d eau dans le profil 47 4 3 Conductivit hydraulique des S018 otim Sce ot 48 4 3 1 M thode de Richards et al 1956 a eda ertt 50 4 3 2 M thode de Libardi et al 1980 os nn diet 53 4 3 3 M thode de Sisson et al 1980 ciet nie qc ee 54 4 4 diea ese teu NN en i 55 4 4 1 Estimation des composantes du bilan hydrique 57 4 5 Variabilit spatiale des ts 59 4 6 Extraction A P ene a e Wr ac c tn ane area 59 4 7 Controle de Pirrigation ieres ter beste tu cte p EP crea En 60 4 7 1 Estimation des bimesd 61 4 7 2 Fr quence d irrigatiON oce eto e CENE tue EE Rete etra ecd vi ea dnce er 63 4 7 3 valuation des syst mes d irrigation 4 8 Contr le de la compaction des sols cultiv s R f rences bibliographiques Lun tiens Personnes ayant contribu la r daction et l examen 1 INTRODUCTION Les activit s agricoles ne concernent qu une mince pellicule de sol compar e aux dimensions de l atmosph re ou de la g osph re Malgr sa faible paisseur le sol est indispensable la vie car il est le substrat o poussent les
2. M thode d irrigation Efficacit de l irrigation la raie 0 6 0 7 Par aspersion 0 8 0 9 Goutte goutte 0 9 0 95 Exemple Si l on reprend l exemple du paragraphe pr c dent et si l on suppose une efficacit du syst me d irrigation gale 0 9 on a 1 re Pour la 1 irrigation Jg 75 0 9 83 mm Pour la 2 Ig 20 4 0 9 23 mm Notons que l on peut caract riser aussi une irrigation brute par le volume total d eau V apport ou un d bit m s qui sont deux grandeurs reli es la lame brute Zp V Qxt Ax lg 73 pour une parcelle de surface m et une dur e d irrigation Exemple Avec un d bit de 0 27 m s combien de temps faut il irriguer une parcelle de 5 hectares pour obtenir une lame brute de 16 0 mm avec l quation 73 gt t 2 2 30000x16 2963 s soit environ 49 minutes 4 7 2 Fr quence d irrigation Savoir quand irriguer est une pr occupation majeure pour un cultivateur La fr quence d irrigation peut se d terminer de deux fa ons 4 7 2 1 M thode empirique On part de l vapotranspiration r elle ETR d duite du bilan hydrique sur le terrain cf paragraphe 4 4 1 ou estim e par des mod les Penman Blaney Criddle Pour obtenir une lame nette donn e la fr quence d irrigation Fi doit alors tre telle que Iy 74 LT 74 Exemple Une culture de haricots consomme environ 4 mm par jour pendant la floraison
3. 5 ae A 40 20616 1920 45 90445 20 x Az 45 avec un nombre 2n de couches de sol d paisseur Az n gt 2 n cessairement pair et donc 2n 1 points de mesures Si l on reprend le m me exemple qu au paragraphe pr c dent sur l horizon 0 80 cm avec la m me hypoth se 6 45 donne S 56 26 16 1 46 D apr s 45 la variance sur le stock due l erreur de mesure sur les teneurs en eau sera os 530 4 o 8 22634 0 4 03 B 2 2270 0 0 1 0 0 47 L erreur due la m thode d int gration de Simpson est major e par o S z 48 En levant au carr les deux membres de cette relation et en introduisant la hauteur totale du profil L 2nAz on obtient pour expression de la variance du stock due la m thode d int gration de Simpson os 2224470 rop HE as o est la d riv e d ordre 4 du profil z Pour l estimer num riquement on utilise l approximation suivante z AV Az 50 o A 0 est la diff rence d ordre 4 sur Pour la calculer on utilise des coefficients que l on peut obtenir par le triangle de Pascal voir tableau XII 34 TABLEAU XII TRIANGLE DE PASCAL Nombre de points A0 d ordre n Ordre de de Mesure Ano 1 10 1 6 102 2 01 100 103 302 30 180 104 4 602 4 0 16 Et ainsi de suite TABLEAU XIII
4. 0 0 mm Donc le stock final S fs reste inchang et gal 280 mm Exemple 2 Dans une autre situation sans irrigation ni pr cipitation en consid rant que les pertes par vapotranspiration sont de 35 mm et que le drainage la limite inf rieure de la couche de sol est de 8 mm quelle est la variation du stock P I ET RO ASp 0 0 35 0 8 43 mm Finalement le stock aura diminu de 43 mm Exemple 3 Par un temps nuageux o l vapotranspiration peut tre n glig e un site recoit 56 mm de pluie 14 sont perdus par ruissellement la surface et 5 sont vacu s par drainage interne la base du profil Quelle est la variation du stock 56 P I ET RO Q AS 56 0 0 14 5 37 mm Sur cette p riode on a donc un solde positif de 37 mm de stock dans le profil Exemple 4 Quelle est la quantit d eau qui a t re ue par une culture irrigu e pendant une p riode sans pr cipitations sachant qu elle a perdu 42 mm par vapotranspiration et que le stock d eau dans le sol a chut de 12 mm en l absence de drainage P I ET RO OL ASL gt I AS P ET RO OL 12 0 42 0 0 30 mm Exemple 5 Finalement quelle est l vapotranspiration quotidienne d une plantation de haricots sachant que pendant une p riode de 10 jours elle a re u 15 mm de pluie et deux arrosages de 10 mm chacun Sur la m me p riode le sol perd 2 mm par drainage et le stock diminue de 5 mm P I ET RO QL AS
5. SC r sidus SC total SC r gression 1 5 Il s agit de sommes de carr s d o la notation SC et de leurs diff rences partir desquelles on calcule des moyennes que nous noterons ici SC Les r sultats sont report s dans le tableau VII TABLEAU VII R SULTATS DE L ANALYSE DE VARIANCE DE LA R GRESSION Sources de Degr s de variation libert s SC Total 9 0 027810 R gression 1 0 025866 0 025866 106 44 R sidus 8 0 001944 0 000243 SC d finit l erreur type sur l estimation de la teneur en eau par la courbe d talonnage soit ici 0 000243 0 0156 voir 3 ligne du tableau VI Pour savoir si la r gression que l on a op r e est statistiquement significative on peut effectuer un certain nombre de tests parmi lesquels le test t de Student R4n 2 fa SN 16 1 41 R Avec dans ce cas R 0 9644 et n 10 16 donne t 3 71 Dans une table de probabilit s de la distribution en t avec n 2 8 degr s de libert s on rel ve les correspondances suivantes entre la valeur de t et le niveau de probabilit 5 50 0 1 99 9 probabilit 1 3 36 1 0 99 0 probabilit 1 2 31 5 0 95 0 probabilit 24 Comme 3 71 gt 3 36 on en d duit que la corr lation est significative mieux que 99 le test de Fisher Tl consiste calculer F SC r gression 17 SC r sidus ce qui donne ici _ 0 025866
6. chantillonner les valeurs du tableau XVIII par une simple interpolation 5 t e Zu 64 On obtient alors un nouveau tableau Profondeur Potentiel total de l eau wr cm cm t 0 5 t 2 t 5 t 11 15 28 0 53 5 84 5 117 5 45 61 5 90 0 116 5 146 5 75 90 5 120 0 149 0 181 5 105 124 5 156 5 189 0 217 5 135 156 0 186 5 220 5 252 5 partir duquel on peut calculer les gradients par 63 On obtient 51 Profondeur Gradients de potentiel Oyr 0z cm cm cm 0 5 2 5 11 30 1 117 1 217 1 067 0 967 60 0 967 1 000 1 083 1 167 90 1 133 1 217 1 333 1 200 120 1 050 1 000 1 050 1 167 On peut donc maintenant appliquer 61 pour obtenir des valeurs de K L f en divisant terme terme les variations de stocks par les gradients de potentiels aux m mes cotes L et aux m mes temps t Cela donne finalement Profondeur Conductivit hydraulique K mm jour cm 0 5 t 2 t 5 t 11 30 9 67 3 95 1 34 0 64 60 25 86 9 40 3 05 1 56 90 29 18 10 08 3 42 1 92 120 38 63 14 52 5 31 2 44 Pour construire les fonctions K 0 il reste savoir quelles valeurs de la teneur en eau il faut attribuer ces valeurs Les mesures de 0 ont t effectu es ti 0 1 3 7 et 15 jours tableau XVII et nous avons besoin de les estimer aux temps f 0 5 2
7. essentiellement la mort des cellules et une division cellulaire retard e caus s par l exposition des niveaux lev s de rayonnements La gravit d un effet d terministe particulier chez un individu expos augmente avec la dose re ue au del du seuil d apparition de l effet consid r Des effets stochastiques peuvent apparaitre si des cellules irradi es sont modifi es au lieu d tre tu es Au terme de processus longs ces cellules modifi es peuvent voluer en cancer Si les cellules endommag es par l exposition aux rayonnements sont des cellules sexuelles dont la fonction est de transmettre un patrimoine g n tique diff rents effets h r ditaires peuvent se d velopper chez les descendants de l individu expos La probabilit d apparition d effets stochastiques est suppos e proportionnelle la dose reque sans seuil La probabilit croit si la dose re ue est plus importante mais la gravit des pathologies qui en r sultent le cas ch ant sera ind pendante de cette dose FAO et al 19962 2 2 3 Normes de protection contre les rayonnements et de s ret des sources Les activit s humaines qui ajoutent des rayonnements l exposition naturelle laquelle les gens sont normalement soumis ou qui augmentent la probabilit de l exposition qu ils encourent sont regroup es sous le terme de pratiques dans les NFI C est notamment le cas de l usage des sondes neutrons et rayons gamma Inversement tou
8. ordre est obtenue pour z 50 cm et elle vaut 0 300 4 0 325 6 x 0 347 _4 x 0 3364 0 336 4x254 857 7 89x10 37 D o 150 x 258 8 0 32400 a S 46 59x10 2 57 x 10 3 0 026 mm Variance totale du stock x 7 89 x 107 6 59 x10 o 4 62 02 2 06 2 57 x10 2 06 42 06 1 43 cm 14 3 mm Le tableau ci dessous rassemble les r sultats ses calculs que nous venons d effectuer SYNTH SE DES ESTIMATIONS DE STOCKS VARIANCES ET CARTS TYPES CORRESPONDANTS cm M thode d int gration Sio GHS GUS SS Trap zes 47 99 2 41 0 170 2 58 1 61 Simpson 47 93 2 06 6 59x10 2 06 1 43 Globalement sur cet exemple on constate que la variance due l erreur de mesure de teneur en eau est tr s sup rieure celle due la m thode d int gration Les deux m thodes d int gration donnent des r sultats tr s voisins en termes de stocks avec toutefois une variance un peu plus faible pour la m thode de Simpson 38 3 SONDE NEUTRONS GAMMA POUR DES MESURES SIMULTAN ES D HUMIDIT ET DE DENSIT 3 1 Caract ristiques g n rales En plus des sondes neutrons d crites au chapitre pr c dent il en existe aussi qui permettent de faire simultan ment des mesures de teneur en eau et de masse volumique du sol Pour que cela soit possible elles comportent la fois une source de neutrons rapides en g n ral 24
9. tre concu de telle facon qu il garantisse la protection de l op rateur Les sondes actuellement commercialis es par les fabricants pr sentent un blindage labor de mani re garantir une exposition dans des limites admissibles quand la source se trouve l int rieur de celui ci Quand la source est hors du blindage de protection l op rateur est expos aux rayons gamma et aux neutrons rapides Ceci doit tre absolument vit Les sondes sont construites de fa on permettre que la source quitte son blindage et p n tre directement et rapidement dans le tube d acc s implant dans le profil de sol vitant ainsi une exposition excessive aux rayonnements lors de cette op ration La protection la plus efficace contre les rayons y est assur e par un blindage en plomb alors que contre les neutrons il faut utiliser des mat riaux forte teneur en hydrog ne comme la paraffine ou le poly thyl ne Pour effectuer des mesures la sonde est descendue la profondeur d sir e l int rieur d un tube d acc s en aluminium qui est transparent aux neutrons rapides Une fois dans le sol jusqu une distance de 30 50 cm de la source les neutrons rapides mis par celle ci sont dispers s ils subissent par choc avec les atomes d hydrog ne de l eau et avec certains composants du sol une s rie de chocs lastiques qui les am nent un tat nerg tique voisin de celui des atomes du milieu ambiant neutrons t
10. 0 000243 106 44 tr s sup rieur valeur 11 3 correspondant 1 0 Donc dans cas fois le test de Student et celui de Fisher indiquent que le coefficient de corr lation R calcul e par 11 ou 12 sur les donn es du tableau V est statistiquement significatif avec une probabilit sup rieure 99 2 6 1 3 Variance et covariance des param tres de la relation d talonnage Les variances sur les valeurs estim es et b de l ordonn e l origine a et de la pente b de la relation d talonnage peuvent tre calcul es par Mz 1 CR lt C SC r si us FX 0 00192 GIR ER 0 ob SC r sidus _ 0 000243 _ 0 0102 Y CR CRy 0 0238 o 40 00192 0 0438 et 40 0102 0 101 d finissent les erreurs type sur et b respectivement qui sont report es sur le tableau VI Enfin la covariance de avec b est elle donn e par UOS SCR CR 0 004398 2 6 1 4 Variance totale sur la teneur en eau Haverkamp et al 1984 La v ritable relation d talonnage recherch e s crit 0 a bxCR 18 et en fait par r gression lin aire on n obtient que O a bxCR e 19 25 o 0 CR et b sont des estimateurs de CR a et b respectivement dont les esp rances math matiques F doivent v rifier 0 E CR CR eE b b amp est l erreur d estimation de la r gression L cart entre valeurs estim e et vraie de 9 peut donc s crire 0
11. 2 1484 0 111 2 5539 0 052 2 8416 0 046 15 0 6931 0 103 1 3863 0 151 1 7918 0 061 2 0794 0 059 Profondeur R gression In z f a bx 0 6 L cm 9 a b R 30 0 501 4 8747 39 6139 0 989 60 0 458 5 3961 27 5370 0 976 90 0 475 5 9706 67 6490 0 996 120 0 486 6 2799 72 8095 0 990 54 Dans ce cas d apr s 66 a In y Ko et b y la m thode de Sisson et al donne donc finalement L Mod le 58 K Ko exp y x 9 6 cm Ko mm jour Y b 30 33 05 39 614 0 501 60 80 09 27 537 0 458 90 57 91 67 649 0 475 120 73 31 72 810 0 486 la fin de ce paragraphe il est int ressant de comparer les estimations de Ko et y fournies par les diff rentes m thodes A la profondeur de 90 cm par exemple on a trouv M thodes y Ko mm jour Richards et al 1956 61 12 57 61 Libardi et al 1980 67 95 58 39 Sisson et al 1980 67 65 57 91 On constate sur cet exemple que les m thodes de Libardi et Sisson donnent des r sultats tr s voisins ce qui est logique car elles reposent sur les m mes hypoth ses simplificatrices alors que la m thode de Richards fournit une estimation sensiblement diff rente On peut penser privil gier cette derni re car elle fait appel une information plus riche puisqu elle prend en compte aussi des donn es tensiom triq
12. 2 69 x 10 L cart type total c 0 42 69 10 1 64 x 10 28 Le coefficient de variation total cyp 199 D Lue Sur l exemple que nous venons de traiter on constate que l erreur instrumentale est n gligeable par rapport l erreur d talonnage Toute tentative pour diminuer la variance totale sur la teneur en eau doit donc porter en priorit sur l am lioration de la qualit de l talonnage Les outils math matiques pr sent s dans ce paragraphe 2 6 1 permettent de quantifier la qualit d une mesure effectu e la sonde neutrons en un seul point sur un tube unique et une profondeur donn e Dans le paragraphe suivant nous allons analyser la variance d un ensemble de mesures effectu es la m me profondeur sur plusieurs tubes 2 6 2 Erreur locale Si l on r p te des mesures sur plusieurs tubes d acc s r partis al atoirement sur une parcelle on acc de une valeur moyenne de la teneur en eau lt 0 gt qui poss de une composante suppl mentaire d erreur due la variabilit spatiale du sol Cette variance dite locale et que nous noterons donc o peut s exprimer de la mani re suivante Vauclin et al 1984 oX 8 gt gu z X a 31 o k est le nombre de points de mesure de la variance li e la variabilit spatiale du sol Ce dernier param tre tant difficile quantifier les m mes auteurs ont sugg r d valuero 0 gt par diff rence ce
13. 4 7 1 Estimation des lames d irrigation La lame d irrigation est d finie comme la quantit d eau en mm qui doit tre appliqu e sur le sol en fonction de la profondeur d enracinement de la culture On distingue la lame nette et la lame brute La lame nette d irrigation est la quantit d eau appliqu e au sol r ellement utilisable par la culture et donc susceptible d tre consomm e par l vapotranspiration des plantes Elle n inclut pas les pertes par drainage ni l vaporation depuis le sol nu dans le cas d une v g tation parse Pour quantifier cette lame nette d irrigation deux type d approches sont classiquement utilis es la m thode daphique du grec edaphos le sol et une proc dure analytique consistant valuer l vapotranspiration r elle de la culture partir du bilan hydrique comme nous l avons d j vu au paragraphe 4 4 Dans la m thode daphique on pose 6 IN Occ Orre x L 69 Avec Occ Teneur en eau correspondant la capacit au champ Oprp Teneur en eau correspondant au point de fl trissement permanent L Profondeur du profil de sol devant tre irrigu Rappelons que la capacit au champ est la quantit d eau maximale qui peut tre maintenue dans le sol malgr l influence de la gravit Elle correspond des valeurs du potentiel ym comprises entre 30 et 10 kPa Le point de fl trissement permanent est lui d fini comme la d pression maximale de l eau dans le
14. 5 MESURES DE AU HASARD DANS LE TABLEAU Tube CR CRY 6 0 535 2 46x10 14 0 487 2 56 10 26 0 452 1 12x10 29 0 478 5 48 10 30 0 475 1 08x10 X 3 74x107 B CR CRY 3 o CR 2 QXMXQ0T 7 ax 107 4 o lt CR gt gt z 1 5 x 107 La variance totale o lt gt peut tre calcul e par l quation 33 la variance instrumentale lt gt par 30 et la variance d talonnage o gt par 29 Avec les valeurs num riques de b c X o et b d termin es au paragraphe 2 6 1 on trouve o lt gt 26 10 o lt gt 228 x10 et o2 gt 5 47 x10 Par diff rence on en d duit la variance locale 7 lt gt o lt 0 gt 2 16x10 30 2 28 10 5 47 x10 z 1 6x 107 Si on r it re ces calculs en faisant varier le nombre k de tubes pris au hasard tableau XT on constate que la variance instrumentale est toujours tr s petite par rapport toutes les autres composantes et que la variance due l talonnage est sensiblement ind pendante du nombre k de tubes voir fig 5 Sur cette figure on observe aussi que la variance locale et par cons quent la variance totale d croissent d abord tr s rapidement avec le nombre de tubes et qu elles se maintiennent ensuite des valeurs pratiquement constantes Cet effet de seuil permet de d finir le nombre optimal de tu
15. 5 et 11 jours Comme pour le stock quation 62 on va proc der par interpolation lin aire et donc calculer des moyennes arithm tiques sur les donn es du tableau XVII On obtient Profondeur Teneurs en eau interpol es 0 cm cm cm t 0 5 t 2 t 5 t 11 30 0 484 0 449 0 423 0 406 60 0 432 0 390 0 361 0 327 90 0 464 0 446 0 431 0 419 120 0 475 0 458 0 446 0 434 On peut donc maintenant apparier valeurs de K et 0 pour chaque valeur de L L 30 1 60cm 1 90 L 120 cm 9 K 0 K 0 K 0 K 0 484 9 67 0 432 25 86 0 464 29 18 0 475 38 63 0 449 3 95 0 390 9 40 0 446 10 08 0 458 14 52 0 423 1 34 0 361 3 05 0 431 3 42 0 446 5 31 0 406 0 64 0 327 1 56 0419 1 92 0 434 2 44 Si K 9 suit le mod le 58 son logarithme In doit tre lin aire en 9 On effectue donc une s rie de quatre r gressions lin aires sur les donn es du tableau pr c dent On obtient 52 L R gression In K a b x 0 cm a b 30 14 591 35 112 0 985 60 8 708 27 748 0 987 90 24 980 61 123 0 996 120 28 467 67 731 0 995 Le fait que les coefficients de r gression R correspondants soient lev s justifie l hypoth se sur l allure exponentielle des relations D apr s la forme de 58 il est facile de v rifier que le param tre b de la droite de r gression In K a b x
16. On esp re que ce manuel sera tr s utile de futures sessions de formation et servira de source de r f rence aux scientifiques du sol et des eaux dans le domaine de la gestion durable du d ficit de ressources en eau la fois en agriculture pluviale et cultures irrigu es NOTE DITORIALE L emploi d appellations particuli res pour d signer des pays ou de territoires n implique de la part de l diteur l AIEA aucune prise de position quant au statut juridique de ces pays ou territoires ou de leurs autorit s et institutions ni quant au trac de leurs fronti res La mention du nom de soci t s ou de produits d termin s que l on indique ou non s il est d pos ne vaut pas approbation ou recommandation de la part de l AIEA TABLE DES MATI RES Jr Ttrro duction PP 1 1 1 Teneur en eau et densit apparente des sols see Qe a etate quts 2 2 Sondes neutrons de DrofOridelit i a sees oerte tal qe ene eese qut in 4 2 1 Description de l instrument et principe de fonctionnement sss 4 2 1 1 La sonde et son blindage sos e prb er ne v S DE ote e 4 2 1 2 Systeme lectronique de inner ant 5 2 2 Protection contre les rayonnements et s ret des sondes neutrons et a rayons Barman eiecit punito ativan ERI oves poen te tee di d Ea o ate T 2 2 1 Exposition dans un cadre co tette 7 2 2 2 No
