Explorer les effets des forçages atmosphériques sur évaporation: l'intégration expérimentale de la couche limite atmosphérique et de subsurface

L'objectif général de cette procédure est de concevoir un dispositif de cuve à sol et un protocole associé afin d'étudier expérimentalement les effets des forçages atmosphériques sur l'évaporation. Cela est réalisé en premier lieu par la construction d'une cuve à sol en deux dimensions à l'échelle de laboratoire. La deuxième étape consiste à concevoir un dispositif de tunnel à vent à climat contrôlé qui s'interface avec la cuve à sol.

Ensuite, la soufflerie et le réservoir de sol sont équipés de diverses technologies de capteurs utilisées pour mesurer le sol, l'humidité, la température, l'humidité relative et la vitesse du vent. La dernière étape consiste à remplir le réservoir de sol avec du sol et de l'eau, déterminer les forçages atmosphériques souhaités et démarrer l'expérience. En définitive, cet appareil expérimental peut être utilisé pour générer des données dans des conditions aux limites bien contrôlées, permettant un meilleur contrôle et la collecte de données précises aux échelles d'intérêt, ce qui n'est pas réalisable sur le terrain.

Le principal avantage de cette procédure par rapport aux méthodes existantes est qu'elle permet de générer des ensembles de données précises pouvant être utilisés pour valider des modèles numériques et étudier l'interdépendance des propriétés et des processus du sol. Les données disponibles à partir de sites sur le terrain sont souvent incomplètes et coûteuses à obtenir, et le niveau de contrôle nécessaire pour comprendre les processus et produire des données destinées à la validation par modélisation pourrait être jugé insuffisant. Cette procédure permet de contrôler précisément les conditions atmosphériques telles que la température, l'humidité relative, la vitesse du vent, ainsi que les conditions du sol.

Bien que cette méthode puisse fournir des informations sur l'évaporation, comme le montre cet exemple, elle peut également s'appliquer à d'autres problèmes nécessitant une compréhension des interactions entre le sol et l'atmosphère, tels que la fuite de dioxyde de carbone géologiquement stocké, les changements climatiques affectant les sols, les ressources alimentaires et hydriques, la détection précise des mines terrestres, ainsi que la remédiation des eaux souterraines et des sols. Avec mon étudiant diplômant, Andrew Trouts, Victoria Egan, une étudiante de licence de mon laboratoire, démontrera la procédure. Pour commencer, découpez une grande plaque de verre acrylique de 1,2 centimètre d'épaisseur en cinq morceaux individuels. Le verre acrylique permet d'observer visuellement les processus en profondeur.

Ensuite, dessinez une grille de cinq par cinq. Cela correspond à 25 centimètres sur 25 centimètres sur chacun des deux grands panneaux de verre. Veillez à ce que chaque carré de la grille ait une surface de 25 centimètres carrés.

La grille servira à espacer correctement. Les capteurs situés dans le réservoir de sol sur l'un des grands panneaux en verre perforent un total de 25 trous de 0,9 centimètre de diamètre pour les capteurs d'humidité du sol ; percez chaque trou au centre de chaque carré de la grille, de sorte que les centres des trous de deux carrés adjacents soient espacés de cinq centimètres. Le premier jeu de trous se trouve à 2,5 centimètres sous le bord supérieur du réservoir.

Utilisez des filières de taille appropriée pour tarauder chacun des trous nouvellement créés. L'espacement de cinq centimètres entre les capteurs garantit que chaque capteur se trouve en dehors du volume d'échantillonnage du capteur le plus proche. De la même manière, percez et taraudez un total de 25 0 trous de 0,635 centimètre de diamètre au centre de chaque case de la grille sur l'autre panneau de verre du bloc acrylique utilisé comme fond du réservoir.

Percez et filetez un trou unique de un demi-pouce de diamètre au milieu du panneau. Collez un écran en maille sur le trou du côté interne du verre, situé sur le côté externe du plan inférieur. Installez un raccord coudé à 90 degrés relié à un tube souple muni d'une vanne réglable.

