Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Le compactage des sols agricoles affecte négativement les performances des cultures et devrait être évité grâce à des stratégies de gestion des sols appropriées. Les recherches antérieures montrent un manque d'études complètes sur l'impact des différents niveaux de compactage du sol sur les propriétés hydrodynamiques. Cette étude s'est concentrée sur l'effet du compactage sur les propriétés hydrodynamiques du sol dans des conditions non saturées et saturées en utilisant le système Hydraulic Property Analyzer (HYPROP). Nous avons étudié l'impact de cinq niveaux de compactage sur des échantillons de sol de sable limoneux prélevés dans un champ de pommes de terre dans les régions agricoles du nord du Québec, au Canada, en utilisant quatre répétitions par niveau. Tout d'abord, la conductivité hydraulique saturée de chaque échantillon a été mesurée en utilisant la méthode de la charge constante. Les données relatives à la courbe de rétention d'eau du sol (CRS) et à la conductivité hydraulique non saturée ont été obtenues à l'aide de l'appareil de mesure de l'évaporation HYPROP et d'un potentiomètre à point de rosée WP4C. Seize modèles hydrauliques de sol du logiciel HYPROP-Fit ont été simulés. Nos résultats soutiennent l'application de la variante Peters-Durner-Iden (PDI) du modèle bimodal sans contrainte de van Genuchten (VGm-b-PDI) pour l'estimation complète du CES sur la base de la métrique de l'erreur quadratique moyenne (EQM). Le modèle VGm-b-PDI a été implémenté dans le logiciel HYDRUS-1D pour calculer la quantité d'irrigation pour différents niveaux de compactage et fournir des estimations plus précises des propriétés hydrauliques du sol. Nous avons simulé des scénarios de compactage et d'irrigation du sol avec le modèle de double porosité et les résultats ont indiqué que le compactage du sol peut fortement influencer les propriétés hydrauliques du sol de différentes manières. La conductivité saturée et non saturée diminue avec l'augmentation du compactage du sol. À un niveau modéré de compactage, la quantité d'irrigation pour la culture de pommes de terre était optimale. Dans l'ensemble, la méthodologie combinée d'HYPROP et d'HYDRUS 1D a donné d'excellents résultats en termes de comportement hydraulique des sols compactés. / Agricultural soil compaction adversely affects crop performance and should be avoided through appropriate soil management strategies. Previous research shows a lack of comprehensive studies on the impact of different levels of soil compaction on hydrodynamic properties. This study focused on the effect of compaction on soil hydrodynamic properties under unsaturated and saturated conditions using the Hydraulic Property Analyzer (HYPROP) system. We studied the impact of five compaction levels on silty sand soil samples taken from a potato field in the northern agricultural regions of Quebec, Canada, using four replicates per level. First, the saturated hydraulic conductivity of each sample was measured using the constant-load method. Soil water retention curve (SWRC) and unsaturated hydraulic conductivity data were obtained using the HYPROP evaporation measurement device and a WP4C dew point potentiometer. Sixteen hydraulic soil models in the HYPROP-Fit software were simulated. Our results support the application of the Peters-Durner-Iden (PDI) variant of van Genuchten's bimodal unconstrained model (VGm-b-PDI) for full SWRC estimation based on the root mean square error (RMSE) metric. The VGm-b-PDI model was implemented in HYDRUS-1D software to calculate the amount of irrigation for different compaction levels and provide more accurate estimates of soil hydraulic properties. We simulated soil compaction and irrigation scenarios with the dual-porosity model and the results indicated that soil compaction can strongly influence soil hydraulic properties in different ways. Saturated and unsaturated conductivity decreases with increasing soil compaction. At a moderate level of compaction, the amount of irrigation for potato cultivation was optimal. Overall, the combined methodology of HYPROP and HYDRUS 1D gave excellent results in terms of the hydraulic behavior of compacted soils.

