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

Summary

Un protocole pour la conception et la construction d'un réservoir de sol relié à un petit climat contrôlé soufflerie pour étudier les effets des forçages atmosphériques sur l'évaporation est présenté. Tant le réservoir du sol et la soufflerie sont instrumentées avec des technologies de capteurs pour le continu la mesure in situ des conditions environnementales.

Introduction

Comprendre l'interaction entre la terre et l'atmosphère est primordiale pour notre compréhension de nombreux problèmes mondiaux actuels tels que la fuite de dioxyde de carbone géologiquement séquestré dans le sol, le changement climatique, l'eau et l'approvisionnement alimentaire, la détection précise des mines terrestres, et l'assainissement des eaux souterraines et le sol. En outre, les principaux échanges de chaleur et d'eau qui alimentent les conditions météorologiques mondiales et régionales se produisent à la surface de la Terre. Beaucoup de phénomènes météorologiques et climatiques (par exemple, les ouragans, El Ni & # 241; o, sécheresses, etc.) sont principalement motivées par des processus associés aux interactions de surface atmosphérique-terrestres ^1. Comme plus de la moitié de la surface de la terre sur la terre est aride ou semi-aride ^2-4, décrivant avec précision le cycle de l'eau dans ces régions sur la base des échanges de chaleur et d'eau entre l'air atmosphérique et la surface du sol est essentielle pour améliorer notre compréhension de la les questions susmentionnées,particulièrement dans les régions vulnérables à la sécheresse prolongée et la désertification. Cependant, en dépit de décennies de recherche, il reste encore de nombreuses lacunes de connaissances dans la compréhension actuelle de la façon dont le sous-sol et l'atmosphère peu profonde interagissent ^5.

Processus de transport liés à l'eau liquide, vapeur d'eau, et de la chaleur dans le sol sont dynamiques et fortement couplé par rapport aux interactions avec le sol et forcée conditions aux limites (par exemple, la température, l'humidité relative, rayonnement thermique). Modèles de transfert de chaleur et de masse numériques couramment simplifient ou donnent sur un certain nombre de ces complexités due en partie à un manque de tester et d'affiner les théories existantes résultant d'un manque de données de résolution temporelle et spatiales élevées. Les ensembles de données développés pour la validation du modèle sont souvent manquent d'informations atmosphérique ou subsurface essentiel de tester correctement les théories, résultant dans les modèles numériques qui ne représentent pas correctement à l'importationprocessus de fourmis ou dépendent de l'utilisation de paramètres mal connus qui sont ajustés ou montés dans le modèle. Cette approche est largement utilisé en raison de sa simplicité et sa facilité d'utilisation et, dans certains applications montrées beaucoup de mérite. Cependant, cette approche peut être amélioré par une meilleure compréhension de la physique derrière ces «paramétrisation localisés" en effectuant des expériences bien contrôlées dans des conditions transitoires qui sont capables de chaleur de test et de transfert de l'eau théorie ^6.

Une expérimentation rigoureuse en laboratoire permet des jeux de données de précision pour être générés qui peuvent ensuite être utilisées pour valider les modèles numériques. Les données disponibles à partir de sites de terrain sont souvent incomplètes et coûteux à obtenir, et le degré de contrôle nécessaires pour obtenir une compréhension fondamentale des processus et de générer des données pour la validation du modèle pourraient être jugées insuffisantes dans certains cas. Laboratoire d'expérimentation des phénomènes naturels tels que l'évaporation du sol permet Atmosconditions atmosphériques au (ie, température, humidité relative, vitesse du vent) et les conditions du sol (par exemple, le type de sol, la porosité, l'emballage configuration) pour être soigneusement contrôlées. Beaucoup de techniques de laboratoire utilisées pour étudier l'évaporation du sol et des propriétés thermiques et hydrauliques sol utilisent un échantillonnage destructif ^7-10. Méthodes d'échantillonnage destructives exigent qu'un échantillon de sol décompacté pour obtenir des données de points, empêchant la mesure du comportement transitoire et de perturber les propriétés physiques du sol; cette approche introduit une erreur et d'incertitude pour les données. Mesures non destructives, comme la méthode présentée ici, permettent de déterminer de façon plus précise et l'étude de l'interdépendance des propriétés du sol et traite ^11.