Cette vanne et ce tuyau servent à évacuer l'eau du réservoir à la fin d'une expérience ou à installer des dispositifs de charge constante permettant de maintenir un niveau d'eau constant. Utilisez une colle de qualité marine ou un adhésif polymère similaire résistant à l'eau pour assembler et étanchéifier le réservoir.

Laisser durcir l'adhésif pendant un jour afin de surélever le réservoir du sol et de ménager de la place pour le coude à 90 degrés. Fixer deux pièces supplémentaires en verre acrylique de 1,2 centimètre d'épaisseur, d'une longueur de 12 centimètres et d'une hauteur de cinq centimètres, à la base du réservoir. Construire la partie amont de la soufflerie, longue de 215 centimètres, à partir de conduits rectangulaires en acier galvanisé ayant une largeur de 8,5 centimètres et une hauteur de 26 centimètres.

Entourez l'extérieur du conduit d'isolation. Ensuite, installez cinq éléments chauffants infrarouges en céramique positionnés en parallèle à l'intérieur d'un réflecteur le long de la partie amont de la soufflerie. Connectez les éléments chauffants infrarouges à un système de régulation de température commandé par un capteur de température infrarouge.

Construire la section médiane de la soufflerie à partir de deux panneaux acryliques de 1,2 centimètre d'épaisseur, ayant une longueur de 25 centimètres et une hauteur de 26 centimètres. Fixer les panneaux acryliques sur le dessus des parois latérales du réservoir de sol à l'aide d'un ruban adhésif résistant, en veillant à ce que les panneaux de la soufflerie et du réservoir de sol soient alignés. Percer deux trous de 0,635 centimètre de diamètre dans l'un des panneaux de la section médiane afin d'insérer le capteur de température et/ou d'humidité relative.

Les capteurs de température construisent ensuite les 50 premiers centimètres de la partie aval de la soufflerie à l’aide du même matériau de conduit rectangulaire que précédemment. Du côté terminal, réduire le conduit rectangulaire à un conduit rond de 15,3 centimètres de diamètre et de 170 centimètres de longueur. Installer un registre en acier galvanisé, utilisé pour régler les vitesses du vent, à l’extrémité aval du conduit rond afin de faciliter le contrôle de la vitesse du vent. Ensuite, installer un ventilateur axial dans la partie médiane du conduit rond, orienté de manière à expulser l’air provenant de la section aval de la soufflerie.

Connectez le ventilateur à un contrôleur de vitesse variable pour un contrôle plus précis de la fréquence de rotation, et par conséquent de la vitesse du vent, avant son installation dans le réservoir de sol. Fixez chaque capteur d'humidité et de température du sol dans un boîtier fileté NPT et scellez-le avec un mastic d'étanchéité pour éviter toute pénétration d'humidité. N'utilisez pas de produits d'étanchéité à base de silicone car ils peuvent interférer avec l'électronique de certains capteurs.

Attendre environ une semaine pour le durcissement des capteurs. Enrouler les filetages de chaque boîtier NPPT avec du ruban téflon avant l'installation dans le réservoir afin d'assurer une meilleure étanchéité entre les filetages NPT et le verre acrylique. Ensuite, installer horizontalement à travers les parois du réservoir un total de 25 capteurs d'humidité du sol et 25 capteurs de température.

Aux emplacements de la grille, torsader les câbles du capteur en synchronisation avec le boîtier NPT afin de ne pas endommager le câblage interne des câbles. Ne pas trop serrer les filetages mâles (MPT) afin d'éviter que le verre ne se fende une fois en place ; connecter les capteurs d'humidité du sol et les capteurs de température à leurs enregistreurs de données désignés.

Installez un tube de Prandtl statique directement en aval du réservoir de sol à travers le trou percé dans la partie supérieure de la section aval de la soufflerie. Maintenez le tube de Prandtl statique à la hauteur souhaitée par rapport au sol de la section. Ensuite, reliez le tube à un transducteur de pression différentielle avant de remplir le réservoir avec du sol.

