[Soutenance de thèse] 20/02/2024, Florian CAJOT : « Modélisation du transfert hydrique dans le sol en présence de matières amphiphiles : Application à la rhizosphère »

Titre de la thèse

« Modélisation du transfert hydrique dans le sol en présence de matières amphiphiles : Application à la rhizosphère »

Date et lieu

Soutenance prévue le vendredi 01 mars 2024 à 11h00
Lieu : Avignon Université – Campus Jean-Henri Fabre 301 Rue Baruch de Spinoza, 84140 Avignon
Salle : amphithéâtre Agrosciences
En visio conférence : https://v-au.univ-avignon.fr/live/bbb-soutenance-these-f-cajot-1er-mars-2024/ 

Discipline

SCIENCES PHYSIQUES

Laboratoire

Laboratoire : UMR 1144 – EMMAH – Environnement Méditerranéen et Modélisation des AgroHydrosystèmes

Equipe de recherche : SWIFT – Soil Water Interactions and transFer Team

Encadrement

• Monsieur PHILIPPE BELTRAME
• Mme ANNETTE BERARD
• M. CLAUDE DOUSSAN 

Composition du jury de soutenance

M. PHILIPPE BELTRAME	Avignon Université	Directeur de thèse
Mme ANDREA SCHNEPF	Institut de recherche biologique et géographique (IBG)	Rapporteure
M. UWE THIELE	University of Münster – Institute of Theoretical Physics	Rapporteur
Mme ANNETTE BERARD	INRAE	Co-encadrante de thèse
M. CLAUDE DOUSSAN	INRAE	Co-encadrant de thèse
M. LAURENT LIMAT	Université de Paris Cité	Examinateur
M. FREDERIC REES	INRAE	Examinateur
M. CYPRIEN SOULAINE	Institute of Earth Sciences of Orléans (ISTO)	Examinateur

Résumé de la thèse

Résumé :
La matière organique est un composant important des sols et en particulier, dans la rhizosphère (le volume de sol influencé par l’activité des racines), des composés spécifiques sont présents sous la forme de polymères tels que les ExoPolySaccharides (EPS). Ces composés, exsudés par les racines et les micro-organismes, sont amphiphiles. Ils influencent le transfert d’eau dans la zone racinaire. Comprendre comment la matière organique modifie le transfert d’eau dans le sol, est une question ouverte pour laquelle la modélisation peut apporter des éléments de réponse. Pour prendre en compte la nature variable hydrophobe/hydrophile de la matière organique, nous proposons un changement de paradigme dans la représentation de la mouillabilité du sol. Au lieu d’associer la mouillabilité à un simple angle de contact, nous proposons un cadre conceptuel énergétique, dans lequel une fonctionnelle énergétique représente les interactions effectives entre la matrice du sol et la surface de l’eau libre. Cette énergie d’interaction contient à la fois les interactions attractives (hydrophiles) et répulsives (hydrophobes), afin de reproduire la nature amphiphile des molécules. En incluant les énergies à l’œuvre dans le sol, c’est-à-dire l’énergie associée à la mouillabilité, à la gravité et à la tension superficielle de l’eau, nous pouvons définir l’énergie libre du système. Nous avons dérivé l’équation régissant la saturation en eau, ce qui conduit à une équation de type Darcy-Richards couplée à une équation d’énergie libre. Ce système d’équations assure la cohérence avec la thermodynamique. Le système d’EDP est résolu numériquement à l’aide de la méthode d’éléments finis implémentée en C++ avec la bibliothèque Oomph-lib basée sur un schéma spatial et temporel adaptatif. Le modèle est d’abord testé pour son comportement concernant les effets d’hydrophobie dans le sol. À cet égard, il est capable de reproduire l’étalement horizontal fini de l’eau sur un milieu poreux hydrophobe. Appliquée à un milieu poreux stratifié verticalement avec une alternance de couches hydrophiles et hydrophobes, le modèle simule, en fonction de la teneur moyenne en eau, les phénomènes de piégeage de l’eau dans les couches hydrophiles ou l’écoulement intermittent et l’instabilité de front. En outre, l’analyse numérique de bifurcation met en évidence des phénomènes d’hystérésis. C’est la première fois qu’un système EDP capture tous ces phénomènes dans un unique modèle de sol. Dans la deuxième partie, nous adaptons et testons expérimentalement notre modèle aux caractéristiques spécifiques du sol rhizosphérique. Nous avons construit un milieu modèle composé de sable additionné d’EPS dérivé du mucilage de chia. Des expériences ont été réalisées pour caractériser les paramètres du modèle. En particulier, nous avons étudié expérimentalement et numériquement l’infiltration d’une goutte placée sur le milieu modèle sable/EPS. Concernant le modèle, nous montrons que les lois régissant le flux d’eau s’infiltrant dans la matrice sont modifiées en présence de matière organique. Une fois calibré, le modèle peut reproduire différents phénomènes spécifiques à la présence de matière amphiphile observés lors de nos expériences ou dans la littérature. En particulier, l’effet « tampon » lors du mouillage et les différentes étapes de l’imbibition des gouttes. Enfin, une première application est menée pour simuler la phase de réhumidification de la rhizosphère à l’échelle d’un segment de racine.

Mots-clés :
milieux poreux, mouillabilité, Exopolysaccharides, Energie libre, modélisation numérique