Les sols organiques cultivés sont reconnus pour leur excellente qualité agricole. Cependant, la nature des matériaux les constituant et les processus physico-chimiques et mécaniques liés à leur mise en valeur agricole les rendent exposés aux problèmes de drainage. Généralement, la formation de couches compactes qui stratifient le profil de sol limite progressivement l’infiltration de l’eau dans le sol et favorise la formation de nappes perchées à la surface du sol. Ces manifestations sont en grande partie néfastes pour les cultures ne tolérant pas que leur système racinaire soit inondé au-delà de 48 heures. Le but de cette étude a été : (1) de décrire le mouvement de l’eau dans le sol au cours de deux événements de drainage et de caractériser ses principales propriétés hydrauliques ; (2) de caractériser le niveau de compaction des profils non perturbés et (3) de déterminer la réponse de la mise en place d’une technique de perturbation mécanique en rapport avec l’amélioration du drainage. Les principaux résultats indiquent que le modèle hydraulique de van Genuchten décrit efficacement l’écoulement de l’eau et les propriétés hydrauliques du sol. Ils démontrent que les profils non perturbés se compactent et deviennent problématiques pour le drainage à partir de 30 centimètres de profondeur. Ils démontrent également que la perturbation du profil au-dessus des drains permet d’améliorer la perméabilité des zones critiques du sol et l’infiltration de l’eau à travers celles-ci. La mise en place d’un profil perturbé sur les drains permet d’améliorer significativement le drainage en comparaison avec un profil non perturbé et réduit considérablement le temps de ressuyage. Ces résultats peuvent servir à la caractérisation des sols organiques cultivés et à la détermination des zones critiques des profils à intervenir pour améliorer l’infiltration de l’eau, l’enracinement de certaines cultures, etc. / Cultivated organic soils are recognized for their excellent agricultural quality. However, the nature of their constitutive materials and physicochemical and mechanical processes associated with their agricultural development make them be susceptible to surface drainage problems over time. Usually, the compacted layers formation which contributes to the stratification of the soil profile gradually limits the soil water infiltration and tend to the formation of perched water table near the soil surface. These observations associated with drainage problems have largely negative impacts on crops which do not tolerate their root system being flooded beyond 48 hours. The purpose of this study was: (1) to describe the soil water movement during two soil drainage events and characterize its main soil hydraulic properties; (2) to characterize the undisturbed cultivated organic soil profile compaction level and (3) to determine the effects of a mechanical soil disturbance techniques in relation to the soil surface drainage improvement. The main results indicated that the van Genuchten hydraulic model describes efficiently the cultivated organic soils water flow and their soil hydraulic properties. They demonstrate that the undisturbed soil profile is compacted and is problematic for surface drainage from 30-cm-deep. They also demonstrate that the disturbance of the soil profile on the drain tile could improve the soil water permeability of the critical areas of the soil profile and the water infiltration. Implementation of a disturbed soil profile over the drain tile significantly improves the soil drainage compared to an undisturbed soil profile and considerably reduces the time to reach field capacity at the soil surface. These results could be useful for further characterization of cultivated organic soil profiles and determination of soil critical areas to take action for improving water infiltration, crops rooting, etc.

Conductivité hydraulique non saturée est un paramètre important pour caractériser le comportement des sols non saturés. Ce paramètre peut être utilisé pour modéliser l'écoulement de l'eau dans les sols. Le défaut de mesure ou d'estimation de ce paramètre avec une précision fiable peut causer des incidents catastrophiques. La mesure de la conductivité hydraulique des sols non saturés peut être longue et coûteuse. Des méthodes directes et indirectes peuvent être utilisées pour établir ce paramètre. Dans cette étude, en vue de réduire le temps et le coût de la mesure de la conductivité hydraulique des sols non saturés nécessaires par les méthodes directes, la modélisation inverse a été utilisée comme une méthode indirecte pour estimer ce paramètre. Des essais de laboratoire ont été effectués pour trouver la courbe de rétention d'eau des différents échantillons de sol étudié. Les résultats expérimentaux obtenus ont été utilisés pour effectuer la modélisation inverse, et la conductivité hydraulique non saturée de chaque échantillon a été estimé. / Unsaturated hydraulic conductivity is an important parameter to characterize unsaturated soils behaviour. This parameter can be used to model flow of water in soils. Failure in measuring or estimating this parameter with a reliable precision can cause catastrophic incidents. Measuring unsaturated hydraulic conductivity can be expensive and time consuming. Direct and indirect methods can be used to determine this parameter. In this study, in order to decrease the time and the expense of measuring unsaturated hydraulic conductivity by direct methods, inverse modelling was used as an indirect method to estimate this parameter. Some laboratory tests were performed to find water retention curve of different samples of the studied soil. Obtained experimental results were used to perform inverse modelling, and unsaturated hydraulic conductivity of each sample was estimated.

