Contrôle de la quantité d’eau dans le système

Grâce à l’association des balances et des capteurs de teneur en eau, il est possible de suivre précisément l’évolution de la quantité d’eau. Le contrôle du bilan d’eau est nécessaire car les conditions expérimentales induisent des variations naturelles. La température imposée à 25°C génère l’évaporation de l’eau contenue dans la colonne par sa surface. La présence de plantes génère une perte d’eau additionnelle par évapotranspiration. L’injection de gaz sec à la base de la colonne pourrait aussi avoir pour effet d’assécher la colonne. Enfin, de l’eau peut être drainée à la base de la colonne quand l’eau devient excédentaire suite à un arrosage ou lorsqu’elle n’est plus retenue par la tension capillaire. Les causes sont multiples : accumulation en base de colonne, réarrangements dans l’organisation des grains de sable (tassement, croissance des racines) ou encore élimination de bulles ou poches d’air. Ces phénomènes peuvent conduire à des drainages soudains qui ont été observés.

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Toutes ces pertes d’eau impliquent d’adapter un apport d’eau contrôlé dans la colonne afin de garder un profil de saturation plus ou moins stable dans la colonne. La solution la plus simple à mettre en place a consisté à mesurer la perte d’eau sur une certaine période de temps et à rajouter ponctuellement cette même quantité d’eau à la surface. Pour garantir un arrosage homogène et précis, j’ai reparti l’eau en 3 quantités égales dans trois zones de surface égale. La première est dans la collerette qui correspond à une surface de 0.0317 m2 (équivalent au tiers de la surface de la colonne), les deux autres zones correspondent à la surface extérieure à la collerette divisée en deux. Dans le cadre de notre première expérience, j’ai ajouté en moyenne 600 mL d’eau à chaque arrosage sur chacune de ces surfaces à l’aide d’une seringue. Cependant, l’encombrement des supports des chambres d’accumulation rend l’arrosage manuel difficile et cette technique impose de rentrer dans la cellule climatique et donc de perturber l’atmosphère ambiante. L’arrosage prenant plusieurs minutes, ma présence dans la cellule a généré des perturbations sur la concentration en CO2 dans la cellule climatique, celle-ci pouvant augmenter jusqu’à 1200 ppm.

Bien que le renouvellement d’air permette de faire redescendre rapidement cette concentration au niveau de la concentration atmosphérique, il est préférable de mettre en place un système d’arrosage automatique à distance. Pour cela, dans les expériences suivantes, nous avons testé la mise en place d’un assemblage de tubes terminés par des goutte-à-goutte (Figure II-19). Une terminaison de 6 goutte-à-goutte a été spiralée à la surface d’une colonne de façon à les répartir de manière homogène. Cet assemblage est connecté, en amont, à un débitmètre à double-sortie installé sur une arrivée d’eau à l’extérieur de la cellule climatique. Cette configuration permet de régler des arrosages automatiques et cycliques dans deux circuits d’eau, un pour chaque colonne. Cependant, ce système ne permet pas d’arroser uniformément toute la surface car l’arrosage est ponctuel (6 points). Il est également difficile de garantir un ajout d’eau égal pour les deux colonnes. En effet malgré les précautions prises (utilisation des mêmes longueurs de tuyaux et de tubes entre l’arrivée d’eau et les colonnes), le système pouvait dériver d’une colonne à l’autre car les débits fournis n’étaient pas identiques. L’alternative a été d’utiliser une pompe péristaltique double régulant simultanément les débits d’eau dans deux tubes terminés par les goutte-à-goutte. Ces tubes sont plongés en amont dans un réservoir d’eau, qu’il suffit de maintenir plein au cours du temps. Ce procédé présente la meilleure constance dans l’apport d’eau en quantité égale pour les deux systèmes en même temps. Nous recommandons au préalable de remplir tous les tubes d’eau avant de lancer l’arrosage automatique afin d’éviter toute bulle d’air piégée dans les circuits, pouvant créer une différence entre l’apport d’eau voulu et l’apport réel, ainsi que des différences entre les apports d’eau entre les deux colonnes.

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Figure II-19 : Vue du dispositif d’arrosage automatique de la surface des colonnes grâce à la mise en place d’un tube équipé de 6 goutte-à-goutte disposé en spirale à la surface de la colonne, à l’extérieur comme à l’intérieur de la collerette de la chambre d’accumulation.

Comme nous l’avons abordé dans la section 2.1.5, le drainage de l’eau est difficile à prendre en compte avec la première version du système sans siphon de drainage car elle ne peut pas être quantifiée par une balance unique mesurant tout le poids du système. Cependant, avec l’adaptation d’un siphon, un contrôle de second ordre est appliqué (cf. Figure II-14). La terminaison est placée au-dessus d’un seau qui se trouve lui-même sur une balance de précision préalablement tarée avec le seau vide. Ceci permet donc de mesurer la quantité drainée au cours du temps et de réaliser un bilan de masse sur l’ensemble de la colonne (eau ajoutée, eau évaporée/évapotranspirée, eau drainée). Une pompe péristaltique actionnée en dehors de la cellule climatique permet de vider le seau sans avoir à rentrer dans la cellule. Afin de vérifier que ce système fonctionne bien et qu’il n’y a pas d’accumulation d’eau dans le fond de la colonne (chambre d’injection), nous avons aussi équipé l’unité d’injection de la deuxième version du dispositif, d’une sonde de teneur en eau.

L’idéal aurait été de disposer d’un système qui rajoute de l’eau en fonction des variations de la teneur en eau afin que la courbe de saturation soit maintenue constante. Pour cela, j’ai réfléchi à un autre procédé que je n’ai pas pu tester. Ce dernier consistait à placer une plaque poreuse possédant la même tension capillaire que celle exercée par le sable de Fontainebleau à la base de la colonne. Cette plaque poreuse serait reliée à un réservoir d’eau soumis à la même force que la tension recherchée. Ceci permettrait d’alimenter la colonne en eau et en continu par la base afin d’entretenir le profil de saturation et le garder le plus constant possible. Si cette option est utilisée, il est nécessaire que la plaque soit adaptée pour laisser passer le gaz injecté.

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