Le but de ce travail est de développer un appareil de réservoir du sol et le protocole associé pour la génération de données à haute résolution spatiale et temporelle élevées concernant les effets des changements dans l'atmosphère et les conditions souterraines surévaporation sol nu. Pour ce travail, une petite soufflerie capable de maintenir une vitesse constante du vent et de la température est interfacé avec un appareil de réservoir du sol. La soufflerie et le réservoir du sol sont instrumentés avec une suite de l'état des technologies de capteurs de l'art pour la collecte de données autonome et continu. La vitesse du vent est mesurée à l'aide d'un tube de Pitot-statique en acier inoxydable fixé à un transducteur de pression. La température et l'humidité relative sont surveillées dans l'atmosphère en utilisant deux types de capteurs. L'humidité relative et la température sont également surveillés à la surface du sol. Capteurs dans l'humidité du sol de mesure de subsurface et de la température. Les mesures de poids de l'appareil du réservoir sont utilisés pour déterminer l'évaporation grâce à un équilibre des masses d'eau. Pour démontrer l'applicabilité de cet appareil expérimental et protocole, nous présentons un exemple de l'évaporation sol nu dans des conditions variables de la vitesse du vent. Le réservoir du sol, emballé de façon homogène avec un sable bien caractérisé, a d'abord été totalement saturated et autorisés à évaporer librement dans des conditions atmosphériques soigneusement contrôlées (température, vitesse du vent).

Protocol

Remarque: Les tests de laboratoire est effectué en utilisant un banc citerne à échelle bidimensionnelle interfacé avec un appareil de soufflerie climatique contrôlée. Tant le banc réservoir d'échelle et la soufflerie sont instrumentées avec différentes technologies de capteurs. Le protocole suivant sera d'abord discuter de la construction et de la préparation de la cuve du sol, suivie d'une discussion de la soufflerie et l'instrumentation des deux. Les dimensions du réservoir, les dimensions en soufflerie, le nombre de capteurs, et le type de technologie de capteur présentées peuvent être modifiées en fonction des besoins d'une installation expérimentale spécifique. Le protocole présenté ci-dessous a été utilisé pour étudier expérimentalement les effets de la vitesse du vent sur l'évaporation sol nu.

1. Construction et Préparation de Porous Media Tank du sol

1. Couper un grand morceau de verre acrylique épaisse de 1,2 cm en cinq volets individuels. Assemblez ces vitres dans un réservoir à toit ouvert avec le sol longueur interne, la largeur et la hauteur de 25, 9,1 et 55 cm, respcace. Verre acrylique permet aux processus dans le sous-sol pour être observé visuellement.
2. Dessiner une grille de 5 x 5 qui est de 25 cm sur 25 cm sur chacun des deux grands panneaux de verre (longueur 25 cm et la hauteur 55 cm) comme le montre la figure 1. Veiller à ce que chaque carré dans la grille a une superficie de 25 cm ² (Figure 1). La grille sera utilisé pour les capteurs convenablement espace intérieur du réservoir de sol.

Figure 1: face schématique et des vues de côté de la cuve du sol utilisé pour la mise en place expérimentale (les dimensions sont en centimètres) (a) La vue de face de la cuve du sol où figurent le système de grille constituée de vingt-cinq 5 cm x 5 cm. carrés. (B) La vue de côté de la cuve du sol, montrant la température installé, l'humidité relative et de réseau de capteurs d'humidité du sol comme une fonction de la profondeur. Notez que les schémas ne sont pas à l'échelle.

3. Sur l'un des grands avions de verre, percer un total de vingt-cinq de 1,9 cm (¾ po) de diamètre pour les capteurs d'humidité du sol.
   1. Percer chaque trou au centre de chaque carré de la grille établie à l'étape 1.2 de sorte que les centres des trous de deux carrés contigus sont de 5 cm; le premier ensemble de trous est de 2,5 cm en dessous de la partie supérieure du réservoir. Utilisez les robinets de taille appropriée pour couper les discussions dans chacun des trous nouvellement créées. Le 5 cm espacement entre les capteurs assure que chaque capteur est à l'extérieur du volume d'échantillonnage du capteur le plus proche suivant.
4. De même, percer et tarauder un total de vingt-cinq 0,635 cm (¼ po) de diamètre des trous dans le centre de chaque case de la grille créée lors de l'étape 1.2. Assurez-vous que le centre de chaque trou est espacés de 5 cm avec la première rangée de trous situés à 2,5 cm au-dessous du sommet de la cuve du sol. Le 5 cm espacement entre capteurs garantit que chaque sensor est en dehors du volume d'échantillonnage du capteur le plus proche suivant.
5. Sur le volet acrylique utilisé comme fond de la cuve, percer et tarauder un trou d'un diamètre unique ½ pouce au milieu de la vitre. Coller un tamis à mailles (plus fin que les sols d'essai à utiliser) sur le trou sur le côté interne de la vitre. Sur le côté externe du plan de fond, installer un coude à 90 ° qui est attaché à un tube flexible avec une vanne réglable. Cette valves et tubes sont utilisés pour évacuer l'eau du réservoir à la fin d'une expérience ou comme un moyen d'installer des dispositifs de tête constants pour maintenir des profondeurs de la nappe phréatique constants.
6. Utilisez de la colle de qualité marine ou adhésif polymère similaire résistant à l'eau pour fixer et sceller le réservoir ainsi que le montre la figure 1. Laisser l'adhésif sécher pendant une journée.
7. Pour soulever le réservoir de la terre et faire de la place pour le coude de 90 ° (Figure 1), joindre deux morceaux supplémentaires de verre acrylique de 1,2 cm d'épaisseur avec length 12 cm et de hauteur 5 cm au fond du réservoir.

