SIST ISO 10573:2006
(Main)Soil quality -- Determination of water content in the unsaturated zone -- Neutron depth probe method
Soil quality -- Determination of water content in the unsaturated zone -- Neutron depth probe method
Specifies a non-destructive method for the determination of water content in the unsaturated zone of soils using a neutron depth probe. Water content profiles can be obtained by measuring at a series of depths of soil.
Qualité du sol -- Détermination de la teneur en eau de la zone non saturée -- Méthode à la sonde à neutrons de profondeur
La présente Norme internationale prescrit une méthode in situ pour la détermination de la teneur en eau de la zone non saturée des sols à l'aide d'une sonde à neutrons de profondeur. Elle est applicable lorsqu'on poursuit des investigations sur la réserve en eau, sur l'équilibre de l'eau et sur la distribution de l'eau dans la zone non saturée du sol. Cette méthode étant non destructive, elle est particulièrement adaptée à des mesurages répétés au même emplacement. Plusieurs profils de la teneur en eau peuvent être obtenus en effectuant une série de mesurages à différentes profondeurs jusqu'au niveau de la nappe phréatique. L'avantage de la méthode, comparée à d'autres, par exemple la méthode à la sonde gamma, est la rapidité à laquelle les mesurages peuvent être effectués. Elle présente cependant l'inconvénient de n'offrir qu'une résolution relativement faible des mesurages de profondeur.
Kakovost tal – Določevanje vode v nenasičeni coni – Metoda z uporabo nevtronske sonde
General Information
Buy Standard
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL
STANDARD
First edition
1995-12-15
Soil quality - Determination of water
content in the unsaturated zone - Neutron
depth probe method
Qualit& du so/ - Determination de Ia teneur en eau de Ia zone non saturke
- Methode a Ia Sonde ;j neutrons de profondeur
Reference number
ISO 10573: 1995(E)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 10573:1995(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide
federation of national Standards bodies (ISO member bodies). The work of
preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Esch member body interested in a subject for
which a technical committee has been established has the right to be
represented on that committee. International organizations, governmental
and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO
collaborates closely with the International Electrotechnical Commission
(IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
Draft International Standards adopted by the technical committees are
circulated to the member bodies for voting. Publication as an International
Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting
a vote.
International Standard ISO 10573 was prepared by Technical Committee
lSO/TC 190, Seil quality, Subcommittee SC 5, Physical methods.
Annexes A, B, C, D and E of this International Standard are for information
only.
0 ISO 1995
All rights reserved. Unless otherwise specified, no par-t of this publication may be
reproduced or utilized in any form or by any means, electronie or mechanical, including
photocopying and microfilm, without Permission in writing from the publisher.
International Organization for Standardization
Case Postale 56 l CH-l 211 Geneve 20 l Switzerland
Printed in Switzerland
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 10573:1995(E)
INTERNATIONAL STANDARD @ ISO
Soil quality - Determination of water content in the
unsaturated Zone - Neutron depth probe method
- Neutron depth probes contain radioactive sources which will present health and
WARNING
environmental hazards if a probe is improperly used, stored or disposed of. National and international
legislation and regulations must be complied with.
vestigate the possibility of applying the most recent
1 Scope
editions of the Standards indicated below. Members
of IEC and ISO maintain registers of currently valid
This International Standard specifies an in situ method
International Standards.
for the determination of water content in the unsatu-
rated zone of soils using a neutron depth probe. lt is
ISO 11272: -l), Seil quality - Determination of dry
applicable when investigations into the water storage,
bulk density.
water balance and water distribution in the unsatu-
rated zone of the soil are carried out. Because the
ISO 11461: -l) Seil quality -
Determination of soil
method is non-destructive, it is particularly suitable for
wa ter content wlculated on a volume basis - Gravi-
repeated measurements at fixed locations. Water
metric method.
content profiles tan be obtained by measuring at a
series of depths down to any depth within the range
of the phreatic level at the site.
3 Definitions
The advantage of the method compared with some
others, for example the gamma probe method, is the
For the purposes of this International Standard, the
rapidity with which measurements tan be carried out.
following definition applies.
A disadvantage, however, is the relatively poor depth
resolution of the measurements.
3.1 water content volume fraction, 8 : The volume
of water evaporating from soil when dried to constant
mass at 105 OC, divided by the original bulk volume of
the soil.
2 Normative references
NOTES
The following Standards contain provisions which,
through reference in this text, constitute provisions of
1 The water content may be expressed as a percentage
this International Standard. At the time of publication,
by volume or a volume fraction.
the editions indicated were valid. All Standards are
subject to revision, and Parties to agreements based
2 In this International Standard, water content as defined
on this International Standard are encouraged to in- above may also be referred to as “free water ”.
1) To be published.
1
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO ‘10573:1995(E) 0 ISO
3 The procedure for drying soil to constant mass at 105 “C - the gradients in this composition that occur within the
is described in ISO 11461. measuring volume;
- the gradients in soil water content that occur within
4 The procedure for determination of the bulk volume of
the measuring volume;
soil is described in ISO 11272.
- the method of access tube installation;
- the characteristics of the access tubing;
- the specifications sf the apparatus used.
4 Principle
The calibration curve usually differs for each soil layer. In
homogeneous layers that are thicker than the measuring
A neutron depth probe, consisting of a neutron Source
volume, calibration curves are generally linear, their para-
and detector, is lowered into a vertical access tube in
meters depending on the soil composition. In the case of
the soil. The neutron Source, usually of the 241Am-Be
thin or non-homogeneous soil Iayers, however, calibration
type, emits neutrons of high kinetic energy. The neu-
curves will often be non-linear due to the different effects
trons lose part of their energy when they collide with
of gradients in soil composition and water content under
atomic nuclei. After several collisions, their energy
wet and dry conditions.
level is reduced to the thermal energy level corres-
ponding to the prevailing temperature. This level is
reached most rapidly when neutrons collide with hydro-
gen nuclei because their masses are almost equal.
5 Apparatus
The thermal neutrons form a stable cloud, the concen-
tration of which is determined by the detector in the 5.1 Neutron depth probe, consisting of a fast neu-
probe. The number of thermal neutrons registered by tron Source and a thermal neutron detector combined
the detector per unit time (the count rate) is therefore with a read-out unit.
a measure of the concentration of hydrogen nuclei in
the soil around the probe. In general, the majority of
5.2 Thin-walled access tu iing, with an inner
those nuclei are in water molecules and therefore the
diameter slightly larger than that of the neutron probe.
count rate is also a measure of the soil water content.
The tubing shall consist sf rnaterial that is very
A calibration curve is used to convert the neutron
“transparent” to fast and thermal neutrons (e.g. alu-
count rate to soil water content.
minium, aluminium alloy) and which is resistant to
Chemical corrosion and to deformation due to instal-
NOTES
lation activities. Stainless steel, galvanized iron and
plastics (polyethylene) are also suitable, thouqh less
5 The neutron count rate obtained is influenced by the .
transparent to neutrons.
presence of all the atomic nuclei in the soil. However, the
count rate at a given water content may be increased in
some soils because of the thermalization of neutrons by
5.3 Equipment for instailing access tubes.
collisions with nuclei of certain soil elements, or because
much hydrogen is present in substances other than free
water. However, the count rate may be decreased because
ent for drying and cleaning the aceess
of absorption of neutrons by nuclei with a large atomic ab-
sorption Cross-section. See annex A. tubes, if necessary, a dummy probe for testing the
tubing Performance.
6 The soil volume (measuring volume) to which the measure-
ment refers approximates a sphere. For a given type of
neutron probe, the radius of the sphere depends on the to- curwes, for conversion of count rate
tal density of atomic nuclei in the soil. For the majority of
probes used in practice, the radius of the volume from
which 95 % of the neutrons counted by the detector are
generated ( “the sphere of importante” 111) tan vary from 5.6 Usual apparatus for takin so%8 samples, for
0,l m to 0,2 m in wet soil to 0,8 m or more in dry (sandy)
carrying out a field calibration to determine the volu-
soil. Consequently, the measurement obtained at a given
metric water content 8 gravimetrically according to
depth is influenced by the water content distribution within
ISO 11461.
the measuring volume at that time, and by any other gra-
dients in soil composition. Therefore, reproduction of the
measurement of a given water content at a certain depth is
only possible when the distributions of water content and
of soil composition within the measuring volume are time-
invariant. This requirement (local time-invariant gradients) is
important for the calibration of the neutron depth probe.
6.1 Installation of access tubes
See annex A.
lters of the calibration curve de-
7 The shape and parame
The location shall be representative of the immediate
Ilowing (see [2] in a nnex E):
pend on the fo
surroundings and care shall be taken to avoid surface
water from concentrating on the Spot. Use a platform
of the soil horizon considered
- the Chemical composition
to prevent darnage to surrounding Vegetation and
and its bulk d ensity;
2
---------------------- Page: 4 ----------------------
0 ISO
ISO 10573:1995(E)
each soil layer in accordance with ISO 11461, under
compaction of the soil surface whilst installing a tube.
Ensure that radial soil compaction around the tube, several different hydrological conditions, to derive a
compaction below it and the creation of voids adjacent calibration curve for each layer.
to it are prevented as far as possible.
NOTE IO The subdivision of the soil Profile into layers is
determined initially by differentes in soil composition, but
Install access tubes by either of the following methods.
the form of soil water content gradients that systemati-
cally recur should also be considered. Further divisions may
a) Push the tube into the soil using a hammer and
be necessary to meet the objectives of the investigation.
empty it using an auger. lt is recommended that
the lower end of the tube be closed with quick
The hydrological conditions under which the calibra-
drying cement or a stopper, to prevent infiltration
tion is conducted shall differ as much as possible so
of ground water.
that the calibration curves are representative of the
range of conditions which occur at the site. To meet
b) Push the tube into a prepared hole of the same or
the requirement for time invariant gradients that do
slightly smaller diameter and of the required
not vary with time as much as possible, the calibration
depth, then seal the lower end as in 6.1 .l . Alterna-
shall not be conducted after heavy rain or irrigation
tively, the lower end of the tube may be sealed
applications, or immediately after the sudden begin-
before insertion.
ning of extremely warm weather.
Holes tan be prepared using a guide tube or an auger
Determine the calibration curves by analysing the va-
or by a combination of these two methods. Close the
rious combinations of neutron count rate and water
top of the tube with a tight rubber stopper to keep out
content for each soil layer by regression analysis. The
rain or surface water. The tubing shall always be dry
count rate is considered as the independent variable
inside.
(x) and the water content as the dependent variable
(y). Calibration curves so derived are specific to the
NOTES
neutron probe used. Use of reference counts to nor-
malize the count rate measurements used in the re-
8 lt is recommended that access tubes be tut to protrude
gression allows calibrations to be used with different
above the soil surface as little as the apparatus permits, so
probes of the Same geometry (see annex C).
as to minimize the radiation dose received by the Operator
when lowering the probe.
Further guidelines for carrying out a field calibration
9 More specific guidelines for installation are given in [3] are given in [Zl, [3], [4] in annex E and in annex B.
and [4] in annex E.
NOTES
After installation, take great care to minimize distur-
11 The calibration CU rves may Change in
time due to the
bance of the soil and Vegetation at the site whilst
foll owing processes:
conducting measurements in the access tube.
- changes in the Chemical composition of the soil including
that of the soil water, and changes in bulk density. This
tan be corrected for, to a certain extent, on the basis
6.2 Calibration
of known (Chemical) properties (see [3] in annex E);
- decrease of the Source strength of the probe due to ra-
In most cases, calibration curves supplied by neutron
dioactive decay, and/or decrease in the sensitivity of
probe manufacturers, and those published in the Iitera-
the detector. This tan be corrected for by the use of
ture, give only a rough indication of the absolute soil
reference counts made in a medium with invariant
water content, because no or insufficient recognition
characteristics (see annex C).
tan be given to the specific influences of the site
mentioned in note 7 in clause 4 (see also annex A). 12 The guidelines given here apply to the measurement of
absolute water content. When only relative measurements
(i.e. changes of water content in time) are to be assessed,
The influence of Chemical composition and bulk den-
the requirements for calibration and demands on accuracy
sity (see A.2) is accounted for in calibrations derived
may be less stringent.
theoretically from the macroscopic neutron-interaction
Cross-section of the soil concerned (see [ 11, [4], [9] in
annex E).
The combined influence of gradients in water content,
6.3 Measurements
Chemical composition and bulk density is only accounted
for by a field calibration. Therefore an in situ field cali- The neutron depth probe shall be used in accordance
bration is necessary for accurate measurements of with the manufacturer ’s instructions as much as poss-
absolute water content. ible, and particularly with respect to technical handling
and safety.
The field calibration is based on simultaneous deter-
Lower the probe in the ac cess-tube to the depth at
mination of the neutron count rate and sampling for
which It IS required to ma ke the meas uremen t.
the determination of the volumetric water content of
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 10573:1995(E) 0 ISO
Conduct the counts according to one of the following ed by appropriately skilled persons. Periodic Checks to
methods: test for leakage from the sealed Source shall be car-
ried out by a competent agency.
with a fixed counting ti me; in this case the num-
a)
ber of thermal neutrons detected is reco rded;
with a fixed number of detected thermal neu-
b)
trons; in this case the counting time is recorded. 7 Expressisn of results
NOTES
Calculate the count rate R, which is the number of de-
tected thermal neutrons per unit of time, using the
13 When changes of watet- content in time are to be de-
following equation:
termined, precise positioning of the probe at a specified
depth is important.
