Impacts de l’écoulement souterrain sur la dégradation du pergélisol et la stabilité des routes construites sur remblai : Compte-rendu technique d’installation, de mise en place

Impacts de l’écoulement souterrain sur la dégradation du pergélisol et la stabilité des routes construites

sur remblai. Compte-rendu technique d’installation, de mise en place et de mesure pour l’équipement de laboratoire sur la perte de chaleur

Impacts de l’écoulement souterrain sur la dégradation du pergélisol et la stabilité des routes

construites sur remblai

2013

Université de Montréal 15 mars 2013

Compte-rendu technique d’installation, de mise en place et de mesure pour l’équipement de laboratoire sur la perte de chaleur

Préparé pour le

Centre de développement des transports

De Transport Canada



i

Impacts de l’écoulement souterrain sur la dégradation du pergélisol et la stabilité des

routes construites sur remblai

Compte-rendu technique d’installation, de mise en place et de

mesure pour l’équipement de laboratoire sur la perte de chaleur

Par Daniel Fortier, Isabelle de Grandpré, Manuel Verpaelst et Gautier

Davesne Laboratoire de géomorphologie et de géotechnique des régions froides

Université de Montréal

Mars 2013



ii

TABLE DES MATIÈRES

1. INTRODUCTION 1

2. PRÉSENTATION DE L’ÉQUIPEMENT 1

2.1 HFP01 1

2.2 HFP01SC 2

2.3 HFT-3.1 3

2.4 Lecteurs et enregistreurs de données 3

3. DESIGN EXPÉRIMENTAL ET RÉSULTATS 5

3.1 Tests préliminaires 5

3.1.1 Test 1 5

3.1.2 Test 2 6

3.1.3 Test 3 9

3.1.4 Test 4 13

3.1.5 Test 5 15

3.2 Tests dans les cellules d’écoulement latéral 16

3.2.1 Test de cellule d’écoulement latéral 1 18



4. CONCLUSION 32



iii

LISTE DES FIGURES

Figure 1. Plaque HFP01 2

Figure 2. Plaque HFT-3.1 3

Figure 3. Différents lecteurs et enregistreurs de données. A : voltmètre; B : LI19; C : CR1000. 4

Figure 4. Test 1 : ajout de la neige en surface 6

Figure 5. Courbe de flux de chaleur du test 1 réalisée à l’aide du logiciel handheld readout unit pour une

durée de 15 minutes. 7



Figure 7. Installation du test 3. 9



Figure 9. Courbe de flux de chaleur du test 3 réalisée à partir des données de température des senseurs

HOBO pour une durée de 240 minutes (4 heures). 13

Figure 10. Installation du test 4 14

Figure 11. Courbe de flux de chaleur du test 4 réalisée à l’aide du logiciel handheld readout unit pour

une durée de 7 minutes. 15

Figure 12. . Installation du test 5 16

Figure 13. Courbe de flux de chaleur du test 5 réalisée à l’aide du logiciel handheld readout unit pour

une durée de 5 minutes. 16

Figure 14. Cellules d’écoulement lateral 17

Figure 15. Installation de la cellule dans le réfrigérateur avec le système d’écoulement à tête

hydraulique constante. 18

Figure 16. Coupe transversale du sol gelé. On peut observer la lentille de glace d’une épaisseur de 1.5

cm. 19

Figure 17. Évolution des températures du sol en amont calculé par des thermocouples à différentes

profondeurs (1, 7 et 10 cm). 20

Figure 18. Évolution des températures du sol en aval calculé par des thermocouples à différentes

profondeurs (4, 7 et 10 cm). 20

Figure 19. Courbe de flux de chaleur pour le test 1 de cellule d’écoulement latéral réalisée à l’aide du

logiciel handheld readout unit. 21


profondeurs (1, 3, 7, 9 et 12 cm). 23

Figure 21. Évolution des températures du sol au milieu de la cellule calculé par des thermocouples à

différentes profondeurs (1, 3, 7, 9 et 12 cm). 23

Figure 22: Évolution des températures du sol en aval calculé par des thermocouples à différentes

profondeurs (1, 3, 7, 9 et 12 cm). 24

Figure 23. Courbe de flux de chaleur de 11h à 13h30 pour le test 2 de cellule d’écoulement latéral

réalisée à l’aide du logiciel handheld readout unit. L 25

Figure 24. Courbe de flux de chaleur de 13h30 à 17h30 pour le test 2 de cellule d’écoulement latéral

réalisée à l’aide du logiciel handheld readout unit. La ligne bleue représente la valeur minimale



iv

enregistrée à un temps donnée, la ligne verte la valeur maximale et la ligne rouge la valeur

