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

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 buil
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
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 evapor
Postprint (published version)