17. Si le sol n cessite l apport d une lame nette de 40 mm quelle doit tre la fr quence d irrigation pendant cette p riode avec l quation 74 F duum 10 jours 4 mm jour 63 4 7 2 2 Suivi de terrain Cette m thode est bas e sur des mesures journali res effectu es sur le terrain Contrairement la m thode empirique pr c dente elle peut donc prendre en compte des apports d eau naturels par la pluie et des fluctuations locales li es au sol ou l tat de la culture Apr s la premi re irrigation la sonde neutrons est utilis e sur un r seau de tubes repr sentatifs de la parcelle pour valuer quotidiennement le stock d eau r el Ce dispositif est souvent compl t par d autres capteurs comme des tensiom tres par exemple Pour d clencher l irrigation on se base sur l quation 71 si la teneur en eau moyenne mesur e approche la teneur en eau critique on d cide d irriguer avec des lames nette et brute donn es par 70 et 72 respectivement Doorembos et Kassam 1986 Calvache et Reichardt 1996 4 7 3 valuation des syst mes d irrigation Les performances d un syst me d irrigation peuvent tre quantifi es par diff rents param tres a l efficacit E d j introduite au paragraphe 4 7 1 b l efficacit d utilisation de l eau Eu c l uniformit de la distribution obtenue d l efficacit de stockage de l eau d irrigation par le sol Nous allons maintenant d finir ces diff rents
18. avec des couches de diff rentes compositions comme les sols alluviaux les pentes peuvent tre diff rentes d une couche l autre Les sols pierreux posent des probl mes particuliers Outre la difficult d installer des tubes d acc s la d finition m me de 0 devient probl matique Certains auteurs prennent en compte le volume total en incluant les cailloux D autres excluent le volume des cailloux du volume total consid rant que c est un volume mort non accessible l eau Chaque cas doit tre analys sp cifiquement avec pour objectif l obtention de la meilleure courbe d talonnage possible La n cessit d obtenir diff rentes courbes d talonnage pour des sols l g rement diff rents ou pour de petites variations de densit apparente va d pendre des objectifs de chaque exp rimentation La pr cision n cessaire la d termination de sera le crit re le plus important pour la prise de d cision 2 4 1 talonnage au laboratoire Un tel talonnage implique la r alisation d une s rie d chantillons de sol maintenus dans des r cipients des valeurs connues de densit apparente et de teneur en eau De grandes quantit s de sol sont plac es dans des f ts de 80 120 cm de diam tre et de 100 150 cm de hauteur La mise en place du sol et l humidification doivent tre conduites avec soin afin d obtenir un syst me homog ne par rapport la densit apparente et la teneur en eau Ceci n est pas une op ration f
19. becquerel 1 d sint gration seconde Auparavant on utilisait comme unit d activit le curie Ci bas sur l activit d un gramme de radium quivalent 3 7 10 Bq La dose absorb e est une nergie par unit de masse J kg Elle s exprime en grays Gy Elle constitue la quantit dosim trique de base dans les NFI c f paragraphe 2 2 1 N anmoins son usage des fins de s ret n est pas totalement satisfaisant car tous les rayonnements ionisants n ont pas le m me effet destructeur sur les tissus humains En cons quence on est amen multiplier les doses moyennes absorb es par les tissus et les organes par des facteurs de pond ration w qui eux prennent en compte le risque que pr sente un rayonnement donn pour la sant La quantit qui en r sulte est appel e dose quivalente Cette dose quivalente est utilis e quand un tissu ou un organe est irradi individuellement Par contre il est clair que la probabilit qu une dose donn e provoque al atoirement des dommages diff re selon la nature de ces tissus ou organes Pour traduire cela on multiplie de nouveau la dose quivalente re ue par chaque organe ou tissu par un facteur suppl mentaire qui traduit sa sensibilit particuli re au rayonnement consid r La somme de toutes les doses ainsi pond r es pour tous les tissus et organes expos s d un individu d finit la dose effective laquelle il est soumis L unit de dose quivalente et de dose ef
20. d approximation Un de ces niveaux concerne la caract risation et la quantification des processus rencontr s sur le terrain une chelle dite ponctuelle Kutilek et Nielsen 1994 De telles tudes requi rent une caract risation d taill e des trois composants principaux du sol consid r comme un syst me poreux les phases solide liquide et gazeuse La phase solide est constitu e de particules dont la composition la taille et l arrangement varient consid rablement d un sol l autre Pour ce qui est de la composition les particules sont divis es en deux groupes les l ments organiques et min raux La mati re organique peut tre fra che partiellement d compos e ou totalement d compos e humus La composition de la partie min rale d pend de celle de la roche m re partir de laquelle le sol s est form Les compos s majeurs sont SiO4 AbO Fe O CaO MgO K50 P205 Beaucoup de ceux ci fournissent des l ments essentiels la croissance et au d veloppement des plantes et la plupart des 92 l ments naturels peuvent tre rencontr s dans un sol La dimension des particules est valu e par des analyses m caniques du sol Trois principales fractions sont identifi es sable de 0 05 mm 2 mm limon de 0 002 0 05 mm et argile 0 002 mm La texture du sol par exemple limono argileux argilo sableux d finie par la proportion relative de chacune de ces fractions est utilis e dans les cl
21. gt 0 417 d apr s la relation d talonnage Comme 30 constitue un nombre passablement lev on peut consid rer cette valeur de 0 417 comme tant la vraie mesure de la teneur en eau Quel est le nombre minimum de tubes garantissant que l on reste dans une marge de variation de 3 par rapport cette valeur gt o lt gt gt xCV 100 x o gt 100 lt 0 gt CV Si on veut CV lt 3 il faut donc que al lt gt s 5125x107 gt c 0 gt lt 1 56 x 10 D apr s les r sultats du tableau XI il faut au moins 6 tubes pour tomber en dessous d un tel niveau de variance totale 2 6 3 Erreurs sur la d termination du stock d eau Pour valuer la quantit d eau stock e dans un profil de sol on int gre le profil de teneur en eau OZ jusqu la profondeur z d int r t L incertitude sur la valeur du stock d eau ainsi calcul e aura donc deux origines principales d une part les erreurs commises sur les mesures de teneur en eau discut es au paragraphe pr c dent et d autre part celles inh rentes la m thode d int gration utilis e D une mani re g n rale le stock d eau est obtenu par 35 Comme il n y a aucune raison particuli re pour que le profil z corresponde une forme analytique connue l int gration ci dessus doit tre effectu e num riquement Pour cela on utilise des algorithmes classiques comme la m thode des trap zes ou celle d
22. lectrique gravitationnelle et nucl aire L quilibre de celles ci d pend du nombre de protons Z num ro atomique et de neutrons N pr sents dans le noyau Z et N conditionnent galement la stabilit ou l instabilit nucl aire La proportion entre le nombre de protons et de neutrons qui conf re la stabilit au noyau n est pas identique pour tous les atomes Elle peut tre reli e au nombre de masse A A Z N par la relation empirique suivante E A 2 0 0146 4 Ainsi un atome donn peut tre instable ou radioactif par exc s de protons Z largement sup rieur N ou par exc s de neutrons N tr s sup rieur Z pr sentant une tendance naturelle pour que l quilibre s tablisse selon diff rentes transformations Deux exemples en relation avec les sondes neutrons et rayons y en sont donn s ci dessous titre d illustration a M lange d isotopes d am ricium 5 Am et de b ryllium source de neutrons L isotope d am ricium est instable par exc s de protons Z N 95 146 0 65 et une premi re transformation se produit visant r tablir l quilibre par mission d une particule o de 5 48 MeV et d un rayonnement y de 60 keV selon la r action 241 237 4 9 Am gt 34 Np E Compar l am ricium de d part l isotope de neptunium Np form pr sente un exc s moindre de protons et un rapport Z N plus faible de 0 64 N anmoins il reste instable et une s rie de transforma
23. limin le sol en exc s et v rifi qu il occupe bien tout le volume V du cylindre le cylindre et le sol sont pes s donnant une masse de 395 6 g Ensuite le cylindre contenant le sol est mis l tuve 105 C jusqu obtention d une masse constante de 335 7 g Dans ce cas l quation 1 donne _ 395 6 335 7 _ 4 w 3357 1053 0 260 g g ou 26 en masse l quation 2 395 6 335 7 0 300 cm cm ou 30 en volume 1x 200 et l quation 4 _ 335 7 105 3 _ E 3 d S0 1 152 p 1 152 g cm et on peut v rifier que selon l quation 3 on a bien 0 30 1 152 x 0 26 Les diff rentes m thodes de d termination la teneur en eau et de la densit des sols diff rent essentiellement par leurs modes de pr l vement des chantillons Cependant les quations 1 et 4 restent toujours valables et applicables d s lors que les informations sont disponibles La difficult majeure r side dans la d termination pr cise du volume V de l chantillon En effet l utilisation d une tari re provoque la destruction de la structure du sol Dans ce document les m thodes classiques de d termination de l humidit du sol ne seront pas discut es On pourra trouver plus de d tails sur ce sujet dans les ouvrages de base consacr s la physique des sols par exemple Methods of Soil Analysis Klute 1986 Un inconv nient des m thodes classiques est leur caract re destructif chaque pr l vement le profil de
24. par l int grale suivante Q a dt 68 o qr est le flux d eau la profondeur L donn par la loi de Darcy 59 qui s crit rappelons le w L q K 6 Z wr est le potentiel total de l eau yr Ym z si l axe des z est orient positivement vers le bas avec Wm potentiel matriciel Le gradient OvrOz d termine le sens et l intensit du flux d eau S il est n gatif le flux est positif c est dire dirig vers le bas l eau sort du profil on est en situation de drainage Si au contraire Ovr Oz est positif le flux est n gatif donc dirig vers le haut de l eau entre dans le profil on est en situation d imbibition Exemple Dans un sol la profondeur z L 100 cm on suppose que la conductivit hydraulique est donn e par K 0 5 68 exp 85 6 0 0 441 mm jour A la m me profondeur on a mesur 0 0 398 cm cm avec une sonde neutrons Deux tensiom tres sont plac s 90 et 110 cm de profondeur sur lesquels on rel ve au m me moment Ym 118 cm H20 et yq 7135 cm H20 respectivement Quels sont la direction et l intensit du flux d eau cette profondeur Kioo 5 68 x exp 85 6 0 398 0 441 0 143 mm jour yr 90 ym z 2 118 90 208 cm Yr 110 Ym z 135 110 245 cm 7245 208 37 gs Oz 110 90 20 qu Kioo Owr 0z 100 0 143 x 1 85 0 265 mm jour qu gt 0 il s agit donc d un drainage Si c
25. quation 6 et on peut ensuite calculer l ordonn e l origine a par a 0 bxCR 7 o la valeur de 0 est d termin e au laboratoire par gravim trie sur un chantillon pr lev sur le terrain lorsque la valeur correspondante de CR a t mesur e Exemple d application Avant et apr s l apport de 150 mm 15 cm d eau sur un profil de sol les comptages relatifs suivants ont t obtenus pour diff rentes profondeurs Pe CR CR x 4 CR CR x Az cm 0 30 0 22 6 6 0 55 16 5 30 60 0 35 10 5 0 58 17 4 60 90 0 32 9 6 0 40 12 0 90 120 0 30 9 0 0 30 9 0 120 120 gt CR Az 357 N CR Az 54 9 0 0 Soi A vu 5 _ 5 15 oit d apr s 6 b 5 7349 357 0 781 Y CR x Az CR x Az 2 0 un autre endroit on a pr lev un chantillon de sol 30 cm de profondeur sur lequel une teneur en eau 0 434 cm cm a t d termin e gravim triquement Avec la sonde neutrons il a t mesur la m me profondeur une valeur de comptage relatif CR 0 45 D apr s 7 on a donc b x CR 0 434 0 781 x 0 45 0 0824 Et finalement la courbe d talonnage recherch e est donc 9 0 0824 0 781 x CR 2 4 4 Mod les th oriques Ces mod les th oriques sont fond s sur la th orie de la diffusion des neutrons L un de ceux ci Couchat et al 1975 repose sur la mesure des sections efficaces d absorption et de diffusion des neutrons dans une pile de gra
26. re Des tats d humidit contrast s peuvent tre obtenus par humidification irrigation pluie ou par dessiccation vaporation drainage du profil de sol mais cela suppose des interventions p nibles sur de longues p riodes et en plusieurs points chaque mesure neutronique doivent correspondre de nouveaux pr l vements de sols effectu s la tari re dans le voisinage imm diat du tube mais en dehors de la zone d influence de la sonde L interpr tation des mesures suppose donc l homog n it du sol dans son extension horizontale et une r partition uniforme de l humidit ce qui n est pas toujours le cas d o une incertitude suppl mentaire Une fois obtenu le meilleur jeu de donn es teneurs en eau comptages neutroniques possible il reste tablir la relation d talonnage Pour liminer la d rive de l lectronique due aux effets de la temp rature et d autres probl mes pouvant affecter la sonde on commence par transformer les comptages relev s en comptages relatifs CR d finis par cr _ taux de comptage dans lesol N _ CxT taux de comptage dans le standard 5 14 C est le comptage relev dans le sol pour un temps de comptage donn Cs celui mesur dans un milieu standard pendant un temps 75 N et N les taux de comptage respectifs correspondants exprim s en cpm si 7 est en minutes Toutes les fois qu une sonde est utilis e on doit v rifier sa stabilit en effec
27. 50 Zx 0 28 0 19 x 300 27 0 mm Couche 50 80 Zx 0 27 0 19 x 300 24 0 mm Au total sur 80 cm de profondeur il faudra donc apporter 24 27 24 75 mm d eau pour atteindre partout la capacit au champ 2 C est maintenant l quation 70 qui s applique avec L 50 cm Il faut donc commencer par valuer les teneurs en eau critiques par 71 pour les deux couches concern es Couche 0 20 6 0 30 0 4 x 0 30 0 18 0 252 cm cm Couche 20 50 cm amp ri 0 28 0 4 x 0 28 0 19 0 244 cm cm On peut donc calculer maintenant la lame nette jusqu la profondeur d enracinement Couche 0 20 em Zx 0 30 0 252 x 200 9 6 mm Couche 20 50 Zx 0 28 0 244 x 200 10 8 mm Soit une lame nette totale sur 50 cm de 9 6 10 8 20 4 mm La lame brute d irrigation est la quantit d eau qu il faut effectivement apporter la surface d un sol pour fournir les besoins de la culture et compenser toutes les pertes associ es au syst me d irrigation utilis L efficacit E de celui ci peut tre mesur e par le rapport entre la lame nette obtenue sur la lame brute 3 d livr e c f paragraphe 4 7 3 Avec cette d finition on a 72 Il tp 1 Le tableau XIX Doorembos et Pruitt 1992 donne des valeurs d efficacit pour diff rents syst mes d irrigation 62 TABLEAU XIX EFFICACIT DES SYST MES D IRRIGATION
28. A B et C n est pas la port e d un non sp cialiste C est seulement dans un environnement o l on dispose de telles facilit s que l on peut envisager de modifier un talonnage existant ou d en construire un nouveau N anmoins certaines sondes poss dent un processeur math matique programm pour permettre l utilisateur d effectuer un talonnage sur des blocs standard Il faut alors utiliser au moins trois masses volumiques diff rentes faible interm diaire et lev e et deux teneurs en eau quivalentes faible et lev e Il est quelquefois aussi possible 1 A LOL L y Teneur en eau quivalente fait r f rence des mat riaux avec des teneurs hydrog ne connues quivalentes des teneurs en eau provoquant le m me effet vis vis de la thermalisation des neutrons 42 de modifier directement les coefficients d talonnage stock s dans l appareil pour obtenir une meilleure conversion des mesures en valeurs finales de densit On peut aussi parfois ajuster l talonnage en fonction de conditions de terrain particuli res On a int r t faire cela par exemple dans des sols pr sentant une forte teneur en mati re organique en compos s calcaires ou en toute autre mati re forte teneur en hydrog ne diff rente de l eau car on risque alors une surestimation de la teneur en eau Il suffit de connaitre l cart entre la lecture de la sonde et la valeur r elle d termin e au laboratoire par gr
29. Distance horizontale cm FIG 17 Isolignes de potentiel de l eau wr sous deux h v as et direction des lignes de flux correspondantes 4 7 Contr le de l irrigation Lorsque les ressources en eau sont rares ce qui est le cas dans beaucoup de r gions du monde il est important de contr ler l irrigation dans tous ses aspects Globalement il faut conomiser la ressource mais il faut galement optimiser l utilisation de l eau d irrigation par les cultures De nombreuses publications sp cialis es traitent en d tails des techniques d irrigation Sur ce sujet on pourra par exemple se reporter aux Bulletins FAO d irrigation et de drainage Dans ce manuel consacr l humidim trie neutronique et la gammam trie nous nous contenterons d aborder quelques notions l mentaires en relation avec l utilisation de la sonde neutrons En effet en raison de la possibilit qu elle donne de quantifier les stocks d eau cf paragraphe 4 1 celle ci peut avantageusement tre utilis e pour tudier l impact d un d ficit hydrique sur le rendement des cultures Calvache et Reichardt 1996 Kirda et al 1999 Dans une probl matique d irrigation on se pose toujours les m mes questions quand comment et avec quelle quantit d eau faut il irriguer Dans les paragraphes qui suivent 60 nous introduisons les principales notions permettant d aborder ces questions de mani re rationnelle et nous en donnons des exemples d application
30. Oest identique yalors que Ko est reli aux param tres a et y par Ko exp a y x o les amp sont assimil es aux teneurs en eau 7 0 Finalement les param tres estim s pour le mod le 58 ont donc pour valeurs L Mod le 58 K Ko exp y x 0 amp cm Ko mm jour y b 30 20 08 35 112 0 501 60 54 65 27 748 0 458 90 57 61 61 123 0 475 120 85 62 67 731 0 486 Il faut souligner que cause de l allure exponentielle de la relation K 0 de petites erreurs sur 0 peuvent engendrer de grandes variations sur l estimation de K par cette m thode 4 3 2 M thode de Libardi et al 1980 Cette m thode est fond e sur l hypoth se suppl mentaire qu au cours du drainage le gradient du potentiel total est constamment unitaire gradwr 0 02 1 L quation 61 se simplifie alors et l on n a plus besoin des donn es tensiom triques du tableau XVIII Combin e avec le mod le 58 l int gration par rapport au temps de cette forme simplifi e de 61 conduit 0 Lin t Lin 25 65 y y L Ko et y peuvent donc tre valu s chacune des profondeurs L partir d une r gression lin aire effectu e un graphique 0 6 f In 0 Exemple Sur les donn es du tableau XVII de telles r gressions donnent Profondeur R gression 0 0 a b x Int L em 6 R 30 0 501 0 0376 0 0250 0 989 60 0 458 0 0485 0 0355 0 976 90 0 475 0 0218 0 0
31. Piracicaba SP Br sil K Reichardt Universidade de Sao Paulo CENA Piracicaba SP Br sil j M Calvache Laboratorio de Suelos Universidad Central del Ecuador Quito Equateur Critiques scientifiques D Nielsen University of California Davis tats Unis d Am rique G Vachaud Universit de Grenoble LTHE IMG France diteurs techniques lecteurs Version anglaise A Eaglesham Manuscript Service Ithaca tats Unis d Am rique P M Chalk Agence internationale de l nergie atomique Version espagnole S Urquiaga EMBRAPA CNPAB Serop dica RJ Br sil F Zapata Agence internationale de l nergie atomique Version fran aise J P Laurent J L Thony et M Vauclin Universit de Grenoble LTHE IMG France P Moutonnet Agence internationale de l nergie atomique Coordonnateur g n ral F Zapata Agence internationale de l nergie atomique 71