moyenne. 26

Figure 25. Évolution des températures du sol en amont, au milieu et en aval de la cellule calculé par des

thermocouples à différentes profondeurs (1, 3, 7, 9 et 12 cm). 28

Figure 26. Courbe de flux de chaleur de 10h40 à 11h30 pour le test 3 de cellule d’écoulement latéral

réalisée à l’aide du logiciel handheld readout unit. 30

Figure 27. Courbe de flux de chaleur de 11h30 à 10h le lendemain pour le test 3 de cellule d’écoulement

latéral réalisée à l’aide du logiciel handheld readout unit. 31



1

1. Introduction

Le flux de chaleur dans les sols est une donnée essentielle pour saisir la dynamique du

pergélisol face aux changements climatiques. En comprenant les mécanismes de transfert

de chaleur dans le pergélisol et en ayant une idée de l’ordre de grandeur des flux de chaleurs

selon différents gradients de température, il nous sera possible d’estimer adéquatement la

vitesse (taux) de hausse de la température du pergélisol par conduction. Combinée aux

données d’advection de chaleur liée à l’écoulement d’eau, il nous sera possible d’avoir une

estimation de la vitesse globale de hausse des températures du pergélisol pour un

environnement donné.

Afin de mesurer ces flux de chaleur, trois différents types de senseurs ont été testés de

façon individuelle. Ils ont par la suite été insérés dans des cellules d’écoulement en

complément aux tests de dégel d’un sol par écoulement d’eau.

2. Présentation de l’équipement

Les senseurs utilisés pour la mesure des flux de chaleur sont des plaques Hukseflux, modèle

HFP01, HFP01sc et HFT-3.11.

2.1 HFP01

Le senseur dans cette plaque est une thermopile qui mesure la différence de température

de chaque côté de la plaque composée de céramique et d’un composé plastique. Ce

différentiel produit un voltage qui est mesuré et traduit en flux de chaleur par une équation

propre à chaque senseur. En effet, chaque senseur possède une constante de calibration

unique qui représente la sensibilité de la plaque. Le flux de chaleur se calcule avec

l’équation suivante :

1 Les données techniques complètes de ces instruments sont disponibles sur le site web suivant : http://www.hukseflux.com/



2

Flux de chaleur = Voltage / Constante de calibration (sensibilité)

Cette équation donne le flux de chaleur local et suppose un milieu homogène et une

conductivité thermique constante. Une température plus élevée du sol au-dessus de la

plaque qu’en dessous entraîne un flux de chaleur positif tandis qu’une température moins

élevée au-dessus de la plaque qu’en dessous entraîne un flux de chaleur négatif. Pour

obtenir un flux de chaleur moyen dans un même environnement, l’utilisation de plusieurs

(au moins 2) plaques de flux de chaleur sont nécessaires. Ce modèle est simple

d’utilisation, moins coûteux, mais moins précis que le HFP01SC.

Figure 1. Plaque HFP01 (diamètre de 80 mm et épaisseur de 5 mm).

.

2.2 HFP01SC

En plus de contenir un senseur de flux de chaleur comme le modèle précédent, cette plaque

possède aussi un film chauffant servant à l’autocalibration du senseur. Ce nouveau facteur

de calibration élimine la majorité des erreurs dues aux variations de température et à

l’instabilité du senseur. Ce modèle est plus dispendieux, mais assure une plus grande

précision et une meilleure qualité des données.



3

2.3 HFT-3.1

La plaque HFT-3.1 est un modèle discontinué qui a été remplacé par le modèle HFP01.

C’est aussi une thermopile et l’équation de flux de chaleur est calculée de la même façon

que le HFP01. Cette plaque a une surface inférieure aux deux présentées ci-dessus. Son

diamètre de 38,6 mm et épaisseur de 3,9 mm. Ce modèle est donc utile pour mesurer des

flux de chaleurs où les surfaces sont trop petites pour utiliser des HFP01 ou HFP01SC.

Figure 2. Plaque HFT-3.1 reliée à un lecteur de données lors d’un test en laboratoire mesurant le flux

de chaleur à l’interface de la paroi d’un cylindre métallique.

2.4 Lecteurs et enregistreurs de données

Le voltage non calibré des différentes plaques de flux de chaleur peut être lu par n’importe

quel voltmètre précis aux millivolts (Figure 3a). Les données peuvent aussi être

enregistrées par différents enregistreurs de données automatiques tels le Hukseflux LI19

2(Figure 3b), le CR10 et le CR1000 de Campbell Scientific3 (Figure 3c).