2. Construction et préparation du climat contrôlée Wind Tunnel

1. Construire le 215 cm de long partie amont du tunnel de vent de matériau de gaines d'acier galvanisé rectangulaire qui a une largeur de 8,5 cm et une hauteur de 26 cm. Entourer l'extérieur de la gaine avec isolation en polystyrène.
2. Percez un petit trou dans le côté de l'œuvre de conduit près de la sortie en aval de la partie amont de la soufflerie pour l'insertion d'un capteur d'humidité relative, température (Figure 2).

Figure 2:. Dispositif expérimental complet, y compris le réservoir, de conduits, capteurs grille (les dimensions sont en centimètres) Complétez expérimentale mise en place de l'appareil combiné de la soufflerie et du sol-réservoir. La soufflerie estélevée et affleurant au niveau de la surface de la cuve du sol. Le réservoir du sol est instrumenté avec un réseau de capteurs utilisés pour mesurer une variété de sous-sol et les variables atmosphériques. Les cercles de la grille représentent les emplacements pour insérer ces capteurs. Un système de commande de chauffage et d'un ventilateur de conduit en ligne sont utilisés pour contrôler la vitesse de la température et du vent, respectivement. Le tube de Pitot-statique est utilisé pour mesurer la vitesse du vent. L'ensemble du dispositif est assis sur une échelle de pondération pour obtenir un bilan de masse lors de l'expérimentation. Notez que le schéma est pas à l'échelle.

3. Installation de cinq éléments de chauffage à infrarouge en céramique positionnés en parallèle à l'intérieur d'un réflecteur le long de la longueur de la partie en amont de la soufflerie. Connecter les éléments chauffants à infrarouge à un système de contrôle de la température réglée par un capteur de température infrarouge.
4. Construire la mi-section du tunnel de vent de deux 1.2 cm panneaux acryliques épais avec une longueur et une hauteur de 25 cm et 26 cm respectivement.Percez deux 0,635 cm (¼ po) de diamètre des trous dans l'un des panneaux mi-section d'insérer la température et / ou relatifs capteurs d'humidité-température aux endroits indiqués sur la figure 2.
   1. Fixez les panneaux en acrylique au sommet des parois latérales du réservoir du sol (c.-à-panneaux avec des dimensions de 25 cm x 55 cm) à l'aide d'un ruban adhésif fort, assurant que le tunnel de vent et panneaux de réservoir du sol affleurer un avec l'autre.
5. Construire les 50 premiers centimètres de la partie aval de la soufflerie de la même taille matériau de canalisation rectangulaire décrit à l'étape 2.1. Sur le côté de terminaison, de réduire le matériau de gaine à un conduit rectangulaire autour 15,3 cm de diamètre avec une longueur de 170 cm. Installer un amortisseur de l'acier galvanisé, utilisé pour ajuster la vitesse du vent, à l'extrémité aval du conduit rond de l'aide dans le contrôle de la vitesse du vent.
6. Comme dans l'étape 2.2, percer un trou d'un 0,635 cm de diamètre dans le côté de la gaine rectangulaire aval près de l'entrée pour lel'insertion d'un capteur d'humidité relative à la température. Percez un second trou d'un diamètre de 0,635 cm à partir du haut de la gaine rectangulaire le long de la ligne médiane du tunnel de vent.
7. Installer un ventilateur en ligne conduit dans le milieu de la gaine (ie, 85 cm en aval de la réduction décrite dans l'étape 2.4) orientés pour expulser l'air de la partie aval de la soufflerie. Interfacer le ventilateur avec un régulateur de vitesse variable pour un contrôle plus précis de la fréquence de rotation et comme résultat une vitesse de vent.
8. Utiliser du matériel de soudure et des étagères réglables pour élever et de sécuriser l'appareil de soufflerie. Assurez-vous que le fond de la canalisation en amont et en aval sont de niveau avec la partie supérieure du réservoir du sol (figure 2).