=-
R N
*
14 The second method mentioned for taking the counts has
the advantage that the accuracy of the measurement is rela-
where
tively constant (i.e. precision of the count rate), whereas the ac-
curacy depends on the water content in the first method.
R is the count rate, in counts per minute;
N is the number of counted thermal neutrons;
Instead of conducting a Single count for a long time, it
tan be advantageous to make a number of counts for
t is the counting time, in minutes.
a short time because this provides quantitative infor-
mation about the spread of the measurements. This
Calculate the water content 8, using the equation:
information allows detection of certain types sf failure
in the apparatus.
0 = f fR9 PJ
lt is recommended that reference counts in a medium
where
with invariant characteristics, such as a large water
barrel (see C.3.1), be made at frequent intervals to
0 is the water content, expressed as a volume
check the Overall Performance of the instrument. For
fraction;
example, a reference count might be carried out
is the calibration function (calibration curve)
f
before and after each series of measurements in a
calculated by regression analysis;
specific access tube. A certain amount of drift in the
reference count is to be expected. However, a sudden R is the count rate, in counts per minute;
Change from the general Pattern almost certainly indi-
represents the Parameters of the calibration
P
cates a failure of the apparatus, which should be re-
curve.
paired or replaced.
When necessary, the count rate tan be corrected for
the differente between the actual reference count
6.4 Safety and maintenance
rate (R,) and the expected reference count rate IR,,).
In most cases, a correction of the type R’ = R(R,,IR,)
SAFETY PRECAUTIONS - The radioactive Source
may apply, where R’ is the corrected count rate. For
within a neutron depth probe is a potential hazard
further explanations, see annex C.
to the Operator, the public and the environment.
Most governments and Organkations have legally
enforceable regulations concerning the acqui-
sition, Operation, transport, storage and disposal
8 Accuracy
of radioactive devices, which must be adhered to.
In the absence of specific radiological safety regu-
.I The accuracy of the water content determined
lations, the guidelines of the International Atomic
with the neutron probe is influenced principally by the
Energy Agency Kl, r7] and of the International
following error sources.
Commission on Radiological Protection [*l should
be consulted.
a) The scatter in individual counts or count times as
a result of the random Variation in the number of
The half-life (458 years) of the americium commonly
neutrons emitted by the neutron Source.
used in neutron depth probes is longer than the time
over which the integrity of the Source Container (e.g.
The magnitude of this error is usually expressed
about 30 years) tan be expected to last. When a neu-
as the Standard deviation of the number of neu-
tron depth probe is no longer required, the radioactive
trons counted. As the emission process follows a
Source must be disposed of at a repository for radio-
Poisson distribution, the resulting Standard devi-
active waste.
ation in the number of detected neutrons is
Neutro n depth probes shall only be used by suitably
SN = JN
trained 0 #perato rs. Main tenance s hall only be conduct-
4
---------------------- Page: 6 ----------------------
@ ISO ISO 10573:1995(E)
nex E). For soils that are more spatially variable with
The inaccuracy of the calibration curve used.
b)
respect to water content (particularly clay, alluvium
This tan be determined from the results of the
and peat soils), a greater effort is necessary to resch
regression analysis used to derive the curve. Within
that accuracy. Further details with respect to conduc-
the field calibration, the following sources of errors
ting measurements and determination of accuracy are
tan be distinguished:
given in annex D.
- horizontal spatial variability in soil water con-
tent during the field calibration;
8.4 The accuracy of the relative or differential water
content (i.e. the Change in water content with time)
- small fluctuations in the shape of the water
will always be better than that of absolute values, be-
content Profile during the field calibration,
Cause some systematic errors (e.g. in the positioning
due to non-stationary flow conditions (see
of the calibration curve) are eliminated. To calculate
also annex A).
the accuracy of the differential water content, the
Together, these influences determine the residual error sources listed in 8.1 a), b) and c) tan be taken as
Standard deviation of the regression curve, i.e. a starting Point for the analysis of the propagation of
the calibration curve (Standard error of the re- errors through the relevant equations (i.e. the calibra-
gression). tion curve and the equation for calculating the differ-
ential water content).
c) Inaccuracy in the depth of placement of the probe
with respect to the calibration depth, particularly
when steep water content gradients occur.
9 Test report
8.2 When large variations in the shape of the water The test report shall include the following information:
content Profile occur, e.g. as a result of strong wetting
or evaporation fronts, the calibration curves are less a) a reference to this International Standard;
reliable and accuracy decreases accordingly.
b) an accurate s ite desc ription of the sampling lo-
cati on and cha racteriza tion of the soil Profile;
a description of the procedure used to install
d
8.3 When field calibration and measurements are
access tubes;
carried out under the conditions mentioned in this In-
a reference to an accurate description of the ap-
ternational Standard, the accuracy of the calculated
paratus used, with all necessary Performance
water content will also be determined by the number
characteristics;
of counts taken for each measurement [see 8.1 a)],
the number of samples for gravimetric determination
‘1 data on the calibration curves used;
that are taken for each soil layer and/or sampling lo-
the water content for various depths, in cubic
cation [see 8.1 b)] and the number and range of different
metres of water per cubic metre of soil;
hydrological conditions sampled. For sandy soil pro-
files of reasonable spatial homogeneity, an accuracy g) all observations that are important to the interpre-
of 0,005 m3/m3 to 0,Oi m3/m3, or 0,5 % (V/V) to tation of the results, such as the hydrological and
i,O % (V/V) in the calculated individual water content meteorological conditions before and during the
tan be reached, with moderate effort (see [Zl in an- measurements.
5
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 10573:1995(E)
Annex A
(informative)
probe
Background information for the calii
Category 1) refers to water that does not evapor-
A.1 Introduetion
ate when soil is dried according to the prescribed
procedure (see ISO 11461).
This annex elaborates upon the theoretical Problems
associated with neutron probe calibration under prac-
Categories 1) and 2) include
tical circumstances.
- water present in confined pores;
- intercrystalline water, such as water
between clay plates;
A.2 Fundamental influenees on
measurements made with a neutron
- intracrystalline water, i.e. water of crystalliz-
depth probe ation;
- hydrogen present in aluminium hydroxides
Several factors influence the count rate measured at a
(bauxite laterite soils) or in organic com-
given soil water content. Distinction tan be made
pounds (peat soils).
between so-called homogeneous effects and non-
homogeneous effects. The first group refers to ef-
In all cases, the presence sf hydrogen in such
fects that are present when taking measurements in a
compounds may have a significant effect on the
homogeneous medium, i.e. in which the (Chemical)
thermalization process.
soil composition as well as the water content are uni-
form. The second group refers specifically to the ef-
Absorption of thermal neutrons by nuclei bvith a
fects caused by gradients in these Parameters within
large Cross-sectional area of absorption. The most
the measuring volume.
important elements in the context of soils are
boron, chlorine, iron and nitrogen because they
occur in abundante in certain situations.
A.2.1 Homogeneous effects
I ne factors mentionned under categories a) and b) in-
When measurements are carried out with a neutron
crease the measured count rate for a given water con-
depth probe in a homogeneous medium, the count
tent. Absorption of thermal neutrons [category c)],
rate at a given (free) water content is influenced by
however, decreases the saunt rate. The influence of
the following processes.
all these factors tan vary with time because of chan-
ges in the concentration of the compounds involved.
a) Thermalization due to collisions with atomic nuclei
This applies particularly to organic matter (Oxidation),
other than hydrogen nuclei in the soil measuring
iron and other metals and minerals (leaching influ-
volume.
enced by soils genesis), chlorine (in the case of Saline
soils) and nitrogen (fertilization and leaching).
Because they are such significant components of
soils, Oxygen and Silicon nuclei are the most
Changes in soil bulk density due, for example, to culti-
important. However, whereas an average of
vation, alter the concentration of all the compounds
17 collisions with a hydrogen nucleus are necess-
present in the soil and so modify the effects of the
ary to bring a neutron with an initial energy of
factors mentioned under a), b) and c).
1 MeV to a thermal energy level of 1/40 eV, this
requires 136 collisions with an Oxygen nucleus
and 240 collisions with a Silicon nucleus (see [IO]
A.2.2 Non-homogeneous effects
in annex E). The hydrogen present therefore do-
minates the thermalization process.
Non-homogeneous effects arise when gradients in
soil composition and/or water content are present
b) Collisions with hydrogen nuclei present in
within the measuring volume. For a given water content
at a certain depth, the probe count rate reflects the in-
1) non-free water (H,O); or
tegrated water content distribution within the measur-
2) those present in other compounds containing ing volume. This is also influenced by the generally
hydrogen.
hell-shaped impulse-response function (i.e. sensitivity
---------------------- Page: 8 ----------------------
@ ISO ISO 10573:1995(E)
distribution) of the detector. For the same water con- variables, h and d. Therefore, for a given water con-
tent at that depth, but with a different water content tent at a certain depth and a given combination of
state variables, different local water content distri-
distribution around it, the probe will give another re-
butions tan occur within the measuring volume. Non-
sult. Thus, for reproducible measurements, the water
stationary flow conditions occur mostly after severe
content distribution for a given water content at a cer-
rainstorms (wetting fronts) or after any other sudden
tain depth should be time-invariant. This condition tan
Change in hydrological conditions, hence also after the
be regarded as the basic requirement *for the field cali-
onset of a period of severe drought (evaporation
bration of the neutron depth probe.
front&
Another factor is the non-symmetric averaging within
the measuring volume, because the radius of the In practice, there is a fairly consistent seasonal course
measuring volume depends on the total atomic nuclei to the hydrological changes in the unsaturated Zone,
density [*l. This results in a net underestimation of the correspondig to a sequence of fixed combinations of h
average water content within the measuring volume and d. At any one time, this combination will vary
when a gradient of water content is present, irrespec- around the average combination. This results in slight
divergentes in water content measurements. The ef-
tive of its direction. This effect is also referred to as
the interface effect in the Iiterature. fett of hysteresis is similar. In field calibration, these
divergentes manifest themselves in spreading of cali-
In practice, the most severe examples of the interface
bration Points around the calibration curve and thus in
effect occur at the soil surface (soiI/air interface) and
the accuracy of this curve.
commonly also in the interface present between a
humus-rich topsoil and the subsoil or bedrock. For sites with a shallow water table, the following
applies.
Satisfying the requirement of time-invariant (local)
A.3 Hydrological state of the soil water
gradients is only possible when the state variables tan
be determined, and when stationary flow is taking
Time-invariant gradients of water content occur under
place. In practice, the depth of the phreatic level is the
certain hydrological conditions. At any Point in time,
more sensitive of the state variables. The reason for
the vertical distribution of water content is governed
this is the steep gradient d8/dh of the water retention
by the type of flow occurring in the unsaturated Zone.
curve in that area (i.e. h is approximately Zero), from
In soils with shallow water tab ’s, two types of flow which it follows that the gradient in the water content
tan be distinguished. is large at high water Potentials hydrostatic pressure
distribution (slightly negative to Zero), and small at low
water Potentials (large negative values). So, for a
a) Stationary flow (equilibrium conditions)
given depth of the phreatic level, the biggest Change
This is characterized by a constant vertical distribution in the water content Profile due to changing con-
of water content (steady - state water content ditions in the topsoil, will occur near the phreatic Ievel.
Profile), for given conditions in the topsoil (pressure But, under such wet conditions, the radius of the
head h) and a given depth d of the phreatic level
measuring volume, and thus the interface effect, is
(groundwater level), the so-called state variables. This minimal. Inversely, the radius of the measured volume
results in spatial-(depth-)invariant and time-invariant will be larger near the topsoil, but the gradient in the
capillary flux. Esch time that this combination of state water content Profile will be smaller. Hence the con-
variables occurs, the same local gra
...
SLOVENSKI STANDARD
SIST ISO 10573:2006
01-september-2006
.DNRYRVWWDO±'RORþHYDQMHYRGHYQHQDVLþHQLFRQL±0HWRGD]XSRUDER
QHYWURQVNHVRQGH
Soil quality -- Determination of water content in the unsaturated zone -- Neutron depth
probe method
Qualité du sol -- Détermination de la teneur en eau de la zone non saturée -- Méthode à
la sonde à neutrons de profondeur
Ta slovenski standard je istoveten z: ISO 10573:1995
ICS:
13.080.40 Hidrološke lastnosti tal Hydrological properties of
soils
SIST ISO 10573:2006 en
2003-01.Slovenski inštitut za standardizacijo. Razmnoževanje celote ali delov tega standarda ni dovoljeno.
---------------------- Page: 1 ----------------------
SIST ISO 10573:2006
---------------------- Page: 2 ----------------------
SIST ISO 10573:2006
INTERNATIONAL
STANDARD
First edition
1995-12-15
Soil quality - Determination of water
content in the unsaturated zone - Neutron
depth probe method
Qualit& du so/ - Determination de Ia teneur en eau de Ia zone non saturke
- Methode a Ia Sonde ;j neutrons de profondeur
Reference number
ISO 10573: 1995(E)
---------------------- Page: 3 ----------------------
SIST ISO 10573:2006
ISO 10573:1995(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide
federation of national Standards bodies (ISO member bodies). The work of
preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Esch member body interested in a subject for
which a technical committee has been established has the right to be
represented on that committee. International organizations, governmental
and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO
collaborates closely with the International Electrotechnical Commission
(IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
Draft International Standards adopted by the technical committees are
circulated to the member bodies for voting. Publication as an International
Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting
a vote.