Le Hukseflux LI19 est un enregistreur de données automatiques pouvant être programmé

(calibration, fréquence des mesures) par le logiciel Handheld Readout Unit à partir d’un

ordinateur connecté à l’enregistreur. L’appareil est facile à programmer et à utiliser, mais

2 Informations techniques complètes disponibles sur le site web suivant : http://www.hukseflux.com/ 3 Informations techniques complètes disponibles sur le site web suivant : http://www.campbellsci.com/cr1000



4

il ne tient compte que des flux de chaleurs compris entre +- 214W/m² et il n’est pas possible

de brancher le senseur d’autocalibration du HFP01SC.

L’enregistreur de données CR1000 est plus polyvalent, mais plus complexe d’utilisation

que le LI19. Il nécessite une bonne connaissance des différents branchements possibles

ainsi que les aptitudes de programmation nécessaires pour l’écriture d’un code source qui

sera utilisé par l’enregistreur. Le CR1000 est capable d’enregistrer des valeurs jusqu’à +-

2000 W/m² et est essentiel au fonctionnement de l’autocalibration du HFP01SC.

Le CR10 est une version antérieure au CR1000 donc moins avancées. Il n’est plus en vante

aujourd’hui, mais le Geocryolab en possède un exemplaire.

Figure 3. Différents lecteurs et enregistreurs de données. a : voltmètre (Fluke); b : LI19 (Hukseflux);

c : CR1000 (Campbell Sci.).

a b

c



5

3. Design expérimental et résultats

3.1 Tests préliminaires

Les cinq premières expériences ont pour but de familiariser les expérimentateurs avec le

nouveau matériel, de comprendre le fonctionnement de base des plaques de flux de chaleur

le tout dans des conditions proches de celles du terrain. Ces tests ne sont en conséquence

que qualitatif.

Les cinq simulations ont été faites dans un sable humide non gelé. De la neige a été ajoutée

au-dessus ou en dessous du sable afin de vérifier la variation des flux thermiques ainsi que

le sens des flux de chaleur (valeurs positives ou négatives). Le flux de chaleur obtenu par

une plaque de flux de chaleur a été comparé au flux de chaleur calculé à partir de deux

senseurs de températures installés de part et d’autre de la plaque.

L’enregistreur automatique de données LI-19 a été utilisé en association avec le logiciel

Handheld Readout Unit pour récolter les données à un intervalle de 1 minute pour les tests

1, 2 et 3 et à un intervalle de 30 secondes pour les tests 4 et 5. La sensibilité de chaque

plaque a été programmée dans le logiciel avant les mesures afin d’obtenir les lectures

corrigées par l’équation de calibration.

3.1.1 Test 1

Dans un sceau (40 cm de hauteur pour un diamètre de 30 cm), la plaque HFP01SC a été

insérée dans du sable humide à température ambiante (environ 20°C). Après trois minutes

un couvert de neige (de l’extérieur) est brusquement ajouté. L’expérience n’est pas

poursuivie jusqu’à la fonte totale de la neige. Comme l’enregistreur de données utilisé est

le LI-19, l’autocorrection des données n’est pas applicable. Les données ont été calibrées

par la constante de sensibilité.



6

Figure 4. Test 1 : mesure du flux de chaleur dans un sable recouvert de la neige.

La Figure 5 montre les résultats du test qui a été effectué pour une durée totale de 15

minutes. Le flux de chaleur est nul au début du test. Une fois la neige ajoutée, une forte

différence de température entre le sable, à température ambiante, et la neige entraine un

échange de chaleur entre les deux, donc un flux de chaleur. Cet échange de chaleur

s’installe progressivement dans le temps car la plaque de flux de chaleur est enterrée

profondément dans le sable. Elle est donc éloignée de la couche de neige ajoutée. Comme

attendu le signe du flux de chaleur est positif.

.Si l’expérience avait duré plus longtemps, les températures se seraient équilibrées

(entrainant, au-dessus de zéro degré, la fonte de la neige), l’échange de chaleur se serait

progressivement atténué et le flux de chaleur serait à terme redevenu nul.

3.1.2 Test 2

Pour ce test, la neige a été mise au fond du sceau plutôt qu’à la surface. La température de

la pièce ainsi que la température de la neige peuvent avoir varié par rapport au premier test.

En conséquence les comparaisons d’ordres quantitatives ne sont pas appropriées. Comme

l’enregistreur de données utilisé est le LI-19, l’autocorrection des données n’est pas

applicable. Les données ont été calibrées par la constante de sensibilité. Le test s’est déroulé

sur une période de 45 minutes.

Comme attendu, le flux de chaleur s’est effectué du haut vers le bas. Les valeurs négatives

observables représentent la perte de chaleur du sol situé au-dessus de la plaque au profit du

sol sous-jacent.



