VOLUME 41 (1999) - #3 (July/August/September)
Influences of land disturbance and management regime on infiltration and runoff - A.R. Burk, D.S. Chanasyk and E. Mapfumo
Infiltration and runoff were measured using a rainfall simulator and runoff frames at five sites. Three sites were located in hayfields and two were in pastures. One of the hayfield sites consisted of reclaimed mineland. Three management treatments (hayed, mowed, and fallow) were applied to the hayfield plots and two treatments (grazed and fallow) were applied to the pasture plots. Runoff volume was measured at 5-min intervals to an elapsed time of 30 min and then infiltration rates and accumulated infiltration were determined. Runoff volumes were low from all treatments (runoff coefficients < 50%), even under the high intensity used and high antecedent soil moisture conditions. Grazing did not affect infiltration in comparison to fallow. Initially, abstractive losses other than infiltration were also low (< 9 mm). In general, hayed and mowed treatments had higher infiltration rates and accumulated infiltration than the fallow treatment. The reclaimed and unmined soils had similar infiltration variables. Linear relationships between initial abstraction and 5-min infiltration rate with degree of saturation were not significant at 5% significance level.
L'infiltration et le ruissellement ont été mesurés sur 5 sites en utilisant un simulateur de précipitations et des cadres pour la mesure du ruissellement. Trois des sites étaient en foin et deux étaient des pâturages. Un des champs de foin était établi sur un ancien site minier qui avait été réhabilité. Trois traitements furent appliqués aux parcelles en foin (en foin, fauchée et en jachère) et deux traitements furent appliqués aux pâturages (pâturage et jachère). Les volumes de ruissellement étaient mesurés à un intervalle de 5 minutes pendant une période totale de 30 minutes. Ensuite, on déterminait les taux d'infiltration et l'infiltration cumulée. Les taux de ruissellement mesurés sur toutes les parcelles ont été faibles (coefficients de ruissellement < 50%), même lorsque l'intensité de la précipitation et les conditions d'humidité antécédente étaient élevées. Si on compare avec les parcelles en jachère, le pâturage n'a pas eu d'effet sur l'infiltration. Les pertes attribuables à la rétention initiale, autres que l'infiltration, étaient également faibles (< 9mm). En général, les taux d'infiltration et l'infiltration cumulée mesurés sur les parcelles en foin et fauchées étaient plus élevés que ceux des parcelles en jachère. Le site minier avait des taux d'infiltration et une infiltration cumulée semblables aux autres sites. Les relations linéaires entre la rétention initiale et le taux d'infiltration mesuré aux 5 minutes avec le degré de saturation n'étaient pas significatives au seuil de 5%.
Effects of humidity effect on tomato (Lycopersicon Esculentum cv. Truss) water uptake, yield, and dehumidification cost - M. Trigui, S.F. Barrington and L. Gauthier
Air water-vapour pressure deficit is the prime factor controlling plant water uptake in greenhouses. In turn, plant water uptake affects several physiological processes such as pollination, plant growth, and fruit yield. In this study, plant water uptake and fruit yield were measured under four different ambient water-vapour pressure deficits (VPD). Four identical greenhouses were used to produce tomatoes under four different regimes of VPD. Greenhouses #1 and #2 were kept under a low and high VPD, respectively, while greenhouse #3 was kept under a low VPD during the day and a high VPD during the night. Greenhouse #4 was kept under a VPD dynamically controlled to maintain plant water uptake at 800 mL/plant per day. Plant water uptake and yield were highly correlated to ambient VPD as greenhouses #1 and #2 produced a low and high water uptake rate and yield, respectively. Greenhouse #3 produced an intermediate water uptake and yield, while greenhouse #4 lead to a water uptake and yield as high as that of greenhouse #2. Dehumidification costs were also highly correlated to VPD, as low VPD produced low water uptake requiring little dehumidification. Thus, managing plant water uptake can lead to a more efficient crop production.