32. TENEURS EN EAU MESUR ES AVEC LA SONDE JUSQU 150 cm DE PROFONDEUR PAR INTERVALLES DE 25 cm SUR 25 TUBES D ACC S Tubes 25 cm 50 cm 75 cm 100cm 125cm 150 cm 1 0 372 0 393 0 383 0 344 0 304 0 293 2 0 378 0 393 0 347 0 308 0 300 0 313 3 0 359 0 352 0 327 0 317 0 300 0 300 4 0 379 0 374 0 309 0 288 0 293 0 299 5 0 362 0 353 0 320 0 288 0 284 0 285 6 0 358 0 336 0 316 0 301 0 281 0 296 7 0 315 0 337 0 316 0 291 0 291 0 293 8 0 365 0 393 0 345 0 298 0 287 0 292 9 0 315 0 334 0 312 0 300 0 305 0 338 10 0 362 0 382 0 355 0 316 0 315 0 332 11 0 357 0 358 0 316 0 291 0 364 0 281 12 0 361 0 370 0 327 0 294 0 276 0 282 13 0 346 0 343 0 317 0 297 0 300 0 290 14 0 348 0 347 0 307 0 278 0 283 0 274 15 0 332 0 335 0 335 0 298 0 288 0 289 16 0 323 0 338 0 323 0 295 0 290 0 315 17 0 291 0 311 0 312 0 310 0 296 0 306 18 0 326 0 345 0 336 0 324 0 303 0 295 19 0 328 0 384 0 336 0 296 0 286 0 286 20 0 285 0 234 0 306 0 291 0 289 0 278 21 0 340 0 334 0 308 0 287 0 286 0 292 22 0 294 0 339 0 310 0 285 0 286 0 287 23 0 315 0 326 0 314 0 295 0 282 0 288 24 0 301 0 325 0 323 0 308 0 317 0 335 25 0 283 0 33 0 319 0 298 0 287 0 297 Moyenne 0 336 0 347 0 325 0 300 0 296 0 297 Variance 0 00086 0 00106 0 00031 0 00019 0 00030 0 00028 35 2 6 3 3 Exemple de calculs Le tableau XIII rassemble des donn es de teneur en eau mesur es avec la m me sonde que pr c demment jusqu 150 cm de profondeur par intervalles
33. crit res que la sonde neutrons peut contribuer valuer 4 7 3 1 Efficacit de l irrigation Er L efficacit de l irrigation est le rapport entre la lame nette moyenne Jy r ellement stock e dans la zone utile zone racinaire sur la lame brute moyenne appliqu e 7g E I Ty 15 Tp Exemple Dans un champ irrigu on applique une lame brute de 100 mm et on d termine qu une lame de 80 mm a t stock e L efficacit de l application est dans ce cas de 80 100 0 8 ou 80 4 7 3 2 Efficacit d utilisation de l eau Ey Elle mesure l efficacit avec laquelle la lame nette apport e est utilis e par la plante donc consomm e sous forme d vapotranspiration ETR Elle s exprime par le rapport suivant E 76 Exemple Une culture de haricots perd par vapotranspiration un total de 500 mm sur tout son cycle de culture Si 700 mm ont t appliqu s l efficacit d utilisation de l eau d irrigation a t de 500 700 0 71 ou 71 4 7 3 3 Uniformit de l irrigation Diff rents param tres peuvent tre d finis pour quantifier l homog n it de l apport d eau par irrigation 64 Pour un syst me d irrigation gravitaire ou la raie l homog n it de la distribution Hy est mesur e par le rapport entre la lame d eau moyenne Zn infiltr e dans le quart le moins irrigu sur la lame d eau moyenne appliqu e sur tout le champ I H 77 Ty Exemp
34. dans l exercice de nombreuses activit s entrainant la manipulation de sources radioactives dans l industrie l agriculture la m decine et beaucoup de secteurs de recherche et de m tiers impliquant la manipulation de mat riaux comportant des concentrations enrichies en radionucl ides naturels En 1996 l Agence internationale de l nergie atomique a publi deux r f rences en mati re de s ret Radiation Protection and the Safety of Radiation Sources AIEA collection S curit n 120 et Normes fondamentales internationales de protection contre les rayonnements ionisants et de s ret des sources de rayonnements AIEA collection S curit n 115 en abr g Normes fondamentales internationales ou NFI Ces deux publications ont t coparrain es par l Organisation des Nations Unies pour l alimentation et l agriculture FAO l AIEA l Organisation internationale du Travail OIT l Agence de l OCDE pour l nergie nucl aire l Organisation panam ricaine de la sant et l Organisation mondiale de la sant Elles tablissent les objectifs et pr sentent les principes de s ret radiologique ainsi que les imp ratifs respecter pour les mettre en ceuvre et atteindre ainsi ces objectifs FAO et al 1996a FAO et al 1996b On peut trouver des indications sur la facon de respecter les exigences d finies par les NFI dans les guides de s ret de l AIEA publi s conjointement par l AIEA et l OIT Le guide de s ret RS G 1 1 don
35. de 25 cm sur 25 tubes d acc s Sur ces donn es nous allons effectuer l ensemble des calculs que nous venons de pr senter 2 6 3 3 1 M thode des trap zes Stock jusqu 150 cm calcul sur les valeurs moyennes cf eq 37 5 50 1 5 x 0 336 0 347 0 3254 0 300 0 296 0 5 x 0 297 25 S 47 99 cm 479 9 mm Variance due l erreur de mesure cf eq 42 oS 1 5 x 0 00086 0 00106 0 00031 0 00019 0 00030 0 5 x 0 00028 x 25 2 41 cm O 5 0 42 41 1 55 cm ou 15 5 mm cart type sur le stock Variance due la m thode d int gration cf eq 44 y 150 x25 rg e 150 144 2 Calculs des d riv es secondes _ 0 325 2x 0 347 0 336 50 os 5 3 x 107 75 om g 300 250325 0347 4o 10 25 100 dae c 0 296 2x 0 325 24334408 25 ET 0 297 A 0 300 s 48 0 x107 La plus grande valeur de 0 2 5 3x10 correspond la profondeur de 50 cm on retient donc cette valeur et l on a 2 4 o3 BORIS _5 3 107 0 17 6 5 40 17 0 4123 4 12 mm Variance totale du stock 0705 GHS 56 GHS so 22 414 0 17 2 2 58 o 42 58 1 61cm 16 1 mm 36 2 6 3 3 2 M thode de Simpson Pour utiliser la m thode d int gration de Simpson le nombre de couches de sol 2n jusqu la profondeur maximale d int gration doit tre un nombre pair et donc le nombre de points de mesure dans le pro
36. de comptage N et non pas les comptages cumul s N anmoins les consid rations pr c dentes restent valables la variance du comptage relatif diminue avec l augmentation du nombre de r p titions et ou du temps de comptage Calculons maintenant les variances dues l talonnage et l instrument sur les teneurs en eau mesur es Si l on consid re la relation d talonnage d termin e pr c demment tableau VI au taux de comptage relatif moyen de 0 440 figurant dans le tableau VIII correspond une teneur en eau 0 09536 1 042377 x 0 440 0 364 L quation 29 permet de calculer la variance due l erreur d talonnage Avec o 4 0 00192 0206 0 0102 0 004398 paragraphe 2 61 1 et SC r sidus 0 000243 tableau VII on obtient dans ce cas c2 9 0 00192 0 0102 x 0 440 2 x 0 440 x 0 004398 0 000243 2 68 x 10 d o l cart type o 9 1 2 68x10 1 64x10 7 et le coefficient de variation correspondant 100xo 0 _ 100 x1 64 x 107 0 0 364 CV 94 z 4 596 Pour estimer la variance imputable l erreur instrumentale cette fois on utilise l quation 30 qui donne ici 2 2 e E 0440 9 58 x 10 7 158500 5x2 1x2 ce qui correspond un cart type 9 49 58x1077 9 79x 10 et un coefficient de variation 100x9 79 x 10 PE 0 2796 Globalement la variance totale est donc 0 o2 8 o 0 2 68 x10 9 58 x107
37. expriment en lames d eau quivalentes compt es par exemple en mm Leur signes dans l quation 67 ont t choisis pour qu elles soient normalement quantifi es par un nombre positif ou nul Avec cette convention c est toujours le cas pour 7 et ET Par contre un RO n gatif indique un apport d eau par ruissellement De m me lt 0 indique une remont e d eau depuis la base du profil alors que Qr gt 0 traduit une situation de drainage Enfin AS gt 0 indique une augmentation du stock d eau dans le profil 0 L solde positif du bilan et AS 0 une diminution solde n gatif Une sonde neutrons constitue un outil bien adapt au suivi de bilan hydrique car elle fournit des mesures qui permettent d valuer relativement facilement le stock d eau cf paragraphe 4 1 d une part et d autre part de suivre son volution En effet comme il s agit d une m thode non destructive les mesures peuvent tre r it r es au m me endroit autant de fois que n cessaire Nous allons maintenant donner des exemples de manipulation de l quation de bilan 67 Exemple 1 Supposons qu un sol renferme un stock de 280 mm d eau la date ti Sur une p riode Af il re oit ensuite 10 mm de pr cipitations et 30 mm par arrosage Si les pertes par vapotranspiration pendant la m me p riode sont de 40 mm et que RO et Qz sont n gligeables quel est le stock final au temps fr f Af P I ET RO Q AS1 10 30 40 0
38. m mes Le tableau VI rassemble l ensemble des param tres qui sont usuellement d termin s lors d une telle r gression lin aire Notons que la plupart des tableurs modernes dont ceux mentionn s ci dessus titre indicatif poss dent un jeu de macro commandes et de fonctions statistiques permettant d obtenir directement ces param tres et d autres qui seront utilis s dans la suite sans que l on ait expliciter les calculs interm diaires du tableau V TABLEAU VI R SULTATS DE LA R GRESSION LIN AIRE BAS E SUR LES CALCULS DU TABLEAU V Coefficients Valeurs Ordonn e l origine a 0 095356 Pente b 1 042377 Erreur type sur 0 0156 Erreur type sura 0 0438 Erreur type sur b 0 101 Carr du coefficient de corr lation 0 930 R 0 96444 Nombre d observations 7 10 Degr s de libert n 2 8 Ces param tres seront explicit s plus loin Remarquons galement avec Greacen 1981 que si l on effectue plut t la r gression inverse c est dire si l on d termine d abord la droite CR a 4 b x pour la 23 transformer ensuite en relation d talonnage 9 bx CR on diminue g n ralement l erreur sur 2 6 1 2 Analyse de variance Pour effectuer l analyse de variance de la r gression pr c dente on manipule cette fois les quantit s math matiques suivantes SC gt 0 Quo 13 YoxYcR Y 9 x CR z SC r gression 2 gt CR nome 14
39. placer la sonde une profondeur suffisante pour viter la fuite de neutrons vers l atmosph re Pour estimer le rayon de la sph re d influence le milieu doit tre homog ne Pour cela l utilisation de sol remani dans des f ts est recommand e sauf si le terrain est naturellement tr s homog ne La proc dure est relativement simple 1 la sonde est d abord abaiss e jusqu une profondeur maximale correspond plus grande valeur plausible de R soit 45 50 cm 2 elle est ensuite remont e par incr ments successifs de 5 cm au maximum et chaque cote on r alise plusieurs comptages Lorsque la sonde est situ e en profondeur la sph re d influence chantillonne un milieu homog ne et les comptages C doivent tre constants variant au plus dans les limites des carts statistiques possibles C mesure que le centre actif de la sonde s approche de la surface des neutrons commencent s chapper vers l atmosph re et le comptage diminue d abord lentement puis exponentiellement jusqu atteindre des valeurs tr s faibles au voisinage de la surface quand la plus grande partie de la sph re se trouve dans l air voir exemple des donn es du tableau IV repr sent es graphiquement sur la figure 4 19 TABLEAU IV TAUX DE COMPTAGE EN FONCTION DE LA PROFONDEUR POUR DEUX MILIEUX HOMOG NES EAU ET SOL AVEC 0 35 cm cm N eau N sol 100 157230 67100 90 157110 67030 80 157130 66880 70 157020 669
40. plantes servant de nourriture l homme et aux animaux Sans le sol notre plan te serait tout sauf verte et la vie r duite aux oc ans Les sols constituent un important r servoir d eau douce Ils transforment les pr cipitations par essence discontinues dans l espace et dans le temps en des flux continus tels les d bits des rivi res et des fleuves Ils permettent galement d alimenter en eau de fa on continue les racines des plantes Leur capacit de r tention des eaux de pluie est approximativement gale au tiers de celle de l ensemble des lacs r servoirs artificiels compris et elle est d passe celle de l ensemble des lits de toutes les rivi res Enfin la somme des quantit s d eau souterraines contenues dans les sols et les nappes phr atiques est de deux ordres de grandeur sup rieure la totalit des eaux de surface In fine toutes les tudes portant sur l hydrologie des sols ont pour objectif une meilleure compr hension et une description plus compl te des processus Les processus l mentaires d infiltration de redistribution de drainage d vaporation et d vapo transpiration sont tout d abord analys s en tant que tels puis combin s pour rendre compte d une s quence particuli re d v nements pluvieux ou d une saison Le transport des solut s est aussi consid r comme une partie int grante de ces processus Une compr hension physique compl te de ces processus exige plusieurs niveaux d investigation et
41. qui s crit avec les m mes notations que dans le paragraphe pr c dent 0 0 6 0 62 0 gt 0 lt 8 gt 32 Par analogie avec l quation 23 on peut crire o gt b o b o CR gt lt CR Y o b 2 lt CR gt o b 33 mais cette fois 0 SCv sidus 0 car il s agit de la variance d une moyenne Dans cette quation le terme o CR gt variance du comptage relatif moyen prend en compte la variabilit locale Il s crit CR lt CR gt eS 34 Il repr sente la moyenne de k mesures de CR effectu es sur k tubes la m me profondeur Exemple Le tableau IX donne un exemple de 30 mesures effectu es 20 cm sans r p tition p 1 sur 30 tubes avec la m me sonde que celle que nous avons consid r e dans l exemple du paragraphe pr c dent De ce tableau on extrait al atoirement 5 mesures k 5 qui sont report es sur le tableau X 29 TABLEAU IX CR MESURES DANS 30 TUBES DIFF RENTS 20 cm DE PROFONDEUR ALFISOL PIRACICABA BR SIL Tube N CR Tube N CR 1 0 476 16 0 464 2 0 507 17 0 511 3 0 508 18 0 490 4 0 515 19 0 488 5 0 515 20 0 486 6 0 535 21 0 489 7 0 528 22 0 497 8 0 513 23 0 479 9 0 494 24 0 467 10 0 504 25 0 485 11 0 469 26 0 452 12 0 497 27 0 487 13 0 484 28 0 485 14 0 487 29 0 478 15 0 477 30 0 475 lt CR gt 0 491 1 1 1 9 1 157050 cpm eau TABLEAU X
42. riau diam tres int rieur et ext rieur l talonnage et tout le travail exp rimental doivent donc tre r alis s avec celui ci L acier et le laiton affectent l g rement la sensibilit de la sonde du fait de l absorption des neutrons par ces m taux Les taux de comptage sont plus lev s dans le poly thyl ne et autres mati res plastiques en raison de leur fortes teneurs en hydrog ne Normalement les constructeurs pr conisent un diam tre int rieur et ext rieur pour le tube en fonction du diam tre de leur sondes Il faut veiller utiliser des tubes dont les sp cifications sont les plus proches de celles recommand es principalement pour les diam tres La sonde doit coulisser dans le tube au plus juste car un trop large espace d air entre la source et les parois du tube r duit la sensibilit Il est fortement recommand d effectuer un essai pr alable avec une sonde factice en bois ou en PVC de m me diam tre pour s assurer qu elle se d place librement sans blocage La longueur des tubes d pend de la profondeur de travail souhait e Les tubes doivent descendre de 10 20 cm plus bas que la profondeur maximale laquelle on d sire faire des mesures puisque le centre actif de la sonde se situe g n ralement au milieu du d tecteur Il faut galement pr voir de 20 40 cm de tube au dessus de la surface du sol pour viter l entr e accidentelle de sol ou de boue dans celui ci et faciliter la mise en place de la parti
43. sondes neutrons en combinaison avec des techniques isotopiques sont utilis es pour d terminer la dynamique de l eau et des nutriments dans le systeme sol plante Le Centre d tudes nucl aires en agriculture CENA de l Universit de Sao Paulo Piracicaba Br sil est un institut tabli avec l aide de l AIEA il dispose d un personnel comp tent et exp riment et d installations pour l utilisation des techniques nucl aires en agronomie et pour des recherches connexes sur l environnement Plusieurs stages de formation universitaire et post universitaire int grant l utilisation de sondes neutrons ont t organis s par le CENA Le concept de manuel de formation date de l Atelier r gional sur l usage de la sonde neutrons pour le bilan d eau et de nutriments organis en 1997 dans le cadre d un projet r gional de coop ration technique de l AIEA en Am rique Latine intitul Nutrition des plantes gestion de l eau et des sols RLA 5 036 ARCAL XXII pour lequel l approche int gr e fut adopt e La version originale du document en espagnol tait un manuel complet couvrant la fois les aspects th oriques et pratiques n cessaires la bonne utilisation de cet quipement La contribution de critiques scientifiques diteurs et traducteurs techniques des trois versions en anglais frangais et espagnol ont grandement am lior le contenu et la qualit du manuel Leur support et d vouement sont hautement appr ci s
44. taux de comptage directement proportionnel au stock d eau dans le profil En agronomie un autre aspect important est de pouvoir suivre des variations de stock En effet il fluctue en fonction du temps cause des apports d eau pluie ou irrigation et des pertes occasionn es par l vapotranspiration ou le drainage interne Exemple Pour le sol sous culture de ma s consid r pr c demment des mesures effectu es avec la sonde neutrons diff rentes dates ont donn les r sultats suivants So 150 07 09 1998 611 0 mm So 150 14 09 1998 579 5 mm So 150 21 09 1998 543 8 mm So 150 28 09 1998 575 8 mm Du 7 9 au 21 9 il n y a pas eu d apport d eau Les taux moyens de perte en eau ont t oS 50 150 14 9 S 0150 7 9 _ t 14 7 amp 4 5 mm jour OS _ Soso 21 9 So iso 14 9 FRS 2i 14 5 1 mm jour Ces pertes sont potentiellement dues l vapotranspiration et au drainage profond en dessous de 150 cm Avec ces seules donn es il n est pas possible de distinguer l une de l autre Des pluies ont eu lieu entre le 21 et 28 septembre Le stock d eau a alors augment de QS _ Soso 28 9 5 159 21 9 pu 28 21 x 4 6 mm jour Cette augmentation correspond au solde net du bilan entre les apports de pluie et les pertes dues au ruissellement de surface l vapotranspiration et au drainage en dessous de 150 cm 4 2 Courbes de r tention d eau dans le profi
45. 0 a bCR bCR e 20 ou sous une autre forme 0 0 a b CR CR CR b b e 21 L esp rance math matique du carr de cette diff rence est donn e par E 0 8 E a ay E P CR CRY 22 E CR b by E e 2E CR a ab b 22 peut se r crire o 6 o a b o b o CR o2 2CRo a b 23 o o est la variance de amp La variance o CR peut tre estim e par e t ocha 3 24 s N N et sont les taux de comptage dans le sol et avec le standard mesur s durant les temps de comptage T et T respectivement Parce que l mission de neutrons suit une loi de Poisson les variances associ es N et sont donn es par o N P 25 GN T 26 o p et q sont les nombres de r p titions des comptages dans le sol et dans le standard respectivement En reportant 25 et 26 dans l quation 24 on obtient D D2 o CR 27 N pT qT 26 puis en substituant l quation 27 dans 23 00 oa eem x CR o b 2CRo G b o2 28 qui tablit l expression g n rale de la variance d estimation de la teneur en eau par la sonde neutrons Cette expression est clairement compos e de deux termes Variance due l erreur d talonnage 2 0 o a CR o b 2CRo b o 29 o SC residus cf tableau VII Variance due l erreur instrumenta
46. 1 Am Be associ e un d tecteur de neutrons lents chambre He et une source de rayonnement gamma g n ralement 137Cs avec le d tecteur correspondant g n ralement de type Geiger Mueller Elles peuvent tre con ues pour fonctionner en profondeur cela n cessite alors l installation de tubes d acc s ou en surface Dans ce dernier cas elles permettent des mesures de teneur en eau dans la couche superficielle de sol 0 15 cm et de masse volumique sur une profondeur pouvant aller de 2 5 30 cm d paisseur selon les modeles Le principe des mesures de teneur en eau avec des sondes de surface et l talonnage correspondant ne diff rent pas fondamentalement de ce qui a t d crit au chapitre 2 pour les sondes de profondeur si ce n est videmment qu on ne peut pas faire varier volont la profondeur de mesure car la source de neutrons rapides et le d tecteur de neutrons lents sont fix s demeure la base du blindage En ce qui concerne la mesure de masse volumique le principe de fonctionnement des sondes mixtes neutrons gammas de profondeur repose sur le ph nom ne de r tro diffusion du rayonnement gamma alors que celui des sondes mixtes de surface tire parti la fois de la r tro diffusion et de l att nuation de celui ci Dans ce chapitre 3 nous traitons essentiellement des sondes de surface et plus sp cifiquement des aspects li s la d termination de la masse volumique aussi bien par r tro diffusio