7

Figure 5. Courbe de flux de chaleur du test 1 réalisé à l’aide du logiciel handheld readout unit entre 10h45 et 11h10. La ligne bleue représente la valeur

minimale enregistrée à un temps donné, la ligne verte la valeur maximale et la ligne rouge la valeur moyenne. La courbe de flux de chaleur représente le

gain de chaleur momentané du sol situé au-dessus de la plaque.



8

Figure 6. Courbe de flux de chaleur du test 2 réalisé à l’aide du logiciel handheld readout unit entre 11h20 et 12h20. La ligne bleue représente la valeur

minimale enregistrée à un temps donné, la ligne verte la valeur maximale et la ligne rouge la valeur moyenne. La courbe de flux de chaleur représente la

perte de chaleur du sol situé au-dessus de la plaque au profit du sol sous-jacent.



9

3.1.3 Test 3

L’objectif de ce test était de comparer les données de flux de chaleur obtenues à l’aide du

HFP01 avec les températures prélevées à l’aide de deux senseurs de température (HOBO

U20). Le test a été effectué dans un sceau dans lequel une couche de sable humide d’une

épaisseur de 25 cm a été disposée. Un premier HOBO a été installé à une profondeur de 12

cm (Figure 7 a-b). Le HFP01 a été inséré à une profondeur de 9 cm (Figure 7 c-d) et un

deuxième HOBO a été inséré à 2 cm sous la surface (Figure 4 e). Le tout a été couvert de

sable (Figure 4 f), puis de la neige a été ajoutée en surface (Figure 4 g). La durée totale du

test a été de 240 minutes (4 heures). À la fin de l’expérience toute la neige est fondue.

Figure 7. Installation du test 3. a-b : installation d’un senseur de température HOBO à une profondeur

de 12 cm; c-d : installation de la plaque de flux de chaleur HFP01 à une profondeur de 9 cm; e :

installation d’un senseur de température HOBO à une profondeur de 2 cm; f-g : le tout est recouvert

de sable humide puis de neige.



10

La Figure 8 présente les résultats obtenus par la plaque de flux de chaleur. Au début de

l’expérience, le flux thermique augmente rapidement, passant de 0 à 150 W/m² en 60

minutes. Il se stabilise ensuite entre 150 et 160 W/m² pour 75 minutes. Finalement, plus de

2 heures après le début de l’expérience, le sol tend vers un équilibre thermique et le flux

diminue tranquillement, atteignant une valeur de 40 W/m² après 240 minutes. La courbe

de flux de chaleur représente le gain de chaleur momentané de la couche de sol situé au-

dessus de la plaque (flux de chaleur du bas vers le haut).

Ces expériences illustrent la loi de Fourrier : plus le gradient thermique d’un point à l’autre

est grand (ie : plus la différence de température d’un point à l’autre est grande), plus le

transfert de chaleur (W/m²) est élevé.

Au début de l’expérience, le sable et la température ambiante cèdent de la chaleur à la

neige. Celle-ci se met à fondre tout en gardant sa température à 0°C (effet de chaleur

latente). La différence de température sable-neige crée un flux de chaleur (comme pour les

tests précédents). C’est la phase de croissance de la courbe sur la figure 8.

Une fois la neige fondue, le sable et la température ambiante continuent de céder de la

chaleur à l’eau (résultant de la fonte de la neige). La température de l’eau ainsi augmente,

diminuant la valeur du flux de chaleur. C’est la phase de décroissance de la courbe sur la

figure 8.

L’expérience n’a pas été menées jusqu’à l’équilibre thermique total où le flux de chaleur

serait alors nul. La pente de la courbe sur la figure 8 serait nulle aussi.

Afin de calibrer les valeurs de flux thermique obtenues, les températures prélevées via les

HOBO ont été transférées en flux thermiques à partir des formules suivantes :

𝑞 = −𝑘𝜕𝑇

𝜕𝑥

Où

q Flux de chaleur unitaire (W/m²)



11

k Conductivité thermique (W/mK)

𝜕𝑇

𝜕𝑥 Gradient de température (K/m)

Dans notre cas la conductivité thermique du sable humide a été estimée à partir de données

de la littérature scientifique et définie à 1,5 W/mK. Les résultats obtenus sont présentés à

la Figure 9.

Bien que les valeurs du flux de chaleur déterminées à partir des données de température

soient légèrement plus élevées que les valeurs obtenues par le HFP01, les tendances sont

similaires. La différence peut être attribuable en partie à la précision des senseurs de

température HOBO U20 et à l’estimation (non mesurée dans l’échantillon) de la

conductivité thermique. Néanmoins les résultats montrent que les mesures prises par la

plaque HFP01 et les senseurs HOBO U20 sont cohérentes.



