Coupled heat and water flow dynamics in dry soils : application to a multilayer waste cover

Abstract

Unsaturated flow plays an important role in numerous environmental phenomena. It is complex in arid regions, where liquid water fluxes are small and vapor fluxes become relevant, so that heat, water and solute mass transport are needed to understand evaporation. This thesis aims at gaining insight evaporation and vapor flow mechanisms and the relevance of matric potential, temperature and osmotic gradients. These issues are especially relevant for soil salinization, whose mechanisms are poorly understood despite their global impact. We studied them in open soil evaporation column experiments. We found that a water separation process occurs in the soil. Above a very narrow evaporation front, the soil contains high salt concentrations due the solutes transported by the upward liquid flux and concentrated by evaporation. Below, concentrations are lower than the initial ones, because vapor flows downwards below the evaporation front driven by temperature gradients. Condensation of this downward vapor flux dilutes upflowing water, improving soil conditions and providing an area where root plants could live. We modeled nonisothermal multiphase flow and reactive transport during the experiments to quantify the actual processes and to understand the nature of the downward vapor flux. Modeling required modifying the retention curve to represent oven dry conditions. Our model supports the traditional division of soil, by an evaporation front, into a dry region and a moist region. This view may suffice for evaluating evaporation rates and water mass balances, but not for assessing salt processes, which require acknowledging that not only liquid water flow but also vapor diffusion occur below the evaporation front. Unsaturated flow concepts control the design of covers to isolate solid waste. Their goal is to protect the waste from infiltration during long periods of time by promoting surface runoff and lateral drainage and by hindering biointrusion. Two cover designs were built, both consisting of an evapotranspiration layer, a biointrusion barrier and an infiltration barrier. We analyzed their performance for two years (2009 and 2010, which was very wet) by a thorough monitoring system. We conclude that the upper portion of one cover did work as planned, but the lower infiltration barrier did not, which suggests some design improvements: increase the retention capacity of the sand layers, include filter layers and facilitate lateral drainage by increasing the slope in the top area. We studied the daily and annual variations of vapor fluxes using data from the covers. We find that most water flow in the top portion of the soil occurs in the gas phase. Vapor fluxes are controlled by temperature and follow its fluctuations, switching direction with a daily frequency and a depth dependent lag. Downward vapor fluxes are dominant during the summer and upward fluxes during the winter. Deeper into the soil, vapor fluxes vary seasonally, flowing almost constantly upwards during the cold season, and vice versa. Rainfall events have a cooling effect, reversing summer vapor fluxes. Yet, the net annual flux is downwards. Furthermore, an approximate analytical solution to calculate diffusive vapor fluxes at any depth, is presented. While vapor fluxes are quantitatively small, they may still represent a significant source of water during summer for shallow roots. Plants may attract water from hot zones around to the root zone, kept colder by the plant shadow and by transpiration. Numerical modeling is also used to simulate one of the covers. Model output is compared to observations (suction and temperature), which are well reproduced in the top soil layers. The model does not reproduce the failure of the capillary barrier because it did not include gravity fingering, which explains flow through the coarse layer.

La zona no saturada juga un paper important en nombrosos fenòmens ambientals. És complex en zones àrides, on els fluxos d'aigua líquida són petits i els fluxos de vapor adquireixen rellevància. El transport de calor, d'aigua i de soluts és necessari per entendre l'evaporació. Aquesta tesi vol millorar el coneixement sobre l'evaporació i els mecanismes de flux de vapor, i analitzar la rellevància dels gradients de succió, de temperatura i osmòtics. Aquestes qüestions són especialment rellevants per la salinització de sòls, els mecanismes són poc coneguts malgrat el seu impacte global. Hem estudiat experiments de columna d'evaporació on s'ha trobat un procés de separació d'aigua al sòl. Per sobre del front d'evaporació, que és molt estret, el sòl conté altes concentracions a causa dels soluts transportats pel flux ascendent de líquid i la seva posterior evaporació. Per sota, les concentracions són inferiors a les inicials, perquè el vapor flueix cap avall des del front d'evaporació impulsat per gradients de temperatura. Allà condensa, causant la dilució del flux ascendent d'aigua, millorant les condicions del sòl i proporcionant una àrea on les arrels de les plantes podrien viure. Mitjançant un model de flux multifàsic no isoterm i transport reactiu dels experiments, s'han quantificat els processos per entendre la naturalesa del flux descendent de vapor. S'ha modificat la corba de retenció per representar condicions molt seques del sòl. El nostre model és compatible amb la divisió tradicional del sòl, per un front d'evaporació, en una regió seca i una regió humida. Aquest punt de vista pot ser suficient per a l'avaluació de tases d'evaporació i balanços de massa d'aigua, però no per a l'avaluació dels processos de sals, que requereixen no només el coneixement del flux d'aigua líquida, sinó també la difusió de vapor per sota del front d'evaporació. Conceptes de flux no saturat controlen el disseny de cobertures per aïllar residus sòlids. El seu objectiu és protegir els residus de la infiltració durant llargs períodes de temps mitjançant la promoció de l¿escorrentia superficial i el drenatge lateral, i evitant la biointrusió. Dos dissenys de cobertura, basats en una capa per l'evapotranspiració, una barrera de biointrusió i una barrera d'infiltració, van ser construïts. Analitzem el seu funcionament durant dos anys a través d'un complet sistema de monitorització. Es conclou que la part superior de la cobertura va funcionar com estava previst, però no així la barrera d'infiltració inferior. Es suggereixen millores de disseny: augmentar la capacitat de retenció de les capes de sorra, incloure capes de filtre i facilitar el drenatge lateral augmentant el pendent a la zona superior. S'han estudiat les variacions diàries i anuals dels fluxos de vapor a partir de dades de la cobertura i de modelació numèrica. Trobem que la major part del flux d'aigua a la part superior del sòl es produeix en la fase gasosa. Els fluxos de vapor són controlats per la temperatura i segueixen les seves fluctuacions, canviant de direcció diàriament i amb un desfasament que augmenta amb la profunditat. Els fluxos de vapor descendent són dominants durant l'estiu i els ascendents durant l'hivern. A més profunditat, els fluxos de vapor varien estacionalment, i flueixen gairebé constantment cap amunt durant les èpoques fredes, i viceversa. Les pluges tenen un efecte de refredament, revertint els fluxos de vapor a l'estiu. El flux net anual és descendent. El model demana simular flux a través de vies preferencials. Si bé els fluxos de vapor són quantitativament petits, poden representar una important font d'aigua durant l'estiu per a les arrels poc profundes. S'ha presentat també, una solució analítica per al càlcul de fluxos difusius de vapor al sòl.