Les tills compactés sont largement utilisés comme noyau des barrages en remblai dans le Nord québécois. La mise en place en différentes couches successives laisse présager un rapport d’anisotropie (rK) de la perméabilité différent de l’unité. Différents montages expérimentaux sont disponibles dans la littérature pour évaluer l’anisotropie de la conductivité hydraulique sur plusieurs types de sols. Toutefois, ces méthodes présentent deux principaux désavantages : i) le rapport d’anisotropie est évalué sur deux échantillons distincts et ii) la procédure expérimentale peut potentiellement remanier l’échantillon par des manipulations hasardeuses. Dans l’objectif d’améliorer la caractérisation du rapport d’anisotropie des tills compactés, un nouveau perméamètre cubique a été conçu. Cette nouvelle cellule permet de quantifier le paramètre rK dans le domaine saturé ou quasi-saturé, et ce sans démanteler la cellule. Successivement, une percolation verticale et une horizontale sont effectuées sur un même échantillon. Une procédure spéciale a été développée afin de limiter l’écoulement dans les pierres poreuses inactives, i.e. parallèles à l’écoulement. Une solution de gélatine bovine qui est solide à une température inférieure à 30°C est utilisée afin de sceller ces pierres inactives. De l’eau chaude à 60°C permet de chasser cette gélatine sans démanteler la cellule. Un nouvel essai de perméabilité peut ainsi être effectué sur le même échantillon, mais selon une autre direction. Le nouveau perméamètre et la procédure ont permis d’évaluer l’effet de la mise en place et de la teneur en pierre sur rK. Pour une analyse dans le domaine quasi-saturé, le rapport d’anisotropie varie de 3 à 7 pour une mise en place du côté sec de la courbe Proctor. Pour le côté humide, le rapport d’anisotropie est près de l’unité. Cependant, la procédure développée pour des conditions saturées devrait être utilisée pour confirmer ces résultats. En conclusion, un outil intéressant a été conçu pour quantifier le rapport d’anisotropie des tills compactés, une problématique importante pour l’analyse des barrages en remblai. Mots clés: perméabilité, anisotropie, perméamètre cubique, tills compactés, barrage en remblai / Compacted tills are widely use as core of embankment dams in northern Quebec. It is expected that placement method in successive layers may result in a permeability anisotropy different from unity. Various experimental techniques are available to assess the permeability anisotropy for different types of materials. However, these methods have two principal disadvantages: i) the anisotropy rapport is evaluated on separate samples and ii) the experimental procedure could potentially disturb the sample by inappropriate manipulations. In order to improve the characterization of the anisotropy rapport of compacted tills, a new square cell was built. This new cell is able to quantify the anisotropy rapport in both states, saturated and almost saturated conditions. The permeability under vertical and horizontal flow is assessed on a single sample and a new experimental procedure has been developed to minimize preferential seepage paths along the porous stones. Injection of bovine gelatin is used to temporarily seal the porous stones perpendicular to the flow path (unused). Continuous hot water flow is used to extract the gelatin once the permeability testing is done. This new device and procedure have been successfully tested to evaluate the effect of placing method and stone content on the permeability anisotropy of compacted tills. For an analysis in quasi-saturated state, the anisotropy rapport is greater than 3 or 7 for a dry compaction. On the wet side, the anisotropy rapport is close to one. However, the procedure developed in the saturated condition should be used to confirm these results. In conclusion, this project has helped to build a useful tool to quantify the anisotropy rapport of tills, an important issue in the evaluation of embankment dams. Key words: permeability, anisotropy, square permeability cell, compacted tills, embankment dam.