International Standard ISO 10573 was prepared by Technical Committee
lSO/TC 190, Seil quality, Subcommittee SC 5, Physical methods.
Annexes A, B, C, D and E of this International Standard are for information
only.
0 ISO 1995
All rights reserved. Unless otherwise specified, no par-t of this publication may be
reproduced or utilized in any form or by any means, electronie or mechanical, including
photocopying and microfilm, without Permission in writing from the publisher.
International Organization for Standardization
Case Postale 56 l CH-l 211 Geneve 20 l Switzerland
Printed in Switzerland
---------------------- Page: 4 ----------------------
SIST ISO 10573:2006
ISO 10573:1995(E)
INTERNATIONAL STANDARD @ ISO
Soil quality - Determination of water content in the
unsaturated Zone - Neutron depth probe method
- Neutron depth probes contain radioactive sources which will present health and
WARNING
environmental hazards if a probe is improperly used, stored or disposed of. National and international
legislation and regulations must be complied with.
vestigate the possibility of applying the most recent
1 Scope
editions of the Standards indicated below. Members
of IEC and ISO maintain registers of currently valid
This International Standard specifies an in situ method
International Standards.
for the determination of water content in the unsatu-
rated zone of soils using a neutron depth probe. lt is
ISO 11272: -l), Seil quality - Determination of dry
applicable when investigations into the water storage,
bulk density.
water balance and water distribution in the unsatu-
rated zone of the soil are carried out. Because the
ISO 11461: -l) Seil quality -
Determination of soil
method is non-destructive, it is particularly suitable for
wa ter content wlculated on a volume basis - Gravi-
repeated measurements at fixed locations. Water
metric method.
content profiles tan be obtained by measuring at a
series of depths down to any depth within the range
of the phreatic level at the site.
3 Definitions
The advantage of the method compared with some
others, for example the gamma probe method, is the
For the purposes of this International Standard, the
rapidity with which measurements tan be carried out.
following definition applies.
A disadvantage, however, is the relatively poor depth
resolution of the measurements.
3.1 water content volume fraction, 8 : The volume
of water evaporating from soil when dried to constant
mass at 105 OC, divided by the original bulk volume of
the soil.
2 Normative references
NOTES
The following Standards contain provisions which,
through reference in this text, constitute provisions of
1 The water content may be expressed as a percentage
this International Standard. At the time of publication,
by volume or a volume fraction.
the editions indicated were valid. All Standards are
subject to revision, and Parties to agreements based
2 In this International Standard, water content as defined
on this International Standard are encouraged to in- above may also be referred to as “free water ”.
1) To be published.
1
---------------------- Page: 5 ----------------------
SIST ISO 10573:2006
ISO ‘10573:1995(E) 0 ISO
3 The procedure for drying soil to constant mass at 105 “C - the gradients in this composition that occur within the
is described in ISO 11461. measuring volume;
- the gradients in soil water content that occur within
4 The procedure for determination of the bulk volume of
the measuring volume;
soil is described in ISO 11272.
- the method of access tube installation;
- the characteristics of the access tubing;
- the specifications sf the apparatus used.
4 Principle
The calibration curve usually differs for each soil layer. In
homogeneous layers that are thicker than the measuring
A neutron depth probe, consisting of a neutron Source
volume, calibration curves are generally linear, their para-
and detector, is lowered into a vertical access tube in
meters depending on the soil composition. In the case of
the soil. The neutron Source, usually of the 241Am-Be
thin or non-homogeneous soil Iayers, however, calibration
type, emits neutrons of high kinetic energy. The neu-
curves will often be non-linear due to the different effects
trons lose part of their energy when they collide with
of gradients in soil composition and water content under
atomic nuclei. After several collisions, their energy
wet and dry conditions.
level is reduced to the thermal energy level corres-
ponding to the prevailing temperature. This level is
reached most rapidly when neutrons collide with hydro-
gen nuclei because their masses are almost equal.
5 Apparatus
The thermal neutrons form a stable cloud, the concen-
tration of which is determined by the detector in the 5.1 Neutron depth probe, consisting of a fast neu-
probe. The number of thermal neutrons registered by tron Source and a thermal neutron detector combined
the detector per unit time (the count rate) is therefore with a read-out unit.
a measure of the concentration of hydrogen nuclei in
the soil around the probe. In general, the majority of
5.2 Thin-walled access tu iing, with an inner
those nuclei are in water molecules and therefore the
diameter slightly larger than that of the neutron probe.
count rate is also a measure of the soil water content.
The tubing shall consist sf rnaterial that is very
A calibration curve is used to convert the neutron
“transparent” to fast and thermal neutrons (e.g. alu-
count rate to soil water content.
minium, aluminium alloy) and which is resistant to
Chemical corrosion and to deformation due to instal-
NOTES
lation activities. Stainless steel, galvanized iron and
plastics (polyethylene) are also suitable, thouqh less
5 The neutron count rate obtained is influenced by the .
transparent to neutrons.
presence of all the atomic nuclei in the soil. However, the
count rate at a given water content may be increased in
some soils because of the thermalization of neutrons by
5.3 Equipment for instailing access tubes.
collisions with nuclei of certain soil elements, or because
much hydrogen is present in substances other than free
water. However, the count rate may be decreased because
ent for drying and cleaning the aceess
of absorption of neutrons by nuclei with a large atomic ab-
sorption Cross-section. See annex A. tubes, if necessary, a dummy probe for testing the
tubing Performance.
6 The soil volume (measuring volume) to which the measure-
ment refers approximates a sphere. For a given type of
neutron probe, the radius of the sphere depends on the to- curwes, for conversion of count rate
tal density of atomic nuclei in the soil. For the majority of
probes used in practice, the radius of the volume from
which 95 % of the neutrons counted by the detector are
generated ( “the sphere of importante” 111) tan vary from 5.6 Usual apparatus for takin so%8 samples, for
0,l m to 0,2 m in wet soil to 0,8 m or more in dry (sandy)
carrying out a field calibration to determine the volu-
soil. Consequently, the measurement obtained at a given
metric water content 8 gravimetrically according to
depth is influenced by the water content distribution within
ISO 11461.
the measuring volume at that time, and by any other gra-
dients in soil composition. Therefore, reproduction of the
measurement of a given water content at a certain depth is
only possible when the distributions of water content and
of soil composition within the measuring volume are time-
invariant. This requirement (local time-invariant gradients) is
important for the calibration of the neutron depth probe.
6.1 Installation of access tubes
See annex A.
lters of the calibration curve de-
7 The shape and parame
The location shall be representative of the immediate
Ilowing (see [2] in a nnex E):
pend on the fo
surroundings and care shall be taken to avoid surface
water from concentrating on the Spot. Use a platform
of the soil horizon considered
- the Chemical composition
to prevent darnage to surrounding Vegetation and
and its bulk d ensity;
2
---------------------- Page: 6 ----------------------
SIST ISO 10573:2006
0 ISO
ISO 10573:1995(E)
each soil layer in accordance with ISO 11461, under
compaction of the soil surface whilst installing a tube.
Ensure that radial soil compaction around the tube, several different hydrological conditions, to derive a
compaction below it and the creation of voids adjacent calibration curve for each layer.
to it are prevented as far as possible.
NOTE IO The subdivision of the soil Profile into layers is
determined initially by differentes in soil composition, but
Install access tubes by either of the following methods.
the form of soil water content gradients that systemati-
cally recur should also be considered. Further divisions may
a) Push the tube into the soil using a hammer and
be necessary to meet the objectives of the investigation.
empty it using an auger. lt is recommended that
the lower end of the tube be closed with quick
The hydrological conditions under which the calibra-
drying cement or a stopper, to prevent infiltration
tion is conducted shall differ as much as possible so
of ground water.
that the calibration curves are representative of the
range of conditions which occur at the site. To meet
b) Push the tube into a prepared hole of the same or
the requirement for time invariant gradients that do
slightly smaller diameter and of the required
not vary with time as much as possible, the calibration
depth, then seal the lower end as in 6.1 .l . Alterna-
shall not be conducted after heavy rain or irrigation
tively, the lower end of the tube may be sealed
applications, or immediately after the sudden begin-
before insertion.
ning of extremely warm weather.
Holes tan be prepared using a guide tube or an auger
Determine the calibration curves by analysing the va-
or by a combination of these two methods. Close the
rious combinations of neutron count rate and water
top of the tube with a tight rubber stopper to keep out
content for each soil layer by regression analysis. The
rain or surface water. The tubing shall always be dry
count rate is considered as the independent variable
inside.
(x) and the water content as the dependent variable
(y). Calibration curves so derived are specific to the
NOTES
neutron probe used. Use of reference counts to nor-
malize the count rate measurements used in the re-
8 lt is recommended that access tubes be tut to protrude
gression allows calibrations to be used with different
above the soil surface as little as the apparatus permits, so
probes of the Same geometry (see annex C).
as to minimize the radiation dose received by the Operator
when lowering the probe.
Further guidelines for carrying out a field calibration
9 More specific guidelines for installation are given in [3] are given in [Zl, [3], [4] in annex E and in annex B.
and [4] in annex E.
NOTES
After installation, take great care to minimize distur-
11 The calibration CU rves may Change in
time due to the
bance of the soil and Vegetation at the site whilst
foll owing processes:
conducting measurements in the access tube.
- changes in the Chemical composition of the soil including
that of the soil water, and changes in bulk density. This
tan be corrected for, to a certain extent, on the basis
6.2 Calibration
of known (Chemical) properties (see [3] in annex E);
- decrease of the Source strength of the probe due to ra-
In most cases, calibration curves supplied by neutron
dioactive decay, and/or decrease in the sensitivity of
probe manufacturers, and those published in the Iitera-
the detector. This tan be corrected for by the use of
ture, give only a rough indication of the absolute soil
reference counts made in a medium with invariant
water content, because no or insufficient recognition
characteristics (see annex C).
tan be given to the specific influences of the site
mentioned in note 7 in clause 4 (see also annex A). 12 The guidelines given here apply to the measurement of
absolute water content. When only relative measurements
(i.e. changes of water content in time) are to be assessed,
The influence of Chemical composition and bulk den-
the requirements for calibration and demands on accuracy
sity (see A.2) is accounted for in calibrations derived
may be less stringent.
theoretically from the macroscopic neutron-interaction
Cross-section of the soil concerned (see [ 11, [4], [9] in
annex E).
The combined influence of gradients in water content,
6.3 Measurements
Chemical composition and bulk density is only accounted
for by a field calibration. Therefore an in situ field cali- The neutron depth probe shall be used in accordance
bration is necessary for accurate measurements of with the manufacturer ’s instructions as much as poss-
absolute water content. ible, and particularly with respect to technical handling
and safety.
The field calibration is based on simultaneous deter-
Lower the probe in the ac cess-tube to the depth at
mination of the neutron count rate and sampling for
which It IS required to ma ke the meas uremen t.
the determination of the volumetric water content of
---------------------- Page: 7 ----------------------
SIST ISO 10573:2006
ISO 10573:1995(E) 0 ISO
Conduct the counts according to one of the following ed by appropriately skilled persons. Periodic Checks to
methods: test for leakage from the sealed Source shall be car-
ried out by a competent agency.
with a fixed counting ti me; in this case the num-
a)
ber of thermal neutrons detected is reco rded;
with a fixed number of detected thermal neu-
b)
trons; in this case the counting time is recorded. 7 Expressisn of results
NOTES
Calculate the count rate R, which is the number of de-
tected thermal neutrons per unit of time, using the
13 When changes of watet- content in time are to be de-
following equation:
termined, precise positioning of the probe at a specified
depth is important.
=-
R N
*
14 The second method mentioned for taking the counts has
the advantage that the accuracy of the measurement is rela-
where
tively constant (i.e. precision of the count rate), whereas the ac-
curacy depends on the water content in the first method.
R is the count rate, in counts per minute;
N is the number of counted thermal neutrons;
Instead of conducting a Single count for a long time, it
tan be advantageous to make a number of counts for
t is the counting time, in minutes.
a short time because this provides quantitative infor-
mation about the spread of the measurements. This
Calculate the water content 8, using the equation:
information allows detection of certain types sf failure
in the apparatus.
0 = f fR9 PJ
lt is recommended that reference counts in a medium
where
with invariant characteristics, such as a large water
barrel (see C.3.1), be made at frequent intervals to
0 is the water content, expressed as a volume
check the Overall Performance of the instrument. For
fraction;
example, a reference count might be carried out
is the calibration function (calibration curve)
f
before and after each series of measurements in a
calculated by regression analysis;
specific access tube. A certain amount of drift in the
reference count is to be expected. However, a sudden R is the count rate, in counts per minute;
Change from the general Pattern almost certainly indi-
represents the Parameters of the calibration
P
cates a failure of the apparatus, which should be re-
curve.
paired or replaced.
When necessary, the count rate tan be corrected for
the differente between the actual reference count
6.4 Safety and maintenance
rate (R,) and the expected reference count rate IR,,).
In most cases, a correction of the type R’ = R(R,,IR,)
SAFETY PRECAUTIONS - The radioactive Source
may apply, where R’ is the corrected count rate. For
within a neutron depth probe is a potential hazard
further explanations, see annex C.
to the Operator, the public and the environment.
Most governments and Organkations have legally
enforceable regulations concerning the acqui-
sition, Operation, transport, storage and disposal
8 Accuracy
of radioactive devices, which must be adhered to.
