SiSPAT-Isotope, a coupled heat, water and stable isotope (HDO and H218O) transport model for bare soil. Part I. Model description and first verifications
SiSPAT-Isotope, un modèle couplé de transfert d`eau, de chaleur et d`isotopes stables de l`eau (HDO AND H218O) pour le sol nu. Partie I. Description du modèle et premières vérifications
Résumé
Stable water isotopes, namely deuterium and oxygen 18, are tracers of water movement within the soil-vegetation-atmosphere system. They provide useful information for a better understanding of evaporation and transpiration processes as well as water vapour transport within soils. To better evaluate those potentialities and to identify possible lack of knowledge, a coupled heat, water and stable isotope transport model, called SiSPAT-Isotope was developed for bare soil. This paper presents the theoretical basis of the model, revisiting existing formulations encountered in the literature. An emphasis was put on the formulation of the kinetic fractionation factor, conditioning the resistance to isotope transport between the soil surface and the atmosphere, for which no agreement exists in the literature. The paper also presents first validation tests, showing the consistency of the model by comparison with existing analytical solutions. Sensitivity tests showed that the isotope concentration was very sensitive to the formulation of the resistance to isotope transport between the soil surface and the atmosphere, especially under saturated soil conditions. Only a comparison with existing data sets and further laboratory and field experiments, can help decide which formulation has to be used and in which conditions. Finally, an example of simulation under non-steady state conditions is also presented and discussed.
Les isotopes stables de l`eau, le deutérium et l`oxygène 18, sont des traceurs des mouvements de l`eau dans le système sol - végétation - atmosphère. Ils fournissent des information utiles pour mieux comprendre les processus d`évaporation et de transpiration, mais aussi de transfert en phase vapeur dans le sol. Afin de mieux évaluer ces potentialités et identifier les questions scientifiques non encore résolues en ce domaine, nous avons développé, pour sol nu, un modèle couplé de transport d`énergie, d`eau et d`isotopes stables de l`eau, appelé SiSpAT-Isotope. Cet article présente les bases théoriques du modèle et revisite les formulations existantes dans la littérature. On se focalise notamment sur la formulation du facteur de fractionnement cinétique, qui conditionne la résistance au transfert d`isotopes entre la surface du sol et l`atmosphère, pour lequel, il n`existe pas de consensus dans la littérature. L`article présente aussi des premiers tests de validation, par comparaison avec des solutions analytique, qui montrent la cohérence du modèle. Des tests de sensibilité ont montré que la concentration en isotopes était très sensible à ce fractionnement cinétique, notamment pour les sols saturés. Seule une comparaison avec des jeux de données et de nouvelles expérimentations de laboratoire ou de terrain permettront de définir les domaines d`applications des différentes formulations existantes. Enfin, on présente un exemple de simulation en conditions non stationnaires.