Les propriétés hydrauliques d'un till du Nord du Québec en condition saturée et non saturée ont été étudiées en laboratoire à l'aide de l'essai de conductivité hydraulique et l'essai de succion qui permet d'obtenir la courbe de rétention d'eau. Les essais ont été réalisés avec des échantillons compactés sous différentes conditions de teneur en eau et de masse volumique sèche, de manière à évaluer l'influence de ces conditions sur les propriétés hydrauliques. Les études précédentes ont montré qu'une structure agrégée se développe dans le till lorsqu'il est compacté de côté sec de l'optimum Proctor, c'est-à-dire à un degré de saturation de compactage inférieur au degré de saturation optimum (Sr0 < Sr-opt). Le till étudié dans le cadre de cette étude diffère de ceux utilisés dans les études précédentes par son très faible pourcentage de particules argileuses (< 2 μm) de 0,7%. L'objectif principal de cette étude est d'évaluer l'influence des conditions de compactage sur la conductivité hydraulique et la courbe de rétention d'eau et de déterminer si une structure agrégée se développe lorsque le till est compacté du côté sec de l'optimum. Les résultats expérimentaux typiques de la conductivité hydraulique saturée obtenus pour les échantillons compactés du côté humide de l'optimum (Sr0 > Sr-opt) avec un indice des vides de 0,328 varient de 2,6 x 10-7 à 8,6 x 10-7 m/s. Les conductivités hydrauliques typiques obtenues pour les échantillons compactés du côté sec de l'optimum (Sr0 < Sr-opt) avec le même indice des vides étaient très similaires, variant entre 2,4 x 10-7 et 9,1 x 10-7 m/s. Les courbes de rétention d'eau mesurées en laboratoire sont très semblables entre elles, présentant toutes une structure de sol homogène, peu importe si l'échantillon a été compacté du côté sec ou du côté humide. Il apparait que la conductivité hydraulique et la courbe de rétention d'eau de ce till sont très peu influencées par le degré de saturation de compactage. Ceci peut être expliqué par le très faible pourcentage de particules argileuses, qui prévient la formation d'agrégations de particules dans la structure du till lorsqu'il est compacté du côté sec de l'optimum Proctor. Plusieurs modèles d'estimation de la conductivité hydraulique sont utilisés. Cette étude propose trois nouveaux modèles d'estimation de la conductivité hydraulique saturée pour les tills du Nord du Québec. Le premier modèle met en relation la conductivité hydraulique saturée avec le diamètre des grains de la fraction fine (d50 FF) et le deuxième modèle est une équation modifiée de Kozeny-Carman et Hazen basée sur la porosité et une taille de particule effective (d10). Finalement, un modèle permettant d'évaluer l'effet de l'agrégation avec l'équation de Kozeny-Carman modifiée dans les tills compactés est proposé.