3. Installation des capteurs

1. Avant l'installation dans le réservoir du sol, sécuriser chaque humidité du sol et le capteur de température à l'intérieur d'un boîtier fileté NPT (1,9 cm et 0,635 cm boîtiers, respectivement) et seal avec du mastic à clignoter pour empêcher l'intrusion d'humidité. Ne pas utiliser de produits d'étanchéité à base de silicone, car ils peuvent interférer avec les appareils électroniques au sein de certains capteurs. Guérir les capteurs pendant environ une semaine.
2. Avant l'installation dans le réservoir du sol, calibrer les capteurs d'humidité du sol, conformément à la méthode de mélange de α-deux points développé par Sakaki et al. ^12.
3. Envelopper les filets de chaque logement TNP avec des plombiers ruban avant l'installation dans le réservoir pour aider à fournir une meilleure étanchéité entre le filetage NPT et le verre acrylique.
4. Installez un total de 25 humidité et de température du sol capteurs chacun horizontalement à travers les parois de la cuve dans les lieux décrits dans l'étape 1.2. Tordre les câbles de capteur en synchronisation avec le NPT / logement afin de ne pas endommager le câblage interne dans les câbles. Ne pas trop les NTP couple de manière à empêcher le verre de la fissuration. Connecter les capteurs d'humidité du sol et des capteurs de température à leurs données désignésbûcherons.
5. Installez 3 relatifs capteurs d'humidité-température sur la surface du sol à des distances de 2,5, 12,5 et 21,5 cm de la pointe du réservoir. Placer les capteurs dans un bon contact avec la surface du sol de sorte que les lectures d'humidité relative reflètent les conditions à la surface du sol plutôt que l'air environnant. Connecter les capteurs à des enregistreurs de données.
6. Pour obtenir la température de l'air requise et mesures d'humidité relative dans l'atmosphère, installez relatifs capteurs d'humidité-température dans la section d'écoulement libre de la soufflerie, en utilisant les trous percés dans les sections amont et aval de la soufflerie ainsi que les panneaux.
7. Installez un tube de Pitot-statique directement en aval de la cuve du sol à travers le trou de 0,635 cm percé dans le haut de la section de tunnel de vent en aval. Tenir le tube de Pitot-statique à une hauteur de 13 cm à partir du plancher de la section. Connecter le tube de Pitot-statique à un transducteur de pression différentielle.
8. Calibratenvoyer le transducteur de pression différentielle. La pression dynamique des mesures de tube de Pitot-statique, qui est défini comme étant la différence de la stagnation et des pressions statiques. La différence de pression est interprété par le transducteur de pression en tant que différence de tension.
   1. Mesurer la tension sous aucune condition d'écoulement (tension doit être approximativement égale à 0) et pour l'écoulement d'une pression dynamique connue; ce qui permet à une relation linéaire établie entre la pression dynamique et de la tension. Déterminer la vitesse du vent en appliquant l'équation de Bernoulli:
      (1)
      où V (m / sec) est la vitesse du vent, P _dynamique (Pa) est la pression dynamique, et ρ (kg / m ³⁾ est la densité de l'air.
   2. Comparer la vitesse calculée en utilisant l'équation (1) avec un autre dispositif de mesure. Ici, comparez les différentiels de tube tra de pression de Pitot-statiquensducer avec Vélocimétrie Laser Doppler (LDV) des mesures qui a une précision de ± 0,01 m / sec.
      Remarque: Un résumé des capteurs utilisés et leurs fréquences d'échantillonnage associés peut être trouvé dans le tableau 1 Pour les spécifications de capteurs et d'autres informations, se référer à la documentation ci-jointe / liste d'équipement..

Capteur	Mesures de capteurs	Nombre de capteurs utilisés dans un appareil expérimental	Capteur Fréquence d'échantillonnage (min)
CE-5	L'humidité du sol	25	10
ECT	Sol / température de l'air	25	10
SH-1	Propriétés thermiques	1	10
EHT	Humidité relative / température	10
Caméra infrarouge	La température de surface / évaporation	1	1
Appareil photo numérique	Visualisation du front de séchage	1	60
Tube de Pitot statique	La vitesse du vent	1	10
Échelle Pondération	Évaporation taux cumulatif / évaporation	1	10

Tableau 1: Sommaire des capteurs utilisés dans la partie expérimentale de la présente étude.