12

Figure 8. Courbe de flux de chaleur du test 3 réalisé à l’aide du logiciel handheld readout unit entre 13 h et 17 h. La ligne bleue représente la valeur

minimale enregistrée à un temps donné, la ligne verte la valeur maximale et la ligne rouge la valeur moyenne. La courbe de flux de chaleur représente le

gain de chaleur momentané dans la couche de sol située au-dessus de la plaque (flux de chaleur du bas vers le haut).



13

Figure 9. Courbe de flux de chaleur du test 3 réalisée à partir des données de température des

senseurs HOBO U20 entre 12 h et 16 h.

3.1.4 Test 4

Pour ce test de la glace a été disposée dans un récipient métallique et la plaque de flux de

chaleur HFT-3.1 a été fixée sur la paroi externe du récipient (Figure 10). La durée totale

du test a été de 7 minutes.



14

Figure 10. Installation du test 4 où une plaque HFT-3.1 est reliée à un lecteur de données lors d’un

test en laboratoire mesurant le flux de chaleur à l’interface de la paroi d’un cylindre métallique.

Les résultats obtenus sont observables à la Figure 11. Dans ce cas, le flux de chaleur est

positif, de l’air ambiant vers le récipient. Le flux de chaleur a plafonné dès le début de

l’expérience à 182 W/m². Il diminuera progressivement avec le temps jusqu’à ce que l’eau

dans le récipient soit en équilibre thermique avec la température de l’air ambiant.



15

Figure 11. Courbe de flux de chaleur du test 4 réalisé à l’aide du logiciel handheld readout unit. Le test

débute à 11h41 et s’achève à 11h48. La ligne bleue représente la valeur minimale enregistrée à un

temps donné, la ligne verte la valeur maximale et la ligne rouge la valeur moyenne.

3.1.5 Test 5

Pour ce dernier test, un mélange de glace et d’eau a été disposé dans un récipient métallique

et la plaque de flux de chaleur HFP01 a été déposée en surface (Figure 12). La durée totale

du test a été de 5 minutes. Les résultats obtenus (Figure 13) montrent un flux de chaleur

positif et constant à 215 W/m². Comme c’était le cas pour le test 4, le flux de chaleur

diminuera progressivement avec le temps jusqu’à ce que l’eau dans le récipient soit en

équilibre thermique avec la température de l’air ambiant. La glace et la température de l’air

étaient à la même température qu’au test 4, mais le flux de chaleur était plus élevé de près

de 30W/m². Cela s’explique par le fait que dans le test 5 la plaque de flux de chaleur a été

déposée directement sur la glace, sans surface tampon.



16

Figure 12. . Installation du test 5

Figure 13. Courbe de flux de chaleur du test 5 réalisé à l’aide du logiciel handheld readout unit. Le

test débute à 11h55 et s’achève à 11h59. La ligne bleue représente la valeur minimale enregistrée à

un temps donné, la ligne verte la valeur maximale et la ligne rouge la valeur moyenne.

3.2 Tests dans les cellules d’écoulement latéral

Deux cellules d’écoulement latéral ont été construites afin de simuler la dynamique de

dégel d’un pergélisol sujet à l’écoulement souterrain. Les cellules ont été faites à partir de

planche de bois avec des dimensions internes de 70 cm de long, 10 cm de large et 15 cm

de haut (Figure 14). Les joints de la cellule ont été scellés avec de la silicone et l’intérieur

de la cellule a été recouvert d’un fin plastique imperméable. Les cellules ont été remplies

d’un sable grossier saturé en eau et ont été déposées dans des congélateurs à -20°C. Une

fois le sol gelé, les cellules ont été placées dans un réfrigérateur avec une température de



17

5°C, dans un angle de 2° de l’amont vers l’aval. Un système de réservoirs d’eau a été mis

en place afin de simuler un écoulement d’eau à température ambiante (20°C) dans la cellule

avec une charge hydraulique constante (Figure 15). Selon les tests, différents instruments

de mesure de température et de profondeur de dégel ont été utilisés.

Figure 14. Cellules d’écoulement latéral en bois contenant du sable gelé. Un papier filtre a été installé

à l’aval de la cellule et 8 thermocouples ont été installés sur chaque cellule (fils bleus), 4 en amont et 4

en aval à différentes profondeurs.



18

Figure 15. Installation de la cellule dans le réfrigérateur avec le système d’écoulement à charge

hydraulique constante.