La performance de l'effet de barrière hydraulique d'un noyau de barrage en remblai est hautement dépendante des conditions au compactage observées au cours de la construction, et conjointement aux propriétés géotechniques des matériaux, peuvent varier significativement dans l'espace. Des études récentes (Qin, 2015; Venkovic et al., 2013; Smith et Konrad, 2011) ont montré que les géostatistiques peuvent être utilisées pour modéliser la variabilité spatiale des propriétés géotechniques des barrages, tel que la conductivité hydraulique, à l'aide de données géoréférencées issus des essais de contrôle réalisés au cours de la construction. Ces études ont permis une meilleure compréhension de divers problèmes liées à nature stratifiée de la structure des barrages et ont élargi le champ d'application des géostatistiques dans le cadre de l'analyse des barrages en remblai. Ce mémoire porte sur l'amélioration de l'approche géostatistique utilisée pour modéliser la conductivité hydraulique du noyau en till compacté d'un barrage en remblai. Le site étudié est le barrage Sainte-Marguerite-3 (SM-3), érigé sur la rivière Sainte-Marguerite au nord-ouest de la ville de Sept-Îles au Québec. Une démarche de calcul faisant appel au taux d'agrégation des matériaux a d'abord été développée afinn d'obtenir une évaluation plus représentativede la conductivité hydraulique. Une structure d'interpolation spatiale quasi-3D a été utilisée dans le cadre de l'analyse géostatistique afin d'estimer la conductivité hydraulique du noyau en tout point de la structure. La priorité d'analyse des paramètres géotechniques utilisés dans le calcul de la conductivité hydraulique a ensuite été étudiée. Pour cet aspect du projet, les géostatistiques ont été utilisées pour analyser chaque paramètre individuellement, puis les estimations obtenues ont servi à calculer la conductivité hydraulique. Finalement, une analyse géostatistique par domaine a été réalisée dans le but de modéliser plus fidèlement l'importante variabilité spatiale des propriétés géotechniques, observées dans certaines zones du noyau, engendrée par la variation de l'origine des matériaux. Les résultats montrent que l'utilisation d'une structure d'interpolation spatiale quasi-3D est une alternative efficace à une analyse en 1D utilisée dans le cadre de travaux précédents et que ce type de structure d'interpolation respecte la continuité spatiale des matériaux. Les résultats montrent aussi qu'une analyse multi-paramétrique par domaine, motivée par la réalité du terrain, offre une meilleure estimation, particulièrement en ce qui concerne l'évaluation de l'influence des conditions au compactage. / The hydraulic barrier performance of the compacted till core of embankment dams is highly dependent on compaction conditions during construction, which alongside with basic geotechnical properties, may significantly vary spatially. Recent studies showed that geostatistics can be used to represent the spatial variability of the geotechnical properties of dam materials, such as hydraulic conductivity, using georeferenced construction control data. These studies led to advances in the understanding of various issues related to the stratified nature of dams' structure and broadened perspectives for geostatistical analyses of large embankment dams. This research focuses on the improvement of the geostatistical approach used to model the hydraulic conductivity of an embankment dam's compacted till core. The studied site is the Sainte-Marguerite-3 (SM-3) dam, built on the Sainte-Marguerite river, northwest to the city of Sept-Îles in Québec. A mathematical approach using an aggregation rate was first developed as a way to obtain a more representative assessment of the dam's hydraulic conductivity. A quasi-3D spatial interpolation structure was used for the geostatistical analysis to estimate the hydraulic conductivity for every location in the core. A priority analysis of the multiple geotechnical parameters used to compute hydraulic conductivity was then performed. For this aspect of the project, geostatistics were used to individually analyze the spatial variability of the parameters measured during construction, which were then used to compute the hydraulic conductivity. Finally, in order to provide a solution to a specific problem observed in the SM-3 dam, a geostatistical analysis using multiple domains was performed. This approach was used to accurately model the important spatial variability of the geotechnical parameters, observed in some areas of the dam, caused by variations in the origins of the materials. Results showed that the quasi-3D spatial interpolation structure used for this project is an effective alternative to a 1D analysis used in past projects and that this type of interpolation structure respects the materials' spatial continuity. The results also showed that a multi-parametric approach using domains, motivated by the terrain's reality, offers a better estimation, especially when it comes to assessing the influence of compaction conditions.

