Development and assessment of an efficient numerical solution of the Richard's equation including root extraction by plants - Archive ouverte HAL Access content directly
Conference Papers Year : 2003

Development and assessment of an efficient numerical solution of the Richard's equation including root extraction by plants

Développement et évaluation d'une méthode numérique rapide pour la résolution de l'équation de Richards incluant l'extraction racinaire par les plantes

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Abstract

A new numerical method for solving the 1D Richard's equation has been proposed by P. Ross (Agronomy J., 2003, in press). The Kirchhoff transform or degree of saturation is used instead of the classical matrix potential. The solution can be used both for saturated or non saturated soils. Hydraulic properties are described using the Brooks and Corey model. The soil is discretized into layers. Their thickness can be larger than in classical matrix potential methods, due to the use of a time and space varying weighing procedure for the calculation of fluxes between layers. This allows the use of a non iterative procedure, ensuring a very fast numerical solution. Extensive tests showed that the new method was very accurate for bare soils. The next step was the addition of a root extraction module in order to account for plant transpiration. Two root water uptake modules with compensation mechanisms in case of water stress were chosen from the literature. They express the transpiration source term in the Richards equation as a linear function of a potential transpiration and take into account water stress and its effects on plant transpiration. These modules were proposed first by Lai and Katul (Adv. Water Resour., 2000) and Li et al. (J. Hydrol., 2001).The new version of the model has been tested in a systematic way with several soils characteristics, climate forcings, and evapotranspiration calculation. Like the tests without vegetation, the SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer) model was considered as a reference after implementation of the same roots modules. The numerical solution was also tested using a soybean data set. The variations and the cumulative values like drainage, water content, real transpiration and real evapotranspiration were in a good agreement with the SiSPAT modelling, with a relative error of less than 3%. The error on soil evaporation remained important (about 20%) on low cumulative values (less than 20mm), i.e. when LAI was close to 5; but was generally less than 10%.
Une nouvelle méthode de résolution de l'équation de Richards 1D a été proposée par P. Ross (Agronomy Journal, sous presse). Le potentiel de Kirchhoff ou le degré de saturation sont utilisés au lieu du traditionnel potentiel matriciel. La solution peut être utilisée pour les sols saturés ou non. Les propriétés hydrodynamiques sont décrites par le modèle de Brooks et Corey. Le sol est discrétisé en couches. Leur épaisseur peut être plus grande que pour les méthodes classiques utilisant le potentiel matriciel, grâce à l'utilisation d'une méthode de pondération spatialisée des conductivités hydrauliques pour le calcul des flux entre couches. On peut alors utiliser des procédures non itératives, ce qui assure une résolution numérique très rapide. Des tests exhaustifs ont permis de montrer la précision et la robustesse de la méthode sur sol nu. L'étape suivante a été d'y adjoindre un module d'extraction racinaire afin de tenir compte de la transpiration par les plantes. Deux modules d'extraction racinaire possédant un mécanisme de compensation tirés de la littérature (Lai and Katul (Adv. Water Resour., 2000) et Li et al. (J. Hydrol., 2001)) ont été choisis. Ils expriment le terme puits racinaire dans l'équation de Richards comme une fonction linéaire de la transpiration potentielle et prennent en compte le stress hydrique et son effet sur la transpiration. La nouvelle version du modèle a été testée de manière systématique avec différentes propriétés hydrodynamiques du sol, différents forçages climatiques et différents modes de calcul de l'évapotranspiration. Comme les tests pour sol nu, le modèle SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer) a été utilisé comme modèle de référence après y avoir implantés les mêmes modules d'extraction racinaire. On a aussi utilisé un jeu de données sur soja. L'évolution temporelle des variables calculées ainsi que les valeurs cumulées du drainage, de la transpiration réelle et de l'évaporation du sol étaient en bon accord avec les valeurs issues de SiSPAT, avec une erreur relative inférieure à 3%. L'erreur sur l'évaporation du sol était plus importante (autour de 20%) pour des faibles valeurs du cumul (moins de 20mm), lorsque le LAI était proche de 5, mais était en général inférieure à 10%.
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Dates and versions

hal-02581477 , version 1 (14-05-2020)

Identifiers

Cite

N. Varado, Isabelle Braud, P.J. Ross. Development and assessment of an efficient numerical solution of the Richard's equation including root extraction by plants. EGS-AGU-EUG joint assembly, Nice, 6-11 April 2003, 2003, France. pp.1. ⟨hal-02581477⟩
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