In the absence of specific radiological safety regu-
.I The accuracy of the water content determined
lations, the guidelines of the International Atomic
with the neutron probe is influenced principally by the
Energy Agency Kl, r7] and of the International
following error sources.
Commission on Radiological Protection [*l should
be consulted.
a) The scatter in individual counts or count times as
a result of the random Variation in the number of
The half-life (458 years) of the americium commonly
neutrons emitted by the neutron Source.
used in neutron depth probes is longer than the time
over which the integrity of the Source Container (e.g.
The magnitude of this error is usually expressed
about 30 years) tan be expected to last. When a neu-
as the Standard deviation of the number of neu-
tron depth probe is no longer required, the radioactive
trons counted. As the emission process follows a
Source must be disposed of at a repository for radio-
Poisson distribution, the resulting Standard devi-
active waste.
ation in the number of detected neutrons is
Neutro n depth probes shall only be used by suitably
SN = JN
trained 0 #perato rs. Main tenance s hall only be conduct-
4
---------------------- Page: 8 ----------------------
SIST ISO 10573:2006
@ ISO ISO 10573:1995(E)
nex E). For soils that are more spatially variable with
The inaccuracy of the calibration curve used.
b)
respect to water content (particularly clay, alluvium
This tan be determined from the results of the
and peat soils), a greater effort is necessary to resch
regression analysis used to derive the curve. Within
that accuracy. Further details with respect to conduc-
the field calibration, the following sources of errors
ting measurements and determination of accuracy are
tan be distinguished:
given in annex D.
- horizontal spatial variability in soil water con-
tent during the field calibration;
8.4 The accuracy of the relative or differential water
content (i.e. the Change in water content with time)
- small fluctuations in the shape of the water
will always be better than that of absolute values, be-
content Profile during the field calibration,
Cause some systematic errors (e.g. in the positioning
due to non-stationary flow conditions (see
of the calibration curve) are eliminated. To calculate
also annex A).
the accuracy of the differential water content, the
Together, these influences determine the residual error sources listed in 8.1 a), b) and c) tan be taken as
Standard deviation of the regression curve, i.e. a starting Point for the analysis of the propagation of
the calibration curve (Standard error of the re- errors through the relevant equations (i.e. the calibra-
gression). tion curve and the equation for calculating the differ-
ential water content).
c) Inaccuracy in the depth of placement of the probe
with respect to the calibration depth, particularly
when steep water content gradients occur.
9 Test report
8.2 When large variations in the shape of the water The test report shall include the following information:
content Profile occur, e.g. as a result of strong wetting
or evaporation fronts, the calibration curves are less a) a reference to this International Standard;
reliable and accuracy decreases accordingly.
b) an accurate s ite desc ription of the sampling lo-
cati on and cha racteriza tion of the soil Profile;
a description of the procedure used to install
d
8.3 When field calibration and measurements are
access tubes;
carried out under the conditions mentioned in this In-
a reference to an accurate description of the ap-
ternational Standard, the accuracy of the calculated
paratus used, with all necessary Performance
water content will also be determined by the number
characteristics;
of counts taken for each measurement [see 8.1 a)],
the number of samples for gravimetric determination
‘1 data on the calibration curves used;
that are taken for each soil layer and/or sampling lo-
the water content for various depths, in cubic
cation [see 8.1 b)] and the number and range of different
metres of water per cubic metre of soil;
hydrological conditions sampled. For sandy soil pro-
files of reasonable spatial homogeneity, an accuracy g) all observations that are important to the interpre-
of 0,005 m3/m3 to 0,Oi m3/m3, or 0,5 % (V/V) to tation of the results, such as the hydrological and
i,O % (V/V) in the calculated individual water content meteorological conditions before and during the
tan be reached, with moderate effort (see [Zl in an- measurements.
5
---------------------- Page: 9 ----------------------
SIST ISO 10573:2006
ISO 10573:1995(E)
Annex A
(informative)
probe
Background information for the calii
Category 1) refers to water that does not evapor-
A.1 Introduetion
ate when soil is dried according to the prescribed
procedure (see ISO 11461).
This annex elaborates upon the theoretical Problems
associated with neutron probe calibration under prac-
Categories 1) and 2) include
tical circumstances.
- water present in confined pores;
- intercrystalline water, such as water
between clay plates;
A.2 Fundamental influenees on
measurements made with a neutron
- intracrystalline water, i.e. water of crystalliz-
depth probe ation;
- hydrogen present in aluminium hydroxides
Several factors influence the count rate measured at a
(bauxite laterite soils) or in organic com-
given soil water content. Distinction tan be made
pounds (peat soils).
between so-called homogeneous effects and non-
homogeneous effects. The first group refers to ef-
In all cases, the presence sf hydrogen in such
fects that are present when taking measurements in a
compounds may have a significant effect on the
homogeneous medium, i.e. in which the (Chemical)
thermalization process.
soil composition as well as the water content are uni-
form. The second group refers specifically to the ef-
Absorption of thermal neutrons by nuclei bvith a
fects caused by gradients in these Parameters within
large Cross-sectional area of absorption. The most
the measuring volume.
important elements in the context of soils are
boron, chlorine, iron and nitrogen because they
occur in abundante in certain situations.
A.2.1 Homogeneous effects
I ne factors mentionned under categories a) and b) in-
When measurements are carried out with a neutron
crease the measured count rate for a given water con-
depth probe in a homogeneous medium, the count
tent. Absorption of thermal neutrons [category c)],
rate at a given (free) water content is influenced by
however, decreases the saunt rate. The influence of
the following processes.
all these factors tan vary with time because of chan-
ges in the concentration of the compounds involved.
a) Thermalization due to collisions with atomic nuclei
This applies particularly to organic matter (Oxidation),
other than hydrogen nuclei in the soil measuring
iron and other metals and minerals (leaching influ-
volume.
enced by soils genesis), chlorine (in the case of Saline
soils) and nitrogen (fertilization and leaching).
Because they are such significant components of
soils, Oxygen and Silicon nuclei are the most
Changes in soil bulk density due, for example, to culti-
important. However, whereas an average of
vation, alter the concentration of all the compounds
17 collisions with a hydrogen nucleus are necess-
present in the soil and so modify the effects of the
ary to bring a neutron with an initial energy of
factors mentioned under a), b) and c).
1 MeV to a thermal energy level of 1/40 eV, this
requires 136 collisions with an Oxygen nucleus
and 240 collisions with a Silicon nucleus (see [IO]
A.2.2 Non-homogeneous effects
in annex E). The hydrogen present therefore do-
minates the thermalization process.
Non-homogeneous effects arise when gradients in
soil composition and/or water content are present
b) Collisions with hydrogen nuclei present in
within the measuring volume. For a given water content
at a certain depth, the probe count rate reflects the in-
1) non-free water (H,O); or
tegrated water content distribution within the measur-
2) those present in other compounds containing ing volume. This is also influenced by the generally
hydrogen.
hell-shaped impulse-response function (i.e. sensitivity
---------------------- Page: 10 ----------------------
SIST ISO 10573:2006
@ ISO ISO 10573:1995(E)
distribution) of the detector. For the same water con- variables, h and d. Therefore, for a given water con-
tent at that depth, but with a different water content tent at a certain depth and a given combination of
state variables, different local water content distri-
distribution around it, the probe will give another re-
butions tan occur within the measuring volume. Non-
sult. Thus, for reproducible measurements, the water
stationary flow conditions occur mostly after severe
content distribution for a given water content at a cer-
rainstorms (wetting fronts) or after any other sudden
tain depth should be time-invariant. This condition tan
Change in hydrological conditions, hence also after the
be regarded as the basic requirement *for the field cali-
onset of a period of severe drought (evaporation
bration of the neutron depth probe.
front&
Another factor is the non-symmetric averaging within
the measuring volume, because the radius of the In practice, there is a fairly consistent seasonal course
measuring volume depends on the total atomic nuclei to the hydrological changes in the unsaturated Zone,
density [*l. This results in a net underestimation of the correspondig to a sequence of fixed combinations of h
average water content within the measuring volume and d. At any one time, this combination will vary
when a gradient of water content is present, irrespec- around the average combination. This results in slight
divergentes in water content measurements. The ef-
tive of its direction. This effect is also referred to as
the interface effect in the Iiterature. fett of hysteresis is similar. In field calibration, these
divergentes manifest themselves in spreading of cali-
In practice, the most severe examples of the interface
bration Points around the calibration curve and thus in
effect occur at the soil surface (soiI/air interface) and
the accuracy of this curve.
commonly also in the interface present between a
humus-rich topsoil and the subsoil or bedrock. For sites with a shallow water table, the following
applies.
Satisfying the requirement of time-invariant (local)
A.3 Hydrological state of the soil water
gradients is only possible when the state variables tan
be determined, and when stationary flow is taking
Time-invariant gradients of water content occur under
place. In practice, the depth of the phreatic level is the
certain hydrological conditions. At any Point in time,
more sensitive of the state variables. The reason for
the vertical distribution of water content is governed
this is the steep gradient d8/dh of the water retention
by the type of flow occurring in the unsaturated Zone.
curve in that area (i.e. h is approximately Zero), from
In soils with shallow water tab ’s, two types of flow which it follows that the gradient in the water content
tan be distinguished. is large at high water Potentials hydrostatic pressure
distribution (slightly negative to Zero), and small
...
NORME
INTERNATIONALE
Premiére édition
1995-12-15
- Détermination de la
Qualité du sol
teneur en eau de la zone non saturée -
Méthode à la sonde à neutrons de
profondeur
Soi1 quality - Determination of water content in the unsaturated zone
- Neutron depth probe method
Numéro de référence
ISO 10573: 1995(F)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 10573:1995(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération
mondiale d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de
I’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de I’ISO. Chaque comité membre intéressé par une
étude a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les
organisations internationales, gouvernementales et non gouvernemen-
tales, en liaison avec I’ISO participent également aux travaux. L’ISO colla-
bore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI)
en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques
sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication comme
Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des co-
mités membres votants.
La Norme internationale ISO 10573 a été élaborée par le comité technique
ISO/TC 190, Qualité du sol, sous-comité SC 5, Méthodes physiques.
Les annexes A, B, C, D et E de la présente Norme internationale sont don-
nées uniquement à titre d’information.
0 ISO 1995
Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publi-
cation ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun pro-
cédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord
écrit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case postale 56. CH-121 1 Genève 20 l Suisse
Imprimé en Suisse
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 10573:1995(F)
NORME INTERNATIONALE o ISO
Qualité du sol - Détermination de la teneur en eau de
la zone non saturée - Méthode à la sonde à neutrons
de profondeur
AVERTISSEMENT - Les sondes à neutrons de profondeur contiennent des sources radioactives pouvant
présenter un danger pour la santé et l’environnement lorsqu’elles sont mal utilisées, rangées ou jetées.
II est impératif de se conformer à la législation nationale et internationale et aux règlements en vigueur.
sont invitées à rechercher la possibilité d’appliquer les
1 Domaine d’application
éditions les plus récentes des normes indiquées ci-
après. Les membres de la CEI et de I’ISO possèdent
La présente Norme internationale prescrit une mé-
le registre des Normes internationales en vigueur à un
thode in situ pour la détermination de la teneur en eau
moment donné.
de la zone non saturée des sols à l’aide d’une sonde à
neutrons de profondeur. Elle est applicable lorsqu’on
ISO 11272:- l) , Qualité du sol - Détermination de la
poursuit des investigations sur la réserve en eau, sur
masse volumique apparente sèche.
l’équilibre de l’eau et sur la distribution de l’eau dans la
zone non saturée du sol. Cette méthode étant non
ISO 11461:- ,
l) Qualité du sol - Détermination de la
destructive, elle est particulièrement adaptée à des
teneur volumique en eau du sol - Méthode gravimé-
mesurages répétés au même emplacement. Plusieurs
tnque.
profils de la teneur en eau peuvent être obtenus en
effectuant une série de mesurages à différentes pro-
fondeurs jusqu’au niveau de la nappe phréatique.
L’avantage de la méthode, comparée à d’autres, par 3 Définitions
exemple la méthode à la sonde gamma, est la rapidité
à laquelle les mesurages peuvent être effectués. Elle
Pour les besoins de la présente Norme internationale,
présente cependant l’inconvénient de n’offrir qu’une
les définitions suivantes s’appliquent.
résolution relativement faible des mesurages de pro-
fondeur.
3.1 teneur en eau en fraction volumique, 0:
Volume d’eau s’évaporant du sol lorsque celui-ci est
séché jusqu’à masse constante à 105 OC, divisé par le
volume apparent original du sol.
2 Références normatives
NOTES
Les normes suivantes contiennent des dispositions
qui, par suite de la référence qui en est faite, consti-
1 La teneur en eau peut s’exprimer en pourcentage volu-
tuent des dispositions valables pour la présente
mique ou en fraction volumique.
Norme internationale. Au moment de la publication,
les éditions indiquées étaient en vigueur. Toute norme
2 Dans la présente Norme internationale, la teneur en eau
est sujette à révision et les parties prenantes des
telle qu’elle est définie ci-dessus peut également être appe-
accords fondés sur la présente Norme internationale lée «eau libre».
1) À publier.