4. Emballez le sol de réservoirs et de préparer le début de l'expérience

1. Avant l'emballage le réservoir avec le sol, tester son intégrité en effectuant un test de fuite. Remplir le réservoir avec de l'eau et d'attendre 4-6 h pour assurer qu'aucune fuite dans la structure ou des capteurs ont développé.
   1. Si les fuites se développent, vidanger le réservoir, laisser sécher pendant la nuit et colmater les fuites en utilisant la même marine adhésif utilisé lors de la construction d'origine. Si aucune fuite développent, vider le réservoir du sol et de préparer les étapes ci-dessous.
2. Déterminer le volume total de la cuve avec des capteurs en place. Remplissez soigneusement le réservoir avec de l'eau à l'aide d'une éprouvette graduée, en veillant à enregistrer la quantité d'eau ajoutée. Convertir le volume total enregistré en centimètres cubes pour une utilisation dans l'étape 4.5.
3. Obtenir un sol sec pour emballer le réservoir du sol. Caractériser les propriétés hydrauliques et thermiques du sol sélectionné séparément conformément aux méthodes décrites dans Smits et al. ¹¹
4. Soigneusement humide emballer le réservoir du sol avec de la terre et de l'eau déminéralisée.
   1. Mouiller-emballer le réservoir du sol, versez d'abord environ 5 cm d'eau dans le réservoir. Ajouter lentement sol sec à l'eau dans le réservoir, en utilisant un scoop, par incréments de 2,5 cm de profondeur. Noter le poids du sable ajouté au cours de chaque ascenseur, donc la porosité de l'emballage du sol peut être calculée.
   2. A l'issuede chaque couche, appuyez à plusieurs reprises les parois de la cuve à l'aide d'un maillet en caoutchouc, 100-200 fois, pour obtenir une densité apparente uniforme. Tout en tapant, éviter le contact avec les capteurs et les fils de la sonde. L'utilisation de dispositifs vibratoires doit être évitée afin de ne pas endommager le réseau de capteurs sensibles.
5. À la fin de l'emballage du réservoir, résumer ensemble les poids de chaque couche de sol (voir l'étape 4.4) pour obtenir la masse totale du sol. Diviser la masse totale de la masse volumique apparente du sol (par exemple, la densité apparente du sable de quartz est de 2,65 g / cm ³⁾ pour déterminer le volume du sable (V _s, cm ^3). Calculer la porosité (η, m ³ / m ³⁾ du sol dans le réservoir en fonction de:
   (2)
   où (V _T, m ³⁾ est le volume total de la cuve vide déterminé à l'étape 4.2.
<li> Une fois que le réservoir est plein à craquer, placer un couvercle en plastique comme une pellicule sur le réservoir jusqu'à ce que l'expérience est prêt à commencer à prévenir l'apparition de l'évaporation.
6. Placez le réservoir sur une échelle de pondération pour surveiller la perte cumulative d'eau qui peut à son tour être utilisé pour calculer le taux d'évaporation.
7. Calculer le taux d'évaporation horaire en divisant la perte de poids horaire par le produit de la densité de l'eau et la surface de section transversale de la surface d'évaporation.

5. Lancer l'expérience et de commencer la collecte des données

1. Une fois que le set-up est complet, déterminer les conditions atmosphériques souhaités (c. de température, vitesse du vent). Veiller à ce que les enregistreurs de données et d'autres systèmes d'acquisition de données sont activés et réglés sur les intervalles d'échantillonnage correctes (par exemple, toutes les 10 min).
2. Démarrez le système de ventilation et de contrôle de la température. Autoriser les conditions climatiques pour équilibrer avant de retirer le couvercle en plastique sur la surface de la sréservoir d'huile. Exécutez l'expérience pour la durée souhaitée (par exemple, 15 jours).

Representative Results

L'objectif de l'expérience présentée ici était d'étudier l'effet de la vitesse du vent lors de l'évaporation du sol nu. Principales propriétés du sol de test utilisé dans la présente étude sont résumés dans le tableau 2. Une série d'expériences ont été réalisées dans laquelle différentes conditions aux limites à la surface du sol (par exemple, la vitesse du vent et de la température) ont été appliqués (tableau 3). Bien que quatre expériences à des vitesses et des températures de vent différentes ont été réalisées, la majorité des résultats expérimentaux présentés ici sont pour une vitesse du vent de 1,22 m / sec. Les données de l'évaporation cumulative est montrée pour les quatre expériences.

Emballage Conditions	Densité vrac sec (G cm -3)	Pression Air Entrée (Cm H 2 O)	teneur en eau résiduelle (M 3 m -3)	Van Genuchten
			Paramètres de modèle *
			α (cm -1)	n (-)
Serré	1.79	16.1 / 22.5	0,028	0,04	20.53

Tableau 2: Les caractéristiques essentielles de sol expérimental de test utilisé.

Expérience Run #	Vitesse moyenne du vent maximum	Température initiale sur la surface du sol	Température finale sur la surface du sol
	(M / sec)		(° C)
1	0,55	27	31
2	1.22	26	33
3	3	29	37
4	3.65	33	44,5

Tableau 3: la vitesse du vent expérimentales appliquées.

En fonction du temps d'humidité relative et de la température mesurée à la surface du sol sont présentés dans la figure 3. L'humidité relative reste relativement constant à environ 0,80 pour environ deux jours avant de diminuer fortement au cours des quatre prochains jours, au-delà duquel une valeur d'humidité relative stable de 0,35 est obtenu. La température de la surface du sol montre une tendance à la hausse sur une période de quatre jours avant de se stabiliser. Ces tendances ont été observées dans les quatre expériences et peuvent être expliqués danstermes de l'assèchement du sol. L'humidité relative diminue conjointement avec une diminution de la vitesse d'évaporation, car il ya moins de vapeur d'eau présente au cours du temps. Les augmentations de température que les baisses d'eau disponibles (c., les baisses de taux d'évaporation) parce que le processus d'évaporation ne refroidit la surface du sol. Pendant les trois premiers jours, l'humidité relative de l'air en aval était plus élevée que l'air en amont en raison de la présence de plus de vapeur d'eau résultant de l'évaporation en amont. Cette tendance a été renversée plus tard, probablement en raison de la sonde amont perdre le contact avec la surface du sol; les câbles de détecteurs de temps en temps sont flexibles et tirer le capteur à partir de la surface du sol, en changeant la valeur d'humidité. L'humidité relative mesurée en aval est supérieure à celle mesurée en amont, car le processus d'évaporation le long de la première 21,5 cm du réservoir augmente la quantité d'humidité présente dans l'air.