47. 147 0 996 120 0 486 0 0207 0 0136 0 990 53 D apr s 65 l ordonn e l origine a est gale 1 7 In y Ko L et la pente b 1 y Par la m thode de Libardi et al on obtient donc finalement comme param tres du mod le de conductivit hydraulique L Mod le 58 K Ko exp y x 0 6 cm Ko mm jour y bo 30 33 76 40 054 0 501 60 83 59 28 209 0 458 90 58 39 67 945 0 475 120 74 82 73 578 0 486 4 3 3 M thode de Sisson et al 1980 Comme dans la m thode pr c dente ces auteurs supposent aussi gradwr 1 et de nouveau il n est pas n cessaire de disposer de donn es tensiom triques Ils proposent une m thode originale de r solution de 61 qui conduit pour le mod le 58 2 In K y x 9 0 66 qui montre que Ko et y peuvent galement tre obtenus par r gression sur un graphique In Z t fonction de 0 6 Exemple Toujours sur l exemple des donn es du tableau XVII les deux tableaux ci apr s donnent les r sultats des calculs interm diaires n cessaires la mise en oeuvre de la m thode de Sisson et al 1980 t 1 30 cm 1 60 1 90 L 120 cm jours In zit 60 0 In 2 0 80 0 In 2 0 0 0 1 2 0 0 0 3 4012 0 035 4 0943 0 053 4 4998 0 022 4 7875 0 022 3 2 3026 0 069 2 9957 0 083 3 4012 0 037 3 6889 0 034 1 4553 0 087
48. 50 60 156890 67230 50 157150 67310 40 156970 68910 30 157080 68370 20 157160 67250 15 157020 68630 12 5 157240 66870 10 157000 64150 7 5 156540 59800 5 145230 54360 2 5 125810 42550 0 75440 29120 5 air 30770 26670 10 air 15300 14590 20 air 5110 5670 160000 4 4 9 9 9 e 999 140000 5 120000 _ Ne eau Z 100000 9 NS sol Q 20 80000 2 60000 e o 40000 3 Z 20000 s E 0 100 80 60 40 20 0 20 Profondeur i A R s FIG 4 Rayons des sph res d influence pour un sol R s et l eau R e La proc dure que nous venons de d crire entra ne forc ment une fuite de neutrons depuis la surface Le manipulateur doit donc se prot ger en se pla ant le plus loin possible de la sonde Pour d terminer le rayon de la sph re d influence partir d un graphique tel que celui de la figure 4 on consid re que lorsque le taux de comptage commence diminuer la sph re d influence est tangente la surface du sol La profondeur correspondante d finit donc le rayon de la sph re Dans l exemple consid r ici on a des rayons d influence de l ordre de 10 cm dans l eau et 15 cm dans le sol Falleiros 1994 a r cemment tendu cette m thodologie aux sols h t rog nes ou ayant des teneurs en eau variables En utilisant deux s ries de mesures une avec l utilisation de r flecteurs absorbeurs de neutron
49. COLLECTION COURS DE FORMATION N 16 F Les sondes neutrons et rayons gamma leurs applications en agronomie Deuxi me dition AGENCE INTERNATIONALE DE L NERGIE ATOMIQUE VIENNE 2003 Pour tout renseignement compl mentaire s adresser la Section de la gestion des sols et de l eau et de la nutrition des plantes Agence internationale de l nergie atomique Wagramer Strasse 5 BP 100 A 1400 Vienne Autriche LES SONDES NEUTRONS ET RAYONS GAMMA LEURS APPLICATIONS EN AGRONOMIE AIEA VIENNE 2003 IAEA TCS 16 F 02 ISSN 1018 5518 AIEA 2003 Imprim par l AIEA en Autriche F vrier 2003 AVANT PROPOS L eau est indispensable la vie sur la plan te C est souvent le principal facteur limitant de la production agricole et de l levage L eau est une ressource rare dans beaucoup d environnements ruraux et urbains Selon la FAO la demande globale d eau douce double tous les 21 ans De plus la qualit des r serves d eau est menac e constamment par la pollution qu elle soit d origine domestique industrielle ou agricole La plupart des cultures utilisent la pluie comme ressource en eau Actuellement 20 des terres arables du monde sont irrigu es et assurent 35 40 de la totalit de la production agricole Une mauvaise gestion de l irrigation en provoquant la salinisation des sols et la contamination des nappes phr atiques est une menace s rieuse pour l environnement Il est donc essentiel que l eau d irri
50. L gt ET P I RO Q AS 15 2x10 0 2 5 38 mm Ainsi pendant cette p riode l vapotranspiration moyenne a t de 38 10 3 8 mm par jour 4 4 1 Estimation des composantes du bilan hydrique Mesurer directement toutes les composantes du bilan hydrique constitue une op ration plut t fastidieuse La pluie P se mesure l aide de pluviom tres ou pluviographes pluviom tres enregistreurs donnant des r sultats en mm jour qui int gr s sur une p riode Af fournissent des cumuls en mm Les pluviom tres doivent tre install s pr s des sites o l on veut faire des bilans car les pr cipitations ne sont jamais uniformes ce sujet on trouvera dans Reichardt et al 1995 un exemple d analyse de la variabilit spatiale et temporelle des pr cipitations pour une zone de 1000 ha Bien que l instrument de mesure de base soit le m me que pour la pluie mesurer les apports d eau par irrigation constitue un d fi en soi En effet le mode d aspersion retenu conduit souvent une structure tr s h t rog ne de ces apports ce qui oblige multiplier les points de mesure En ce qui concerne l irrigation la raie ou autres modes d irrigation de surface une facon usuelle de proc der consiste diviser le volume total d eau apport e par la surface irrigu e mais il est clair qu ainsi on ne prend pas en compte la variabilit spatiale Le terme de pertes par vapotranspiration ET est souvent trait comme une incon
51. acile Le tube d acc s de la sonde est install au centre du f t o seront faites les mesures De nombreux fabricants poss dent un jeu de f ts scell s qui sont utilis s lors de l talonnage de chaque nouvelle sonde Ces donn es sont fournies l utilisateur et en g n ral sont appel es courbes d talonnage constructeur Leur utilisation est quelque peu limit e puisqu elles sont r alis es dans un type de sol sp cifique N anmoins elles peuvent utilement tre compar es par l utilisateur avec ses propres donn es Couramment lorsque l on veut seulement d terminer des variations relatives d humidit A0 et non des valeurs absolues on utilise l talonnage constructeur car les pentes des courbes d talonnage sont peu variables 2 4 2 talonnage sur le terrain talonner in situ suppose 1 d installer des tubes d acc s directement sur le terrain 2 de relever des comptages dans diff rentes conditions d humidit atteintes naturellement ou obtenues artificiellement 3 de recueillir imm diatement apr s et aux m mes cotes des chantillons aux alentours des tubes dont on d terminera la teneur en eau par la m thode gravim trique On r p te ces mesures sur plusieurs tubes en m me temps jusqu ce que l on ait obtenu un jeu de donn es repr sentatif de tout le profil et couvrant une gamme de teneurs en eau suffisamment large Dans des conditions normales de terrain il est rare de trouver un sol avec des valeurs d hum
52. ant lui reproduit les donn es concernant l talonnage de la mesure neutronique de la teneur en eau Il s agit principalement a du comptage standard pour la mesure de la teneur en eau comptage des neutrons lents en position standard sur un bloc standard qui accompagne l quipement b de comptages de neutrons lents pour deux blocs standards ayant chacun une teneur en eau quivalente connue c des valeurs des coefficients a et b de la droite d talonnage 9 a b x CR permettant de convertir les comptages relatifs CR mesur s en teneurs en eau comme pour les sondes de profondeur TABLEAU XV PARAM TRES DE LA SONDE CPN MODEL MC 3 POUR L HUMIDIMETRIE NEUTRONIQUE Comptage standard 8344 Date 23 09 96 Comptage pour Coefficients de la droite d talonnage 5263 0 03627 0 90265 44 4 APPLICATIONS 4 1 Stock d eau dans le sol Le calcul du stock a d j t abord sur un plan th orique au paragraphe 2 6 3 Nous allons maintenant en donner un exemple d application pratique La quantit d eau stock e dans un horizon de sol compris entre deux profondeurs z et z un instant t donn se calcule par 5 0 96 04 55 o Gest l humidit volumique d finie par 2 et z la coordonn e de position verticale avec une orientation positive vers le bas Si on exprime cm d eau par cm de sol et z en cm alors le stock 5 est quivalent une hauteur d eau en cm Pour fixer les id es on peut retenir qu c
53. assifications p dologiques L arrangement des particules d finit la structure du sol tandis que le compactage de la phase solide d finit l espace vide ou poral occup aussi bien par l eau que par l air L un des principaux attributs d un sol est sa densit apparente qui correspond la masse de mati re solide contenue par unit de volume de sol La densit apparente inversement proportionnelle la porosit du sol est lev e lorsque ce dernier est compact et peu a r La phase liquide est une solution aqueuse dilu e qui contient une grande vari t d ions de sels et de mol cules dont des compos s organiques Elle repr sente un r servoir d l ments nutritifs essentiels pour la croissance et le d veloppement des plantes dont la composition est continuellement renouvel e sous l effet des interactions physico chimiques entre les particules du sol l eau et les gaz La phase liquide est quantifi e par la teneur en eau qui correspond la masse ou au volume d eau par unit de masse de sol sec ou par unit de volume de sol respectivement Sur un profil vertical de sol la teneur en eau int gr e en fonction de la profondeur repr sente le stock d eau dans la couche correspondante Les stocks d eau dans les sols varient largement d une situation l autre Le sol assimil un r servoir se remplit par les pr cipitations l irrigation ou la fonte des neiges et se vide par vaporation transpiration ou percolation ver
54. avim trie et de la rentrer dans la m moire du processeur pour de futures corrections automatiques des valeurs de teneurs en eau mesur es dans les m mes conditions Un tel proc d de correction peut tre vu comme une forme d adaptation de l talonnage constructeur ind pendamment des causes r elles des variations syst matiques observ es Par ailleurs on peut toujours modifier la droite d talonnage pour la mesure neutronique de la teneur en eau ind pendamment de l talonnage en densit ce qui permet de toujours travailler dans les conditions recommand es ant rieurement pour les sondes de profondeur Le tableau XIV ci dessous reproduit le contenu de la m moire du microprocesseur d une sonde neutrons gamma de surface en rapport avec l talonnage de mesure de densit Ces donn es sont essentiellement a des comptages de photons y pour diverses profondeurs de positionnement de la source dans trois milieux standards diff rents de masses volumiques connues b un comptage standard pour la masse volumique comptage de photons en position standard sur un bloc standard qui fait partie de l quipement c les valeurs correspondant aux diff rentes profondeurs des coefficients A B et C de l quation 51 TABLEAU XIV CONTENU DE LA M MOIRE INTERNE D UNE SONDE CPN MC 3 ET COEFFICIENTS D TALONNAGE CORRESPONDANTS Comptage standard 37426 date 23 09 96 Comptages pour densit g cm Coefficients d talonna
55. bes permettant d atteindre un niveau donn de coefficient de variation sur la teneur en eau TABLEAU XI COMPOSANTES DE LA VARIANCE DE 6 EN FONCTION DU NOMBRE K DE TUBES D ACC S DONN ES DU TABLEAU IX 10 15 20 25 30 Tubes d acc s 6 14 26 29 30 5 7 22 26 28 30 3 5 8 9 12 4 5 9 11 15 20 23 24 26 2 3 5 7 8 9 10 12 16 18 19 24 27 28 30 1 2 3 4 3 11 13 14 15 16 17 18 19 20 22 23 26 28 Tous sauf 1 15 28 Tous Variances 13 25 30 6 9 3 13 2 5E 04 2 0E 04 1 5E 04 1 0E 04 5 0E 05 0 0E 00 o CR gt 10 1 496 1 052 0 200 0 371 0 204 0 188 0 156 0 118 2 lt 0 gt x10 5 2 158 1 758 0 939 0 919 0 881 0 815 0 800 0 745 10 2 lt 0 gt x10 5 2 32 2 38 2 44 2 30 2 40 2 37 2 38 2 37 Var Totale lt J gt 107 5 47 6 25 7 24 5 20 6 61 6 12 6 31 6 18 0 Var Instrumentale Var d talonnage Var locale 20 25 Nombre de tubes FIG 5 Comportement des variances en fonction du nombre de tubes donn es du tableau IX r sultats du tableau XI c2 8 gt x10 1 601 1 124 0 208 0 394 0 216 0 200 0 166 0 125 31 Par exemple avec les 30 donn es du tableau IX on a lt CR gt 0 4914 ce qui correspond une teneur en eau lt
56. btient Profondeur Stocks d eau mm cm t 0 t 1 t 3 t 7 t 15 30 150 2 139 4 129 8 124 1 119 1 60 291 8 266 8 248 0 234 8 220 2 90 435 2 402 1 377 6 359 3 340 9 120 580 8 540 2 511 2 488 9 466 1 50 On calcule ensuite leur d riv es par SL SQ t4 SQ 62 pai 1 1 E tath 5 et on attribue le r sultat au temps m dian On trouve ici 2 Profondeur Variations de stock d eau mm jour cm 1 0 5 t 2 t 5 t 11 30 10 8 4 8 1 4 0 6 60 25 0 9 4 3 3 1 8 90 33 1 12 3 4 6 2 3 120 40 6 14 5 5 6 2 9 En comparant les tableaux XVII et XVIII on peut remarquer que les profondeurs des tensiom tres sont diff rentes de celles des mesures de teneurs en eau Ceci est volontaire car en fait ce sont les gradients de potentiel qu il faudra estimer aux m mes cotes que les flux ou les variations de stock Par exemple pour estimer le gradient de en L 60 on utilisera les valeurs fournies par les tensiom tres situ s de part et d autre de cette position soit L 45 et L 75 cm D une mani re g n rale le gradient sera estim par OV L t VaL t D Y lL 1 t 63 n a vu aussi plus haut que les flux q ou les variations de stock 05 01 taient obtenus pour des temps interm diaires Il faut donc galement calculer les gradients pour ces m mes temps Pour cela on commence par r
57. cal processes determining water loss from soil Soil Sci Soc Am Proc 20 1956 310 314 ROSE C W et al Determination of hydraulic conductivity as a function of depth and water content for soil in situ Aust J Soil Res 3 1965 1 9 SISSON J B et al Simple method for predicting drainage from field plots Soil Sci Soc Am J 44 1980 1147 1152 VACHAUD G et al Comparison of methods of calibration of a neutron probe by gravimetry or neutron capture model J Hydrol 34 1977 343 356 VAN BAVEL C H M et al Hydraulic properties of a clay loam soil and the field measurement of water uptake by roots 1 Interpretation of water content and pressure profiles Soil Sci Soc Am Proc 32 1968 310 317 VAUCLIN M et al Error analysis in estimating soil water content from neutron probe measurements 2 Spatial standpoint Soil Sci 137 1984 141 148 VILLAGRA M M et al Tensiometry and spatial variability in Terra Roxa Estruturada R Bras Ci Solo 12 1988 205 210 VILLAGRA M M Difficulties of estimating evapotranspiration from the water balance equation Agr Forest Meteorol 72 1995 317 325 WATSON K K An instantaneous profile method for determining the hydraulic conductivity of unsaturated porous materials Water Resour Res 2 1966 709 715 70 PERSONNES AYANT CONTRIBU LA R DACTION ET A L EXAMEN Principales contributions de O O Bacchi Universidade de Sao Paulo CENA
58. chaque fois Reichardt et al 1993 Reichardt et al 1997 Daio um 2 Chata J Distance m FIG 15 Teneurs en eau mesur es avec une sonde neutrons sur 25 tubes d acc s r partis tous les 5 m sur un transect 4 6 Extraction racinaire Les mesures la sonde neutrons peuvent aussi tre utilis es pour tudier l extraction d eau par le syst me racinaire d une plante Les figures 16 et 17 ci apr s montrent des r sultats obtenus lors d une exp rimentation dont l objectif tait d tudier le m canisme de l extraction de l eau par le syst me racinaire dans une plantation d h v as Mendes et al 1992 La combinaison des mesures neutroniques et tensiom triques permet de cartographier l tat hydrique du sol sous forme d isolignes de teneur en eau 9 et de potentiel total wr Les lignes de flux d eau q perpendiculaires aux lignes de potentiel total peuvent alors tre visualis es et orient es le flux d eau va toujours dans le sens des valeurs de potentiel total d croissantes Bien que la quantification pr cise de ces flux reste difficile ces cartes permettent n anmoins de caract riser spatialement l extraction racinaire de l eau par la culture et de suivre ses variations au cours du cycle de la plante 59 Profondeur cm Distance Horizontale cm FIG 16 Iso teneurs en eau sous deux h v as Profondeur cm 0 200 400 600 800 1000 1200 1400
59. cia do uso de nitrog nio na cultura de feij o cv Imbabello Sci Agric 53 1996 343 353 CARNAHAN B et al Applied Numerical Methods John Wiley New York 1969 604 pp CARNEIRO C DE JONG E In situ determination of the slope of the calibration curve of a neutron probe using a volumetric technique Soil Sci 250 1985 250 254 COUCHAT P H et al The measurement of thermal neutron constants of the soil application to the calibration of neutron moisture and the pedological study of the soil Nuclear Cross Sections Technology SCHRACH R A BOWMAN C D Eds NBS SP 425 Washington DC 1975 DOOREMBOS J KASSAM A H Yield Response to Water FAO Irrigation and Drainage Paper 33 FAO Rome 1986 193 pp DOOREMBOS J PRUITT W O Crop Water Requirements FAO Irrigation and Drainage Paper 24 FAO Rome 1992 144 pp FALLEIROS M C Medida da Umidade do Solo Com Conda de Neutrons PhD Thesis Instituto de Pesquisas Energ ticas e Nucleares Universidade de S o Paulo CNEN 1994 GREACEN E L Soil Water Assessment by the Neutron Method CSIRO Adelaide 1981 140 pp GREMINGER P J et al Spatial variability of field measured soil water characteristics Soil Sci Soc Am J 49 1985 1075 1082 GRIMALDI C et al The effect of the chemical composition of a ferralitic soil on neutron probe calibration Soil Tech 7 1994 233 247 GUZM N J Nucleonica Basica Segunda Edicion Centro de Docume
60. e blind e de la sonde sur le tube cf figure 1 L extr mit sup rieure du tube doit tre ferm e par un bouchon en caoutchouc ou par une boite en aluminium renvers e afin d viter l entr e d eau lorsqu il n est pas utilis Enfin l extr mit inf rieure du tube doit aussi tre bouch e herm tiquement pour emp cher une arriv e d eau par exemple li e la pr sence d une nappe Il y a plusieurs mani res d installer les tubes d acc s Greacen 1981 mais d une mani re g n rale cela implique de faire un trou jusqu la profondeur d sir e Le principal imp ratif est d viter la formation de poches d air entre le sol et le tube Ceci peut tre r alis en utilisant une tari re d un diam tre l g rement plus petit que le diam tre externe du tube Le tube est ensuite introduit dans l avant trou ainsi r alis souvent avec difficult De plus si le tube est ouvert vers le bas du sol peut p n trer l int rieur lors de sa mise en place Il faut ensuite le retirer en utilisant une deuxi me tari re de diam tre cette fois inf rieur au diam tre interne du tube On peut aussi introduire directement en force le tube dans le sol sans forage pr liminaire la tari re On proc de alors par incr ments successifs de 20 cm environ l issu desquels on retire soigneusement tout le sol qui a p n tr dans le tube comme dans la technique d crite pr c demment Enfin une troisi me technique consiste introduire un t
61. e Simpson que nous consid rerons ici Compte tenu de ce nous venons dire la variance totale sur le stock estim o X comportera donc une composante o 208 li e l erreur sur la teneur en eau et une autre e S inh rente la proc dure d int gration utilis e soit c S 2 a 5 o 36 2 6 3 1 M thode des trap zes La figure 6 donne un exemple de profil de teneur en eau partir duquel on se propose de calculer un stock d eau par la m thode des trap zes Dans la m thode des trap zes on commence par interpoler lin airement entre les points ce qui dans ce cas revient tracer le profil en ligne bris e de la figure 6 Pour valuer la quantit d eau contenue dans chaque tranche de sol z z d paisseur Az on est ensuite amen calculer la surface d un trap ze soit ici 6 x Az 2 d o le nom de la m thode Si l on somme ces contributions l mentaires sur un profil constitu de n tranches de m me paisseur Az on obtient la formule g n rale suivante d n S M 0 22 6 9 6 0 16 Az 37 T o 32 Profondeur cm Humidit cm cm FIG 6 Exemple de profil de teneur en eau mesur tous les 20 cm jusqu une profondeur d 1 m dans un sol avec une sonde neutrons Sur l exemple de la figure 6 si l on int gre jusqu L 80 cm centre de la sph re d influence et que la teneur en eau la surface 6 est supp