La zona no saturada juega un papel importante en numerosos fenómenos ambientales. Es complejo en zonas áridas, donde los flujos de agua líquida son pequeños y los flujos de vapor adquieren relevancia. El transporte de calor, de agua y de solutos es necesario para entender la evaporación. Esta tesis quiere mejorar el conocimiento sobre la evaporación y los mecanismos de flujo de vapor, y analizar la relevancia de los gradientes de succión, temperatura y osmóticos. Estas cuestiones son especialmente relevantes para la salinización de suelos, cuyos mecanismos son poco conocidos a pesar de su impacto global. Hemos estudiado experimentos de columna de evaporación en los que se ha encontrado un proceso de separación de agua en el suelo. Por encima del frente de evaporación, que es muy estrecho, el suelo contiene altas concentraciones de sal debido a los solutos transportados por el flujo ascendente de líquido y su posterior evaporación. Por debajo, las concentraciones son inferiores a las iniciales, porque el vapor fluye hacia abajo desde el frente de evaporación impulsado por gradientes de temperatura. Allí condensa, causando la dilución del flujo ascendente de agua, mejorando las condiciones del suelo y proporcionando un área donde las raíces de las plantas podrían vivir. Mediante un modelo de flujo multifásico no isotermo y transporte reactivo de los experimentos, se han cuantificado los procesos, para entender la naturaleza del flujo descendente de vapor. Se ha modificado la curva de retención para representar condiciones muy secas del suelo. Nuestro modelo es compatible con la división tradicional del suelo, por un frente de evaporación, en una región seca y una región húmeda. Este punto de vista puede ser suficiente para la evaluación de tasas de evaporación y balances de masa de agua, pero no para la evaluación de los procesos de sales, que requieren no sólo el conocimiento del flujo de agua líquida, sino también la difusión de vapor por debajo del frente de evaporación. Conceptos de flujo no saturado controlan el diseño de coberturas para aislar residuos sólidos. Su objetivo es proteger los residuos de la infiltración durante largos periodos de tiempo mediante la promoción de la escorrentía superficial y el drenaje lateral, y evitando la biointrusión. Dos diseños de cobertura, basados en una capa para la evapotranspiración, una barrera de biointrusión y una barrera de infiltración, fueron construidos. Analizamos su funcionamiento durante dos años a través de un completo sistema de monitorización. Se concluye que la parte superior de la cobertura funcionó como estaba previsto, pero no así la barrera de infiltración inferior. Se sugieren algunas mejoras de diseño: aumentar la capacidad de retención de las capas de arena, incluir capas de filtro y facilitar el drenaje lateral aumentando la pendiente en la zona superior. Se han estudiado las variaciones diarias y anuales de los flujos de vapor a partir de datos de la cobertura y de modelación numérica. Encontramos que la mayor parte del flujo de agua en la parte superior del suelo se produce en la fase gaseosa. Los flujos de vapor son controlados por la temperatura y siguen sus fluctuaciones, cambiando de dirección diariamente y con un desfase que va en aumento con la profundidad. Los flujos de vapor descendente son dominantes durante el verano y los ascendentes durante el invierno. A mayor profundidad, los flujos de vapor varían estacionalmente, y fluyen casi constantemente hacia arriba durante las épocas frías, y viceversa. Las lluvias tienen un efecto de enfriamiento, revirtiendo los flujos de vapor en verano. El flujo neto anual es descendente. El modelo necesita simular flujo a través de vías preferenciales. Si bien los flujos de vapor son cuantitativamente pequeños, pueden representar una importante fuente de agua durante el verano para las raíces poco profundas. Se ha presentado también, una solución analítica para el cálculo de flujos difusivos de vapor en el suelo