L’humidité du sol joue un rôle important dans les échanges d’énergie et d’eau entre l’atmosphère et la terre. Cette grandeur est très variable dans l’espace et le temps, même à l’échelle d’un bassin versant (de moins d’un km2 à plus de 100 km2) et sur une année. Cette variabilité et son importance ne peuvent être capturées que par un ensemble de capteurs in-situ mesurant en continu l’état du sol, de préférence à différentes profondeurs sur les premiers 50 cm de sol. Ces exigences nécessitent des réseaux de capteurs simples, robustes et autonomes.

L’instrument HYMENET (HYdrology MEasurement NETwork) développé dans TERRA FORMA est le prolongement des travaux de recherche en instrumentation développés à l’IPGP et dans le cadre de l’Equipex+ CRITEX qui ont conduit à la conception d’un premier prototype, basé sur la sensibilité de la permittivité diélectrique du sol à son contenu en eau. Pour réduire les biais instrumentaux classiquement rencontrés avec ce principe de mesure, la technique utilisée repose sur un pont auto-équilibré d’admittance qui mesure linéairement la permittivité et la conductivité.

La sonde du capteur est composée de trois paires de cannes de différentes longueurs, enfoncées verticalement dans le sol. Les trois paires de cannes sont reliées à un même boîtier contenant l’électronique. A partir de lois plus ou moins établies et indépendantes du capteur, et avec les mesures de la permittivité et conductivité du sol, sont déterminées la teneur en eau du sol et sa salinité. Les mesures sont ainsi faites sur trois horizons différents afin d’obtenir un profil vertical des grandeurs, et d’estimer la variation du volume d’eau dans le sol scruté au cours du temps et sa répartition. Profondeur et épaisseur des horizons sont fixées par la géométrie des cannes de mesure (pour chaque voie deux profondeurs sont possibles). Une autre configuration de cannes permet de scruter les volumes d’eau jusqu’à une profondeur de 60 cm. Le capteur est configuré pour mesurer à terme le profil de température à l’aide d’une canne de thermcouples.

La réalisation de ces sondes ont bénéficié des progrès dans le domaine de l’électronique et de la technologie de l’information et de la communication : les sondes sont ainsi autonomes et communicantes en LoRaWAN. Un processeur et son logiciel embarqué commandent les différentes opérations du capteur (acquisitions programmées, pré-traitements, mise en mémoire, communication…). Les mesures de profils sont transmises immédiatement (pas de temps pour l’acquisition de 5 à 15 min). Ce mode de communication ainsi que les circuits de mesure, malgré des résolutions élevées, ont une faible consommation ; 2 ou 3 éléments de Li+ avec une mini cellule solaire permettent de fonctionner en autonomie sur plusieurs mois.

De tels capteurs peuvent en outre être utilisés pour des applications professionnelles, régulation de l’irrigation, contrôle de procédés comme formation et vieillissement de bétons ou maturation de compost, suivi de l’humidité de silos…

Mis à jour le 11 mars 2025