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 10573:1995(F) @ ISO
3 La méthode de séchage du sol jusqu’à masse constante fondeur n’est possible que lorsque les répartitions de la
à 105 OC est décrite dans I’ISO 11461. teneur en eau et de la composition du sol dans le volume
de mesurage sont invariables dans le temps. II est impor-
4 La méthode de détermination du volume apparent du sol tant de tenir compte de cette exigence (concernant I’inva-
est décrite dans I’ISO 11272. riabilité temporelle des gradients) pour l’étalonnage de la
sonde à neutrons de profondeur. Voir l’annexe A.
7 La forme et les paramètres de la courbe d’étalonnage
dépendent (voir [21 de l’annexe E):
4 Principe
- de la composition chimique de l’horizon de sol consi-
déré, ainsi que de sa masse volumique;
Une sonde à neutrons de profondeur, constituée
- des gra die nts de sa compas ition re neon trés dans le
d’une source de neutrons et d’un détecteur de neu-
volume de mesurage
trons, est enfoncée dans un tube d’accès vertical
des gradients dans la teneur en eau du sol r .enco ntrés
dans le sol. La source de neutrons, généralement de
dans le volume de mesurage
type 241Am-Be, émet des neutrons à un niveau
d’énergie cinétique élevée. Les neutrons perdent une
- de la méthode d’installation du tube d’accès;
partie de l’énergie lorsqu’ils entrent en collision avec
- des caractéristiques de ce tube d’accès;
des noyaux d’atome. Après plusieurs collisions, leur
niveau d’énergie est réduit au niveau d’énergie ther- - des spécifications de l’appareil utilisé.
mique correspondant a la température ambiante. Ce
En général, à chaque horizon de sol correspond une courbe
niveau est très rapidement atteint lorsque les neu-
d’étalonnage qui lui est propre. Dans les couches homogè-
trons entrent en collision avec des noyaux d’atome
nes plus épaisses que le volume de mesurage, les courbes
d’hydrogène, leurs masses étant pratiquement égales.
d’étalonnage sont généralement linéaires; leurs paramètres
étant fonction de la composition du sol. Toutefois, dans le
Les neutrons thermiques forment un nuage stable cas de couches minces ou hétérogènes, les courbes
d’étalonnage seront souvent non linéaires eu égard aux dif-
dont la concentration est mesurée par le détecteur de
férents effets de gradients dans la composition du sol et à
la sonde. Le nombre de neutrons thermiques par unité
la teneur en eau aux états secs et mouillés.
de temps enregistré par le détecteur (le taux de
comptage) correspond donc à une mesure de la con-
centration en noyaux d’hydrogène présents dans le
sol à proximité de la sonde. La plupart de ces noyaux
se trouvent généralement dans les molécules d’eau,
le taux de comptage correspond donc également à 5 Appareillage
une mesure de la teneur en eau du sol. Une courbe
d’étalonnage est utilisée pour convertir le taux de
5.1 Sonde à neutrons de profondeur, consistant
comptage des neutrons en valeur de teneur en eau du
en une source de neutrons rapides et en un détecteur
sol.
de neutrons thermiques, associés à un dispositif de
mesure.
NOTES
5 Le taux de comptage des neutrons obtenu est affecté
5.2 Tube d’accès à paroi mince, dont le diamètre
par la présence de tous les noyaux d’atome présents dans
le sol. Cependant, a une teneur en eau donnée, le taux de intérieur est un peu plus large que celui de la sonde à
comptage peut être majoré dans certains types de sols par
neutrons. Le tube doit être fabriqué en un matériau
la thermalisation des neutrons que provoque leur collision
très ((transparent)) aux neutrons rapides et thermi-
avec les noyaux d’atome de certains éléments constitutifs
ques (par exemple aluminium, alliage d’aluminium) et
du sol, ou par le nombre important de molécules d’hydro-
résistant à la corrosion chimique ainsi qu’aux défor-
gène présentes dans des substances autres que l’eau libre.
mations possibles lors de son installation. L’acier
Toutefois, le taux de comptage peut être minoré par I’ab-
inoxydable, la fonte galvanisée et le plastique
sorption de neutrons de noyaux présentant une importante
(polyéthylène) conviennent également, même si leur
section efficace d’absorption atomique. Voir l’annexe A.
transparence aux neutrons est plus faible.
6 Le volume de sol (volume de mesurage) auquel le mesu-
rage se rapporte est pratiquement sphérique. Pour un type
donné de sonde a neutrons, le rayon de la sphère est fonc-
5.3 Équipement permettant d’installer les tubes
tion de la densité totale des noyaux d’atome présents dans
d’accès.
le sol. Pour la plupart des sondes commercialisées, le rayon
du volume d’où proviennent 95 % des neutrons comptés
par le détecteur («sphère d’influente)) 111) peut varier de
5.4 Équipement pour sécher et nettoyer les tu-
0,l m à 0,2 m dans les sols mouillés à 0,8 m ou plus dans
bes d’accès, le cas échéant, une fausse sonde per-
les sols secs (sablonneux). En conséquence, le mesurage
mettant de vérifier les performances du tube.
obtenu à une profondeur donnée dépend de la répartition
de la teneur en eau dans le volume de mesurage à cet ins-
tant, et de tout autre gradient de la composition du sol.
5.5 Courbes d’étalonnage, pour la conversion du
C’est pourquoi, la reproduction graphique du résultat du
mesurage d’une teneur en eau donnée a une certaine pro- taux de comptage en teneur en eau.
---------------------- Page: 4 ----------------------
@ ISO ISO 10573:1995(F)
bliées dans les ouvrages de référence ne donnent
5.6 Appareillage normal pour le prélèvement des
qu’une indication grossière de la teneur absolue en
échantillons de sol, pour les étalonnages effectués
sur le terrain, permettant de déterminer la teneur vo- eau du sol, parce que les influences spécifiques au
site, dont il est question à la note 7 de l’article 4, n’ont
lumique en eau 8 par gravimétrie, conformément à
pas été suffisamment prises en compte, si elles l’ont
I’ISO 11461.
jamais été (voir également l’annexe A).
L’influence de la composition chimique et de la masse
volumique apparente (voir A.2) est prise en compte
6 Mode opératoire
dans les étalonnages théoriques calculés à partir des
sections efficaces d’interaction macroscopique des
6.1 Installation des tubes d’accès
neutrons du sol considéré (voir [Il, [4], [91 de I’an-
nexe E).
L’emplacement doit être représentatif de I’environ-
nement immédiat et il faut veiller à éviter toute con-
L’influence combinée des gradients de la teneur en
centration d’eau de surface à cet endroit. Utiliser un
eau, de la composition chimique et de la masse vo-
plancher pour éviter de causer des dégâts dans la vé-
lumique apparente ne peut être prise en compte que
gétation environnante ainsi que toute compaction de
par un étalonnage effectué sur le terrain. Pour obtenir
la surface du sol lors de l’installation du tube. Veiller
une mesure absolue précise de la teneur en eau, il est
autant que possible à éviter toute compaction du sol
donc nécessaire de procéder a un étalonnage in situ
autour et en dessous du tube, ainsi qu’à ne pas créer
sur le terrain.
de vides autour de celui-ci.
L’étalonnage sur le terrain se base sur la détermina-
Installer les tubes d’accès selon l’une des méthodes
tion simultanée du taux de comptage neutronique et
suivantes.
de l’échantillonnage pour déterminer la teneur volumi-
Enfoncer le tube dans le sol à l’aide d’un marteau que en eau de chaque couche du sol, conformément à
a)
et le vider à l’aide d’une tarière de type spirale. I’ISO 11461, dans différentes conditions hydrologi-
Pour empêcher toute infiltration d’eau souter- ques, afin d’obtenir une courbe d’étalonnage pour
raine, il est recommandé de boucher l’extrémité chaque couche du sol.
inférieure du tube avec du ciment à prise rapide
ou un bouchon. NOTE 10 La subdivision en horizons du profil du sol est
déterminée au départ par les différences dans la composi-
tion du sol, mais il convient de prendre également en con-
Enfoncer le tube dans un trou de diamètre identi-
b)
sidération la forme des gradients de la teneur en eau du sol,
que ou légèrement inférieur et de la profondeur
dont la récurrence est systématique. D’autres divisions
requise, puis boucher l’extrémité inférieure
peuvent s’avérer nécessaires pour atteindre les objectifs de
comme en a). On peut également boucher I’ex-
l’investigation.
trémité inférieure avant l’insertion du tube.
Les conditions hydrologiques dans lesquelles I’étalon-
Les trous peuvent être préparés à l’aide d’un tube
nage est effectué doivent différer les unes des autres
d’accès ou d’une tarière de type spirale, ou par une
autant que possible, afin que les courbes d’étalonnage
combinaison de ces deux méthodes. Fermer le som-
soient représentatives de la plage des conditions du
met du tube hermétiquement à l’aide d’un bouchon en
site. Pour satisfaire autant que possible à l’exigence
caoutchouc pour éviter toute pénétration d’eau de
de gradients invariables dans le temps, l’étalonnage
pluie ou de surface. L’intérieur du tube doit toujours
ne doit pas être effectué après de fortes pluies ou des
rester sec.
travaux d’irrigation, ou immédiatement après l’instal-
lation soudaine d’un temps très chaud.
NOTES
8 II est recommande que les tubes d’accès soient coupés Déterminer les courbes d’étalonnage en effectuant
aussi près du sol que l’usage de l’appareil le permet, afin de
l’analyse, par régression, des différentes combinai-
minimiser la dose de radiations reçue par l’opérateur des-
sons du taux de comptage neutronique et de la teneur
cendant la sonde.
en eau de chaque couche de sol. Le taux de comp-
tage est considéré comme la variable indépendante (x)
9 Des directives d’installation plus spécifiques sont données
et la teneur en eau, comme la variable dépendante (y).
en [3] et [4] de l’annexe E.
Les courbes d’étalonnage ainsi calculées sont spécifi-
ques de la sonde à neutrons utilisée. L’utilisation de
Après l’installation, éviter soigneusement toute per-
comptages standards pour normaliser les mesurages
turbation du sol et de la végétation environnante au
des taux de comptage utilisés dans la régression,
cours des mesurages à l’intérieur du tube d’accès.
permet d’appliquer les étalonnages à différentes son-
des de même géométrie (voir l’annexe C).
6.2 Étalonnage
Des directives supplémentaires concernant I’étalon-
Le plus souvent, les courbes d’étalonnage fournies nage sur le terrain sont données en [2], [3] et [4] de
par le fabricant de sondes à neutrons, et celles pu- l’annexe E et dans l’annexe B.
---------------------- Page: 5 ----------------------
@ ISO
ISO 10573:1995(F)
NOTES effectués a intervalles suffisamment fréquents pour
permettre la vérification des performances globales de
11 Les processus suivants peuvent faire varier dans le
l’instrument. Par exemple, un comptage standard peut
temps les courbes d’étalonnage:
éventuellement être effectué au début et à la fin de
chaque série de mesurages dans un tube d’accès
modification de la composition chimique du sol y com-
spécifique. Une certaine dérive dans le comptage
pris celle de l’eau du sol, et modification de la masse
volumique apparente. Cela peut être corrigé jusqu’à un standard est attendu. Toutefois, une variation subite
certain point sur la base de propriétés (chimiques) con-
du schéma général indique avec une quasi certitude
nues (voir [3] de l’annexe E);
que l’appareil connaît une défaillance et qu’il faut alors
le réparer ou le remplacer.
diminution de la source d’énergie de la sonde, due a la
décroissance radioactive et/ou diminution de la sen-
sibilité du détecteur. Ceci peut être corrigé en utilisant
des comptages standards effectués dans un milieu
dont les caractéristiques sont invariables (voir I’an-
6.4 Sécurité et entretien
nexe C).
PRÉCAUTIONS DE SÉCURITÉ - La source radio-
Les directives données ici s’appliquent aux mesurages de
la teneur absolue en eau. Lorsque uniquement des mesurages active de la sonde à neutrons de profondeur
relatifs sont a effectuer (c’est-à-dire des variations dans le
présente un danger potentiel pour l’opérateur, le
temps de la teneur en eau), les exigences concernant I’étalon-
public et l’environnement. La plupart des gouver-
nage et l’exactitude peuvent être moins sévères.
nements et des organisations ont des règlements
ayant force de loi pour tout ce qui touche à l’achat,
le fonctionnement, le transport, le stockage et
l’élimination des dispositifs radioactifs. II s’agit de
6.3 Mesurages
les respecter. En l’absence de règlements spécifi-
ques concernant la sécurité des sources radioacti-
La sonde a neutrons de profondeur doit être utilisée
ves, il convient de consulter les directives données
autant que possible conformément aux instructions du
par l’Agence internationale de l’énergie atomi-
fabricant, en particulier en ce qui concerne les aspects
que[61# ~1 et la Commission internationale de pro-
techniques de sa manipulation et la sécurité.
tection radiologique 181.
Descendre la sonde dans le tube d’accès a la profon-
La période radioactive de I’américium (458 ans), cou-
deur à laquelle le mesurage doit être effectué.
ramment utilisé dans les sondes à neutrons de pro-
fondeur, dépasse la durée pendant laquelle l’intégrité
Effectuer les co #mpta selon l’une des méthodes
CIes
du conteneur de la source peut être garantie (par
suivantes
exemple environ 30 ans). Lorsqu’une sonde à neu-
trons n’est plus requise, la source radioactive doit être
sur une durée déterminée; dans ce cas le nombre
a)
mise au rebut dans un conteneur pour déchets radio-
de neutrons thermiques détectés est enregistré;
actifs.
b) sur un nom bre déterminé de neutrons; dans ce
Les sondes à neutrons de profondeur doivent être
cas la durée de comptage est enregistrée
utilisées uniquement par des opérateurs ayant reçu
une formation adéquate. L’entretien doit être effectué
NOTES
uniquement par des personnes compétentes. Des vé-
rifications périodiques de la source scellée doivent
13 Lorsque la variation dans le temps de la teneur en eau
être effectuées par une agence compétente, afin de
est à déterminer, il est important de positionner précisé-
détecter d’éventuelles fuites.
ment la sonde à une profondeur spécifiée.