Au Québec, la plupart des sols organiques sont utilisés pour la production de légumes et pour l’extraction de tourbe. Bien que très productifs, les sols organiques sont soumis à une dégradation intense causée par le drainage initial et par la mise en culture. Cette dégradation s'accélère au fur et à mesure que le niveau de la nappe descend dans le profil, et on peut observer la formation d'une couche compacte qui peut conduire à la formation d'une nappe phréatique perchée dans la zone racinaire. L'intégration de plantes à enracinement profond pourrait améliorer la conductivité hydraulique dans cette couche compacte et donc le drainage des sols organiques, comme plusieurs études l’ont déjà démontré pour les sols minéraux compactés. Les objectifs du projet étaient d'identifier une espèce végétale, à utiliser en rotation courte, pour améliorer le drainage, et d’évaluer les effets résiduels à long terme. Des parcelles expérimentales ont été implantées sur des terres noires de la Montérégie, sur des sites ayant des niveaux de dégradation différents. Au cours de chaque année du projet, des mesures de conductivité hydraulique à saturation (Ks) ont été prises à la surface du sol et à une profondeur de 30 cm, et des mesures de résistance à l’enfoncement (SPR) ont été faites sur l’ensemble du profil à l'aide d'un pénétromètre numérique. Le potentiel matriciel et le niveau des nappes ont également été relevés par des acquisiteurs de données au cours des saisons de croissance. Nous avons observé des effets significatifs, bien que faibles, sur Ks la deuxième année de la rotation à chacun des sites, mais ces effets sont rapidement disparus l'année suivante, lors de la réintroduction de la culture maraîchère. On peut conclure que l'effet des rotations courtes testées est éphémère dans ce type de sol, par rapport à la durée de persistance de plusieurs années attendue. / In Quebec, most organic soils are used for vegetable production and peat extraction. Although highly productive, organic soils are prone to intense degradation caused by initial drainage and cultivation. This degradation accelerates as the level of the water table drops, and a compacted layer is therefore forming, which can result in the appearance of a perched water table in the root zone. The integration of deep-rooted plants could improve hydraulic conductivity of this compact layer and therefore the drainage of organic soils, as several studies have already demonstrated for compacted mineral soils. The objectives of the project were to identify a plant species to be used in short rotation, to improve water infiltration of degraded organic soils and to assess the residual effects of such rotation on drainage. Experimental plots were planted on cultivated organic soils of Montérégie, on sites with different levels of degradation. During each year of the project, saturated hydraulic conductivity (Ks) measurements were made at the soil surface and at 30-cm depth, and soil penetration resistance (SPR) measurements were done on the entire profile using a digital penetrometer. Matric potential and water table levels were also monitored by data loggers during the growth seasons. We observed significant, albeit small, effects on Ks in the second year of rotation at each site, but these effects disappeared rapidly the following year when the vegetable crop was reintroduced. It can be concluded that the effect of the short rotations tested is marginal compared to the expected duration as it does not persist after the end of rotation in this soil type.

Les filières d'Assainissement Non Collectif (ANC) du fait de leur intérêt technique et économique connaissent un développement important. A ce jour, les gestionnaires de ce type d'ouvrages cherchent à mieux comprendre les phénomènes régissant leur fonctionnement et tentent ainsi d'améliorer cette filière sur le plan de la durabilité, de la fiabilité et de l'optimisation en s'appuyant sur des recommandations scientifiquement étayées auxquelles les études menées dans ce travail s'attachent à répondre. Les principaux objectifs industriels et scientifiques de cette thèse étaient de mieux comprendre le fonctionnement de ces sytèmes et de développer une méthodologie de diagnostic de leur état par la mise au point d'outils et de méthodes adaptés à ce genre d'onvrage. Nous avons proposé dans ce travail une démarche originale d'estimation de la perméabilité saturée ou non d'un sol in situ. Cette démarche est basée d'une part sur des informations de résistance et de granulométrie obtenues par couplage de mesures pénétrométriques et endoscopiques et d'autre part sur la connaissance de la relation résistance densité obtenue dans une base de données de matériaux. Cette démarche a été validée au laboratoire et utilisée in situ. Nous avons aussi proposé une méthodologie de diagnostic basée sur l'utilisation conjointe d'outils non destructifs et rapides à mettre en oeuvre à partir de différentes études réalisées in situ tant sur des ouvrages réels que sur des ouvrages expérimentaux grandeur nature.