62. e la source la variabilit spatiale du sol stratification et homog n it horizontale le mode d installation des tubes d acc s etc Nous d nommerons cette autre classe d erreurs introduites par le biais de la relation d talonnage erreur d talonnage Elles doivent tre minimis es en utilisant des proc dures am liorant la repr sentativit des valeurs d humidit gravim trique vis vis des comptages effectu s dans la sph re d influence Enfin une fois talonn e une sonde neutrons peut tre utilis e pour mesurer l humidit du sol sur un nombre quelconque de tubes d acc s qui sont install s sur une parcelle Compte tenu de la variabilit spatiale naturelle du terrain il peut alors s av rer n cessaire d utiliser une relation d talonnage diff rente pour chaque tube Si par commodit on utilise une courbe unique pour tous les tubes on introduit encore un troisi me type d erreurs que l on peut appeler erreur locale Comme on le verra la suite chacune de ces erreurs instrumentale d talonnage et locale peut se d composer son tour en d autres erreurs dont certaines sont facilement identifiables et quantifiables avec des mod les connus alors que d autres restent difficiles estimer Dans les paragraphes 2 6 1 et 2 6 2 nous pr sentons les m thodes statistiques qui 21 permettent d appr hender l tude de ces diverses composantes Ensuite le paragraphe 2 6 3 est consacr la quan
63. e taux se maintient pendant cinq jours la contribution correspondante au bilan sera Qr 5 x 0 265 1 3 mm 58 Enfin en ce qui concerne le calcul de la variation de stock ASr celui ci a d j t d taill au paragraphe 4 1 On pourra trouver plus de d tails sur l tablissement du bilan hydrique dans AIEA 1990 Bacchi et al 1996 et Villagra et al 1995 pour des exemples dans des conditions br siliennes 4 5 Variabilit spatiale des sols La sonde neutrons s av re tre un outil tr s utile pour l tude de la distribution et de la variabilit spatiale de la teneur en eau dans les sols l chelle d une parcelle ou d un bassin versant En effet en utilisant la th orie des variables r gionalis es l analyse des variances temporelles et ou spatiales cf paragraphe 2 6 2 effectu e ainsi partir d un grand nombre de points d observation permet une meilleure compr hension des processus li s au transfert de l eau Diff rents sch mas d chantillonnage peuvent tre mis en place transects grilles r guli res points quidistants ou al atoirement espac s A titre d illustration la figure 15 ci dessous pr sente des mesures de teneurs en eau ayant t effectu es trois dates avec une sonde neutrons sur 25 tubes r guli rement espac s tous les 5m le long d un transect L allure similaire des courbes obtenues aux diff rentes dates montre que ce dispositif chantillonne bien les m mes points
64. eneurs en eau l int rieur de son volume de mesure la sph re d influence La figure 11 ci dessous illustre ce point important toujours sur l exemple du tableau XVI Les bandes apparaissant en gris sur cette figure correspondent aux zones de chevauchement des sph res d influence pour deux mesures contigu s C est un facteur favorable pour l estimation du stock par 57 qui fait apparaitre aussi une moyenne Globalement la d termination du stock d eau sera d autant plus pr cise que les sph res d influence se recoupent 0 37 0 39 0 41 0 43 0 45 o Profundeur cm N 150 Humidit volum trique 0 cm cm FIG 11 Sch matisation de la prise de mesure par sonde neutrons dans l exemple du tableau XVI 46 Dans cet exemple si les mesures avaient t faites tous les 10 cm l estimation du stock d eau aurait t a priori meilleure N anmoins la premi re mesure 10 cm de profondeur aurait t probablement biais e car une partie de la sph re d influence se serait alors trouv e hors du sol Les sondes neutrons r centes sont quip es de microprocesseurs programm s pour calculer le stock d eau et l afficher en mm ou autre unit appropri e Quelques mod les encore plus sophistiqu s peuvent se d placer automatiquement dans le tube d acc s avec une vitesse constante effectuant ainsi une excellente int gration du profil hydrique et fournissant finalement un
65. er Requirements FAO Irrigation and Drainage Paper N 24 FAO Rome 1992 ORGANISATION DES NATIONS UNIES POUR L ALIMENTATION ET L AGRICULTURE AGENCE INTERNATIONALE DE L NERGIE ATOMIQUE ORGANISATION INTERNATIONALE DU TRAVAIL AGENCE DE L OCDE POUR L NERGIE NUCL AIRE ORGANISATION PANAM RICAINE DE LA SANT ORGANISATION MONDIALE DE LA SANT Normes fondamentales internationales de protection contre les rayonnements ionisants et de s ret des sources de rayonnements collection S curit n 115 AIEA Vienne 19962 ORGANISATION DES NATIONS UNIES POUR L ALIMENTATION ET L AGRICULTURE AGENCE INTERNATIONALE DE L NERGIE ATOMIQUE ORGANISATION INTERNATIONALE DU TRAVAIL AGENCE DE L OCDE POUR L NERGIE NUCL AIRE ORGANISATION PANAM RICAINE DE LA SANT ORGANISATION MONDIALE DE LA SANT Radiation Protection and the Safety of Radiation Sources Safety Series No 120 IAEA 1996b REICHARDT K et al Hydraulic variability in space and time in a dark red latosol of the tropics Geoderma 60 1993 159 168 REICHARDT K et al Variabilidade di ria da chuva em uma escala local 1000 ha em Piracicaba S P e suas implica es na recarga da gua do solo Sci Agric 52 1995 43 49 REICHARDT K et al Corre o da calibra o de sonda de n utrons por meio de par metros de estabilidade temporal da distribui o de probabilidade do conte do de no solo Sci Agric 54 1997 17 21 RICHARDS L A et al Physi
66. es carts consid rables par rapport une valeur vraie qui en r alit n est jamais connue Le principal probl me r side dans la proc dure d chantillonnage L humidit d un chantillon pr lev au champ peut tre d termin e avec un degr lev de pr cision et d exactitude mais le probl me est de savoir dans quelle mesure cet chantillon repr sente r ellement le sol la profondeur souhait e principalement cause de la variabilit locale et de l incertitude r sultant de la proc dure d chantillonnage retenue L humidit du sol peut tre exprim e sur une base massique ou volumique Dans ce document les symboles et d finitions suivants seront utilis s Teneur massique en eau w g H2O g de sol sec masse d eau m Ms 1 masse de sol sec m Msp est la masse du sol humide et mss la masse de sol sec respectivement Teneur en eau volumique 9 cm H2O cm de sol 1 volumed eau _ My TT 2 volume de sol p V o V est le volume de l chantillon de sol et P la masse volumique de l eau qui vaut normalement 1 g cm On peut montrer que O wxd 3 o d est la densit apparente du sol sec d finie par m P 4 PV P avec pa masse volumique apparente du sol g sol sec cm de sol Exemple Dans un profil de sol un chantillon de sol a t pr lev 20 cm de profondeur avec un cylindre de 200 cm dont la masse est de 105 3 g Apr s avoir
67. eurs de mesure dans le profil Le taux d infiltration travers la surface lorsque ce r gime est atteint peut tre assimil la conductivit hydraulique Ko correspondant la teneur en eau saturation de la couche superficielle du sol fournit l un des param tres du mod le exponentiel K 0 K exp 7 0 0 58 couramment utilis pour repr senter K 9 y est un deuxi me param tre qui sera d termin partir des mesures effectu es apr s l infiltration lors de la redistribution de l eau et du drainage en l absence d extraction racinaire et d vaporation la fin de l infiltration lorsque toute la lame d eau la surface a t absorb e d bute le processus de redistribution de l eau principalement sous l effet du potentiel gravitaire Pendant cette phase la surface doit tre recouverte d une b che imperm able pour viter les pertes par vaporation Des mesures de teneurs en eau du sol sont ensuite r alis es p riodiquement avec une sonde neutrons des profondeurs z s lectionn es Les r sultats de ces mesures sont rassembl s sous la forme d un tableau z f voir exemple du tableau XVII en prenant comme origine des temps 0 l instant o la lame d eau a disparu Simultan ment sur les tensiom tres on effectue des relev s de potentiel matriciel de l eau dans le sol v4 que l on corrige par les profondeurs z correspondantes potentiels gravitaires pour obtenir des valeurs de potentiel t
68. fective est a priori la m me que pour la dose absorb e joule par kilogramme mais on les exprime en sievert Sv pour viter toute confusion avec cette derni re FAO et al 19962 2 2 2 3 Effets biologiques des rayonnements L exposition des rayonnements comprenant des doses lev es de neutrons peut provoquer divers effets comme des naus es des rougeurs de la peau ou dans les cas s v res des syndromes plus aigus qui apparaissent cliniquement chez les individus expos s au bout d un certain laps de temps suivant leur exposition De tels effets sont d sign s comme d terministes car ils se produisent syst matiquement lorsque la dose re ue d passe un certain seuil L exposition aux rayonnements peut aussi induire d autres effets somatiques comme des maladies qui surviennent apr s une p riode de latence et qu une tude pid miologique au sein de la population concern e permet de d tecter Ce type d effets est consid r comme pouvant apparaitre quelle que soit la dose sans effet de seuil Enfin des effets h r ditaires imputables aux rayonnements ont t mis en vidence statistiquement chez certaines populations de mammif res et ils sont pr sum s se produire aussi chez l homme On qualifie tous ces effets pid miologiquement d tectables maladies et cons quences h r ditaires de stochastiques cause de leur caract re al atoire Les effets d terministes r sultent de divers processus biologiques
69. fil doit tre impair Etant donn que dans l exemple du tableau XIII nous avons 6 points de mesures de jusqu la profondeur de 150 cm il est n cessaire de consid rer un point de mesure suppl mentaire V la surface sera suppos gal 0 mesur 25 cm Dans ces conditions le calcul du stock par la m thode de Simpson s crit cf eq 45 Stock jusqu 150 cf eq 45 S 23 x 0 336 4x 0 336 2 x 0 347 4x 0 325 2 x 0 300 4 x 0 296 0 297 S4 47 93 cm 479 3 mm Variance due l erreur de mesure cf eq 47 05 227 0 00086 4 x 0 00086 2 x 0 00106 4 x 0 00031 2 x 0 00019 4 0 00030 0 00029 2 06 a S 42 06 1 435 cm 14 35 mm Variance due la m thode d int gration cf eq 49 XS 15 leo Calculs des d riv es quatri mes Dans cet exemple comme nous avons 7 points de mesure de O et qu il faut 5 points pour le calcul de la d riv e du 4 ordre il n est possible de calculer que 3 valeurs seulement de la d riv e pour les profondeurs de 50 75 et 100 cm On utilise pour cela les coefficients donn s par le triangle de Pascal et en l occurrence ceux report s dans la derni re ligne du tableau XII es 0 40 60 40 0 LE 41 Az 75 em 8 0 40 60 40 0 i AL Az 0 40 60 40 0 100 cm amp 7 6 s 28 5 6 AL Az La plus grande valeur de ces d riv es du 4
70. gation soit utilis e avec efficacit en effectuant un suivi continu du statut hydrique des sols dans la zone non satur e Pour cela les sondes neutrons qui utilisent une technique nucl aire sont utilis es dans le monde entier La sonde neutrons apr s son introduction depuis quelque 40 ans peut tre consid r e actuellement comme une m thode de routine pour l tude de l eau dans le sol Depuis lors plusieurs d veloppements ont eu lieu en particulier les composants lectroniques qui ont am lior significativement sa performance et largi ses applications Bien que la m thode de dispersion neutronique par collisions soit utilis e en routine dans un grand nombre de pays d velopp s son usage est encore limit dans les pays en d veloppement pour plusieurs raisons Les sondes neutrons contiennent des sources radioactives qui peuvent pr senter des risques pour la sant et l environnement si la sonde est incorrectement utilis e entrepos e ou mise la r forme La l gislation et les r glements doivent tre respect s scrupuleusement L objectif strat gique du sous programme Gestion des sols et de l eau et nutrition des plantes de la Division mixte FAO AIEA des techniques nucl aires dans l alimentation et l agriculture est de d velopper et encourager l adoption des techniques nucl aires pour optimiser une gestion int gr e du sol de l eau et des nutriments au niveau des syst mes agricoles Dans ce contexte les
71. ge n 1 72 2 14 2 63 A B C BS 27159 20136 14882 2 96 1 03 0 169 AC 54791 40970 29425 4 88 1 38 0 0681 5 0 137842 102072 70641 12 1 1 63 0 493 7 5 136354 98474 65574 12 9 1 56 0 625 10 0 127121 88344 57156 14 4 1 23 0 177 12 5 113500 75368 46739 16 0 1 04 0 0158 15 0 97338 62090 36633 16 0 0 954 0 0304 17 5 80888 49047 27488 16 7 0 840 0 0108 20 0 65356 37486 20262 18 4 0 718 0 0741 22 5 51567 28224 14730 18 5 0 649 0 0761 22 5 51567 28224 14730 18 5 0 649 0 0761 25 0 40144 21170 10764 17 4 0 603 0 0674 27 5 30940 15776 8083 17 6 0 546 0 0758 30 0 23728 11953 6165 15 0 0 526 0 0648 Les figures 9 et 10 illustrent graphiquement la mise uvre des relations d talonnage correspondant aux coefficients du tableau XIV la fois pour les mesures par r tro diffusion modes BS et AC fig 9 et par att nuation r tro diffusion fig 10 43 1 1 5 2 2 5 Comptage relatif CR FIG 9 Courbes d talonnage d une sonde CPN model MC 3 pour les options de mesure BS et AC qui n utilisent que le principe de r tro diffusion du rayonnement gamma 5 x 10 cm fA 15 cm 3 20 25 cm 30 Densit 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 2 2 2 4 Comptage relatif CR FIG 10 Courbes d talonnage de la sonde de la fig 9 pour le traitement utilisant aussi l att nuation du rayonnement gamma pour diff rentes profondeurs de la source gamma Le tableau XV qu
72. haque centim tre d eau stock dans la couche de sol consid r e correspond un volume de 10 litres d eau par m de surface de sol Dans le cas le plus courant on effectue l int gration 55 entre z 0 surface du sol jusqu la profondeur totale du profil 22 Nous avons montr au paragraphe 2 6 3 3 que la m thode num rique adopt e pour valuer l int grale 55 avait peu d influence sur la valeur estim e pour le stock On peut donc encore penser simplifier l quation 37 de la m thode des trap zes en supposant que le profil hydrique est une suite d chelons ce qui revient supposer 0 z z Az z Az si l on effectue des mesures tous les Az Avec cette hypoth se simplificatrice 37 devient x Az 0 90 9 0 0 x Az 56 ou 8 nxO0xAz 0 xz 57 si repr sente la teneur en eau moyenne sur n mesures effectu es tous les Az partir de la profondeur Az sur le profil 0 z2 Le tableau XVI ci dessous pr sente un exemple de donn es recueillies sur le terrain partir desquelles nous allons estimer des stocks par 57 TABLEAU XVI COMPTAGES RELATIFS ET TENEURS EN EAU CORRESPONDANTES EN FONCTION DE LA PROFONDEUR POUR UN CHAMP DE MA S ALFISOL PIRACICABA BR SIL Profondeur Comptage relatif 0 cm CR cm cm 25 0 494 0 420 50 0 485 0 410 75 0 503 0 429 100 0 473 0 398 125 0 465 0 389 150 0 471 0 396 45 Tout le profil 0 0 407 So_150 0 407 x 150 0 61 1 cm H
73. hermiques Cette interaction d taill e plus loin est la base du principe de la sonde neutrons pour mesurer la teneur en eau En effet le d tecteur de la sonde n tant sensible qu aux neutrons thermiques on a ainsi un moyen de caract riser partir du nombre de neutrons thermiques d tect s la quantit d atomes d hydrog ne donc l humidit du sol au voisinage de la sonde Divers d tecteurs de neutrons thermiques sont disponibles tels que ceux au trifluorure de bore 10 ceux h lium 3 et ceux scintillations chacun pr sentant des avantages et des inconv nients Les impulsions lectroniques qui sortent du d tecteur sont d abord pr amplifi es dans la sonde elle m me puis envoy es par le c ble jusqu au syst me de comptage externe 2 1 2 Syst me lectronique de comptage Bien que les syst mes lectroniques de comptage varient beaucoup d une sonde une autre ils comprennent toujours un amplificateur une source de haute tension un compteur d impulsions une horloge un dispositif d alimentation par batteries rechargeables et un microprocesseur Etant donn que l mission neutronique est un processus al atoire de type loi de Poisson le temps de comptage a une grande influence sur la pr cision des r sultats et la plupart des sondes offrent l utilisateur le choix entre plusieurs temps de comptage diff rents Chaque impulsion d tect e correspondant un neutron lent atteignant le d tecteur le micr
74. icule Masse Charge cds de pond ration 4 2 20 0 0006 1 1 Neutrons 1 0 lt 10 keV 5 10 100 keV 10 100 keV 2 MeV 20 2 20 MeV 10 gt 20 MeV 5 Y 0 0 1 2 2 5 1 Doses limites professionnelles Au sens des NFI une dose limite est d finie comme la valeur de dose effective ou de dose quivalente re ue par un individu dans le cadre de l exercice de pratiques contr l es qui ne doit pas tre d pass e FAO et al 1996a L exposition titre professionnel de n importe quel travailleur doit tre contr l e de telle mani re que les doses limites suivantes ne soient pas d pass es a une dose effective de 20 mSv par an en moyenne sur 5 ann es cons cutives b une dose effective de 50 mSv sur une seule ann e c une dose quivalente au niveau du cristallin de l oeil de 150 mSv en une ann e d une dose quivalente sur les pieds les mains ou la peau de 500 mSv en une ann e Pour les jeunes de 16 18 ans les seuils ci dessus sont r duits a une dose effective de 6 mSv en une ann e b une dose quivalente au niveau du cristallin de l oeil de 50 mSv en une ann e c une dose quivalente sur les pieds les mains ou la peau de 150 mSv en une ann e Enfin pour le public les doses moyennes estim es ont pour limites a une dose effective de 1 mSv en une ann e b dans certaines circonstances une dose effective jusqu 5 mSv en une seule ann e condition que la dose
75. idit tr s diff rentes au m me moment En arrosant on peut obtenir facilement des points d humidit lev e Par contre les points de faible humidit peuvent tre plus difficiles obtenir selon le climat de la r gion dans laquelle on se trouve et la saison On peut par exemple attendre que le sol s che en le couvrant avec des b ches pour emp cher l entr e d eau N anmoins il faut avoir conscience qu un profil hydrique en s chage est non uniforme surtout si il y a une stratification et que cela peut entrainer des incertitudes sur l talonnage 2 4 3 talonnage rapide sur le terrain Une m thode plus rapide pour obtenir une courbe d talonnage sur le terrain a t d velopp e par Carneiro et De Jong 1985 Elle consiste mesurer avec la sonde neutrons 17 les variations des comptages relatifs CR dans un profil de sol avant et apr s l application sur la surface de celui ci d une lame d eau connue La pente b peut tre alors calcul e par E ns ON 6 Y CR x Az Az o S est le stock d eau final voir l quation 35 du paragraphe 2 6 3 jusqu la profondeur z de p n tration de l eau dans le profil 5 le stock initial avant l application d eau CR et CR les comptages relatifs finaux et initiaux correspondants respectivement tant donn que la variation de stock S S doit correspondre la quantit d eau appliqu e sur le sol le coefficient b est connu par l
76. ir tableau II Pour une m me dose absorb e cela signifie un risque de 5 20 fois sup rieur par rapport aux Y qui eux ont un facteur de 1 Le blindage des sondes neutrons est r alis en mat riaux synth tiques forte teneur en hydrog ne qui att nuent efficacement les neutrons maintenant ainsi les doses re ues par le manipulateur des niveaux acceptables Pour les sondes y le plomb est utilis pour confiner le rayonnement ce qui ne va pas sans poser quelques probl mes pour la fabrication de mat riels portables En fait quand on consid re l utilisation des sondes neutrons et y en agronomie le probl me principal provient des rayonnements qui peuvent s chapper du sol pendant les mesures Ce probl me est d autant plus grave que le sol est plus sec car alors la sph re d influence est plus grande voir paragraphe 2 5 plus loin Dans l industrie partout on l on a respect les bonnes pratiques mentionn es plus haut et utilis des sondes bien con ues et correctement construites les doses enregistr es sont rest es bien en dessous des doses limites annuelles En appliquant le principe ALARA par exemple placer des r flecteurs en T flon la surface du sol des doses aussi faibles que 0 2 mSv an 1 de la dose limite annuelle ont pu tre enregistr es que ce soit pour les sondes neutrons ou y Guzm n 1989 11 TABLEAU II FACTEURS DE POND RATION BIOLOGIQUE POUR CHACUN DES QUATRE RAYONNEMENTS Part
