SiSPAT-Isotope, a coupled heat, water and stable isotope (HDO and H218O) transport model for bare soil. Part II: Evaluation and sensitivity tests using two laboratory data sets - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Journal of Hydrology Année : 2005

SiSPAT-Isotope, a coupled heat, water and stable isotope (HDO and H218O) transport model for bare soil. Part II: Evaluation and sensitivity tests using two laboratory data sets

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 II. Evaluation et tests de sensibilité à l`aide de deux jeux de données de laboratoire

Résumé

Stable water isotopes are tracers of water movement within the soil -vegetation-atmosphere system. They have the potential for a better understanding of water vapour transport within soils, evaporation and transpiration processes. To better understand those potentialities and possible lack of knowledge, a coupled heat-water and stable isotope transport model, called SiSPAT-Isotope was developed for bare soil. We presented the theoretical basis of the model in the first part of the paper, including a first validation of the likelihood of model results and a comparison with existing analytical solutions. In this companion paper, we go a step further by comparing the model results with two data sets collected on laboratory columns. In both cases, five soil columns were saturated and let drying during 173 and 253 days, respectively. At selected dates, one of the column was cut in slices and analysed to determine the volumetric water content, the deuterium and oxygen 18 concentrations profiles. The first data set was acquired on disturbed soil columns. The second one was collected on non disturbed soil columns and it included a complete monitoring of atmospheric variables. It was not the case for the first one and a sensitivity analysis of model results to the air humidity was performed, showing its large influence on surface isotope concentrations. For both data sets, we also conducted a sensitivity analysis to the formulation of the kinetic fractionation factor, conditioning the resistance to isotope transport between the soil surface and the atmosphere, and to the value of soil tortuosity. The results showed that the model was able to reproduce the behaviour of the observed concentration profiles. A fair agreement between measured and calculated values was obtained for all profiles for the disturbed soil. Near surface concentrations were in general overestimated for the undisturbed soil, raising the question of possible influence of immobile water on concentrations values. We showed that soil tortuosity was mostly influential on the depth of the peak isotope concentration, which opens perspectives for its retrieval from the measurement of isotope concentration profiles. When only molecular diffusion was considered, the model was not able to reproduce the liquid slopes of the deuterium/oxygen 18 relationships at the beginning of the drying process. Results were more in agreement with the data when molecular diffusion combined with turbulent transfer were considered. Further laboratory and field experiments are however still required to derive a formulation of the kinetic fractionation factor adapted to drying soils and non-saturated conditions.
Les isotopes stables de l`eau 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. Les fondements théoriques du modèle ont été présentés dans la première partie de cet article qui inclut aussi une première validation de la cohérence du modèle et une comparaison avec des solutions analytiques. Dans cette seconde partie, nous comparons les résultats du modèle avec les mesures de deux jeux de données collectés sur des colonnes de laboratoire. Dans les deux cas, cinq colonnes de sol ont été saturées et laissées évaporer durant 173 et 253 jours respectivement. A certaines dates, l`une des colonnes était découpée en morceaux et ces derniers analysés pour déterminer les profils de teneur en eau volumique, et de concentration en deutérium et oxygène 18. Le premier jeu de données avait été acquis sur colonnes de sol remanié. Le second jeu de données concerne des colonnes de sol non remanié et comprenait un suivi complet des variables atmosphériques. Ce n`était pas le cas pour le premier jeu de données pour lequel une étude de sensibilité du modèle à l`humidité relative de l`air a été faite, montrant la grande influence de cette variable sur la concentration en isotopes. Pour les deux jeux de données, nous avons aussi mené une étude de sensibilité à la formulation du facteur de fractionnement cinétique, qui conditionne la résistance au transport des isotopes entre la surface du sol et l`atmosphère, ainsi qu`à la tortuosité du sol. Les résultats ont montré que le modèle était capable de reproduire le comportement observé sur les données. Un accord satisfaisant entre les valeurs de concentrations calculées et mesurées a été obtenu pour tous les profils de sol remanié. Les concentrations en surface étaient en général sur-estimées pour le sol non remanié, posant la question de l`existence d`eau immobile dans le sol. Nous avons montré que la tortuosité du sol influait surtout sur la profondeur du pic de concentration, ce qui ouvre des perspectives pour la détermination de ce paramètre à partir de profils de concentration en isotopes. Quand on considère uniquement la diffusion moléculaire, le modèle n`est pas capable de reproduire les pentes des droites de régression deutérieum/oxygène 18 en début d`assèchement. En revanche, lorsqu`on considère à la fois les diffusions moléculaire et turbulente, l`accord entre modèle et mesures est meilleur. De nouvelles expérimentations de laboratoire et de terrain sont néanmoins nécessaires pour dériver une formulation du facteur de fractionnement cinétique, adaptée aux sols non saturés en cours de dessèchement.

Mots clés

Dates et versions

hal-02586535 , version 1 (15-05-2020)

Identifiants

Citer

Isabelle Braud, Thierry Bariac, Michel Vauclin, Zakaria Boujamlaoui, J.P. Gaudet, et al.. SiSPAT-Isotope, a coupled heat, water and stable isotope (HDO and H218O) transport model for bare soil. Part II: Evaluation and sensitivity tests using two laboratory data sets. Journal of Hydrology, 2005, 309 (1-4), pp.301-320. ⟨10.1016/j.jhydrol.2004.12.012⟩. ⟨hal-02586535⟩
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