Het verkennen van de gevolgen van atmosferische forcering bij verdamping: Experimentele Integratie van de atmosferische grenslaag en ondiepe ondergrond

Het algemene doel van deze procedure is het ontwikkelen van een bodemtankapparaat en een bijbehorend protocol om de effecten van atmosferische forceringen op verdamping experimenteel te bestuderen. Dit wordt bereikt door eerst een tweedimensionale bodemtank op bankschaal te construeren. De tweede stap is het construeren van een klimaatgecontroleerde windtunnelinstallatie die gekoppeld is aan de bodemtank.

Vervolgens worden de windtunnel en de grondtank uitgerust met diverse sensortechnologieën om de bodem, het vochtgehalte, de temperatuur, de relatieve vochtigheid en de windsnelheid te meten. De laatste stap is het vullen van de grondtank met grond en water, het bepalen van de gewenste atmosferische forceringen en het starten van het experiment. Uiteindelijk kan deze experimentele opstelling worden gebruikt om gegevens te genereren onder goed gecontroleerde randvoorwaarden, wat een betere controle en het verzamelen van nauwkeurige gegevens op de relevante schalen mogelijk maakt die in het veld niet haalbaar zijn.

Het belangrijkste voordeel van deze procedure ten opzichte van bestaande methoden is dat het de generatie van precisiedatasets mogelijk maakt die gebruikt kunnen worden om numerieke modellen te valideren en de interafhankelijkheid van bodemeigenschappen en processen te bestuderen. Gegevens uit veldlocaties zijn vaak onvolledig en kostbaar om te verkrijgen, en de mate van controle die nodig is om processen te begrijpen en gegevens voor modelvalidatie te genereren, kan als ontoereikend worden beschouwd. Deze procedure maakt het mogelijk om atmosferische omstandigheden zoals temperatuur, relatieve vochtigheid, windsnelheid en bodemcondities zorgvuldig te controleren.

Hoewel deze methode inzicht kan geven in verdamping, zoals hier wordt gedemonstreerd, kan deze ook worden toegepast op andere vraagstukken waarbij een begrip van land-atmosfeerinteracties vereist is, zoals het lekken van geologisch gesequestreerd koolstofdioxide en bodemklimaatverandering, voedsel- en watervoorzieningen, de nauwkeurige detectie van landmijnen en de sanering van grondwater en bodem. Samen met mijn promovendus, Andrew Trouts, zal Victoria Egan, een bachelorstudent uit mijn laboratorium, de procedure demonstreren. Begin met het snijden van een groot stuk 1,2 centimeter dik acryliek glas in vijf afzonderlijke panelen. Acryliek glas maakt het mogelijk om processen in de ondergrond visueel waar te nemen.

Teken vervolgens een raster van vijf bij vijf. Dit is 25 centimeter bij 25 centimeter op elk van de twee grote glasplaten. Zorg ervoor dat elk vierkant in het raster een oppervlakte van 25 vierkante centimeter heeft.

Het raster wordt gebruikt voor een juiste positionering. Boor in een van de grote glazen platen van de bodemtank in totaal 25 gaten met een diameter van 0,9 centimeter voor de bodemvochtsensoren; boor elk gat in het midden van elk vierkant in het raster, zodat de middelpunten van de gaten van twee aangrenzende vierkanten vijf centimeter uit elkaar liggen. De eerste set gaten bevindt zich 2,5 centimeter onder de bovenkant van de tank.

Gebruik taps van de juiste maat om schroefdraad in elk van de nieuw gemaakte gaten te snijden. De afstand van vijf centimeter tussen de sensoren zorgt ervoor dat elke sensor zich buiten het bemonsteringsvolume van de dichtstbijzijnde volgende sensor bevindt. Boor en tap op dezelfde wijze in totaal 25 gaten met een diameter van 0,635 centimeter in het midden van elk rastervak op de andere glasplaat of de acrylplaat die als bodem van het reservoir dient.

Boor en tap een enkel gat met een diameter van een halve inch in het midden van het paneel. Lijm een gaaszeef over het gat op de binnenzijde van het glas aan de buitenzijde van het onderste vlak. Installeer een kniebocht van 90 graden die is verbonden met een flexibele slang met een regelbare klep.