<img alt = "Figure 3" src = "/ files / ftp_upload / 52704 / 52704fig3highres.jpg" width = "700" />
Figure 3: l'humidité relative et la température mesurée sur la surface du sol (Ce chiffre a été modifié par Davarzani et al ^5.).

La température de l'air libre d'écoulement dans cette expérience a été fixé à une valeur constante de 40 ° C à l'aide du système de commande de température décrit précédemment. La température en fonction du temps et de l'humidité relative de l'air dans l'écoulement libre, à une hauteur de 8,5 cm au-dessus de la surface du sol, sont représentés sur la figure 4. Les fluctuations diurnes observées de la température est due à la variabilité des sorties de chauffage en réponse à la température mesurée par le capteur de température infrarouge qui régule le système de commande de température (voir étape 2.3). Fluctuations diurnes peuvent être évités, si on le souhaite, en réglant le capteur de température infrarouge à une valeur de consigne de température. La différence atmosphériquetempérature le long de la longueur du réservoir est le résultat d'un refroidissement par évaporation (figure 4).

Figure 4: humidité relative et température mesurée à 7,5 cm au-dessus de la surface du sol en amont et en aval de la cuve (Ce chiffre a été modifié par Davarzani et al ^5.).

Sur la figure 5a, la température du sol en fonction du temps est représentée pour des profondeurs de 2,5 cm, 7,5 cm et 12,5 cm en dessous de la surface du sol ainsi que de la température ambiante; voir la Figure 1 pour l'identification du capteur. Comme on le voit sur ​​la figure 5a, la température de surface et de la vitesse du vent sont moins influent sur ​​les températures locales à plus grande profondeur -. Montrant aucun effet à des profondeurs en dessous de 12,5 cm La figure 5B montre que la température afonction du temps pour trois capteurs situés à une profondeur de 2,5 cm. Il ya une légère différence de température pour les capteurs à cette profondeur avec le capteur amont 5 montrant une température plus élevée que le capteur aval 1. Ceci est parce que la température de libre circulation est toujours plus élevée en amont qu'en aval (Figure 4). Les différences de température entraîne également un profil asymétrique de saturation dans le réservoir de sol comme cela sera montré par la suite.

UNE

B

Figure 5: Evolution de la température du sol mesurée en fonction du temps (a) à la verticale au milieu de la cuve et (b) horizontalement à une profondeur de 2,5 cm (Ce chiffre a été modified de Davarzani et al. ^5).

La figure 6a représente la saturation en fonction du temps en fonction du temps à des profondeurs de sol de 2,5, 7,5, 12,5, et 17,5 cm. Pour des profondeurs supérieures à 12,5 cm, la saturation est resté à 100% pour la durée de l'expérience; plus près de la surface du sol cependant, la saturation diminue au fil du temps. La saturation montre la figure 6a peut être lié aux différentes étapes d'évaporation (c.-à-étapes I et II), défini par des différences dans les taux d'évaporation, l'emplacement du front de séchage et de transport dominant mécanismes ^14. Au cours de l'étape I évaporation, le front de séchage se retire rapidement loin de la surface du sol que les forces gravitationnelles et visqueuses commencent à dominer les forces capillaires. Ceci est observé dans le premier jour mesurée par la diminution de la saturation du sol par la première rangée de capteurs d'humidité du sol correspondant à une profondeur de 2,5 cm. Après le jour 1, la vitesse à laquelle le séchage avant continues de se retirer ralentit comme indiqué dans la forme progressive des courbes de saturation pour les capteurs 6-10 situés à une profondeur de 7,5 cm (figure 6A). Cette marque la transition de l'évaporation à la diffusion de vapeur limitée évaporation Phase II. La partie initiale de l'étape II est souvent appelée la période de baisse du taux ^15-17. Finalement, les courbes de saturation et se stabilisent changent très peu que le front de séchage atteint une profondeur de 12,5 cm (par exemple, capteur 13) par Jour 3.

UNE

B

Figure 6: évolution dans le temps de mesurer la saturation du sol en subsurface (a) à la verticale au milieu de la cuve et (b) horizontalement à une profondeur de 2,5 cm (Cette figure a été modifié depuis Davarzani et al. ^5).

La figure 6b représente la saturation en fonction du temps pour trois capteurs situés à profondeur constante de 2,5 cm. Les courbes de saturation sont à peu près identique et uniforme sur toute la longueur de la cuve à cette profondeur. La légère distribution asymétrique est due à la différence de température de l'air entre les sections amont et aval de la soufflerie. Depuis des températures en amont étaient toujours quelques degrés de plus, la demande atmosphérique, qui entraîne l'évaporation, seraient plus élevés et donc il y aurait un rythme légèrement plus rapide de séchage.