3.2.1 Test de cellule d’écoulement latéral 1

Ce test a été effectué dans un sable gelé saturé en eau ayant une lentille de glace d’environ

1.5 cm d’épaisseur au milieu de l’échantillon (Figure 16). Une mince couche de sable à la

surface (2 cm d’épaisseur) est demeurée dégelée afin de simuler la couche active du

pergélisol. La plaque de flux de chaleur HFT-3.1 a été installée de façon verticale (le côté

positif face à l’amont et le côté négatif face à l’aval) dans la couche de sol dégelé. Six

thermocouples ont été installés à des profondeurs de 1, 7 et 10 cm en amont et de 4, 7 et

10 cm en aval. Les mesures ont été collectées et stockées par un enregistreur de données,

le CR10 (Campbell Scientific), via un multiplexeur AM25T (Campbell Scientific) qui

possède une capacité de mesure de 25 thermocouples. Les températures ont été mesurées

chaque minute entre 10h40 et 14h20 et les flux de chaleur chaque minute entre 11h45 et

16h00. L’écoulement de l’eau s’est arrêté à 15h10.



19

Figure 16. Coupe transversale du sol gelé. On peut observer la lentille de glace d’une épaisseur de 1.5

cm.

Les Figures 17 et 18 présentent les températures du sol en amont et en aval mesurées par

les thermocouples au cours de l’expérience. Les températures en aval se sont maintenues

près de 0°C pour chaque profondeur tout au long de l’expérience. Le pic en début

d’expérience correspondant à un artefact de la méthode et ne doit pas être pris en compte.

Les températures en aval se sont maintenues très près de 0°C pour près de 2 heures. À ce

moment, l’écoulement d’eau a commencé à pénétrer le sol gelé et a fait grimper les

températures du sol de façon rapide, soit plus de 15°C en deux heures. Le thermocouple

situé en amont à une profondeur de 10 cm est déphasé par rapport aux autres et nous

attribuons cela à une mauvaise calibration.

La Figure 17 présente la variation du flux de chaleur pour la durée de l’expérience. Des

variations de flux de chaleur sont observables à partir du moment où le système a été mis

en marche à 11 h 35. L’eau arrivant en amont étant plus chaude que la température du sol,

des valeurs positives de flux de chaleur sont observables tout au long de l’expérience. Plus

l’expérience avance, plus le flux de chaleur décroit. Ceci indique que la perte de chaleur a

réduit le gradient thermique au sein de l’échantillon, ce qui confirme notre hypothèse de

départ à savoir que l’écoulement d’eau contribue à transférer sa chaleur au sol gelé sous-

jacent. Avec l’arrêt de l’écoulement d’eau à 15h10, les variations de flux de chaleur sont

10 cm



20

en voie de stabilisation. Deux pics importants sont visibles à 13h40 et 15h00. Nous croyons

que ceux-ci sont attribuables à la façon dont l’eau s’écoule dans le sol en dégel, où des

résurgences d’eau ponctuelles dans la couche active simulée font augmenter les flux de

chaleur de façon très rapide.


profondeurs (1, 7 et 10 cm).

Figure 18. Évolution des températures du sol en aval calculé par des thermocouples à différentes

profondeurs (4, 7 et 10 cm).



21

Figure 19. Courbe de flux de chaleur pour le test 1 de cellule d’écoulement latéral réalisée à l’aide du logiciel handheld readout unit. La ligne bleue

représente la valeur minimale enregistrée à un temps donnée, la ligne verte la valeur maximale et la ligne rouge la valeur moyenne.



22


Le deuxième test a été réalisé avec une cellule comportant une couche de sable saturé gelé

de 11,5 cm. La couche de sable gelé a été recouverte de 2 cm de sable non gelé (humide).

Les parois latérales et le fond de la cellule ont été isolés à l’aide d’un caisson en polystyrène

(4 cm d’épais) afin de réduire les flux de chaleur conductifs entre la cellule et l’air du

réfrigérateur. La température du sol a été mesurée à l’aide de 15 thermocouples, i.e. une

série de 5 à l’amont, 5 au milieu et 5 à l’aval à des profondeurs de 1, 3, 7, 9 et 12 cm. Les

mesures ont été collectées et stockées avec un enregistreur de données CR10 (Campbell

Scientific) via un multiplexeur AM25T (Campbell Scientific) qui possède une capacité de

mesure de 25 thermocouples.

Pour l’expérience, le heat flux plate HFP01 a été utilisé. Celui-ci a été disposé de façon

horizontale entre les thermocouples d’amont et du milieu à une distance de 23 cm de

l’amont et à une profondeur de 8 cm. La cellule a été disposée dans le frigo à 10h20. Le

système d’écoulement a été branché à 11h00 et l’eau s’est écoulée dès le début de

l’expérience dans la couche de sable superficielle dégelée.

Les Figures 20 à 22 présentent les températures des thermocouples à l’amont, au milieu et

en aval de la cellule à différentes profondeurs pour la durée de l’expérience. Les

températures des deux thermocouples du haut (1 – 3 cm) sont passées au-dessus de 0°C les

premières et ont augmentées de manière relativement continue tout au long de l’expérience.