Le déficit de pression de vapeur d'eau (DPV) est un des principaux facteurs affectant le contrôle de l'absorption d'eau par les plantes sous cultures abritées. Aussi, l'absorption d'eau affecte plusieurs fonctions physiologiques de la plante, tel la polinisation, la croissance et le développement des fruits. Dans le présent essai, on a mesuré le taux d'absorption d'eau et de rendements de plants de tomates gardés sous 4 différents régimes de DPV. Quatre serres identiques furent utilisées pour l'essai et chaque serre était maintenue sous un régime différent de DPV. Les serres 1 et 2, respectivement, étaient maintenues sous un faible et haut DPV alors que la serre 3 fut maintenue sous un rDPV faible pendant le jour et un DPV élevé pendant la nuit. La serre 4 fut maintenue sous un régime de DPV dynamique visant à maintenir le taux d'absorption d'eau de la plante à 800 mL plant-1 jour-1. Le taux d'absorption d'eau et de rendement des plantes furent reliés de façon significative au DPV. Les serres 1 et 2 offraient des taux faibles et élevés, respectivement, alors que la serre 3 offrant un taux intermédiaire. Le coût énergétique de désumidificaiton était aussi relié de façon significative au DPV, puisqu'un faible déficit exigeait peu de frais de déshumidification. Par conséquent, la manipulation du DPV peut favoriser une transpiraiton plus efficace chez la plante et peut optimiser les rendements vis à vis les coûts de déshumidification.
Analyse de sensibilité avec la méthode des éléments finis pour un problème de travail du sol en 2-D - C. Plouffe, M.J. Richard, C. Laguë et S. Tessier
Les influences du maillage, du modèle constitutif du sol et de friction sol-outil sur la prédiction des efforts exercés sur un outil de travail du sol ont été examinées avec la méthode des éléments finis (MEF). L'extrapolation de Richardson s'est avérée une méthode simple et efficace pour déterminer le degré de raffinement du maillage pour une application donnée. Pour un outil de 100 mm de profondeur, un maillage biaisé avec une longueur des arêtes des éléments quadrilatères de 8,3 mm à l'interface sol-outil a été le plus efficace. Les forces obtenues avec les modèles Cam clay et hyperbolique sont similaires à une vitesse de l'outil de 2 m/s mais diffèrent par un rapport de trois à une vitesse nulle. Cette différence marquante s'explique par le fait que la cohésion interne de l'argile utilisée est relativement élevée et que le Cam clay ne considère pas ce paramètre contrairement au modèle hyperbolique. Des simulations ont démontré que le Cam clay peut facilement simuler le phénomène de chargement-déchargement lors du travail du sol pour un élément à l'avant ou en-dessous de l'outil. Le modèle de friction sol-outil Coulombien a occasionné des forces et des contraintes très similaires au modèle hyperbolique avec l'argile utilisée. Cependant, le modèle Coulombien est beaucoup plus simple et plus rapide en moyenne par un facteur de quatre. Mots-clés: Cam clay, coulomb, friction, FEM, hyperbolique, maillage, mesh, MEF.
Different meshing refinement, soil constitutive models, and soil-tool friction models were examined with the commercial Finite Element Method (FEM) package ABAQUS. The Richardson extrapolation proved to be simple and reliable to determine the mesh refinement at the soil-tool interface. For a 100-mm rigid tool, a biased mesh with 8.3-mm element length was considered more efficient. Similar forces on the tool were calculated with the Cam clay and the Hyperbolic models at a speed of 2 m/s but differ by a factor of three at null speed. The Cam clay model used does not consider soil cohesion which seems an important factor at lower speeds for the highly cohesive clay soil used. Stress paths shown as the tool advance in the soil for elements located in front and below the tool tip demonstrated the ability of the Cam clay to model different loading-unloading processes of the soil. The soil-tool friction models gave similar forces and stresses on the tool for the 60° tool angle and the clay soil used but the simpler Coulombic model was faster than the Hyperbolic model by a factor of four.