Testez son intégrité en effectuant un test d'étanchéité. Remplissez le réservoir d'eau et attendez de quatre à six heures pour vous assurer qu'aucune fuite n'est apparue dans la structure ou les capteurs. Après avoir effectué le test d'étanchéité et vidé le réservoir.

Obtenez un sol sec pour remplir le réservoir de sol. Caractérisez séparément les propriétés hydrauliques et thermiques du sol sélectionné conformément aux méthodes publiées précédemment. Remplissez soigneusement le réservoir de sol avec le sol et de l'eau déionisée afin de tasser le sol humidifié.

Verser d'abord environ cinq centimètres d'eau dans le réservoir à l'aide d'une louche, puis ajouter lentement du sol sec à l'eau dans le réservoir. Par incréments de 2,5 centimètres de profondeur, noter le poids du sable ajouté à chaque fois afin de pouvoir calculer la porosité du tassement du sol une fois chaque couche terminée. Taper répétitivement sur les parois du réservoir de 100 à 200 fois à l'aide d'un maillet en caoutchouc pour obtenir une densité apparente uniforme sur l'ensemble du volume.

Pendant le tapotement, évitez tout contact avec les capteurs et les fils des capteurs. L'utilisation d'appareils vibratoires doit être évitée afin de ne pas endommager le réseau de capteurs sensibles. Placez le réservoir sur une balance pour surveiller la perte cumulative d'eau, ce qui permet ensuite de calculer la vitesse d'évaporation.

Une fois la configuration terminée, déterminez les conditions atmosphériques souhaitées. Assurez-vous que les enregistreurs de données et les autres systèmes d'acquisition de données sont allumés et réglés sur les intervalles d'échantillonnage corrects. Démarrez le ventilateur et le système de régulation de température.

Laisser les conditions climatiques s'équilibrer avant de retirer la couverture en plastique située à la surface du réservoir de sol. Enfin, faire fonctionner l'expérience pendant la durée souhaitée. L'appareil combiné de tunnel à vent et de réservoir de sol a été utilisé pour réaliser une série d'expériences dans lesquelles différentes conditions aux limites à la surface du sol ont été appliquées.

Bien que quatre expériences à différentes vitesses de vent et températures aient été réalisées, la majorité des résultats expérimentaux présentés ici correspondent à une vitesse de vent de 1,22 mètre par seconde. L'humidité relative de la surface du sol diminue au fil du temps, tandis que la température de la surface du sol montre une tendance à la hausse avant de se stabiliser. Ces tendances ont été observées lors des quatre expériences et peuvent s'expliquer par le séchage du sol.

La température de surface et le vent ont une influence moindre sur les températures locales à des profondeurs plus importantes, n'ayant aucun effet à des profondeurs inférieures à 12,5 centimètres. La saturation peut être associée aux différents stades d'évaporation, définis par des différences dans les taux d'évaporation. Position du front de dessiccation et mécanismes de transport dominants.

L'augmentation de la vitesse du vent entraîne un accroissement du taux d'évaporation et une réduction de la durée de la première phase d'évaporation. Une augmentation de la vitesse du vent au-delà de trois mètres par seconde, toutefois, a peu d'effet supplémentaire sur l'évaporation en première phase. La deuxième phase d'évaporation, régie principalement par les propriétés du milieu poreux, semble indépendante de la vitesse du vent ou n'en être que faiblement influencée.

Ce protocole expérimental s'applique à diverses conditions environnementales, notamment des changements dans le sol, le climat, les limites ou les conditions souterraines. Les dimensions et la disposition des capteurs de l'appareil décrit peuvent être modifiées afin de répondre aux besoins de différentes expériences. En outre, la procédure de tassement peut également être adaptée pour tenir compte de différentes configurations de tassement, comme des conditions de porosité variables ou de l'hétérogénéité du sol.