14 La seconde méthode de comptage mentionnée présente
l’avantage de donner une exactitude de mesure relativement
constante (c’est-a-dire exactitude du taux de comptage)
alors que, dans la première méthode, l’exactitude dépend
7 Expression des résultats
de la teneur en eau.
Au lieu d’effectuer un seul comptage sur une longue
Calculer le taux de comptage R, nombre de neutrons
durée, il peut s’avérer de meilleur rapport d’en effec-
thermiques détectés par unité de temps, à l’aide de
tuer plusieurs sur des temps relativement courts car
l’équation suivante:
cela permet de fournir des informations quantitatives
sur la dispersion des mesures. Cette information per-
=-
R N
met la détection de certains types de défaillance de
t
l’appareillage.
Où
II est recommandé que les comptages standards ef-
R est le taux de comptage, en coups par mi-
fectués dans un milieu aux caractéristiques invaria-
nute;
bles, tel qu’un grand baril d’eau (voir C.3.1), soient
4
---------------------- Page: 6 ----------------------
@ ISO
est le nombre de neutrons thermiques comp- - petites fluctuations dans la forme du profil de
N
la teneur en eau lors de l’étalonnage sur le
tés;
terrain, dues aux conditions de régime non
t est le temps de comptage, en minu t es.
stationnaire (voir également l’annexe A).
Calculer la teneur en eau 0, à l’aide de ‘équation
Cumulées, ces influences déterminent l’écart-type
suivante:
résiduel de la courbe de régression, c’est-à-dire la
courbe d’étalonnage (erreur type de la régres-
0 = f m PJ
sion).
où
c) Inexactitude de la profondeur a laquelle la sonde a
r .-
été placée, par rapport à la profondeur d’étalon-
8 est la te neur en eau, exprimée en Tractton
nage, particulièrement en présence d’importants
volu miqu
e;
gradients de teneur en eau.
est la fonction d’étalonnage (courbe d’éta-
f
lonnage) calculé e par analyse de régression;
est le taux de comptage, en coups par minute;
R
8.2 En présence de variations importantes dans la
représente les paramètres de la courbe
P
forme du profil de la teneur en eau, résultant par
d’étalonnage.
exemple de l’existence de fronts d’humectation ou
d’évaporation importants, les courbes d’étalonnage
Si nécessaire, le taux de comptage peut être corrigé
sont moins fiables et l’exactitude décroît en proportion.
pour tenir compte de la différence entre le taux de
comptage standard effectif (R,) et le taux de comp-
tage standard attendu (Rse). Dans la plupart des cas,
une correction de type R’ = R(R,JR,) peut être appli-
8.3 Lorsque l’étalonnage et les mesurages sur le
quée, où R’ est le taux de comptage corrigé. Pour plus
terrain sont effectués dans les conditions décrites
de précisions, voir l’annexe C.
dans la présente Norme internationale, l’exactitude
sur la teneur en eau calculée sera également détermi-
née par le nombre de comptages effectués pour chaque
mesurage [voir 8.1 a)], par le nombre d’échantillons
pour la détermination par gravimétrie prélevés pour
8 Exactitude chaque couche de sol et/ou pour chaque site
d’échantillonnage [voir 8.1 b)] ainsi que le nombre et la
gamme des différents types de conditions hydrologi-
8.1 L’exactitude de la détermination de la teneur en
ques d’échantillonnage. En ce qui concerne les sols
eau par la sonde à neutrons est principalement affec-
sablonneux raisonnablement homogènes dans I’es-
tée par les causes d’erreur suivantes.
pace, une exactitude de 0,005 m3/m3 à 0,Ol m3/m3,
ou de 0,5 % (V/V) à 1,0 % (V/V) de chaque teneur en
a) Dispersion des comptages individuels ou des
eau calculée peut être atteinte assez facilement (voir [2]
temps de comptage, résultant des variations aléa-
de l’annexe E). Pour les sols dont la teneur en eau est
toires du nombre des neutrons émis par la moins homogène dans l’espace (en particulier les sols
source. argileux, limoneux ou tourbeux), cette exactitude est
plus difficile à atteindre. Des informations supplémen-
L’importance de cette erreur est exprimée en gé-
taires concernant la manière dont les mesurages doi-
néral comme l’écart-type du nombre de neutrons
vent être effectués ainsi que la détermination de
comptés. Comme le processus d’émission suit
l’exactitude sont données dans l’annexe D.
une distribution de Poisson, l’écart-type résultant
du nombre de neutrons détectés est
SN = JN
8.4 Certaines erreurs systématiques (sur le posi-
tionnement de la courbe d’étalonnage, par exemple)
étant éliminées, l’exactitude des mesures relatives ou
b) Inexactitude de la courbe d’étalonnage utilisée.
différentielles de la teneur en eau (c’est-à-dire la varia-
tion de cette teneur dans le temps) sera toujours plus
Elle peut se déterminer à partir des résultats de
grande que celle des mesures absolues. Pour calculer
l’analyse par régression dont on a déduit la
l’exactitude de la mesure différentielle de la teneur en
courbe. Les sources d’erreur suivantes peuvent
eau, les causes d’erreur énumérées en 8.1 a), b) et c)
être distinguées au sein même d’un étalonnage
peuvent constituer un point de départ à l’analyse de la
effectué sur le terrain:
propagation des erreurs, en utilisant les équations cor-
- variabilité dans l’espace sur le plan horizontal respondantes (c’est-à-dire la courbe d’étalonnage et
de la teneur en eau du sol pendant I’étalon- l’équation permettant le calcul de la teneur en eau dif-
nage sur le terrain; férentielle).
5
---------------------- Page: 7 ----------------------
@ ISO
ISO 10573:1995(F)
une référence à une description précise de I’appa-
d)
9 Rapport d’essai
reillage utilisé, ainsi qu’à toutes les caractéristi-
ques de performance nécessaires;
Le rapport d’essai doit contenir les informations sui-
vantes: e) les données concernant les courbes d’étalonnage
utilisées;
une référence à la présente Norme internationale;
a)
f) la teneur en eau aux différentes profondeurs, ex-
primée en mètres cubes par mètre cube de sol;
b) une description précise du lieu d’échantillonnage
et des caractéristiques du profil du sol;
g) toute observation pouvant être importante pour
l’interprétation des résultats, telle que les condi-
tions hydrologiques et météorologiques avant et
une description des procédures d’installation des
d ’
pendant les mesurages.
tubes d’accès;
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 10573:1995(F)
Annexe A
(informative)
Informations nécessaires à l’étalonnage de la sonde à neutrons
de profondeur
b) Les collisions avec les noyaux d’hydrogène pré-
A. 1 Introduction
sents dans
La présente annexe traite des problèmes théoriques
1) l’eau liée (H*O); ou dans
que pose, dans des circonstances pratiques, I’étalon-
2) d’autres composés contenant de I’hydro-
nage d’une sonde à neutrons.
gène.
La catégorie 1) se réfère à de l’eau qui ne s’évapore
pas lorsque le sol est séché selon la procédure
prescrite dans I’ISO 11461.
A.2 Principaux facteurs pouvant affecter
les mesurages à la sonde à neutrons de
Les catégories 1) et 2) incluent
profondeur
- l’eau présente dans les pores;
Plusieurs facteurs peuvent affecter le taux de comp-
- l’eau intercristalline, telle que l’eau entre les
tage mesuré à une teneur en eau donnée. Une dis-
plaques d’argile;
tinction peut être effectuée entre les effets dits
- l’eau intracristalline, c’est-a-dire l’eau de cris-
homogènes et les effets hétérogènes. Le premier
tallisation;
groupe renvoie aux effets se produisant lors de mesu-
rages dans un milieu homogène, c’est-a-dire un sol
- l’hydrogène présent dans les hydroxydes
dont la composition (chimique) et la teneur en eau
d’aluminium (sols de bauxite/latérite) ou dans
sont uniformes. Le second groupe renvoie spécifi-
les composés organiques (sols tourbeux).
quement aux effets produits par les gradients de ces
paramètres dans le volume de mesurage.
Dans tous les cas la présence d’hydrogène dans
de tels composés peut avoir un effet significatif
sur le procédé de thermalisation.
A.2.1 Effets homogènes
c) L’absorption des neutrons thermiques par des
noyaux ayant une grande section efficace d’ab-
Lorsque des mesurages sont effectués avec une
sorption. Les éléments les plus importants dans
sonde à neutrons de profondeur dans un milieu ho-
le contexte des sols sont le bore, le chlore, le fer
mogène, le taux de comptage a une teneur en eau
et l’azote parce qu’ils sont particulièrement abon-
(libre) donnée est affecté par les processus suivants.
dants dans certaines situations.
a) La thermalisation résultant des collisions des neu-
trons avec des noyaux d’atome autre que les Les facteurs dont il est question en a) et en b) majo-
rent le taux de comptage mesuré pour une teneur en
noyaux d’hydrogène présents dans le volume de
eau donnée. Alors que l’absorption des neutrons
mesurage.
thermiques [voir c)], au contraire, fait baisser le taux
de comptage. L’influence de tous ces facteurs peut
L’oxygène et le silicium comptant parmi les
varier dans le temps avec les variations de la concen-
constituants du sol les plus importants, leurs
tration des composés impliqués. Ceci est particuliè-
noyaux sont également les plus importants. Ce-
rement vrai en ce qui concerne les matières organiques
pendant, alors que 17 collisions en moyenne avec
(oxydation), le fer ainsi que d’autres métaux et miné-
un noyau d’hydrogène sont nécessaires pour faire
raux (lessivage influencé par la genèse du sol), le
passer un neutron d’une énergie initiale de 1 MeV
chlore (lorsqu’il s’agit de sols salins) et l’azote
à un niveau d’énergie thermique de 1/40 eV,
(fertilisation et lessivage).
136 collisions sont nécessaires avec un noyau
d’oxygène et 240, avec un noyau de silicium (voir
[IO] de l’annexe E). L’hydrogène présent domine
Les modifications de la masse volumique apparente
donc le processus de thermalisation.
du sol, causées par exemple par l’agriculture, modifient
7
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 10573:1995(F) 0 ISO
la concentration de tous les composés présents dans b) Régime stationnaire (conditions de non
le sol et donc les effets des facteurs mentionnés en équilibre)
a), b) et c).
II est caractérisé par une répartition verticale variable
de la teneur en eau pour une combinaison donnée des
A.2.2 Effets non homogènes
variables d’état h et d. Des différences locales dans la
répartition de la teneur en eau peuvent donc apparaî-
Les effets non homogènes surviennent en présence de
tre dans le volume de mesurage, pour une teneur en
gradients dans la composition du sol et/ou dans la teneur
eau donnée mesurée à une certaine profondeur et
en eau à l’intérieur du volume de mesurage. Pour une
pour une combinaison donnée des variables d’état.
teneur en eau donnée à une
...
NORME
INTERNATIONALE
Premiére édition
1995-12-15
- Détermination de la
Qualité du sol
teneur en eau de la zone non saturée -
Méthode à la sonde à neutrons de
profondeur
Soi1 quality - Determination of water content in the unsaturated zone
- Neutron depth probe method
Numéro de référence
ISO 10573: 1995(F)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 10573:1995(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération
mondiale d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de
I’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de I’ISO. Chaque comité membre intéressé par une
étude a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les
organisations internationales, gouvernementales et non gouvernemen-
tales, en liaison avec I’ISO participent également aux travaux. L’ISO colla-
bore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI)
en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques
sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication comme
Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des co-
mités membres votants.
La Norme internationale ISO 10573 a été élaborée par le comité technique
ISO/TC 190, Qualité du sol, sous-comité SC 5, Méthodes physiques.
Les annexes A, B, C, D et E de la présente Norme internationale sont don-
nées uniquement à titre d’information.
0 ISO 1995
Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publi-
cation ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun pro-
cédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord
écrit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case postale 56. CH-121 1 Genève 20 l Suisse
Imprimé en Suisse
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 10573:1995(F)
NORME INTERNATIONALE o ISO
Qualité du sol - Détermination de la teneur en eau de
la zone non saturée - Méthode à la sonde à neutrons
de profondeur
AVERTISSEMENT - Les sondes à neutrons de profondeur contiennent des sources radioactives pouvant
présenter un danger pour la santé et l’environnement lorsqu’elles sont mal utilisées, rangées ou jetées.