Dit ventiel en deze slang worden gebruikt om water uit het reservoir af te voeren aan het einde van een experiment, of als methode om constant-niveau-apparatuur te installeren voor het handhaven van een constante waterdiepte in de tafel. Gebruik marine-grade lijm of een soortgelijke waterbestendige polymeerlijm om het reservoir te bevestigen en af te dichten.

Laat de lijm één dag uitharden om het reservoir van de grond te tillen en ruimte te maken voor de kniebocht van 90 graden. Bevestig twee extra stukken acrylaatglas met een dikte van 1,2 centimeter, een lengte van 12 centimeter en een hoogte van vijf centimeter aan de onderkant van het reservoir. Constructeer het stroomopwaartse gedeelte van de windtunnel, met een lengte van 215 centimeter, uit rechthoekig gegalvaniseerd stalen kanaalmateriaal met een breedte van 8,5 centimeter en een hoogte van 26 centimeter.

Omring de buitenkant van het kanaal met isolatie. Installeer vervolgens vijf keramische infraroodverwarmingselementen die parallel in een reflector zijn geplaatst langs de lengte van het stroomopwaartse gedeelte van de windtunnel. Verbind de infraroodverwarmingselementen met een temperatuursregelsysteem dat wordt aangestuurd door een infraroodtemperatuursensor.

Construeer het middengedeelte van de windtunnel uit twee acrylpanelen van 1,2 centimeter dik, met een lengte van 25 centimeter en een hoogte van 26 centimeter. Bevestig de acrylpanelen aan de bovenzijde van de zijwanden van de bodemtank met een sterke plakband, waarbij u ervoor zorgt dat de panelen van de windtunnel en de bodemtank vlak op elkaar aansluiten. Boor twee gaten met een diameter van 0,635 centimeter in een van de panelen van het middengedeelte om de temperatuur- en/of relatieve vochtigheidssensor te plaatsen.

Temperatuursensoren stellen vervolgens de eerste 50 centimeter van het stroomafwaartse gedeelte van de windtunnel samen uit hetzelfde rechthoekige kanaalmateriaal als voorheen. Verklein aan de afsluitende zijde het rechthoekige kanaalmateriaal tot een ronde buis met een diameter van 15,3 centimeter en een lengte van 170 centimeter. Installeer aan het verre stroomafwaartse uiteinde van de ronde buis een verzinkte stalen demper om de windsnelheden aan te passen, ter ondersteuning van de controle over de windsnelheid. Installeer vervolgens een inline kanaalventilator in het midden van de ronde buis, georiënteerd om lucht uit het stroomafwaartse gedeelte van de windtunnel te blazen.

Koppel de ventilator aan een variabele snelheidsregelaar voor een nauwkeurigere controle over de rotatiefrequentie en bijgevolg de windsnelheid vóór installatie in de bodemtank. Bevestig elke bodemvochtigheids- en temperatuursensor in eendraad NPT-behuizing en kit deze af met flashing-kit om het binnendringen van vocht te voorkomen. Gebruik geen kitproducten op siliconenbasis, omdat deze de elektronica in sommige sensoren kunnen storen.

Laat de sensoren ongeveer een week uitharden. Wikkel voor de installatie in de tank de schroefdraad van elke NPPT-behuizing in loodgieterstape om een betere afdichting tussen de NPT-schroefdraad en het acrylglas te waarborgen. Installeer vervolgens in totaal 25 bodemvocht- en temperatuursensoren, elk horizontaal door de wanden van de tank.

Op de rasterlocaties. Draai de sensorkabels synchroon met de NPT-behuizing om beschadiging van de interne bedrading in de kabels te voorkomen. Trek de MPT's niet te strak aan om te voorkomen dat het glas barst zodra ze geplaatst zijn; sluit de bodemvochtigheidssensoren en temperatuursensoren aan op de daarvoor bestemde dataloggers.

Installeer een P-toe statische buis direct stroomafwaarts van de grondtank via het gat dat in de bovenkant van het stroomafwaartse gedeelte van de windtunnel is geboord. Houd de P-toe statische buis op de gewenste hoogte boven de bodem van het gedeelte. Sluit de buis vervolgens aan op een differentiële druktransducer voordat de tank met grond wordt gevuld.

