Ecoulement de subsurface (HU)

Traduction anglaise : subsurface flow, throughflow, interflow

Dernière mise à jour : 18/10/2022

Ce terme désigne l'ensemble des écoulements se produisant dans les horizons de surface partiellement ou totalement saturés en eau, c'est-à-dire sous la surface du sol mais au-dessus des nappes phréatiques permanentes ; on parle également d'écoulement hypodermique ou d'écoulement subsuperficiel.

Conditions de mise en place

Pour qu'un écoulement de subsurface se mette en place différentes conditions sont nécessaires :

• la présence d'une couche de surface de faible épaisseur (moins de 1 mètre, et plus généralement quelques dizaine de centimètres), généralement constituée de terre végétale, située au dessus d'une couche de sol beaucoup moins perméable ou saturé (figure 1) ;
• une pluie forte provoquant la saturation au moins partielle de la couche de surface ;
• une pente suffisante pour faciliter l'écoulement.

Figure 1 : Structure de sol nécessaire à la mise en place d'un écoulement de subsurface.

Différents types d'écoulement de subsurface

Le chapitre 10 du cours de l'EPFL (https://echo2.epfl.ch/e-drologie/chapitres/chapitre10/chapitre10.html) distingue quatre mécanismes différents susceptibles de provoquer des écoulements de subsurface.

• l'effet piston (translatory flow) ;
• les écoulement par macropores (macropores flow) ;
• les intumescences de la nappe (groundwater ridging) ;
• les écoulements de retour (return flow).

Écoulements par effet piston

Ce mécanisme suppose que si la couche superficielle du sol est saturée en eau alors toute infiltration supplémentaire dans la partie haute du versant génère une onde de pression qui provoque une exfiltration immédiate en bas de versant (figure 2).

Figure 2 : Principe d'un écoulement de subsurface de type "piston" : si les couches superficielles de sol sont saturées et que la couche sous-jacente est imperméable (ou très peu perméable), l'onde de pression provoquée par l'infiltration de l'eau à l'amont du versant provoque l'exfiltration quasi immédiate d'un volume équivalent en bas du versant.

Ce type de mécanisme conduit à une arrivée très rapide de l'eau en bas de versant

Écoulements par macropores

Un macropore est un pore suffisamment gros (1 à 50 mm de diamètre) pour que les phénomènes de capillarité puissent être négligeables. Si ces macropores sont continus, ils constituent alors de véritables conduits souterrains par lesquels l'eau peut s'écouler rapidement, généralement alternativement sur et sous la surface du sol (figure 3). Les origines possibles de tels macropores sont multiples : passage de microfaune du sol, espaces laissés vacants par la décomposition des racines, fissures provoqués par exemple par une période de sécheresse dans un substrat argileux, etc.

Figure 3 : Principe d'un écoulement de subsurface par des macropores.

Intumescences de la nappe

Ce phénomène se met en place lorsque la couche de sol la plus profonde est saturée. L'infiltration d'eau sur les parties hautes du versant entraîne alors une augmentation rapide du gradient de charge hydraulique de la nappe et provoque une remontée d'eau de nappe en bas du versant (figure 4).

Figure 4 : Principe d'un écoulement de subsurface par intumescence de la nappe.

Écoulements de retour

Si la nappe est proche de la surface du sol, une petite quantité d'eau suffit à saturer le profil. Si la capacité du sol à transmettre l'écoulement de subsurface diminue (ceci peut se produire par exemple si le type de sol change), ce dernier revient en surface et ruisselle (figure 5).

Figure 5 : Principe d'un écoulement de retour.

Importance des écoulements de subsurface

L'importance relative des différents mécanismes présentés plus haut, de même que l'importance relative de l'ensemble des écoulements de subsurface par rapport au ruissellement de surface, dépend bien évidemment des conditions locales (pente, nature des sols, niveau de la nappe, etc.). Il semble cependant que ces écoulements puissent jouer un rôle important dans la genèse des crues. Ils modifient également la forme des hydrogrammes de crue soit en accélérant les écoulements soit en les retardant.

Un autre aspect est lié à l'"âge de l'eau" écoulée et à sa composition chimique. Certains des écoulements de subsurface (pas tous) mobilise en effet indirectement de l'eau précédemment stockée dans le sol et dont la concentration en polluant peut être différente.