II est impératif de se conformer à la législation nationale et internationale et aux règlements en vigueur.
sont invitées à rechercher la possibilité d’appliquer les
1 Domaine d’application
éditions les plus récentes des normes indiquées ci-
après. Les membres de la CEI et de I’ISO possèdent
La présente Norme internationale prescrit une mé-
le registre des Normes internationales en vigueur à un
thode in situ pour la détermination de la teneur en eau
moment donné.
de la zone non saturée des sols à l’aide d’une sonde à
neutrons de profondeur. Elle est applicable lorsqu’on
ISO 11272:- l) , Qualité du sol - Détermination de la
poursuit des investigations sur la réserve en eau, sur
masse volumique apparente sèche.
l’équilibre de l’eau et sur la distribution de l’eau dans la
zone non saturée du sol. Cette méthode étant non
ISO 11461:- ,
l) Qualité du sol - Détermination de la
destructive, elle est particulièrement adaptée à des
teneur volumique en eau du sol - Méthode gravimé-
mesurages répétés au même emplacement. Plusieurs
tnque.
profils de la teneur en eau peuvent être obtenus en
effectuant une série de mesurages à différentes pro-
fondeurs jusqu’au niveau de la nappe phréatique.
L’avantage de la méthode, comparée à d’autres, par 3 Définitions
exemple la méthode à la sonde gamma, est la rapidité
à laquelle les mesurages peuvent être effectués. Elle
Pour les besoins de la présente Norme internationale,
présente cependant l’inconvénient de n’offrir qu’une
les définitions suivantes s’appliquent.
résolution relativement faible des mesurages de pro-
fondeur.
3.1 teneur en eau en fraction volumique, 0:
Volume d’eau s’évaporant du sol lorsque celui-ci est
séché jusqu’à masse constante à 105 OC, divisé par le
volume apparent original du sol.
2 Références normatives
NOTES
Les normes suivantes contiennent des dispositions
qui, par suite de la référence qui en est faite, consti-
1 La teneur en eau peut s’exprimer en pourcentage volu-
tuent des dispositions valables pour la présente
mique ou en fraction volumique.
Norme internationale. Au moment de la publication,
les éditions indiquées étaient en vigueur. Toute norme
2 Dans la présente Norme internationale, la teneur en eau
est sujette à révision et les parties prenantes des
telle qu’elle est définie ci-dessus peut également être appe-
accords fondés sur la présente Norme internationale lée «eau libre».
1) À publier.
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 10573:1995(F) @ ISO
3 La méthode de séchage du sol jusqu’à masse constante fondeur n’est possible que lorsque les répartitions de la
à 105 OC est décrite dans I’ISO 11461. teneur en eau et de la composition du sol dans le volume
de mesurage sont invariables dans le temps. II est impor-
4 La méthode de détermination du volume apparent du sol tant de tenir compte de cette exigence (concernant I’inva-
est décrite dans I’ISO 11272. riabilité temporelle des gradients) pour l’étalonnage de la
sonde à neutrons de profondeur. Voir l’annexe A.
7 La forme et les paramètres de la courbe d’étalonnage
dépendent (voir [21 de l’annexe E):
4 Principe
- de la composition chimique de l’horizon de sol consi-
déré, ainsi que de sa masse volumique;
Une sonde à neutrons de profondeur, constituée
- des gra die nts de sa compas ition re neon trés dans le
d’une source de neutrons et d’un détecteur de neu-
volume de mesurage
trons, est enfoncée dans un tube d’accès vertical
des gradients dans la teneur en eau du sol r .enco ntrés
dans le sol. La source de neutrons, généralement de
dans le volume de mesurage
type 241Am-Be, émet des neutrons à un niveau
d’énergie cinétique élevée. Les neutrons perdent une
- de la méthode d’installation du tube d’accès;
partie de l’énergie lorsqu’ils entrent en collision avec
- des caractéristiques de ce tube d’accès;
des noyaux d’atome. Après plusieurs collisions, leur
niveau d’énergie est réduit au niveau d’énergie ther- - des spécifications de l’appareil utilisé.
mique correspondant a la température ambiante. Ce
En général, à chaque horizon de sol correspond une courbe
niveau est très rapidement atteint lorsque les neu-
d’étalonnage qui lui est propre. Dans les couches homogè-
trons entrent en collision avec des noyaux d’atome
nes plus épaisses que le volume de mesurage, les courbes
d’hydrogène, leurs masses étant pratiquement égales.
d’étalonnage sont généralement linéaires; leurs paramètres
étant fonction de la composition du sol. Toutefois, dans le
Les neutrons thermiques forment un nuage stable cas de couches minces ou hétérogènes, les courbes
d’étalonnage seront souvent non linéaires eu égard aux dif-
dont la concentration est mesurée par le détecteur de
férents effets de gradients dans la composition du sol et à
la sonde. Le nombre de neutrons thermiques par unité
la teneur en eau aux états secs et mouillés.
de temps enregistré par le détecteur (le taux de
comptage) correspond donc à une mesure de la con-
centration en noyaux d’hydrogène présents dans le
sol à proximité de la sonde. La plupart de ces noyaux
se trouvent généralement dans les molécules d’eau,
le taux de comptage correspond donc également à 5 Appareillage
une mesure de la teneur en eau du sol. Une courbe
d’étalonnage est utilisée pour convertir le taux de
5.1 Sonde à neutrons de profondeur, consistant
comptage des neutrons en valeur de teneur en eau du
en une source de neutrons rapides et en un détecteur
sol.
de neutrons thermiques, associés à un dispositif de
mesure.
NOTES
5 Le taux de comptage des neutrons obtenu est affecté
5.2 Tube d’accès à paroi mince, dont le diamètre
par la présence de tous les noyaux d’atome présents dans
le sol. Cependant, a une teneur en eau donnée, le taux de intérieur est un peu plus large que celui de la sonde à
comptage peut être majoré dans certains types de sols par
neutrons. Le tube doit être fabriqué en un matériau
la thermalisation des neutrons que provoque leur collision
très ((transparent)) aux neutrons rapides et thermi-
avec les noyaux d’atome de certains éléments constitutifs
ques (par exemple aluminium, alliage d’aluminium) et
du sol, ou par le nombre important de molécules d’hydro-
résistant à la corrosion chimique ainsi qu’aux défor-
gène présentes dans des substances autres que l’eau libre.
mations possibles lors de son installation. L’acier
Toutefois, le taux de comptage peut être minoré par I’ab-
inoxydable, la fonte galvanisée et le plastique
sorption de neutrons de noyaux présentant une importante
(polyéthylène) conviennent également, même si leur
section efficace d’absorption atomique. Voir l’annexe A.
transparence aux neutrons est plus faible.
6 Le volume de sol (volume de mesurage) auquel le mesu-
rage se rapporte est pratiquement sphérique. Pour un type
donné de sonde a neutrons, le rayon de la sphère est fonc-
5.3 Équipement permettant d’installer les tubes
tion de la densité totale des noyaux d’atome présents dans
d’accès.
le sol. Pour la plupart des sondes commercialisées, le rayon
du volume d’où proviennent 95 % des neutrons comptés
par le détecteur («sphère d’influente)) 111) peut varier de
5.4 Équipement pour sécher et nettoyer les tu-
0,l m à 0,2 m dans les sols mouillés à 0,8 m ou plus dans
bes d’accès, le cas échéant, une fausse sonde per-
les sols secs (sablonneux). En conséquence, le mesurage
mettant de vérifier les performances du tube.
obtenu à une profondeur donnée dépend de la répartition
de la teneur en eau dans le volume de mesurage à cet ins-
tant, et de tout autre gradient de la composition du sol.
5.5 Courbes d’étalonnage, pour la conversion du
C’est pourquoi, la reproduction graphique du résultat du
mesurage d’une teneur en eau donnée a une certaine pro- taux de comptage en teneur en eau.
---------------------- Page: 4 ----------------------
@ ISO ISO 10573:1995(F)
bliées dans les ouvrages de référence ne donnent
5.6 Appareillage normal pour le prélèvement des
qu’une indication grossière de la teneur absolue en
échantillons de sol, pour les étalonnages effectués
sur le terrain, permettant de déterminer la teneur vo- eau du sol, parce que les influences spécifiques au
site, dont il est question à la note 7 de l’article 4, n’ont
lumique en eau 8 par gravimétrie, conformément à
pas été suffisamment prises en compte, si elles l’ont
I’ISO 11461.
jamais été (voir également l’annexe A).
L’influence de la composition chimique et de la masse
volumique apparente (voir A.2) est prise en compte
6 Mode opératoire
dans les étalonnages théoriques calculés à partir des
sections efficaces d’interaction macroscopique des
6.1 Installation des tubes d’accès
neutrons du sol considéré (voir [Il, [4], [91 de I’an-
nexe E).
L’emplacement doit être représentatif de I’environ-
nement immédiat et il faut veiller à éviter toute con-
L’influence combinée des gradients de la teneur en
centration d’eau de surface à cet endroit. Utiliser un
eau, de la composition chimique et de la masse vo-
plancher pour éviter de causer des dégâts dans la vé-
lumique apparente ne peut être prise en compte que
gétation environnante ainsi que toute compaction de
par un étalonnage effectué sur le terrain. Pour obtenir
la surface du sol lors de l’installation du tube. Veiller
une mesure absolue précise de la teneur en eau, il est
autant que possible à éviter toute compaction du sol
donc nécessaire de procéder a un étalonnage in situ
autour et en dessous du tube, ainsi qu’à ne pas créer
sur le terrain.
de vides autour de celui-ci.
L’étalonnage sur le terrain se base sur la détermina-
Installer les tubes d’accès selon l’une des méthodes
tion simultanée du taux de comptage neutronique et
suivantes.
de l’échantillonnage pour déterminer la teneur volumi-
Enfoncer le tube dans le sol à l’aide d’un marteau que en eau de chaque couche du sol, conformément à
a)
et le vider à l’aide d’une tarière de type spirale. I’ISO 11461, dans différentes conditions hydrologi-
Pour empêcher toute infiltration d’eau souter- ques, afin d’obtenir une courbe d’étalonnage pour
raine, il est recommandé de boucher l’extrémité chaque couche du sol.
inférieure du tube avec du ciment à prise rapide
ou un bouchon. NOTE 10 La subdivision en horizons du profil du sol est
déterminée au départ par les différences dans la composi-
tion du sol, mais il convient de prendre également en con-
Enfoncer le tube dans un trou de diamètre identi-
b)
sidération la forme des gradients de la teneur en eau du sol,
que ou légèrement inférieur et de la profondeur
dont la récurrence est systématique. D’autres divisions
requise, puis boucher l’extrémité inférieure
peuvent s’avérer nécessaires pour atteindre les objectifs de
comme en a). On peut également boucher I’ex-
l’investigation.
trémité inférieure avant l’insertion du tube.
Les conditions hydrologiques dans lesquelles I’étalon-
Les trous peuvent être préparés à l’aide d’un tube
nage est effectué doivent différer les unes des autres
d’accès ou d’une tarière de type spirale, ou par une
autant que possible, afin que les courbes d’étalonnage
combinaison de ces deux méthodes. Fermer le som-
soient représentatives de la plage des conditions du
met du tube hermétiquement à l’aide d’un bouchon en
site. Pour satisfaire autant que possible à l’exigence
caoutchouc pour éviter toute pénétration d’eau de
de gradients invariables dans le temps, l’étalonnage
pluie ou de surface. L’intérieur du tube doit toujours
ne doit pas être effectué après de fortes pluies ou des
rester sec.
travaux d’irrigation, ou immédiatement après l’instal-
lation soudaine d’un temps très chaud.
NOTES
8 II est recommande que les tubes d’accès soient coupés Déterminer les courbes d’étalonnage en effectuant
aussi près du sol que l’usage de l’appareil le permet, afin de
l’analyse, par régression, des différentes combinai-
minimiser la dose de radiations reçue par l’opérateur des-
sons du taux de comptage neutronique et de la teneur
cendant la sonde.
en eau de chaque couche de sol. Le taux de comp-
tage est considéré comme la variable indépendante (x)
9 Des directives d’installation plus spécifiques sont données
et la teneur en eau, comme la variable dépendante (y).
en [3] et [4] de l’annexe E.
Les courbes d’étalonnage ainsi calculées sont spécifi-
ques de la sonde à neutrons utilisée. L’utilisation de
Après l’installation, éviter soigneusement toute per-
comptages standards pour normaliser les mesurages
turbation du sol et de la végétation environnante au
des taux de comptage utilisés dans la régression,
cours des mesurages à l’intérieur du tube d’accès.
permet d’appliquer les étalonnages à différentes son-
des de même géométrie (voir l’annexe C).
6.2 Étalonnage
Des directives supplémentaires concernant I’étalon-
Le plus souvent, les courbes d’étalonnage fournies nage sur le terrain sont données en [2], [3] et [4] de
par le fabricant de sondes à neutrons, et celles pu- l’annexe E et dans l’annexe B.
---------------------- Page: 5 ----------------------
@ ISO
ISO 10573:1995(F)
NOTES effectués a intervalles suffisamment fréquents pour
permettre la vérification des performances globales de
11 Les processus suivants peuvent faire varier dans le
l’instrument. Par exemple, un comptage standard peut
temps les courbes d’étalonnage:
éventuellement être effectué au début et à la fin de
chaque série de mesurages dans un tube d’accès
modification de la composition chimique du sol y com-
spécifique. Une certaine dérive dans le comptage
pris celle de l’eau du sol, et modification de la masse
volumique apparente. Cela peut être corrigé jusqu’à un standard est attendu. Toutefois, une variation subite
certain point sur la base de propriétés (chimiques) con-
du schéma général indique avec une quasi certitude
nues (voir [3] de l’annexe E);
que l’appareil connaît une défaillance et qu’il faut alors
le réparer ou le remplacer.
diminution de la source d’énergie de la sonde, due a la
décroissance radioactive et/ou diminution de la sen-
sibilité du détecteur. Ceci peut être corrigé en utilisant
des comptages standards effectués dans un milieu
dont les caractéristiques sont invariables (voir I’an-
6.4 Sécurité et entretien
nexe C).