Test de integriteit door een lektest uit te voeren. Vul de tank met water en wacht vier tot zes uur om er zeker van te zijn dat er geen lekken in de structuur of sensoren zijn ontstaan. Nadat de lektest is uitgevoerd en de tank is geleegd.

Verkrijg droge grond om de grondtank te vullen. Karakteriseer de hydraulische en thermische eigenschappen van de geselecteerde grond afzonderlijk volgens eerder gepubliceerde methoden. Vul de grondtank zorgvuldig nat door gebruik te maken van grond en gedeïoniseerd water.

Giet eerst ongeveer vijf centimeter water in het reservoir. Voeg met behulp van een schep langzaam droge grond toe aan het water in het reservoir. Noteer bij elke toevoeging in stappen van 2,5 centimeter het gewicht van het toegevoegde zand, zodat de porositeit van de grondpakking na voltooiing van elke laag kan worden berekend. Tik herhaaldelijk 100 tot 200 keer tegen de wanden van het reservoir met een rubberen hamer om een uniforme bulkdichtheid te verkrijgen.

Vermijd tijdens het tikken contact met de sensoren en sensordraden. Het gebruik van trilapparatuur dient te worden vermeden om beschadiging van het netwerk van gevoelige sensoren te voorkomen. Plaats de tank op een weegschaal om het cumulatieve waterverlies te bewaken, wat op zijn beurt kan worden gebruikt om de verdampingssnelheid te berekenen.

Zodra de opstelling is voltooid, bepaalt u de gewenste atmosferische omstandigheden. Controleer of de dataloggers en andere gegevensverwervingssystemen zijn ingeschakeld en zijn ingesteld op de juiste bemonsteringsintervallen. Start de ventilator en het temperatuurscontrolesysteem.

Laat de klimatologische omstandigheden equilibreren voordat de plastic afdekking op het oppervlak van de bodemtank wordt verwijderd. Voer tot slot het experiment uit gedurende de gewenste tijdsduur. De gecombineerde opstelling van windtunnel en bodemtank werd gebruikt om een reeks experimenten uit te voeren waarbij verschillende randvoorwaarden aan het bodoppervlak werden toegepast.

Hoewel er vier experimenten bij verschillende windsnelheden en temperaturen zijn uitgevoerd, hebben de meeste hier gepresenteerde experimentele resultaten betrekking op een windsnelheid van 1,22 meter per seconde. De relatieve vochtigheid van het bodemoppervlak neemt in de loop van de tijd af, terwijl de temperatuur van het bodemoppervlak een stijgende trend vertoont voordat deze stabiliseert. Deze trends werden in alle vier de experimenten waargenomen en kunnen worden verklaard door de uitdroging van de bodem.

Oppervlaktetemperatuur en wind hebben minder invloed op de lokale temperaturen op grotere dieptes, waarbij geen effect wordt waargenomen bij dieptes onder de 12,5 centimeters. Verzadiging kan worden gerelateerd aan de verschillende stadia van verdamping, die worden gedefinieerd door verschillen in verdampingssnelheden. Locatie van het droogfront en dominante transportmechanismen.

Toenemende windsnelheden leiden tot een verhoogde verdampingssnelheid en een verkorte duur van de eerste verdampingsfase. Een verdere toename van de windsnelheid boven de drie meter per seconde vertoont echter weinig aanvullende impact op de eerste verdampingsfase. De tweede verdampingsfase, die primair wordt bepaald door de eigenschappen van het poreuze medium, lijkt onafhankelijk van of slechts gering beïnvloed te worden door de windsnelheid.

Dit experimentele protocol is toepasbaar op diverse omgevingscondities, waaronder veranderingen in de bodem, het klimaat, de begrenzing of de ondergrondse condities. De afmetingen en de sensorlay-out van de beschreven apparatus kunnen worden aangepast om te voldoen aan de behoeften van verschillende experimenten. Bovendien kan de vulprocedure op soortgelijke wijze worden aangepast om rekening te houden met verschillende vulconfiguraties, zoals variërende porositeitscondities en bodemheterogeniteit.