77. l Des courbes de r tentions relation teneur en eau potentiel de l eau dans le sol peuvent tre obtenues sur le terrain en associant humidim trie neutronique et mesures tensiom triques aux m mes profondeurs Les tensiom tres doivent tre install s le plus pr s possible des tubes d acc s mais en aucun cas dans la sph re d influence car les cellules des tensiom tres pleines d eau peuvent perturber significativement la mesure neutronique Une distance de 20 30 cm est g n ralement bien adapt e 47 Toutefois les propri t s physiques d un sol peuvent varier significativement sur de courtes distances Ceci peut entrainer une dispersion importante sur les points de la courbe de r tention d termin e partir de donn es de terrain comme ont pu l observer Greminger et al 1985 ou Villagra et al 1988 voir exemple de la fig 12 L AIEA 1984 a n anmoins propos une courbe de r tention construite partir de mesures effectu es avec des sondes neutrons et des tensiom tres dans des sols de diff rents pays figure 13 0 480 0 460 cm 0 440 n 0 420 0 400 0 380 0 360 0 340 Humdit volum trique cm r 0 320 0 300 Potentiel matriciel kPa FIG 12 Courbe de r tention obtenue sur le terrain pour un Alfisol profondeur de 20 cm Br sil Villagra et al 1988 0 366 1 0 26 xy 408 Humidit volum trique 9 cm cm 0 20 40 60 80 Poten
78. la masse volumique apparente o du sol sec peut tre d duite de la masse volumique humide mesur p par Pa Pr 52 d 23 avec P masse volumique de l eau Si l on exprime les masses volumiques en g cm 8 1 comme p 1 g cm 52 se simplifie formellement et devient p 7 p 0 53 o d est cette fois la densit apparente du sol sec qui s exprime par le m me nombre que la masse volumique apparente s che p en g cm 4l Puisqu une sonde mixte neutrons gamma d termine aussi par thermalisation des neutrons la valeur de la masse volumique s che p g cm ou de la densit s che d est donc accessible 53 partir de la mesure de la masse volumique totale p g cm 3 2 2 Att nuation Lorsque les mesures de densit sont effectu es en profondeur comme illustr figure 7b le d tecteur de rayonnement gamma compte en plus des photons r tro diffus s un certain nombre d autres photons ayant travers s directement une paisseur Az de sol comprise entre la source de rayonnement gamma et le d tecteur Ces derniers ont subi une att nuation qui suit la loi de Beer Lambert I 1 x exp u 9 u p x Az 54 avec I nombre de photons qui arrivent au d tecteur par unit de temps apr s avoir travers l paisseur Az de sol Io nombre de photons qui arriveraient au d tecteur par unit de temps en l absence de sol pour la m me distance Az entre
79. la source et le d tecteur Me Hs coefficients d att nuation du rayonnement gamma par l eau et le sol respectivement Les valeurs de 44 et 44 sont sp cifique de l nergie du rayonnement gamma mis par la source utilis e Puisque seulement une partie des interactions est d crite par l quation 54 les courbes d talonnage pour le traitement utilisant l att nuation sont tablies exp rimentalement sur la base du m me mod le 51 que pour la retro diffusion mais dans ce cas le comptage relatif CR des photons correspond la fois aux photons r fl chis et ceux qui sont att nu s Les param tres A B et C sont d termin s avec des mesures faites en utilisant des mat riaux ayant des densit s et des paisseurs connues voir donn es du tableau XIV et figure 10 dans le paragraphe suivant Comme pour la r tro diffusion si le sol est humide des photons sont aussi att nu s par l eau du sol et compt s par le d tecteur On corrigera donc la densit humide mesur e par 53 pour obtenir finalement la densit s che apparente d du sol 3 3 talonnage En raison de la relative complexit de l talonnage des sondes gamma neutrons pour la mesure des densit s elles sont g n ralement livr es avec un jeu de r glages stock s dans leur m moire interne Cet talonnage est complexe parce qu il faut disposer de milieux talons de densit s vari es et que le traitement math matique permettant d estimer les coefficients
80. le oi xe 30 N pT 41 Exemple Pour calculer 2 0 et 62 8 on doit conna tre les param tres et leurs variances et leur covariance Il faut aussi disposer de donn es de comptages r alis s plusieurs reprises sur un m me tube une profondeur donn e Pour passer en comptages relatifs et calculer CR il faut videmment aussi faire des comptages avec le standard Le tableau VIII pr sente un exemple d un tel jeu complet de donn es TABLEAU VIII DONN ES RECUEILLIES AVEC UNE SONDE A NEUTRONS EN 5 R P TITIONS DANS UN M ME TUBE D ACC S UNE PROFONDEUR DE 60 cm DANS LE SOL TEMPS DE COMPTAGE 2 MINUTES mom T N R R p titions Comptage C ini bn C 1 140800 2 70400 0 444 2 138200 2 69100 0 436 3 140500 2 70250 0 443 4 139900 2 69950 0 441 5 139100 2 69550 0 439 Moyenne 139700 2 69850 0 440 Standard eau 317000 2 158500 Sur ces donn es les quations 25 et 26 fournissent xx _ 69850 _ o N 69850 6985 00 _ 79250 et l quation 24 c CR 69850 I 6985 _ 79250 158500 69850 158500 z 8 9 x 107 27 Il est important de remarquer que l quation 27 montre que si l on augmente le nombre de r p titions p et q ou les temps de comptage T T les variances ci dessus diminuent De plus augmenter le temps de comptage a le m me effet que de multiplier les r p titions Certaines sondes r centes n affichent que des taux
81. le Si lors d un apport par irrigation la raie la lame infiltr e qui correspond au quart de la parcelle le moins irrigu a t de 30 mm et si la lame moyenne totale appliqu e sur le champ a t de 40 mm alors HD 30 40 0 75 ou 75 Coefficient d uniformit de Christiansen CUC Ce coefficient est calcul partir de l cart type et de la moyenne S de diff rentes lames d eau stock es 5 Eq 55 calcul es en N points de la parcelle sur une profondeur L 2 78 m 78 Exemple Si la somme des valeurs absolues des carts de 10 mesures du stock d eau d irrigation dans un champ est de 5 mm et si la lame moyenne stock e est de 50 mm alors CUC 1 5 10 x 50 0 999 ou 99 9 Efficacit de stockage de l eau d irrigation RS Ce param tre est d fini par VE S 79 L Avec S Stock d eau moyen atteint la fin de l irrigation Occ Teneur en eau correspondant la capacit au champ L Profondeur concern e RS est bien un indicateur de l efficacit de l irrigation puisqu il exprime la quantit d eau d irrigation qui est rentr e et qui a t effectivement stock e par le sol par rapport la quantit maximale que l on pouvait esp rer y mettre Exemple Dans un champ irrigu la lame moyenne stock e a t de 60 mm alors que la quantit moyenne maximale pouvant tre stock e tait de 70 mm Dans ces conditions on avait RS 60 70 0 86 ou 86 To
82. moyenne sur 5 ann es cons cutives reste inf rieure 1 mSv c une dose quivalente au niveau du cristallin de l oeil de 15 mSv en une ann e d une dose quivalente sur les pieds les mains ou la peau de 50 mSv en une ann e L AIEA a le projet de publier un guide de s ret consacr aux sondes nucl aires qui couvrirait la fois les risques d exposition normaux et potentiels Pour conclure ce paragraphe consacr la s ret on peut non seulement dire que les sondes neutrons et rayons gamma ne pr sentent que des risques acceptables pour la sant mais qu en fait ces risques restent n gligeables En cons quence l usage de ces sondes n est et ne doit pas tre class comme une pratique risque lev pour la sant humaine 12 2 3 Les tubes d acc s et leur installation La taille et le type des tubes d acc s d pendent du diam tre de la sonde utilis e du co t et de la disponibilit des mat riaux sur le march Malheureusement le diam tre des sondes n a pas t standardis au niveau international Le meilleur mat riau pour les tubes est l aluminium qui est transparent aux neutrons et r siste bien la corrosion sauf dans des sols tr s acides D autres mat riaux peuvent galement tre utilis s comme l acier le fer le laiton le poly thyl ne ou d autres plastiques Chaque mat riau pr sente un comportement diff rent vis vis des neutrons Une fois choisi un tube particulier mat
83. n des neutrons par des collisions lastiques ou in lastiques est un processus tr s important sur lequel est fond le principe de fonctionnement de la sonde neutrons Dans ces collisions les neutrons rapides d nergie lev e 72 MeV perdent de l nergie mod ration et deviennent lents ou thermiques de basse nergie 0 025 eV Si les collisions sont lastiques plus le noyau cible est massif plus faible est l nergie perdue par le neutron tableau I TABLEAU I NOMBRE DE COLLISIONS N CESSAIRES POUR R DUIRE L NERGIE D UN NEUTRON DE 2 MeV 0 025 eV Isotope cible Nombre de collisions H 18 H 25 He 43 Li 68 115 160 152 2381 2172 Sur ce tableau on peut v rifier que H est l isotope le plus efficace pour r duire l nergie d un neutron rapide On dit que l hydrog ne est un bon mod rateur ralentisseur de neutrons cause de son contenu en hydrog ne l eau est aussi un bon mod rateur de neutrons Donc plus un sol est humide plus grande sera la quantit de neutrons lents pr sents autour de la source de neutrons rapides D autres constituants du sol poss dent galement de lhydrog ne dans leur composition mais dans ce cas ces constituants ne varient pas en concentration l exception de la mati re organique qui peut voluer dans le temps et ils sont implicitement pris en compte lors de l talonnage de l appareil Les neutrons quand ils sont libres sont instable
84. n que par att nuation du rayonnement gamma N anmoins avec quelques petites modifications les aspects qui sont trait s ici sont galement applicables aux sondes neutrons gammas de profondeur Les figures 7a et 7b ci apr s montrent une sonde neutrons gammas de surface dans deux configurations Source de neutrons rapides D tecteurs Source de rayons gamma WRIS EZ se PRES LE S 24 Rayons gamma et neutro LE 035 TN ANA VLE E e SEM OR DE n Tp Cep UA cX VEG ESS gt ie 7 DS CS EPL Gp LIR S SIMA LIBE po 2 VAM FIG 7a Sonde en position de mesure de la teneur en eau et de la densit de la couche superficielle du sol Source CPN MC 3 Portaprobe Notice d utilisation 39 Dans le protocole de mesure illustr fig 7a la source de y n est pas descendue dans le sol et elle peut tre situ e l g rement au dessus de la surface mode BS back scattering ou au contact de celle ci mode AC asphalt concrete Dans ces deux cas les mesures sont faites uniquement par r tro diffusion et elles concernent la couche superficielle D tecteurs Neutrons FIG 7b Sonde en position de mesure de la teneur en eau de la couche superficielle et de la masse volumique dans l horizon allant de la surface du sol jusqu une profondeur r glable en d pla ant la source y Source CPN MC 3 Portaprobe Notice d utilisation Par contre dans le mode op ratoire de la fig 7b la source y es
85. ne des instructions g n rales sur la mise en place d un programme de radioprotection dans un contexte professionnel AIEA et OIT 1999 Les normes de s ret d finies par l AIEA ne sont pas automatiquement adopt es par ses tats Membres qui peuvent toutefois les int grer s ils le d sirent dans leur l gislation nationale dans le respect de leurs propres activit s dans le domaine N anmoins les gouvernements ont la responsabilit de les faire respecter ce qu ils assurent en g n ral par la mise en place d un syst me national de protection et de s ret radiologiques De telles infrastructures nationales comprennent un ensemble de lois et de r glements une autorit habilit e d livrer des autorisations effectuer des inspections de ce type d activit s contr l es et faire respecter les textes des ressources suffisantes et un personnel comp tent suffisamment nombreux AIEA et OIT 1999 Dans le paragraphe 2 2 2 on se contente de rappeler les notions de base li es la protection et la s ret radiologiques En compl ment l utilisateur devra toujours prendre en compte les sp cificit s des l gislations et r glements nationaux applicables 2 2 2 Notions de base 2 2 2 1 R actions nucl aires et radioactivit Le noyau des atomes est compos de particules positives les protons et de particules neutres les neutrons qui interagissent entre elles sous l effet de diff rentes forces de nature
86. ntacion e Informacion Nuclear del Instituto de Asuntos Nucleares Bogot 1989 312 pp HAVERKAMP R et al Error analysis in estimating soil water content from neutron probe measurement 1 Local standpoint Soil Sci 137 1984 78 90 KIRDA C et al Eds Crop Yield Response to Deficit Irrigation Kluwer Academic Publishers Dordrecht 1999 KLUTE A Methods of Soil Analysis Part 1 Physical and Mineralogical Methods Second Edition Soil Science Society of America Madison 1986 1188 pp KUTILEK M NIELSEN D R Soil Hydrology Catena Verlag Cremlingen Destedt 1994 370 pp LIBARDI P L et al Simplified field methods for estimating the unsaturated hydraulic conductivity Soil Sci Soc Am J 44 1980 3 6 MENDES M E G et al Rela es h dricas em seringal no munic pio de Piracicaba Sci Agric 49 1992 103 109 69 NIELSEN D R et al Water movement through Panoche clay loam soil Hilgardia 35 1964 491 506 OLGAARD P L Problems Connected with the Use of Subsurface Neutron Moisture Gauges and their Solution Riso M980 20 Danish Atomic Energy Commission Copenhagen 1969 20 pp ORESEGUN M O Radiation safety of soil neutron moisture probes Comparison of Soil Water Measurement Using the Neutron Scattering Time Domain Reflectometry and Capacitance Methods IAEA TECDOC 1137 IAEA Vienna 2000 139 146 ORGANISATION DES NATIONS UNIES POUR L ALIMENTATION ET L AGRICULTURE Crop Wat
87. nue dans l quation du bilan hydrique et il est d duit des autres termes comme dans l exemple 5 pr sent ci dessus N anmoins l vapotranspiration peut tre valu e partir de mod les th oriques et ou de formules empiriques bas es sur des donn es atmosph riques m thodes de Thornwaite Blaney Criddle Penmann etc On peut aussi estimer ET partir de mesures effectu es sur lysim tres FAO 1992 Le ruissellement RO est difficile mesurer Le principe g n ral consiste recueillir et quantifier cet coulement superficiel l aide d un syst me m canique appropri install sur des parcelles standard tat de surface pentes sp cialement am nag es cet effet On 57 extrapole ensuite cette information aux sites r els o l on suit le bilan Par exemple si la partie inf rieure d une parcelle test pour le ruissellement de 2 m par 22 m on r cup re 216 litres d eau alors qu il a plu 35 mm on peut estimer 3 3 216X10 cm d 491 cm 4 91 mm soit 591 149 de la pluie 2x22x10 cm 35 et on extrapolera ces 14 tous les sites similaires Il est clair que cette facon simple de proc der ignore la r alit du cheminement de l eau la surface de la parcelle et en particulier le fait que le ruissellement en provenance des zones les plus hautes peut se retrouver collect dans les zones les plus basses Le flux d eau dans le sol la base du profil se calcule sur un intervalle de temps fi 1
88. oactive mettrice de neutrons rapides un d tecteur de neutrons lents et un pr amplificateur Le signal de sortie de ce dernier est transmis au syst me lectronique de comptage par l interm diaire d un c ble de 5 20 m de longueur La g om trie de la sonde le type et l activit de la source de neutrons les types de d tecteur et d amplificateur varient consid rablement selon les constructeurs Les sources de neutrons sont constitu es d un m lange intime d un metteur de particules alpha Am Ra et d une fine poudre de b ryllium En bombardent les noyaux de b ryllium les particules alpha a noyaux d h lium donnent lieu la r action nucl aire suivante 4 9 1 12 a n C Les neutrons ainsi produits ont des nergies pouvant atteindre 14 MeV 1 eV 1 6 x 10 P J avec une valeur moyenne d environ 4 5 MeV neutrons rapides L activit de la source est en g n ral donn e par celle de l metteur alpha et elle est exprim e en becquerels Bq La plupart des sources pr sentent une activit entre 370 et 1850 MBq ou 10 50 mCi pour employer une ancienne unit le curie Ci voir d finitions au paragraphe 2 2 2 2 Parce que les metteurs a mettent g n ralement aussi des rayons gamma y et des neutrons rapides la protection contre les rayonnements et la s ret des utilisateurs de sondes neutrons rev t une grande importance Le blindage qui constitue l emballage de la sonde doit donc
89. olte Apr s la r colte Apr s le transport 0 2 5 0 943 1 247 1 384 1 481 0 5 0 0 995 1 355 1 441 1 528 0 7 5 1 070 1 436 1 450 1 558 0 10 0 1 130 1 463 1 496 1 552 0 12 5 1 132 1 477 1 503 1 560 R F RENCES BIBLIOGRAPHIQUES AGENCE INTERNATIONALE DE L NERGIE ATOMIQUE Neutron Moisture Gauges Technical Reports Series No 112 IAEA Vienna 1970 AGENCE INTERNATIONALE DE L NERGIE ATOMIQUE Tracer Manual on Crops and Soils Technical Reports Series No 171 IAEA Vienna 1976 AGENCE INTERNATIONALE DE L NERGIE ATOMIQUE Field soil water properties measured through radiation techniques Technical Reports Series N 312 IAEA Vienna 1984 AGENCE INTERNATIONALE DE L NERGIE ATOMIQUE Use of nuclear techniques in studies of soil plant relationships Training Course Series N 2 IAEA Vienna 1990 AGENCE INTERNATIONALE DE L NERGIE ATOMIQUE ORGANISATION INTERNATIONALE DU TRAVAIL Occupational Radiation Protection Safety Standards Series No RS G 1 1 IAEA Vienna 1999 ARSLAN A et al The performance and radiation exposure of some neutron probes in measuring the water content of the topsoil layer Aust J Soil Res 35 1997 1397 1407 BACCHI O O S et al Balan o h drico em cultura de aveia forrageira de inverno na regi o de S o Carlos S P Sci Agric 53 1996 172 178 CALVACHE A M REICHARDT K Efeito de pocas de defici ncia h drica na efici n
90. ons gamma qui permettent une valuation simultan e de l humidit et de la densit du sol sont videmment potentiellement tr s bien adapt es pour tudier ce type de probl mes tant des fins de recherche que pour une utilisation en routine dans de grandes exploitations agricoles Si l on reprend l exemple de la culture de canne sucre une des utilisations pratiques de la sonde neutrons gamma est la mesure de l tat hydrique du sol et de sa densit avant les op rations de r colte dans le but de minimiser la compaction du sol par les moissonneuses et les camions Une autre application pourrait tre le suivi en continu de l tat de compaction du sol afin de d terminer le meilleur moment pour pratiquer les op rations de sous solage Un test pr liminaire r alis avec une sonde neutrons gamma de surface dans un champ de canne sucre au Br sil figure 18 a d montr que cet appareillage est effectivement suffisamment sensible aux variations de la densit du sol provoqu es par la m canisation des op rations de r colte et de transport voir r sultats du tableau XX FIG 16 Mesure de l effet de la compaction du sol avec une sonde neutrons gamma de surface 66 TABLEAU XX EFFETS DE LA R COLTE COUPE ET DU TRANSPORT DE LA CANNE SUCRE SUR LA COMPACTION DU SOL Densit s du sol pour diff rentes situations de culture g cm Couche For t Culture de canne sucre cm primaire Avant la r c
91. oprocesseur convertit finalement les comptages bruts en coups par minute cpm ou par seconde cps Les sondes actuelles ont des microprocesseurs incorporant des quations d talonnage fournies par le constructeur ou d velopp es par l utilisateur pour diff rents sols et ainsi les r sultats peuvent tre exprim s directement en teneur en eau 95 g g cm cm pour chaque profondeur ou en termes de lames d eau stock e dans une couche donn e de sol H50 10 ou dans tout le profil Chaque fabricant donnant des instructions de mise en uvre sp cifiques de ses mat riels celles ci ne seront pas discut es ici La figure 1 montre une repr sentation sch matique d une sonde neutrons de profondeur mise en place dans un tube d acc s pour effectuer une mesure Syst me lectronique de comptage Blindage Niveau du sol MEE Tube d acc s D tecteur de neutrons lents et pr amplificateur Source de neutrons rapides FIG 1 Sonde neutrons de profondeur Source Campbell Pacific Nuclear CPN 503 DR Hydroprobe Notice d utilisation Le principe de fonctionnement des sondes neutrons est tr s simple La source de neutrons met des neutrons rapides qui interagissent avec les particules et l eau autour de la sonde Les neutrons ne poss dant pas de charge les champs lectriques n alt rent pas leurs mouvements Trois types d interactions peuvent se produire absorp
