Introduction

Suite à mon article sur les sondes d’humidité (cliquez sur ce lien pour accéder à l’article), voici un second article décrivant une expérimentation simple visant à évaluer la “profondeur de prospection” d’une sonde c’est-à-dire son volume de mesure. Il illustre également les problématiques liées à une utilisation verticale des sondes d’humidité. Enfin, il teste un cas simple de 2 couches superposées avec une couche humide et une couche sèche et leur impact sur le signal du capteur. La sonde TDR150 de Spectrum Technologies avec ses broches de 1.5″ (3.8 cm) et 3″ (7.6 cm) est utilisée dans cette manipulation mais également la sonde TEROS 12 de Meter Group (5.3 cm). Le but de l’article est de montrer les limites et subtilités d’utilisation de ces nouvelles technologies qui je le rappelle ne doivent pas remplacer l’observation et le bon sens de l’utilisateur.

Matériel & Méthode

L’idée de la petite expérimentation est de jouer avec la différence de permittivité diélectrique (le signal du capteur étant directement lié à ce dernier paramètre) entre deux matériaux posés l’un sur l’autre pour estimer la hauteur à partir de laquelle le capteur ne “voit plus” le matériaux du-dessous. Pour faire simple, je dispose un terreau riche en matière organique que j’imbibe d’eau afin d’obtenir un signal élevé (ou une teneur en eau élevée) avec le capteur. J’ajoute ensuite par incrément des couches d’un sable sec (signal très faible ou teneur en eau très faible). Tant que le capteur et ses broches sont influencés par la couche de terreau, je dois obtenir un signal intermédiaire entre ceux des deux matériaux. Lorsque l’épaisseur de sable est suffisante, le capteur n’est plus influencé par le signal élevée du terreau imbibé d’eau et la valeur doit alors s’approcher de celle du sable sec. J’estime par conséquent la “hauteur d’influence” ou “hauteur de mesure” de la sonde.

Je commence par réaliser un mélange de terreau très humide (proche de la saturation) et je mesure le signal mesuré par le capteur dans ce terreau. Je fais la même chose pour du sable grossier et sec. J’utilise un sable grossier pour limiter les remontées capillaires durant l’expérience. Les remontées capillaires sont inévitables et amènent un biais en terme de signal en humectant le bas de la couche de sable. Il n’est cependant pas évident de procéder autrement si l’on veut rester dans des sols avec une méthode simple.

Pour les broches de 1.5″ (3.8 cm) de la sonde TDR150, l’épaisseur de la couche de terreau a été fixée à 5 cm. Pour les broches de 3″ (7.6 cm) de la TDR150 ou la TEROS12 (5.3 cm), cette même épaisseur a été fixée à 8 cm. Je rajoute ensuite par incrément du sable et réalise une mesure du signal mesuré par la sonde.

Je trace ensuite un graphique montrant l’évolution du signal en fonction de la distance à la couche de terreau très humide, en connaissant le signal du terreau très humide mais également celui du sable sec. Je peux ensuite visualiser l’influence qu’exerce la sous-couche sur la valeur mesurée dans le sable sec et connaître la “hauteur d’influence” du capteur. L’expérience donne également une idée de la manière que le signal décroît en fonction de la distance à une zone plus ou moins humide.

Résultats

Les résultats de la petite expérimentation sont présentés dans les figures 3 à 5.

Les figures 3 et 4 montrent l’évolution du signal en fonction de l’épaisseur de sable au-dessus de la couche de terreau. La mesure est faite à la surface du sable pour les deux sondes.

J’ai également ajouté la courbe montrant l’évolution du signal brut (période : un temps en microsecondes) renvoyé par la sonde TDR150 (figure 3 à droite). L’avantage de cette visualisation réside dans son indépendance à toute formule ou régression utilisée par le microcontrôleur du capteur pour obtenir l’humidité : c’est le signal brut mesuré par le capteur. J’utilise ce paramètre pour les broches de 3″ et pour la sonde TEROS 12.

On voit qu’au fur et à mesure que l’on s’éloigne du terreau (et donc que les broches voient de plus en plus de sable sec) et plus le signal se rapproche du sable sec, pour les 2 longueurs de broches.