La figure 7 montre la vitesse du vent, la valeur moyenne de 1,22 m / s, en fonction du temps. La tendance diurne sinusoïdale observée dans la vitesse du vent est le résultat de changements dans les conditions atmosphériques, tels que la pression barométrique et la densité de l'air. La vitesse moyenne du vent a été utilisé dans les efforts de modélisation parce que les effets de Diurfluctuations nales de variables atmosphériques ne sont pas l'objet de la présente étude. Cela ne signifie pas cependant que les données dépendantes du temps ne pouvaient pas être utilisés. Dans le cadre de la série d'expériences d'évaporation, quatre différentes vitesses de vent moyenne ont été appliquées; voir le tableau 3 pour un résumé. Les nombres de Reynolds calculées pour toutes les expériences dans cette étude étaient dans le laminaire et les régimes d'écoulement transitoires. Toutefois, il est bien connu que la turbulence de surface peut affecter les taux d'évaporation ¹⁶ et doit être adressée dans les études futures.

Figure 7: en fonction du temps la vitesse du vent sur ​​la surface du sol avec une valeur moyenne de 1,22 m / s ^{- 1} (Ce chiffre a été modifié depuis Davarzani et al ^5.).

L'effet du flux d'air dansla région liquide libre (c.-à-atmosphère) lors de l'évaporation cumulative est illustrée à la figure 8. évaporation cumulative est tracée pour quatre vitesses différentes libre de flux de vent moyennes (VW) de 0,50, 1,20, 3,00 et 3,60 m / sec. Les résultats démontrent que la vitesse du vent a un effet très important sur l'évaporation cumulative et le montant de la perte de l'eau au cours des différentes étapes d'évaporation. Comme le montre la Figure 8, l'augmentation de la vitesse du vent augmente l'évaporation totale. En comparant les pentes des courbes, la plus grande influence était sur ​​le taux d'évaporation initiale, ici dénommé étape 1. Étape 1 évaporation est souvent définie par des taux élevés et relativement constants évaporation ¹⁷ et est principalement influencée par la demande atmosphérique plutôt que les conditions du sol . Comme la vitesse du vent est en outre passé de 3 à 3,6 m / s, l'évaporation montre beaucoup moins dépendant de changements progressifs à la vitesse du vent a été observé que des changements à des vitesses de vent faibles. Croissantvitesse du vent conduit à une augmentation du taux d'évaporation Phase I tout en réduisant simultanément le temps de transition de la phase I à la phase II ^5. L'influence de la vitesse du vent lors de l'évaporation est moins importante pour la phase II évaporation qui est contrôlé principalement par le milieu poreux. Au cours de cette phase, l'évaporation est contrôlée par la vitesse à laquelle l'eau peut être transmise à la surface du sol par diffusion plutôt que la demande atmosphérique.

Figure 8: L'effet des différentes vitesses de vent moyennes sur l'évaporation cumulative (Ce chiffre a été modifié depuis Davarzani et al ^5.).

Discussion

Le but de ce protocole était de développer un dispositif expérimental et les procédures associées pour la production de données à haute résolution spatiale et temporelle élevées requises pour étudier les interactions terrestres atmosphérique par rapport à la chaleur et les processus de transfert de masse. L'appareil expérimental décrit composée d'un réservoir de sol et un petit tunnel de vent, les deux qui ont été équipé d'un réseau de capteurs pour la mesure de sol et atmosphériques variables pertinentes (par exemple, la vitesse du vent, l'humidité relative, température du sol et de l'air et de l'humidité du sol ). Voici quelques-uns des éléments les plus critiques du protocole présenté dans cette étude.

Les dimensions du réservoir et le capteur de placement ont été spécifiquement choisie pour maximiser le nombre de capteurs utilisés tout en tenant compte des volumes d'échantillons respectifs du capteur. La première rangée de capteurs est de 2,5 cm sous la surface du sol due au volume de l'échantillon de chaque capteur (défini comme la volume de terrain autour du capteur, dans lequel un changement dans les conditions environnementales affecte les lectures du capteur). Les capteurs, placés en NPT, sont installés horizontalement à travers les parois de la cuve du sol de sorte que les fils du capteur ne sont pas dans le sol lui-même; tous les fils de détection sont à l'extérieur de la cuve, ce qui empêche l'acheminement de l'eau. L'installation d'un grand réseau de capteurs de température et d'humidité du sol permet distributions horizontales et verticales de ces variables à déterminer à une résolution spatiale fine.

Placer le réservoir du sol sur une échelle de pondération permet la perte d'eau cumulatif et le taux d'évaporation associée à être déterminées en utilisant la méthode du bilan de masse d'eau décrite ci-dessus. Ces valeurs peuvent ensuite être comparés aux taux d'évaporation obtenues par d'autres méthodes telles que la chaleur impulsion combinée et sensible méthode du bilan de chaleur utilisée dans Trautz et al. ¹⁸

La partie de la soufflerie de l'apparatus est composé de trois parties - une section amont, en aval et au milieu. Le tronçon amont est utilisée pour chauffer l'air avant qu'il ne soit tirée sur le réservoir du sol dans la partie centrale à l'aide d'un système de régulation de température. La section centrale de la soufflerie est équipé de technologies de capteurs pour la mesure de la température et l'humidité relative. La partie en aval de la soufflerie contient un ventilateur et un amortisseur conduit en ligne pour contrôler la vitesse du vent qui est surveillé à l'aide d'un tube de Pitot-statique.

