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
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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
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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
3.2.2 Test de cellule d’écoulement latéral 2 22
3.2.3 Test de cellule d’écoulement latéral 3 27
4. CONCLUSION 32
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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 6. Courbe de flux de chaleur du test 2 réalisée à l’aide du logiciel handheld readout unit pour une
durée de 45 minutes. 8
Figure 7. Installation du test 3. 9
Figure 8. Courbe de flux de chaleur du test 3 réalisée à l’aide du logiciel handheld readout unit pour une
durée de 240 minutes. 12
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
Figure 20. Évolution des températures du sol en amont calculé par des thermocouples à différentes
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
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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
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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/
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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)
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
Figure 17. Évolution des températures du sol en amont calculé par des thermocouples à différentes
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).
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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.
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3.2.2 Test de cellule d’écoulement latéral 2
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
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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).
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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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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 enregistrée à un temps donnée, la ligne verte la valeur maximale et la ligne rouge la valeur moyenne.
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3.2.3 Test de cellule d’écoulement latéral 3
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.
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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.
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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. 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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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.