Pertinence d'une ligne de rupture prédéfinie pour modéliser les interactions sol-outil avec la méthode des éléments finis - C. Plouffe, S. Tessier, C. Laguë et M.J. Richard
Des simulations ont été effectuées en deux dimension (2-D) pour déterminer si une ligne de rupture horizontale prédéfinie à l'avant de la pointe de l'outil est une hypothèse simplificatrice adéquate lors du maillage du sol avec la méthode des éléments finis (MEF). Cinq modes de rupture différents ont été comparés: conventionnel (aucune ligne de rupture), friction, contraintes, espacement et distance-temps. Les contraintes déviatoriques dans le sol et les déplacements du sol démontrent que les modes de rupture par contraintes et friction ne sont pas adéquats pour ce genre d'application. Pour les trois autres cas, la zone de rupture des éléments est similaire et forme un arc jusqu'à la surface. Cependant une accumulation parasite des contraintes à la pointe se présente pour le maillage conventionnel lorsque le déplacement de l'outil dépasse une distance critique. Bref, une ligne de rupture horizontale prédéfinie peut s'avérer utile pour simuler un procédé en continu même si en réalité la rupture du sol n'est pas nécessairement horizontale et uniforme. D'autre part, le maillage conventionnel est beaucoup plus simple à réaliser, demande de 25 à 50% moins de temps de calculs, est aussi applicable en 3-D avec le logiciel de MEF ABAQUS et procure des résultats similaires en termes de forces et de contraintes pour de faibles déplacements de l'outil dans le sol. Mots-clés: Cam clay, coulomb, friction, FEM, interface, maillage, mesh, MEF.
Simulations were performed in two dimensions (2-D) to study the relevance of using a predetermined soil rupture line to model soil-tool interactions with the Finite Element Method (FEM). Five rupture criteria were compared: conventional (no rupture line), friction, stresses at the crack tip, crack spacing, and crack distance-time. The soil deviatoric stress and displacement revealed that stresses and friction criteria were not adequate with the cohesionless Cam clay model used because of the discontinuity between the top and sub soils. The three other criteria had similar rupture zones, stress contours, and tool forces. Elements at the tool tip were less distorted when a rupture line was included to help model continuous tool displacement. Even though, the rupture zone at the tool tip is not necessarily uniform and horizontal. However, the conventional meshing is much simpler to generate, requires 25 to 50% less computation time, is also applicable in 3-D with the commercial FEM package ABAQUS, and the results are similar for small tool displacement in the soil.
Deterioration rates of wheat as measured by CO2 production - S.A. Al-Yahya
Carbon dioxide production was used as an indicator to determine the allowable storage time (AST) for wheat under different conditions of temperature, moisture, and mechanical damage. The four grain moisture contents used were 15, 18, 21, and 24% wet basis (wb). Temperature levels used were 4, 15, 25, and 40C. Three levels of percentage of mechanical damage used were 0, 15, and 30%. Each level of moisture was tested in three replicates with each temperature and each level of mechanical damage. Statistical comparisons were made, in regard of the AST among temperatures, moistures, and mechanical damage. The analyses showed significant differences among all of the levels. A general equation was developed to easily calculate the AST or deterioration rate under the above storage conditions.
On a utilisé la production de gaz carbonique comme indicateur pour déterminer la durée d'entreposage tolérable du blé sous des conditions variables de température, d'humidité et de dommages attribuables à la machinerie. Les quatre teneurs en humidité du grain choisies étaient de 15, 18, 21 et 24 % base humide. Les températures étaient de 4, 15, 25 et 40 °C. Des pourcentages de dommages attribuables à la machinerie de 0, 15 et 30 % furent utilisés. Chacun des taux d'humidité comportait 3 répétitions qui furent testées à chacune des températures et avec chacun des pourcentages de dommages attribuables à la machinerie. Des comparaisons statistiques, en ce qui concerne les durées d'entreposage, ont été faites entre les températures, les taux d'humidité et les pourcentages de dommages attribuables à la machinerie. Les analyses ont montré des différences significatives entre les traitements pour tous les niveaux de température, d'humidité et de dommages. Une équation générale a été développée pour permettre de calculer plus facilement la durée d'entreposage tolérable ou le taux de détérioration dans les conditions énoncées ci-dessus.