L'applicabilité de l'appareil de tunnel réservoir vent sol décrit ci-dessus a été démontrée dans une étude de cas expérimentale des effets de la vitesse du vent sur le taux d'évaporation. Les résultats montrent que l'augmentation de la vitesse du vent conduit à une vitesse d'évaporation accrue et raccourci la phase I durée de l'évaporation. Augmentation de la vitesse du vent au-delà de 3 m / sec cependant, montre peu d'impact supplémentaire sur scène, je l'évaporation. Phase II évaporation, régi principalement par des propriétés of le milieu poreux, semble être indépendante ou seulement légèrement influencée par la vitesse du vent.

Ce protocole expérimental est applicable à une variété de conditions environnementales pour inclure les changements dans les conditions du sol (c.-à différents types de sols, les configurations d'emballage, la végétation et les milieux urbains), des conditions aux limites climatiques (température, vitesse du vent, précipitations) ou les conditions souterraines (eau par exemple varier les niveaux de table). Les dimensions et la disposition capteur de l'appareil décrit peut être modifié pour répondre aux besoins des différentes expériences. La procédure de garnissage décrit ci-dessus peut être modifié de manière similaire pour tenir compte des différentes configurations d'emballage tel que différentes conditions de porosité et de l'hétérogénéité des sols.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
ECH2O EC-5 Soil Moisture Sensor (25)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40593	For specifics visit: http://www.decagon.com/products/soils/volumetric-water-content-sensors/ec-5-soil-moisture-small-area-of-influence/. Sampling frequency on 10 minute intervals, accuracy is ±3%, and collect data using the Em50 dataloggers
ECT Soil/Air Temperature Sensor (19)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40651	For specifications visit http://www.decagon.com/products/canopy-atmosphere/temperature/ect-air-temperature/. Sampling frequency on 10 min intervals, accuracy is ±0.5 °C, Measure within a temperature of 5 and 40 °C, and collect data using the Em50 dataloggers
EHT Relative Humidity and Temperature Sensor (5)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	N/A	Sampling Frequency on 10 min intervals, accuracy is ±3% between 5% and 100% relative humidity, and collect data using Em50 data loggers. For more information visit decagon.com
Em50 Data Logger (10)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40800	For specifics visit http://www.decagon.com/products/data-management/data-loggers/em50-digital-analog-data-logger/. ECH2O decagon devices, pulls data from the ECT, EC-5, and EHT sensors, and each data logger has 5 sensor connections and a com port that connects from the logger to USB to computer
Sartorius Weighing Scale (1)	Sartorius Corporation	11209-95	Sartorius Model 11209-95, Range = 65 kg, Resolution = ±1 g
Infrared SalamandernCeramic Radiative Heater (1)	Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/	FTE 500-240	5 heaters needed, adjust to get the right ambient/free-flow temperature
2104 Temperature Control System (1)	Chromalox	2104	Controls the heaters
Infrared Temperature Sensor Regulator (1)	Exergen Corporation	N/A	Monitors the heaters temperatures

Name	Company	Catalog Number	Comments
Stainless Steel Pitot-Static Tube (1)	Dwyer Instruments, Inc. http://www.dwyer-inst.com/	Series 160	For specifics visit http://www.dwyer-inst.com/Product/%20TestEquipment/PitotTubes/Series160. Sensor sampling frequency is every 10 minutes, must be connected to differential pressure transducer and anemometer, and convert the pressure data collected into win velocities using Bernoulli's equation.
1/2 inch Acrylic (1)	Colorado Plastics http://www.coloradoplastics.com/	N/A	Specific heat of 1,464 J kg-1 K-1, thermal conductivity of 0.2 W m-1 K-1, and a density of 1,150 kg m-3
Galvanized Steel Ducting Material (1)	Home Depot	N/A	Material used to build wind- tunnel, and both round and rectangular ducting were used in construction and connected using square-to-round reducer duct
Variable Speed Controller Connected to an In-Line Duct Fan (1)	Suncourt, Inc. http://www.suncourt.com/	VS200	15.3 cm in Diameter Placed in-line with round duct
Galvanized Steel Damper (1)	Home Depot	N/A	Used to control/reduce speeds in the wind tunnel for low velocity data
Accusand #30/40 (1)	Unimin Corporation http://www.unimin.com/	N/A	This sand is silica sand and is 99.8% quartz, its grain shape is classified as rounded, the uniformity coefficient is approximately 1.2, and the grain density is 2.66 g/cm3.