PRÉCAUTIONS DE SÉCURITÉ - La source radio-
Les directives données ici s’appliquent aux mesurages de
la teneur absolue en eau. Lorsque uniquement des mesurages active de la sonde à neutrons de profondeur
relatifs sont a effectuer (c’est-à-dire des variations dans le
présente un danger potentiel pour l’opérateur, le
temps de la teneur en eau), les exigences concernant I’étalon-
public et l’environnement. La plupart des gouver-
nage et l’exactitude peuvent être moins sévères.
nements et des organisations ont des règlements
ayant force de loi pour tout ce qui touche à l’achat,
le fonctionnement, le transport, le stockage et
l’élimination des dispositifs radioactifs. II s’agit de
6.3 Mesurages
les respecter. En l’absence de règlements spécifi-
ques concernant la sécurité des sources radioacti-
La sonde a neutrons de profondeur doit être utilisée
ves, il convient de consulter les directives données
autant que possible conformément aux instructions du
par l’Agence internationale de l’énergie atomi-
fabricant, en particulier en ce qui concerne les aspects
que[61# ~1 et la Commission internationale de pro-
techniques de sa manipulation et la sécurité.
tection radiologique 181.
Descendre la sonde dans le tube d’accès a la profon-
La période radioactive de I’américium (458 ans), cou-
deur à laquelle le mesurage doit être effectué.
ramment utilisé dans les sondes à neutrons de pro-
fondeur, dépasse la durée pendant laquelle l’intégrité
Effectuer les co #mpta selon l’une des méthodes
CIes
du conteneur de la source peut être garantie (par
suivantes
exemple environ 30 ans). Lorsqu’une sonde à neu-
trons n’est plus requise, la source radioactive doit être
sur une durée déterminée; dans ce cas le nombre
a)
mise au rebut dans un conteneur pour déchets radio-
de neutrons thermiques détectés est enregistré;
actifs.
b) sur un nom bre déterminé de neutrons; dans ce
Les sondes à neutrons de profondeur doivent être
cas la durée de comptage est enregistrée
utilisées uniquement par des opérateurs ayant reçu
une formation adéquate. L’entretien doit être effectué
NOTES
uniquement par des personnes compétentes. Des vé-
rifications périodiques de la source scellée doivent
13 Lorsque la variation dans le temps de la teneur en eau
être effectuées par une agence compétente, afin de
est à déterminer, il est important de positionner précisé-
détecter d’éventuelles fuites.
ment la sonde à une profondeur spécifiée.
14 La seconde méthode de comptage mentionnée présente
l’avantage de donner une exactitude de mesure relativement
constante (c’est-a-dire exactitude du taux de comptage)
alors que, dans la première méthode, l’exactitude dépend
7 Expression des résultats
de la teneur en eau.
Au lieu d’effectuer un seul comptage sur une longue
Calculer le taux de comptage R, nombre de neutrons
durée, il peut s’avérer de meilleur rapport d’en effec-
thermiques détectés par unité de temps, à l’aide de
tuer plusieurs sur des temps relativement courts car
l’équation suivante:
cela permet de fournir des informations quantitatives
sur la dispersion des mesures. Cette information per-
=-
R N
met la détection de certains types de défaillance de
t
l’appareillage.
Où
II est recommandé que les comptages standards ef-
R est le taux de comptage, en coups par mi-
fectués dans un milieu aux caractéristiques invaria-
nute;
bles, tel qu’un grand baril d’eau (voir C.3.1), soient
4
---------------------- Page: 6 ----------------------
@ ISO
est le nombre de neutrons thermiques comp- - petites fluctuations dans la forme du profil de
N
la teneur en eau lors de l’étalonnage sur le
tés;
terrain, dues aux conditions de régime non
t est le temps de comptage, en minu t es.
stationnaire (voir également l’annexe A).
Calculer la teneur en eau 0, à l’aide de ‘équation
Cumulées, ces influences déterminent l’écart-type
suivante:
résiduel de la courbe de régression, c’est-à-dire la
courbe d’étalonnage (erreur type de la régres-
0 = f m PJ
sion).
où
c) Inexactitude de la profondeur a laquelle la sonde a
r .-
été placée, par rapport à la profondeur d’étalon-
8 est la te neur en eau, exprimée en Tractton
nage, particulièrement en présence d’importants
volu miqu
e;
gradients de teneur en eau.
est la fonction d’étalonnage (courbe d’éta-
f
lonnage) calculé e par analyse de régression;
est le taux de comptage, en coups par minute;
R
8.2 En présence de variations importantes dans la
représente les paramètres de la courbe
P
forme du profil de la teneur en eau, résultant par
d’étalonnage.
exemple de l’existence de fronts d’humectation ou
d’évaporation importants, les courbes d’étalonnage
Si nécessaire, le taux de comptage peut être corrigé
sont moins fiables et l’exactitude décroît en proportion.
pour tenir compte de la différence entre le taux de
comptage standard effectif (R,) et le taux de comp-
tage standard attendu (Rse). Dans la plupart des cas,
une correction de type R’ = R(R,JR,) peut être appli-
8.3 Lorsque l’étalonnage et les mesurages sur le
quée, où R’ est le taux de comptage corrigé. Pour plus
terrain sont effectués dans les conditions décrites
de précisions, voir l’annexe C.
dans la présente Norme internationale, l’exactitude
sur la teneur en eau calculée sera également détermi-
née par le nombre de comptages effectués pour chaque
mesurage [voir 8.1 a)], par le nombre d’échantillons
pour la détermination par gravimétrie prélevés pour
8 Exactitude chaque couche de sol et/ou pour chaque site
d’échantillonnage [voir 8.1 b)] ainsi que le nombre et la
gamme des différents types de conditions hydrologi-
8.1 L’exactitude de la détermination de la teneur en
ques d’échantillonnage. En ce qui concerne les sols
eau par la sonde à neutrons est principalement affec-
sablonneux raisonnablement homogènes dans I’es-
tée par les causes d’erreur suivantes.
pace, une exactitude de 0,005 m3/m3 à 0,Ol m3/m3,
ou de 0,5 % (V/V) à 1,0 % (V/V) de chaque teneur en
a) Dispersion des comptages individuels ou des
eau calculée peut être atteinte assez facilement (voir [2]
temps de comptage, résultant des variations aléa-
de l’annexe E). Pour les sols dont la teneur en eau est
toires du nombre des neutrons émis par la moins homogène dans l’espace (en particulier les sols
source. argileux, limoneux ou tourbeux), cette exactitude est
plus difficile à atteindre. Des informations supplémen-
L’importance de cette erreur est exprimée en gé-
taires concernant la manière dont les mesurages doi-
néral comme l’écart-type du nombre de neutrons
vent être effectués ainsi que la détermination de
comptés. Comme le processus d’émission suit
l’exactitude sont données dans l’annexe D.
une distribution de Poisson, l’écart-type résultant
du nombre de neutrons détectés est
SN = JN
8.4 Certaines erreurs systématiques (sur le posi-
tionnement de la courbe d’étalonnage, par exemple)
étant éliminées, l’exactitude des mesures relatives ou
b) Inexactitude de la courbe d’étalonnage utilisée.
différentielles de la teneur en eau (c’est-à-dire la varia-
tion de cette teneur dans le temps) sera toujours plus
Elle peut se déterminer à partir des résultats de
grande que celle des mesures absolues. Pour calculer
l’analyse par régression dont on a déduit la
l’exactitude de la mesure différentielle de la teneur en
courbe. Les sources d’erreur suivantes peuvent
eau, les causes d’erreur énumérées en 8.1 a), b) et c)
être distinguées au sein même d’un étalonnage
peuvent constituer un point de départ à l’analyse de la
effectué sur le terrain:
propagation des erreurs, en utilisant les équations cor-
- variabilité dans l’espace sur le plan horizontal respondantes (c’est-à-dire la courbe d’étalonnage et
de la teneur en eau du sol pendant I’étalon- l’équation permettant le calcul de la teneur en eau dif-
nage sur le terrain; férentielle).
5
---------------------- Page: 7 ----------------------
@ ISO
ISO 10573:1995(F)
une référence à une description précise de I’appa-
d)
9 Rapport d’essai
reillage utilisé, ainsi qu’à toutes les caractéristi-
ques de performance nécessaires;
Le rapport d’essai doit contenir les informations sui-
vantes: e) les données concernant les courbes d’étalonnage
utilisées;
une référence à la présente Norme internationale;
a)
f) la teneur en eau aux différentes profondeurs, ex-
primée en mètres cubes par mètre cube de sol;
b) une description précise du lieu d’échantillonnage
et des caractéristiques du profil du sol;
g) toute observation pouvant être importante pour
l’interprétation des résultats, telle que les condi-
tions hydrologiques et météorologiques avant et
une description des procédures d’installation des
d ’
pendant les mesurages.
tubes d’accès;
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 10573:1995(F)
Annexe A
(informative)
Informations nécessaires à l’étalonnage de la sonde à neutrons
de profondeur
b) Les collisions avec les noyaux d’hydrogène pré-
A. 1 Introduction
sents dans
La présente annexe traite des problèmes théoriques
1) l’eau liée (H*O); ou dans
que pose, dans des circonstances pratiques, I’étalon-
2) d’autres composés contenant de I’hydro-
nage d’une sonde à neutrons.
gène.
La catégorie 1) se réfère à de l’eau qui ne s’évapore
pas lorsque le sol est séché selon la procédure
prescrite dans I’ISO 11461.
A.2 Principaux facteurs pouvant affecter
les mesurages à la sonde à neutrons de
Les catégories 1) et 2) incluent
profondeur
- l’eau présente dans les pores;
Plusieurs facteurs peuvent affecter le taux de comp-
- l’eau intercristalline, telle que l’eau entre les
tage mesuré à une teneur en eau donnée. Une dis-
plaques d’argile;
tinction peut être effectuée entre les effets dits
- l’eau intracristalline, c’est-a-dire l’eau de cris-
homogènes et les effets hétérogènes. Le premier
tallisation;
groupe renvoie aux effets se produisant lors de mesu-
rages dans un milieu homogène, c’est-a-dire un sol
- l’hydrogène présent dans les hydroxydes
dont la composition (chimique) et la teneur en eau
d’aluminium (sols de bauxite/latérite) ou dans
sont uniformes. Le second groupe renvoie spécifi-
les composés organiques (sols tourbeux).
quement aux effets produits par les gradients de ces
paramètres dans le volume de mesurage.
Dans tous les cas la présence d’hydrogène dans
de tels composés peut avoir un effet significatif
sur le procédé de thermalisation.
A.2.1 Effets homogènes
c) L’absorption des neutrons thermiques par des
noyaux ayant une grande section efficace d’ab-
Lorsque des mesurages sont effectués avec une
sorption. Les éléments les plus importants dans
sonde à neutrons de profondeur dans un milieu ho-
le contexte des sols sont le bore, le chlore, le fer
mogène, le taux de comptage a une teneur en eau
et l’azote parce qu’ils sont particulièrement abon-
(libre) donnée est affecté par les processus suivants.
dants dans certaines situations.
a) La thermalisation résultant des collisions des neu-
trons avec des noyaux d’atome autre que les Les facteurs dont il est question en a) et en b) majo-
rent le taux de comptage mesuré pour une teneur en
noyaux d’hydrogène présents dans le volume de
eau donnée. Alors que l’absorption des neutrons
mesurage.
thermiques [voir c)], au contraire, fait baisser le taux
de comptage. L’influence de tous ces facteurs peut
L’oxygène et le silicium comptant parmi les
varier dans le temps avec les variations de la concen-
constituants du sol les plus importants, leurs
tration des composés impliqués. Ceci est particuliè-
noyaux sont également les plus importants. Ce-
rement vrai en ce qui concerne les matières organiques
pendant, alors que 17 collisions en moyenne avec
(oxydation), le fer ainsi que d’autres métaux et miné-
un noyau d’hydrogène sont nécessaires pour faire
raux (lessivage influencé par la genèse du sol), le
passer un neutron d’une énergie initiale de 1 MeV
chlore (lorsqu’il s’agit de sols salins) et l’azote
à un niveau d’énergie thermique de 1/40 eV,
(fertilisation et lessivage).
136 collisions sont nécessaires avec un noyau
d’oxygène et 240, avec un noyau de silicium (voir
[IO] de l’annexe E). L’hydrogène présent domine
Les modifications de la masse volumique apparente
donc le processus de thermalisation.
du sol, causées par exemple par l’agriculture, modifient
7
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 10573:1995(F) 0 ISO
la concentration de tous les composés présents dans b) Régime stationnaire (conditions de non
le sol et donc les effets des facteurs mentionnés en équilibre)
a), b) et c).
II est caractérisé par une répartition verticale variable
de la teneur en eau pour une combinaison donnée des
A.2.2 Effets non homogènes
variables d’état h et d. Des différences locales dans la
répartition de la teneur en eau peuvent donc apparaî-
Les effets non homogènes surviennent en présence de
tre dans le volume de mesurage, pour une teneur en
gradients dans la composition du sol et/ou dans la teneur
eau donnée mesurée à une certaine profondeur et
en eau à l’intérieur du volume de mesurage. Pour une
pour une combinaison donnée des variables d’état.
teneur en eau donnée à une
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.