Thin layer drying characteristics of hulless oats at near ambient temperatures (Avena sativa L.) - R. Hulasare, D.S. Jayas, N.D.G. White and W.E. Muir
A laboratory thin-layer drier was used to obtain the thin-layer drying and rewetting data for 70% hulless oats (Avena sativa L., cv. 'AC Belmont') using air at constant temperature and relative humidity conditions. The data were collected for various combinations of initial moisture content (11 to 22% dry basis), temperature (15 to 36C), relative humidity (27 to 93%), and air velocity (0.05 to 0.97 m/s). Thin-layer drying and rewetting data were analyzed using liquid diffusion, Lewis', and Page's equations. The thin-layer drying and rewetting rates at constant relative humidities agreed well with Page's equation. The effects of temperature, relative humidity, initial moisture content, and air velocity were characterized by parameters k and n of Page's equation. Temperature, relative humidity, and initial moisture content had significant effects (p > 0.05) on k. Relative humidity and initial moisture content had significant effects on parameter n. Air velocity did not have a significant effect (p > 0.05) on drying or rewetting. Due to their nonlinear distributions among the experimental tests, k and n could not be correlated with temperature and relative humidity for all the experimental tests.
Un séchoir en couches minces a été utilisé en laboratoire pour obtenir des données de séchage et de ré-hydratation pour de l'avoine à grains nus (Avena sativa L., cv. 'AC Belmont') en utilisant de l'air à des températures constantes et des conditions d'humidité relative stables. Les données ont été recueillies pour différentes combinaisons de taux d'humidité initiale (11 à 22%), de température (15 à 36 C), d'humidité relative (27 à 93%), et de vitesse du débit d'air (0.05 à 0.97 m/s). Les données de séchage et de ré-hydratation ont été analysées en utilisant les équations de diffusion liquide de Lewis et Page. Les effets de la température, de l'humidité relative, du taux d'humidité initiale ainsi que la vitesse du débit d'air ont été caractérisés par les paramètres k et n dans l'équation de Page. La température, l'humidité relative et le taux d'humidité initial ont eu un effet significatif (p > 0.05) sur le paramètre k. Par contre, la vitesse du débit d'air n'a eu aucun effet significatif (p < 0.05) sur le séchage et la ré-hydratation. A cause des distributions non linéaires durant les tests expérimentaux, les paramètres k et n n'ont pu être corrélés avec la température et l'humidité relative pour tous les tests expérimentaux.
Simulation-based control of enclosed ecosystems - A case study: Determination of greenhouse heating setpoints - R. Lacroix and R. Kok
The overall objective of this study was to investigate the use of a simulation-based approach for the control of enclosed ecosystems. To do this, a simulation-based controller was developed and implemented in a simulated greenhouse system. The role of the controller was to determine the setpoint path that would minimize the energy requirements for heating. It did this once a day, for the ensuing 24 hours, by simulating the greenhouse behavior in response to anticipated meteorological conditions. For each day a number of simulations were run for various setpoint scenarios and the most favorable scenario chosen. The greenhouse model that was used for these simulations was a neural network. The strategy used by the controller was based on the supposition that crops have a temperature integration capacity. Overall, the simulation-based controller allowed the greenhouse system to adapt itself to the anticipated disturbances and to behave more optimally than with a reference controller. It maintained high night temperatures when outside temperature and solar radiation intensity were anticipated to be low during the next day and vice-versa. This control approach reduced the average heating load by more than 7%. The results illustrate the adaptive capacity of a simulation-based controller and provides a basis for the use of this approach in various other types of enclosed ecosystems. Keywords: Greenhouse control, simulation, artificial neural network.