92. orizon 0 75 em 0 420 So_75 0 420 x 75 0 31 5 cm Horizon 50 100 0 0 412 850 100 0 412 100 50 20 6 cm Pour information les m mes calculs effectu s par la m thode des trap zes et l quation 37 le lecteur int ress pourra les effectuer titre d exercice donnent des valeurs de stocks qui diff rent de moins de 3 mm ou de moins de 1 par rapport aux valeurs ci dessus Comme nous l avons d j soulign au paragraphe 2 5 il est important d avoir une id e de la sph re d influence de la sonde Ceci est particuli rement important pour les mesures proches de la surface du sol Dans l exemple du tableau XVI le rayon de la sph re d influence est estim environ 15 cm Cela signifie que lorsque la sonde est plac e 25 cm de profondeur la mesure porte alors sur la couche allant de 10 40 cm de profondeur et que l humidit de la couche superficielle 0 10 cm n est pas prise en compte Ceci introduit donc une erreur de calcul dans le stock valu par 57 On peut essayer de la compenser en pr levant des chantillons depuis la surface pour mesurer leurs teneurs en eau par gravim trie D un autre cot il faut noter que commencer les mesures une profondeur de 25 cm est une garantie de pr cision car on est s r alors de ne plus avoir de fuite de neutrons dans l atmosph re ce qui aurait aussi constitu une source d erreurs La sonde neutrons moyenne la distribution des t
93. os e gale mesur e 20 cm on obtient S 1 50 0 6 0 58 x Az 38 Si l on prolonge jusqu L 90 cm en consid rant que 0 se maintient jusqu cette cote m me sph re d influence on trouve cette fois S 1 50 6 x Az 39 Si on applique les r gles suivantes o b o b 40 o kx k ox k constante 41 on peut calculer les variances li es aux erreurs de mesure de teneur en eau sur ces deux stocks On trouve GHS 56 8 0 0 5 6 8 A2 42 GHS 1 563 0 0 0 030 PODA 43 La variance oX du stock due la m thode d int gration est imputable l erreur d interpolation On peut montrer que pour la m thode des trap zes elle est major e par Carnahan et al 1969 0 s 6827 lec 44 33 o 0 2 la d riv e seconde du profil z La valeur de cette d riv e doit donc tre calcul e pour chaque profondeur o il est possible de le faire il faut au moins un point de mesure au dessus et dessous du point consid r et l on attribuera finalement 48 la valeur calcul e avec la plus grande valeur de 0 2 trouv e 2 6 3 2 M thode de Simpson Dans la m thode de Simpson on interpole cette fois le profil par des morceaux de paraboles ajust s segment apr s segment sur trois points L analogue de la formule 37 pour la m thode de Simpson s crit Carnahan et al 1969
94. otal de l eau le sol wr z t Ces mesures sont finalement r unies dans un deuxi me tableau dont le tableau XVIII est un exemple TABLEAU XVII VALEURS DE TENEURS EN EAU MESUR ES AVEC LA SONDE NEUTRONS LORS DE LA REDISTRIBUTION T EN JOURS Profondeur Teneurs en eau mesur es cm t 0 t 1 t 3 t 7 t 15 0 0 500 0 463 0 433 0 413 0 396 30 0 501 0 466 0 432 0 414 0 398 60 0 458 0 405 0 375 0 347 0 307 90 0 475 0 453 0 438 0 423 0 414 120 0 486 0 464 0 452 0 440 0 427 TABLEAU XVIII VALEURS DE POTENTIEL TOTAL CALCUL ES A PARTIR DES DONN ES TENSIOM TRIQUES Profondeur Potentiel total de l eau dans le sol cm H20 cm t 0 t 1 1 3 t 7 t 15 15 18 38 69 100 135 45 47 76 104 129 164 75 76 105 135 163 200 105 108 141 172 206 229 135 140 172 201 240 265 49 Dans l exemple consid r sur ces tableaux XVII et XVIII la conductivit hydraulique saturation mesur e une fois le r gime permanent tabli tait de 2 2 cm jour Nous allons maintenant estimer K par les trois m thodes que nous avons mentionn es plus haut 4 3 1 M thode de Richards et al 1956 Cette m thode propos e par Richards et al 1956 a par la suite t d velopp e par Nielsen et al 1964 Rose et al 1965 van Bavel et al 1968 Elle est actuellement connue sous le nom de m thode du profil instan
95. phite Une tude syst matique de comparaison entre talonnage gravim trique et th orique est donn e par Vachaud et al 1977 18 2 4 5 talonnage pour les couches superficielles L tablissement de courbes d talonnage pour les couches superficielles du sol constitue galement une source suppl mentaire de difficult s Beaucoup d auteurs conseillent de ne pas utiliser les sondes de profondeur pour effectuer des mesures proches de la surface En effet comme on le verra au chapitre 3 il existe effectivement des sondes sp cifiques pour cet usage N anmoins il est possible d obtenir des courbes d talonnage sp cifiques prenant en compte la fuite de neutrons dans l atmosph re Greacen 1981 D autres auteurs conseillent l utilisation de r flecteurs absorbants Arslan et al 1997 Ce sont des blocs de paraffine ou de poly thyl ne en forme de disque pais perc d un orifice central Ils sont plac s sur le sol et le tube d acc s est introduit dans l orifice central L talonnage est alors fait avec le r flecteur qui intercepte les neutrons qui autrement s chapperaient vers l atmosph re Bien que th oriquement satisfaisante car les conditions de mesure en surface se rapprochent des conditions en profondeur d un point de vue pratique cette m thode n est pas toujours vidente mettre en oeuvre sur le terrain Enfin certains pensent qu il est possible d obtenir directement un talonnage sp cifique de la couche de su
96. plus le coefficient de corr lation R est proche de 1 plus ces variances seront r duites Ceci peut tre obtenu en augmentant le nombre n de points d talonnage et en largissant la gamme des valeurs de 0 en consid rant des points tr s humides proches de la saturation et tr s secs L ordonn e l origine a de la droite d talonnage varie avec le type de sol d une sonde l autre et en fonction du mat riau du tube d acc s Il n y a pas de raison th orique particuli re pour que cette valeur soit nulle ou m me proche de z ro elle correspond en fait une extrapolation en dehors de la zone de mesure N anmoins elle sera d autant plus lev e que la teneur en hydrog ne du sol sec est grande TABLEAU III EXEMPLE DE DONN ES POUR LA CONSTRUCTION D UNE COURBE D ETALONNAGE SONDE NEUTRONS Am Be 1480 MBq 40 mCi ALFISOL PIRACICABA BRESIL 1 N ro cm m cpm ER 1 0 424 79650 0 507 2 0 413 75541 0 481 3 0 393 76169 0 485 4 0 387 71143 0 453 5 0 378 67846 0 432 6 0 375 69259 0 441 7 0 306 59208 0 377 8 0 287 57637 0 367 9 0 291 62035 0 395 10 0 283 58109 0 370 Ns taux de comptage du standard eau 157050 cpm 15 0 45 0 4 B E g 0 357 e Se 0 3 1 025 4 8 1 0424 CR 0 0954 is 0 3 0 35 0 4 0 45 0 5 0 55 CR Comptage Relatif FIG 2 Courbe d talonnage obtenue partir des donn es du tableau III La pente varie galement en fonction d
97. r sultats de mesure 7 cahier de suivi des sites ext rieurs 8 documentation pour le transport 9 rapports d audit et d examen du programme de s ret 10 rapport d enqu te suite incidents ou accidents FAO et al 1996a AIEA et OIT 1999 Oresegun 2000 2 2 5 Risques d exposition Comme il a t dit pr c demment paragraphe 2 2 2 2 en mati re de rayonnements il est n cessaire de consid rer des facteurs de pond ration de la dose absorb e qui varient selon la nature du rayonnement pour prendre en compte le risque correspondant pour la sant On a regroup dans le tableau II les valeurs de ces coefficients pour les rayonnements mis en jeu dans le cadre de l utilisation des sondes neutrons et rayons gamma Bien s r lorsque l on manipule de telles sondes il est clair que ce sont les neutrons et les y qui pr sentent le risque le plus important car les particules et sont elles suffisamment att nu es par le blindage m tallique des sources FAO et al 19962 Les neutrons n ayant pas de charge lectrique leur capacit de p n tration est lev e Ils peuvent traverser compl tement le corps humain en perdant tout ou partie de leur nergie cin tique provoquant ainsi des l sions aux tissus et organes La gravit de ces l sions d pend de l nergie des neutrons et pour traduire cela on est amen consid rer des coefficients de pond ration variant de 5 20 selon la gamme d nergie mise en jeu vo
98. rface 0 15 cm par corr lation entre les comptages obtenus avec la source 10 cm de profondeur et la teneur en eau d un chantillon 0 15 cm Haverkamp et al 1984 2 5 Sph re d influence Le nuage de neutrons lents qui se forme imm diatement apr s l introduction de la sonde la profondeur voulue d finit une sph re appel e sph re d influence qui correspond au volume du sol vu par la sonde Des travaux th oriques AIEA 1970 ont montr que son rayon d pend du contenu en atomes d hydrog ne qui font partie des mol cules d eau du milieu Lorsque celui ci est important comme dans l eau pure le rayon est de l ordre de 5 8 cm Dans les sols secs pour lesquels le contenu en eau est tr s faible le rayon peut atteindre 20 cm ou plus Le mod le th orique de Olgaard 1969 sugg re que pour des valeurs de 0 0 1 cm cm qui est extr mement sec pour des conditions agronomiques le rayon de la sph re d influence reste n anmoins toujours inf rieur 45 cm Cela pose donc le probl me de l chantillonnage tant lors de l talonnage que pendant les mesures de routine Cela signifie aussi que pour chaque valeur d humidit la sonde chantillonne des volumes diff rents de sol C est un probl me permanent auquel il faut faire attention principalement pour les mesures effectu es de faibles profondeurs Il est donc important de connaitre le diam tre de la sph re d influence en fonction de 0 afin de
99. risations pour ces pratiques et la d tention des sources correspondantes soumises certaines conditions elle m ne des inspections p riodiques pour v rifier le respect de ces conditions elle met ex cution toute action n cessaire pour assurer la conformit aux normes et r glements FAO et al 1996a AIEA et OIT 1999 10 2 2 4 S ret radiologique op rationnelle Pour atteindre un niveau op rationnel de s ret radiologique il faut tre en conformit avec les crit res de s ret indiqu s par les NFI de l AIEA d une part et d autre part avec les sp cifications de l autorit nationale de r glementation du pays Pratiquement concernant l utilisation des sondes neutrons et rayons gamma cela signifie que les points suivants doivent tre examin s conception et fabrication de la sonde formation manuel d utilisation r gles applicables localement s ret pendant le transport suivi du personnel et dosim trie s ret de l entreposage et de la r cup ration plans d urgence inventaire responsabilit et maintien des registres Concernant ce dernier point les registres suivants doivent tre tenus jour 1 inventaire des sources et responsables 2 suivi des doses re ues par le personnel 3 formations initiale et continue des travailleurs 4 maintenance et r paration des mat riels 5 r sultats des tests de fuite 6 cahier de suivi de l talonnage des appareils de contr le de d bit de dose et
100. rs en eau d termin es par la m thode gravim trique classique voir la premi re partie de ce manuel C est un proc d relativement simple en apparence mais qui peut conduire des difficult s selon le protocole exp rimental retenu et les propri t s du profil de sol consid r En mati re d talonnage d une sonde neutrons l chantillonnage est le principal probl me En effet en th orie le m me volume de sol doit tre expos la sonde et servir la mesure gravim trique Dans la pratique ceci est difficilement r alisable dans la mesure o le volume vu par la sonde n est pas tr s bien d fini une sph re d environ 30 cm de diam tre et variable avec l humidit cf paragraphe 2 5 et qu il est en g n ral largement sup rieur celui des chantillons de sols pr lev s Pour att nuer ce probl me on peut prendre pour chaque profondeur de mesure plusieurs chantillons de sol autour du tube d acc s une distance de 15 cm environ du tube qui serviront d terminer une valeur moyenne de 0 probablement plus repr sentative du volume explor par la sonde Malgr cela on n a jamais la certitude que les volumes chantillonn s par les deux approches neutronique et gravim trique soient identiques Cet aspect devient crucial en cas de milieux h t rog nes tels que les sols stratifi s ou caillouteux Obtenir in situ une large gamme de teneurs en eau constitue aussi un probl me d ordre pratique part enti
101. s l autre sans il est capable de d finir ais ment le rayon de la sph re d influence 2 6 Analyse d erreur sur la d termination de la teneur en eau et du stock Aux paragraphes 2 1 et 2 2 2 1 nous avons vu que la technique de mesure de la teneur en eau du sol par ralentissement de neutrons met en jeu une s rie de processus physiques allant de la production de neutrons jusqu leur comptage en passant par la d tection la photo multiplication la discrimination etc L enchainement de tous ces processus d termine la performance finale de l appareillage en terme de pr cision sur la d termination de la teneur en eau L ensemble des erreurs correspondantes sera regroup ici sous le terme d erreur instrumentale Le comptage de neutrons ralentis par leur interaction avec l eau du sol peut tre physiquement consid r comme proportionnel l humidit du sol Ces comptages sont ensuite transform s en teneurs en eau 0 par l interm diaire de courbes d talonnage obtenues en mettant en oeuvre une m thode ind pendante de mesure de cf paragraphe 2 4 N anmoins dans cette proc dure d talonnage d autres erreurs sont de nouveau introduites Elles sont principalement li es aux erreurs de r gression qui d pendent leur tour de la repr sentativit des mesures dans la zone de la sph re d influence de la sonde Comme indiqu pr c demment le volume de la sph re d influence varie en fonction de l humidit du sol l activit d
102. s et ont une demi vie de 13 minutes un neutron qui n est pas captur se d sint gre selon la r action suivante ino ip B 0 780 keV p est un proton une particule b ta et v est un neutrino 1 Quand la sonde est descendue dans le tube d acc s un nuage stable de neutrons lents se forme rapidement autour de la source Il pr sente une forme sensiblement sph rique avec un diam tre de l ordre de 30 cm d autant plus grand que le sol est plus sec Le nombre de neutrons lents par unit de volume constant en chaque point du nuage est proportionnel la quantit d eau dans le sol travers par le tube Du fait que le d tecteur de neutrons lents se situe dans le volume de ce nuage le comptage cpm ou cps est proportionnel la teneur en eau 0 pour ce m me volume de sol La correspondance entre teneur en eau et comptage r sulte d un talonnage partir d chantillons de sol pr lev s dans le volume occup par le nuage de neutrons et pour lesquels sont effectu es des mesures de par la m thode gravim trique Plus de d tails sur l talonnage seront donn s au paragraphe 2 4 Des informations suppl mentaires sur la th orie de la mesure neutronique de la teneur en eau peuvent tre trouv s dans AIEA 1970 et Greacen 1981 2 Protection contre les rayonnements et s ret des sondes neutrons et rayons gamma 2 2 1 Exposition dans un cadre professionnel Une exposition aux rayonnements peut survenir
103. s les couches plus profondes En agronomie l eau disponible est d finie comme tant la quantit qui peut tre utilis e par les plantes ce qui est d extr me importance pour la production agricole En cas de faible disponibilit en eau l irrigation peut compl ter les besoins des plantes et en cas d exc s des syst mes de drainage peuvent liminer les surplus Les organismes vivants dans le sol dont les racines des plantes ont besoin d une alimentation en oxyg ne L a ration du sol d pend de son espace poral et de la proportion occup e par l eau Le cas id al serait un sol avec 50 de son volume occup par la phase solide 25 par la solution du sol et 25 par la phase gazeuse L intention des auteurs n tant pas ici de couvrir l tude exhaustive des processus qui ont lieu dans les sols ils renvoient le lecteur aux ouvrages d taill s et articles compl mentaires disponibles sur le sujet Ce document se restreint la description de deux techniques nucl aires adapt es aux tudes parcellaires l chelle locale la thermalisation neutronique et l att nuation gammam trique pour la mesure de la teneur en eau et de la masse volumique des sols 1 1 Teneur en eau et densit apparente des sols Bien que la teneur en eau se pr sente comme un concept simple en physique des sols elle est difficile valuer sur le terrain Les valeurs d humidit des sols obtenues par diff rentes m thodes montrent fr quemment d
104. sol laquelle les racines ne peuvent plus extraire d eau On admet que cela correspond un potentiel ym 1500 kPa En fait pour ne pas risquer d occasionner des dommages physiologiques aux plantes il est souhaitable de toujours se maintenir au dessus d un seuil de teneur en eau critique Gi sup rieur Grp et dans ces conditions est alors donn e par IN Occ X L 70 Entre Qi et rp on peut crire Ocrit Occ f x Occ 71 en introduisant ainsi un crit re d irrigation f qui quantifie la fraction d eau r ellement utilisable dans de bonnes conditions par une culture donn e Doorembos et Kassam 1986 Exemples Une culture de haricots racines jusqu 50 cm de profondeur f 40 94 est plant e dans un sol dont les principales caract ristiques sont r unies dans le tableau ci apr s 61 1 Si un profil de ce sol de 80 cm de profondeur est initialement partout au point de fl trissement permanent quelle quantit d eau faut il apporter pour r tablir la capacit au champ sur tout ce profil 2 Quelle sera ensuite la lame d eau nette pour cette culture Profondeur cm Occ em cm Opp cm cm 0 20 20 50 50 80 0 30 0 28 0 27 0 18 0 19 0 19 1 Dans ce cas le sol est stratifi et le calcul de la lame d irrigation se fait couche par couche avec l quation 69 Couche 0 20 em Zx 0 30 0 18 x 200 24 0 mm Couche 20
105. sol est perturb M me avec une simple tari re apr s plusieurs r p titions une petite parcelle sera d finitivement endommag e Un autre probl me est la variabilit du sol Lors de chaque chantillonnage m me en pr levant l chantillon la m me profondeur chaque prise correspond un nouveau point Un troisi me probl me quoique plus mineur est le temps requis pour s cher les chantillons l tuve qui est au minimum de 24 heures Avec la sonde neutrons dont l utilisation sera discut e en d tail dans la suite la structure du sol est faiblement perturb e et ceci n intervient qu en une seule occasion lors de la mise en place du tube d acc s jusqu la profondeur d sir e Ensuite les mesures peuvent tre faites rapidement et de mani re r p titive quelle que soit la profondeur et des intervalles de temps quelconques Bien s r la sonde neutrons pr sente aussi des d savantages qui seront galement discut s 2 SONDES NEUTRONS DE PROFONDEUR 2 1 Description de l instrument et principe de fonctionnement La sonde neutrons est constitu e essentiellement de deux parties s par es ou non selon les mod les 1 la sonde avec son blindage d une part et 2 le syst me lectronique de comptage d autre part 2 1 1 La sonde et son blindage La sonde se pr sente sous forme d un cylindre m tallique scell de 3 5 cm de diam tre et de 20 30 cm de long Celui ci contient une source radi