Ceci est dû à un écoulement qui s’effectue principalement à la surface. Les oscillations de

température observables en surface sont probablement influencées par les variations de

débits qui ont lieux tout au long de l’expérience. Les températures des thermocouples 7-9

et 12 restent sous 0°C pour une plus longue période de temps. Elles passent au-dessus de

0°C progressivement de l’amont à l’aval et de la surface vers le fond de la cellule. À partir

de 16h22, une augmentation du débit a été provoquée. Cette augmentation du débit est

marquée par une augmentation de température qui est notable par la quasi-totalité des

thermocouples. Cette augmentation des températures est suivie d’un refroidissement qui

est probablement dû au débit d’eau qui a diminué (débit non constant à corriger). Par la

suite, les débits ont augmentés à 3 autres reprises (16h56, 17h11, 17h24) jusqu’à la fin de



23

l’expérience. Des augmentations marquées des températures ont suivi ces variations de

débit.

Figure 20. Évolution de la température du sol en amont de la cellule mesurée par des thermocouples

à différentes profondeurs (1, 3, 7, 9 et 12 cm).

Figure 21. Évolution de la température du sol au milieu de la cellule mesurée par des thermocouples

à différentes profondeurs (1, 3, 7, 9 et 12 cm).



24

Figure 22: Évolution de la température du sol en aval mesurée par des thermocouples à différentes

profondeurs (1, 3, 7, 9 et 12 cm).

Les Figure 23 et 24 présentent les résultats du flux de chaleur capté par la plaque. L’endroit

en amont où il reste encore de la glace à la fin de l’expérience (Figure 23) correspond

parfaitement avec le positionnement de la plaque de flux de chaleur dans le sol. Celui-ci

aurait empêché l’eau de circuler pour ainsi garder une surface de glace au fond de la cellule.

Le flux de chaleur enregistré entre les thermocouples 7 et 9 de l’amont et du milieu montre

des valeurs négatives qui reflètent des températures plus froides au fond qu’en surface. Le

gain de chaleur progressif au fond de la cellule tend à stabiliser le flux de chaleur au fur et

à mesure que l’expérience se déroule. À 15h37, le flux de chaleur s’est rapidement accentué

jusqu’à atteindre -214 W/m² (limite du LI-19) et y rester jusqu’à la fin de l’expérience. Cet

événement est associable à un pic de température en amont occasionné par un débit plus

élevé et au passage au-dessus de 0°C du thermocouple 7 du milieu. En fait, ce changement

radical de flux de chaleur démontre le moment exact où la surface du haut de la plaque a

dégelé alors que la surface du bas était encore dans la glace.



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Figure 23. Courbe de flux de chaleur de 11h00 à 13h30 pour le test 2 de cellule d’écoulement latéral réalisée à l’aide du logiciel handheld readout unit. La

ligne bleue représente la valeur minimale enregistrée à un temps donnée, la ligne verte la valeur maximale et la ligne rouge la valeur moyenne.



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Le test 3 a été réalisé avec une cellule comportant une couche de 12 cm de sable saturé

gelé. La couche de sable gelé est recouverte de 2 à 3 cm de sable non gelé humide, simulant

la couche active du pergélisol. La température du sol a été mesurée à l’aide de 15

thermocouples, i.e. une série de 5 à l’amont, 5 au milieu et 5 à l’aval de la cellule, à des

profondeurs de 1, 3, 7, 9 et 12 cm. Les thermocouples ont été calibrés préalablement. Les

mesures ont été collectées et stockées dans un CR10 (Campbell Scientific) via un

multiplexeur AM25T (Campbell Scientific) qui possède une capacité de mesure de 25

thermocouples. La plaque de chaleur HFT-3.1 a été utilisée pour mesurer les transferts de

chaleur. Celui-ci a été disposé à une profondeur de 5 cm.

La cellule a été disposée dans le frigo à 10h00 et le système d’écoulement a été mis en

marche à 10h20. L’eau s’est écoulée dès le début de l’expérience dans la couche de sable

superficielle dégelée jusqu’à 18h. Les mesures ont continuées jusqu’à 9h00 le lendemain

matin.

La Figure 25 présente l’évolution des températures des différents thermocouples pour la

durée de l’expérience. Les thermocouples de surface (à 1 cm de profondeur), étaient situés

dans le sol dégelé. À cette profondeur l’apport de chaleur par l’écoulement d’eau est

observable dès le début de l’expérience. Les différents pics thermiques en surface (signalés

par une barre grise sur le graphique), qui correspondent à une variabilité des apports de

chaleur convectifs au sol suivant l’irrégularité du débit d’eau, ont tendance à s’atténuer

vers l’aval de la cellule. À une profondeur de 3 cm, le dégel survient 2h00 après le début

l’expérience à l’amont et 4h00 pour la partie centrale et à l’aval de la cellule. L’évolution

de la température à cette profondeur suit celle de la surface, mais avec une amplitude

moindre. 11 heures après le début de l’expérience (vers 21h00), l’ensemble de la tranche

de sol était dégelé en amont, mais le sol était toujours gelé à partir d’une profondeur de 7

cm au milieu et à l’aval de la cellule.