Broches de 1.5″

Pour les broches de 1.5″, le terreau humide influence le signal de la sonde jusqu’à environ 1.5 cm sous les broches, ramenant la hauteur d’influence à 5.3 cm mais le signal semble largement atténué dès la longueur des broches (la valeur lue est lointaine du signal mesuré dans le terreau humide pur).

Broches de 3″ et TEROS 12

Pour les broches de 3″, le signal de la sonde devient quasiment celui du sable sec à partir de 11 cm du terreau humide soit lorsque le terreau se situe 3.4 cm sous les broches de la TDR150 et 5.7 cm sous les broches de la TEROS 12 (voir figure 4). Ces valeurs sont à minimiser par la remontée capillaire observée à la fin de l’expérience à environ 10 cm soit 2 cm au-dessus de la couche de terreau.

La figure 5 permet de visualiser les résultats pour les deux longueurs de broches de la TDR150 et pour la TEROS 12 en normalisant les paramètres. En abscisses : le pourcentage de longueur de broche présente dans le terreau (100% = 3.8 cm pour les broches de 1.5″, 100%=7.6 cm pour les broches de 3″ et 100%=5.3 cm pour la TEROS 12).

Discussion

Globalement, les 3 sondes ont un comportement similaire c’est-à-dire que l’influence du terreau humide sur la mesure décroit non linéairement avec la diminution de la longueur de sonde présente dans le terreau. Par exemple, si la moitié des broches sont dans le sable et l’autre moitié dans le terreau, le signal aura tendance à renvoyer une valeur plus proche de celle du sable que celle du terreau (entre 18 et 25% de la valeur du terreau seulement). Ceci signifie que la majorité du signal est influencé par le volume de sol le plus près des broches. Pour la sonde TEROS 12, une légère influence est encore perceptible même lorsque les broches ne touchent plus le terreau. Cette dernière est capable de détecter une variation jusqu’à environ 3-4 cm sous les broches mais cette variation sera peu perceptible en terme de signal.

En d’autres termes, les capteurs ont tendance à donner plus d’importance au volume de sol le plus proche des broches et de la sonde, c’est du moins ce que cette petite expérimentation nous montre. Ainsi, si le gazon est trop sec en surface et que l’humidité est suffisante aux alentour des pointes de la sonde, cette dernière risque de renvoyer un signal biaisé et probablement trop faible par rapport à la réalité.

Imaginons un gazon dont la majorité des racines se situe entre 0 et 5 cm avec une humidité suffisante à partir de 4 cm et insuffisante en surface. Avec des broches de 1.5″ (3.8 cm), le signal de la sonde nous indique un sol trop sec alors que le gazon dispose de suffisamment d’humidité à disposition. Dans ce cas, la réaction normale est d’arroser alors que le gazon n’en a pas besoin. On se trouve alors dans une situation de sur-arrosage. Dans ce cas, il est alors utile de vérifier l’humidité avec les broches de 3″ qui donneront sans doute une valeur plus élevée mais sans doute encore différente de la vraie humidité à disposition plus bas car une bonne partie de la sonde est en contact avec le sable sec.

L’exemple ci-dessous illustre également l’intérêt de bien connaître cette hauteur d’influence. Sur ce terrain, uniquement les broches de 1.5″ étaient utilisées. Sur la hauteur prospectée par la sonde, l’humidité était constamment correcte. En profondeur (à partir de 4-5 cm) , le substrat était complètement sec (voir figure 6) mais la sonde ne le voyait pas.

Les quantités d’eau apportées n’étaient sans doute pas suffisamment importantes pour humecter les couches plus profondes lors de la période estivale. Les racines se développent alors majoritairement en surface et les racines plus profondes se décomposent peu-à-peu. L’utilisation des broches de 3″ a permis de détecter le problème.

Conclusion

Cette petite manipulation illustre les erreurs possibles lors de l’utilisation des sondes d’humidité et la complémentarité des différentes longueurs de broches.

Les sondes perçoivent des variations d’humidité entre 1.5 et 2 cm sous les broches de la TDR150 et jusqu’à 3-4 cm sous les broches de la TEROS 12. Toutefois, une grosse variation d’humidité au niveau de la pointe des broches où sous les broches n’influencera pas grandement le signal obtenu. Le signal est principalement influencé par le volume contenu sous les broches et plutôt proche du capteur, selon cette petite expérience.

Pour la TDR150, l’utilisation parallèle des 2 longueurs de broches permet de mieux appréhender l’évolution de l’humidité sur la profondeur.