Afin d'explorer l'utilisation du contrôle par simulation pour des écosystèmes clos, un système de contrôle basé sur la simulation (SCBS) a été développé et implanté dans une serre simulée. Le rôle du SCBS était de déterminer une trajectoire de points de consigne pour le chauffage qui minimiseraient les besoins en chauffage. Cette trajectoire était déterminée une fois par jour, pour les 24 heures suivantes, en simulant avec un réseau neuronal le comportement de la serre en réponse aux conditions météorologiques anticipées et à diverses trajectoires possibles. La stratégie du SCBS était basée sur la supposition que les plantes ont une capacité "d'intégration de la température". Le SCBS a permis à la serre de s'adapter aux perturbations anticipées et de se comporter de façon plus optimale qu'avec un système de contrôle de référence. De hautes températures nocturnes ont été maintenues lorsqu'il était prévu que la température extérieure et les radiations solaires seraient basses durant le jour suivant; des températures basses étaient maintenues dans le cas contraire. L'approche utilisée par le SCBS a permis de réduire de plus de 7%, en moyenne, la charge de chauffage. Les résultats ont mis en relief la capacité d'adaptation d'un SCBS, et ont permis de jeter les bases d'un cadre méthodologique pour la conception de tels systèmes de contrôle, et pour leur implantation dans des écosystèmes clos.
Canada's salt tolerance testing laboratory - H. Steppuhn. and K.G. Wall
Soil salinity refers to a state where dissolved constituents in interstitial water concentrate beyond the needs of the plants rooted in the soil. Salinity levels in western Canadian soils can range from very slight to very severe within a few metres. Such variability makes it impossible to evaluate the salt tolerance of crops in the field. Canadian engineers have overcome this difficulty by fabricating an environmentally-controlled testing facility near Swift Current, Saskatchewan. Plants growing in sand tanks and irrigated with hydroponics can be evaluated from emergence through maturity. A programable logic controller actuates the facility's lighting, heating, ventilation, and ambient temperature monitoring. The controller also automatically triggers irrigation, replacement of supply water lost by evapotranspiration, and maintenance of brine concentration. Salt tolerance response functions have been determined for wheat, barley, alfalfa, kochia, quinoa, and perennial forage grasses. The facility can serve private companies and producer organizations through the Western Region Business Development Office of Agriculture and Agri-Food Canada. Keywords: salinity testing, salt tolerance, salinity laboratory.
La salinité du sol réfère à un état où la concentration des composés en solution dans l'eau interstitielle dépasse les besoins des plantes enracinées dans ce sol. Les niveaux de salinité des sols de l'Ouest canadien peuvent varier de très faible à très élevé sur une profondeur de quelques mètres. Cette variabilité ne permet pas d'évaluer directement au champ la tolérance à la salinité des plantes. Des chercheurs canadiens ont apporté une solution à ce problème en construisant, près de Swift Current Saskatchewan, des bancs d'essai dont l'environnement est contrôlé. Les plantes qui poussent dans des bacs de sable et qui sont irriguées avec un système hydroponique peuvent être suivies de l'émergence jusqu'à la maturité. Un contrôleur logique actionne l'éclairage, le chauffage, la ventilation et le système de suivi de la température. Le contrôleur déclenche automatiquement l'irrigation, remplace l'eau perdue par évapotranspiration et maintient la concentration de sel dans l'eau du sol. On a déterminé les fonctions qui décrivent la tolérance à la salinité du blé, de l'orge, de la luzerne, du kochia, du quinoa et des plantes fourragères vivaces. Les entreprises privées et les groupes de producteurs peuvent utiliser les installations en s'adressant au centre de Développement des Affaires de la région Ouest d'Agriculture et Agro-Alimentaire Canada. Mots-clés: expériences sur la salinité, tolérance à la salinité, laboratoire de mesures de la salinité