106. t cette fois introduite dans le sol la profondeur d sir e de 5 30 cm par intervalles de 2 5 cm et la densit est mesur e en exploitant les deux processus de r tro diffusion et d att nuation du rayonnement gamma Pour cela la source y est plac e l extr mit inf rieure d une tige en acier inoxydable amovible Elle est descendue jusqu la profondeur d sir e dans un trou fait pr alablement dans le sol avec la petite tari re fournie avec l appareil La source de neutrons et les deux d tecteurs sont fix s ensemble la base du blindage de la sonde Ils se retrouvent donc positionn s l interface sonde sol lorsque celle ci est pos e sur le du sol Quel que soit leur mode de fonctionnement par rapport la mesure de masse volumique dans une sonde mixte neutrons gamma la teneur en eau moyenne de la couche superficielle de sol typiquement 0 15 cm est d termin e en mesurant le taux de thermalisation des neutrons mis par la source plac e la surface Il s agit donc du m me principe que pour les sondes neutrons de profondeur si ce n est que le volume de mesure est h misph rique pour une sonde de surface avec un rayon de l ordre de 15 cm Nous ne reviendrons donc pas ici sur la th orie expos e au chapitre 2 pour nous consacrer plut t la pr sentation du principe de la mesure de masse volumique 3 2 Principe de mesure de la masse volumique Nous l avons dit plus haut deux ph nom nes physiques distinc
107. tableau V ci apr s Dans ce tableau CR et 0 d notent les valeurs moyennes des comptages relatifs et des teneurs en eau respectivement soit CR 15 CR et y 0 n Z n Z 22 TABLEAU V VALEURS DE 6 CR ET TABLEAU DES CALCULS POUR D TERMINER LA COURBE D TALONNAGE CR OxCR CR 9 CR CR 9 0 0 424 0 507 0 21497 0 25705 0 17978 0 005806 0 004942 0 413 0 481 0 19865 0 23136 0 17057 0 002520 0 003516 0 393 0 485 0 19061 0 23523 0 15445 0 002938 0 001544 0 387 0 453 0 17531 0 20521 0 14977 0 000493 0 001108 0 378 0 432 0 16330 0 18662 0 14288 0 000001 0 000590 0 375 0 441 0 16538 0 19448 0 14063 0 000104 0 000453 0 306 0 377 0 11536 0 14213 0 09364 0 002894 0 002275 0 287 0 367 0 10533 0 13469 0 08237 0 004070 0 004448 0 291 0 395 0 11495 0 15603 0 08468 0 001282 0 003931 0 283 0 370 0 10471 0 13690 0 08009 0 003697 0 004998 3 537 4 308 1 5486 1 8797 1 2788 0 023806 0 027810 0 354 0 431 N 157050 cpm taux de comptage dans l eau Z M UI ND 2 2 Tous calculs faits par exemple l aide de tableurs comme Lotus ou Excel avec ces donn es on obtient finalement la courbe d talonnage suivante 0 0 095356 1 042377CR o les notations et CR sont utilis es ici pour distinguer les valeurs estim es de 9 et CR respectivement de ces variables elles
108. tan Watson 1966 et est couramment utilis e pour d terminer la conductivit hydraulique de sols bien drain s Elle est bas e sur l hypoth se que le taux de d croissance du stock d eau dans un profil 0 lt z lt L pendant la redistribution en l absence d vaporation et d extraction racinaire est gal au flux q drain par le bas la profondeur L Ce flux s crit d apr s la loi de Darcy q K 0 L x 2 59 E La variation de stock est donn e par EON lt 9z 1 xdz UR x dz 60 OS L t _ t En galant 59 et 60 comme le suppose la m thode de Richards on obtient finalement pour expression de la conductivit hydraulique D 280 1 t t 1 61 2 Oz L int grale intervenant dans 61 est valu e en calculant d abord le stock d eau S L f par l quation 57 chaque date de mesure Sa d riv e par rapport au temps peut tre approxim e en utilisant simplement la variation de stock pour la p riode entre deux mesures Elle peut aussi tre calcul e partir de l ajustement d un mod le S a b x In t sur les donn es de stock auquel cas on a 0S 0t q 1 b Le gradient de potentiel 02 est lui estim partir des diff rences de potentiels entre deux cotes voisines Exemple Les valeurs de teneurs en eau du tableau XVII sont converties en stocks d eau S en utilisant l quation 57 pour 4 valeurs de profondeur L 30 60 90 et 120 cm On o
109. tes les interventions visant r duire une exposition aux rayonnements existante ou la probabilit d apparition de celle ci en dehors d une pratique contr l e sont appel es interventions dans les NFI FAO et al 1996a Pour maintenir les doses inh rentes des pratiques en dessous des limites l gales et aussi faibles que raisonnablement possible principe ALARA il faut respecter une s rie d exigences de base en mati re de s ret Par commodit on les regroupe en crit res administratifs autorisation responsabilit s des organismes d enregistrement et des titulaires de licences protection contre les rayonnements justification des pratiques limitation des doses optimisation de la protection et de la s ret contraintes de doses crit res de gestion culture de s ret assurance de la qualit contr les des facteurs humains sp cifications techniques s ret des sources d fense en profondeur bonnes pratiques d usinage et contr le de la s ret valuation de la s ret suivi et v rification de la conformit registres FAO et al 1996a AIEA et OIT 1999 Oresegun 2000 Une autorit nationale de r glementation est responsable de tous les aspects de la protection et de la s ret radiologiques dans un pays D une mani re g n rale elle value les demandes de permission de conduire des pratiques entrainant ou pouvant entrainer une exposition aux rayonnements elle d livre des auto
110. tiel matriciel w kPa FIG 13 Courbe de r tention moyenne obtenue pour des sols de diff rents pays AIEA 1984 4 3 Conductivit hydraulique des sols La conductivit hydraulique des sols K est un param tre qui quantifie la capacit des sols transf rer de l eau Elle est tr s fortement d pendante de la teneur en eau 0 du sol et chaque milieu poreux est caract ris par une relation K 0 sp cifique Toutes les m thodes de d termination de la conductivit hydraulique n cessitent de mesurer la teneur en eau et pour cela l utilisation d une sonde neutrons s av re particuli rement adapt e notamment dans des conditions de terrain A titre d exemples nous pr sentons ici les m thodes qui ont t propos es par Richards et al 1964 Libardi et al 1980 et Sisson et al 1980 48 Pour d terminer exp rimentalement la relation K 0 on s lectionne une zone plane et horizontale d une superficie typiquement comprise entre 9 m 3 x 3 et 100 m 10 x 10 m On l quipe de tubes d acc s et de tensiom tres sur la profondeur d investigation d sir e Ensuite on verse contin ment de l eau sur cette surface de mani re y maintenir une lame d eau de faible paisseur jusqu ce que l on atteigne un r gime quasi permanent d infiltration On peut estimer que l on a atteint cet tat lorsque les taux de comptages neutroniques cessent d voluer et que les teneurs en eau s approchent d un maximum chacune des profond
111. tification de l erreur que l on est susceptible de commettre sur l estimation du stock d eau dans un profil de sol Deux aspects sont abord s d une part la r percussion sur l estimation du stock des erreurs commises sur la mesure des teneurs en eau et d autre part l influence de la technique d int gration m thodes des trap zes et de Simpson retenue pour calculer le stock 2 6 1 Erreurs talonnage et instrumentales 2 6 1 1 R gression lin aire Nous avons dit au paragraphe 2 4 que pour d terminer la relation d talonnage 0 b x CR on effectue une r gression lin aire sur les donn es CR 6 Pour cela on utilise les relations statistiques 8 12 ci dessous _ X CR x 8 CRx CRx0 CR CR 2 bY CR 9 n n CRx0 Y CR xY is CR Y CR x 9 2 CRx 2 9 11 NT der ze on R Cov CR 0 12 Jo CR x o 0 o n est nombre total de points paires de mesures et o est cart type La pente b peut tre calcul e directement par 10 L ordonn e l origine peut en tre d duite par 9 ou calcul e directement par 10 Enfin 11 permet de calculer le coefficient de corr lation R li la notion de covariance not e dans ce cas Cov CR 0 Pour illustrer la mise en uvre de ces quations reprenons les donn es du tableau III Les calculs interm diaires que l on doit effectuer sont report s dans le
112. tion par les noyaux atomiques dispersion par collisions et d sint gration L absorption des neutrons par les noyaux d pend de leur nergie et du type de noyau cible La probabilit d un tel processus est mesur e par la section efficace d absorption de l l ment consid r pour la plupart des l ments pr sents dans le sol elle est tr s faible Si une telle r action se produit un neutron est absorb par un noyau 7X selon l quation 1 A A 1 oM 7X gt gt zX 4 X est un nouveau noyau Dans certains cas le nouveau noyau est instable et se d sint gre en mettant des rayonnements C est le m me principe que l activation neutronique et cela ne se produit qu avec quelques l ments pr sents en faible concentration dans le sol par exemple Ag Au In Fe Al Mn De plus le flux de neutrons mis par la source tant de tr s faible intensit la probabilit de capture d un neutron est extr mement faible Dans beaucoup de cas toutefois 1X est stable par exemple in 4C n Dans les cas o il est radioactif sa vie moyenne est en g n ral tr s courte par exemple 5A1 AI vie moyenne de 2 3 minutes Par cons quent on peut affirmer qu il n y a virtuellement pas d activation des mat riaux du sol par la sonde neutrons De m me m me si l aluminium du tube d acc s devient l g rement radioactif pendant la mesure il se d sactive ensuite en seulement quelques minutes La dispersio
113. tions de ipa RT UE HUN AA PURA UR Peau ee xiu Ade 8 2 2 3 Normes de protection contre les rayonnements et de s ret des sources 10 2 2 4 S ret radiologique 2 2 trente recette eene 11 2 2 5 Risques d Exposition PR OU d n date cou ec doped e edu 11 2 3 Les tubes d acc s et leur instal TION send e ed xb akin an inn 13 2c Bralondbt ecd en tot tue rM eq E ME a 14 2 4 1 talonnage au laboratoire in 17 2 4 2 talonnage sur le teras ucc oo ae Docente odisse etd 17 2 4 3 talonnage rapide sur le terrain 17 2 44 Mod les ressu tad e e Pese r nn a is 18 2 4 5 talonnage pour les couches superficielles cccciccccciiiiiiiii 19 2 9 Sph re d influence cesses osea Dto e c Fett Dese eL 19 2 6 Analyse d erreur sur la d termination de la teneur en eau et du stock 21 2 6 1 Erreurs d talonnage et instrumentales 22 2 6 2 Erreur locale ansien a ute obuia Ga EH EAR EUR UG ani en ER 29 2 6 3 Erreurs sur la d termination du stock d eau 32 3 Sonde neutrons gamma pour des mesures simultan es d humidit et de densit 39 3d Caract ristiques generales ende este pre edo re y beide dl ER pan we d UM ea 39 3 2 Principe de mesure de la masse 40 A estero aS LIE mos lt etitm em NS de 41 322 AMENO ue B Pe sede n i t ee dpt ne 42
114. tions successives ont lieu jusqu ce qu un quilibre soit finalement atteint L autre composant du m lange l isotope de b ryllium contient lui un exc s de neutrons Z N 0 8 et il r agit avec la particule issue de la r action ci dessus 9 4 12 1 Be a gt L isotope de carbone form ne pr sente plus d exc s de neutrons avec un rapport Z N de 1 b Isotope de c sium 22Cs source de rayonnement 53 L isotope 5 Cs instable par exc s de neutrons Z N 0 67 se transforme comme suit I Cs gt Ba gt Ba 87 y 661 6keV Dans cette r action un isotope stable du baryum Ba est produit soit directement par l mission d une particule de 1176 keV soit par l mission d une particule de 514 keV suivie de celle d un photon y de 661 6 keV Au travers des deux exemples ci dessus il est ais de comprendre que pour les sondes contenant la fois une source de neutrons et une source de rayons gamma quatre types de rayonnements sont mis a p y et neutrons 2 2 2 2 D finitions et unit s Les deux grandeurs physiques principales li es la radioactivit sont l activit taux de transformation nucl aire des radionucl ides et la dose absorb e par unit de masse de la substance soumise au rayonnement L activit a la dimension de l inverse d un temps s Elle repr sente le nombre de transformations d sint grations par seconde et s exprime l galement en becquerels 1
115. ts peuvent tre mis en jeu pour mesurer la masse volumique la r tro diffusion backscattering du rayonnement gamma et son att nuation Nous allons maintenant d crire ces deux ph nom nes 40 3 2 1 R tro diffusion Dans une mesure de surface de la masse volumique d un sol ou d autres mat riaux comme un rev tement bitumineux ou une chape de b ton le d tecteur de rayonnement gamma comptabilise le nombre de photons qui retournent vers la surface apr s leur interaction avec les atomes constituant la phase solide Ce nombre est donc reli la densit du milieu mais avec un comportement non lin aire comme le montre la figure 8 Zone utile 3 Nombre de photons Masse volumique FIG 8 Effet de la densit du milieu sur le nombre de photons r fl chis Dans la zone utile pour les mesures de masse volumique sch matis e sur la figure 8 la relation entre la masse volumique totale du milieu oy et le taux de comptage relatif de photons r tro diffus s CR est bien repr sent e par le mod le suivant E A p B x in S 51 A B et C sont trois coefficients qu il faut d terminer exp rimentalement en effectuant des mesures dans des milieux de masse volumique connue voir exemple du tableau XIV et figure 9 paragraphe 3 3 plus loin Dans un sol humide une partie des photons r tro diffus s comptabilis s par le d tecteur est due l eau du sol Il est facile de montrer que pour une teneur en eau 6
116. tuant des comptages dans un standard qui la plupart du temps est plac l int rieur m me du blindage de la sonde Pour travailler dans des conditions reproductibles on pose alors la sonde sur le couvercle de sa valise de transport l emplacement pr vu cet effet Mieux on peut utiliser l eau comme standard Pour cela il faut plonger un tube tanche sa base au centre d un r cipient d au moins 60 cm de diam tre et 1 m de haut plein d eau Le comptage Cs dans le standard doit rester constant pour un long intervalle de temps dans les limites statistiques d une bande d incertitude de largeur correspondant la distribution de Poisson caract risant l mission neutronique Chaque fabricant fournit les d tails de cette proc dure pour ses mat riels titre d exemple le tableau III rassemble des donn es de terrain obtenues pour l talonnage d une sonde 20 cm de profondeur dans un sol La figure 2 pr sente le graphique correspondant La droite de corr lation 0 a bxCR qui y figure t obtenue par une r gression lin aire classique Dans ce cas le coefficient de corr lation R tait de 0 966 Comme on le verra par la suite les variances de a et de b et la covariance de a et b contribuent l erreur d talonnage Celles ci constituent l une des principales sources d incertitude sur l estimation de 0 par une sonde neutrons Elles doivent donc tre minimis es autant que possible D une mani re g n rale
117. u type de sonde et de sol D riv e de la courbe d talonnage variation de teneur en eau d0 par unit de comptage relatif elle d finit la sensibilit de la sonde Plus cette valeur est petite meilleure est la sensibilit En d autres termes plus une sonde est sensible plus un petit changement dans la teneur en eau entrainera une grande variation dans la variable mesur e le taux de comptage Chaque type de sol fournit une courbe d talonnage sp cifique pour chaque sonde neutrons du fait du processus d interaction des neutrons avec les composantes du sol de la g om trie de la sonde du type de d tecteur de l lectronique etc Les caract ristiques du sol principalement la composition chimique et la densit apparente affectent galement l talonnage Grimaldi et al 1994 Ainsi pour un sol donn des courbes d talonnage diff rentes seront obtenues en fonction de la densit apparente du sol comme cela est sch matis dans la figure 3 volumique cm cem 0 2 0 4 0 6 CR Comptage Relatii FIG 3 Courbes d talonnage selon la densit apparente du sol d1 gt d2 gt d3 16 En g n ral les courbes d talonnage d un m me sol pour des densit s diff rentes ont tendance tre parall les avec des pentes b similaires Pour une m me humidit les sols les plus denses montrent une att nuation plus forte et donc une valeur de CR plus lev e Pour les sols stratifi s
118. ube guide de m me diam tre que le tube d acc s jusqu la profondeur d sir e et le retirer ensuite pour faire place au tube d finitif Dans certaines conditions sols pierreux gonflants stratifi s l installation de tubes d acc s peut s av rer extr mement p nible Au cas par cas le chercheur doit alors s en remettre son exp rience et faire preuve d imagination Il faut avoir conscience que 13 l installation d un tube d acc s n a lieu g n ralement qu une seule fois par exp rimentation et qu elle doit donc tre r alis e minutieusement m me si plusieurs heures d efforts sont n cessaires pour cela En effet un tube d acc s mal install compromettra irr m diablement toutes les mesures qui y seront faites ult rieurement Il faut aussi souligner qu un avantage de la sonde neutrons est de ne perturber le sol qu au moment de la mise en place du tube d acc s Ensuite les mesures peuvent tre faites rapidement toujours sur ce m me endroit et sur de longues p riodes de temps Plus de d tails sur l installation des tubes d acc s sont disponibles dans AIEA 1976 2 4 talonnage talonner une sonde neutrons consiste tablir pour un syst me sonde tube sol donn la relation entre l humidit volumique du sol 0 et la lecture de l appareil cpm Pour tablir cette relation on pr l ve des chantillons de sol pour lesquels on dispose de donn es de comptage dans une large gamme de teneu
119. ues Chaque fois que l on disposera de telles donn es de qualit on aura donc int r t l adopter pour estimer les param tres de la relation conductivit hydraulique teneur en eau 4 4 Bilan hydrique Faire un bilan hydrique consiste effectuer un bilan des apports entr es et des pertes sorties d eau dans un agrosyst me particulier sur une dur e Af donn e et pour une couche de sol d paisseur L Aussi bien le choix de gu finitia que celui de L d pendent des objectifs vis s et du type de culture Les valeurs de At peuvent tre de l ordre de quelques jours une semaine un mois une ann e Les profondeurs L optimales d pendent du volume du sol exploit par les racines et en g n ral on s attache consid rer une couche de sol incluant au moins 95 du syst me racinaire Dans un syst me donn le bilan hydrique s crit d une mani re g n rale P I ET RO Qr ASL 67 o P ET RO OL et AS sont les composantes du bilan sch matis es sur la fig 14 avec P Cumul des pr cipitations sur la p riode A I Apport d eau par irrigation sur la p riode ET vapotranspiration int gr e sur la p riode RO Ruissellement ou coulement superficiel total sur la p riode Qr Int grale du flux d eau dans le sol la profondeur L sur la p riode AS Variation sur la p riode du stock d eau S dans la couche 0 L 55 FIG 14 Composantes du bilan hydrique Toutes ces quantit s s
120. us les param tres que nous venons d introduire sont utiles pour valuer et optimiser un syst me d irrigation On a vu que leurs d finitions Eq 75 79 font constamment intervenir des stocks d eau et ou des teneurs en eau Un syst me de mesure non destructive des profils de teneurs en eau dans les sols comme la sonde neutrons est donc particuli rement bien adapt leur d termination et leur suivi sur le terrain 65 4 8 Contr le de la compaction des sols cultiv s Les effets n fastes de la compaction des sols sont reconnus par tous Les cultivateurs en particulier sont sp cialement concern s car les effets de compactage empirent avec le temps et les rendements finissent par diminuer De nos jours ce probl me se pose de mani re d autant plus aigu que l on utilise des machines agricoles et des v hicules de transport de plus en plus lourds Les effets n gatifs de la compaction du sol en agriculture se traduisent par une augmentation significative des co ts de production provoqu s par la n cessit de proc der de nouvelles op rations co teuses comme le sous solage Le cas de la production de canne sucre au Br sil fournit un bon exemple de cette volution conduisant une d gradation des sols l emploi d normes moissonneuses pour la r colte et de lourds camions de transport a compl tement remplac les pratiques manuelles traditionnelles qui ne provoquaient pas de compactage excessif Les sondes neutr

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