28

Suite à l’arrêt de l’écoulement vers 18h00, les températures se sont stabilisées pour toutes

les profondeurs jusqu'à la fin de l’expérience sauf en amont, où une baisse de température

de 2°C a été enregistrée. Ceci est dû au rééquilibre thermique du sol dégelé avec le sol plus

froids en aval.

Figure 25. Évolution de la température du sol en amont, au milieu et en aval de la cellule mesurée par

des thermocouples à différentes profondeurs (1, 3, 7, 9 et 12 cm).



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Les Figures 26 et 27 présentent le flux de chaleur enregistré entre les thermocouples à 3 et

7 cm au milieu de la cellule tout au long de l’expérience. Les résultats démontrent que les

transferts de chaleur au début de l’expérience étaient relativement importants, environ 65

W/m² (Figure 26), en raison des apports conductifs de chaleur liés la mise en place de la

couche de sable dégelé superficielle (sable relativement chaud – température ambiante).

Le flux thermique a par la suite diminué au fur et à mesure que les températures de surface

et du sol gelé en profondeur augmentaient, pour atteindre 5 W/m² à 14h00, 4 heures après

le début de l’expérience. À partir de 17h00 les flux de chaleur ont augmenté brusquement

(pic de 55 W/m²). Ce pic concorde avec une hausse brusque du débit d’eau et s’explique

par le fait que la plaque de flux de chaleur se trouvait à ce moment au front de dégel. Elle

a donc été en contact direct avec l’écoulement de l’eau.

Suite à l’arrêt de l’écoulement de l’eau (vers 18h00), le flux de chaleur a diminué pour

atteindre une valeur de 20 à 25 W/m² à la fin de l’expérience.



30





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Figure 27. Courbe de flux de chaleur de 11h30 à 10h00 le lendemain pour le test 3 de cellule d’écoulement latéral réalisée à l’aide du logiciel handheld

readout unit. La ligne bleue représente la valeur minimale enregistrée à un temps donné, la ligne verte la valeur maximale et la ligne rouge la valeur

moyenne



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4. Conclusion

Les plaques de flux de chaleurs sont des outils intéressants car elles permettent de mesurer

localement la quantité d’énergie qui transite dans le sol. Les tests préliminaires nous ont

permis de saisir le fonctionnement de ces plaques, de bien les calibrer et d’apprendre

comment les installer dans le sol. Certains tests préliminaires restent à faire. Par exemple,

la plaque de flux de chaleur HFP01SC sera aussi testée sur un enregistreur automatique de

données de type CR1000 afin d’utiliser l’auto-calibrage des données. Ces résultats seront

comparés aux résultats obtenus avec la constante de sensibilité. De plus, afin d’obtenir un

flux de chaleur régional moyen plutôt que local, des tests seront effectués avec deux

plaques de flux de chaleur dans un même sol homogène. Ces tests supplémentaires

permettront d’établir certaines limites des plaques de flux de chaleur pour différents

contextes.

Les tests en cellule d’écoulement latéral ont permis de jumeler l’information provenant

d’autres types de senseurs afin d’avoir un portrait global de la dynamique de transfert de

chaleur par conduction. En jumelant ces informations aux analyses de transfert de chaleur

par convection (écoulement souterrain), il sera possible de faire un bilan de l’énergie totale

transitant le sol. Cette donnée pourra être utilisée pour une estimation locale de dégradation

du pergélisol.

Au plan expérimental, le développement d’une cellule d’écoulement latéral équipée de

senseurs de température et de flux de chaleur nous permet d’entrevoir des percées

scientifiques importantes dans le domaine des transferts de chaleur en milieu à pergélisol.

En effet, la mesure in-situ du flux de chaleur permettra de valider et raffiner les équations

mathématiques qui permettent de déterminer l’advection de chaleur associée à

l’écoulement d’eau dans la couche active du pergélisol. Les implications pour l’évaluation

de la sensibilité du pergélisol au dégel sont majeures étant donné que très peu de modèles

prennent actuellement en compte les processus de transfert de chaleur conducto-convectifs

associés à l’écoulement souterrain.

Impacts de l’écoulement souterrain sur la dégradation du pergélisol et la stabilité des routes construites sur remblai : Compte-rendu technique d’installation, de mise en place

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