Теплопроводность городских почв и субстратов почвенных конструкций: методические аспекты и математическое моделирование

Теплопроводность городских почв и субстратов почвенных конструкций: методические аспекты и математическое моделирование

Автор: Кокорева А.А., Кожунов А.В., Бутылкина М.А., Дымова И.В., Степаненко В.М., Иванова А.Е.

Журнал: Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева @byulleten-esoil

Рубрика: Статьи

Статья в выпуске: 118, 2024 года.

Бесплатный доступ

Для экспериментального определения зависимости теплопроводности от влажности почв и субстратов существуют различные методы. Исследовано влияние структуры образца (монолит, насыпной образец), температуры образца, способ установки зонда в образец на получаемые показания прибора TEMPOS, и предложены методические рекомендации. Показана зависимость теплопроводности насыпных образцов почв и субстратов от влажности. Разброс значений теплопроводности в диапазоне влажности от гигроскопической до полной влагоемкости для дерново-подзолистой почвы составляет 0.229-1.430 Вт/(м*К), для торфа - 0.250-0.521 Вт/(м*К), для песка - 0.280-2.605 Вт/(м*К), для смеси - 0.234-1.568 Вт/(м*К). Влияние таких свойств, как плотность, гранулометрический состав, удельная поверхность, содержание органического вещества, засоление, сказывается на тепловых свойствах в меньшей степени. Установленные закономерности могут быть использованы для расчета температурного режима почв при решении ряда прикладных задач, связанных с конструированием специальных почвенных объектов, например, при создании городских почвенных конструкций. Для этого необходимо либо экспериментально определять теплопроводность, либо рассчитывать ее по физическим параметрам почв и субстратов. Первый способ трудозатратен, второй - менее точен. В качестве демонстрации использованы уравнения, доступные для работы в модели HYDRUS-1D (Чанга-Хортона и Кэмпбелла). Эти уравнения либо переоценивают теплопроводность в области высоких влажностей субстратов, либо недооценивают теплопроводность в области низких влажностей субстратов (песок, суглинок, торф и смесь на их основе).

Еще

Зонд sh-3, tempos, математические модели, hydrus-1d

Короткий адрес: https://sciup.org/143182523

IDR: 143182523   |   DOI: 10.19047/0136-1694-2024-118-128-166

Список литературы Теплопроводность городских почв и субстратов почвенных конструкций: методические аспекты и математическое моделирование

  • Болотов А.Г. Теплофизическое состояние почв и совершенствование инструментальной базы для его исследований: Дис… канд. с.-х. наук. Барнаул: Алтайский государственный аграрный университет, 2003. 148 с.
  • Болотов А.Г., Беховых Ю.В., Семенов Г.А. Определение теплофизических свойств капиллярно-пористых тел импульсным методом с использованием технологии визуального программирования // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2010. № 6(68). С. 37-40.
  • Грингоф И.Г., Пасечнюк Б.В. Агрометеорология и агрометеорологические наблюдения. СПб.: Гидрометеоиздат, 2005. 552 с.
  • Гюлалыев Ч.Г. Влияние влажности и удельной поверхности на температуропроводность почв // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2015. № 8(130). С. 71-75.
  • Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении / Науч. ред. Ю.Н. Благовещенский. М.: Книжный дом “ЛИБРОКОМ”, 2009. 328 с.
  • Келле А.Н. Приборы TEMPOS для измерений теплофизических параметров материалов. Руководство по эксплуатации. М.: ООО “ЛабДепо”. 2020. 38 с.
  • Мазиров М.А., Макарычев С.В., Болотов А.Г., Трофимов И.Т., Беховых Ю.В., Сизов Е.Г., Иванов А.Л., Лёвин А.А. Теплофизические свойства и режимы в антропогенно-нарушенных почвах / под ред. С.В. Макарычева, М. А. Мазирова. М.: “Химия в сельском хозяйстве”, 2003. 153 с.
  • Сенников В.А., Ларин Л.Г., Белолюбцев А.И., Коровина Л.Н. Практикум по агрометеорологии. М.: КолосС, 2006. 215 с.
  • Сусленкова М.М., Умарова А.Б., Бутылкина М.А. Микроструктура почв разного генезиса и ее трансформация в составе конструктоземов в условиях г. Москвы // Почвоведение. 2018. № 10. С. 1265-1273.
  • Теории и методы физики почв: коллективная монография / под ред. Е.В. Шеина и Л.О. Карпачевского. М: “Гриф и К”, 2007. 616 с.
  • Abu-Hamdeh N.H., Reeder R.C., Khdair A.I., Al-Jalil H.F. Thermal conductivity of disturbed soils under laboratory conditions // Transactions of the ASAE. 2000. Vol. 43(4). P. 855-860. https://doi.org/10.13031/2013.2980.
  • Arkhangelskaya T.A., Gvozdkova A.A. Thermal diffusivity of peat-sand mixtures // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 368(1). No. 012005. P. 2-7. https://doi.org/10.1088/1755-1315/368/1/012005.
  • Bauer J.M., Kramer E., Mainzer A.K., Stevenson R., Graw T., Masiero J.R., Walker R.G., Fernandez Yan R., Meech K.J., Lisse C.M., Weissman P.R., Curti R.M., Dailey J.W., Masci F.J., Tholen D.J., Pearman G., Wright E.L. WISE/NEOWISE preliminary analysis and highlights of the 67P/Churyumov-Gerasimenko near nucleus environs // The Astrophysical Journal. 2012. Vol. 758(1). 29 p. https://doi.org/10.1088/0004-637X/758/1/18.
  • Belik A.A., Bolotov A.G., Shein E.V., Kokoreva A.A., Levin A.A., Patrushev V.Y. Application of neural network pedotransfer functions to calculate soil water retention curve // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 368(1). P. 008-012. https://doi.org/10.1088/1755-1315/368/1/012008.
  • Buchner J.S., Simunek J., Lee J., Rolston E.D. Evaluation of CO2 fluxes from an agricultural field using a process-based numerical model // Journal of Hydrology. 2008. Vol. 361(1-2). P. 131-143. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.07.035.
  • Campbell G.S. Soil Physics with Basic. Transport Models for Soil - Plant Systems // Developments in Soil Science. 1994. Vol. 14. P. 150.
  • Campbell G.S., Jungbauer J.D.Jr., Bidlake W.R., Hungerford R.D. Predicting the effect of temperature on soil thermal conductivity // Soil Science. 1994. Vol. 158(5). P. 307-313.
  • Chung S.-O., Horton R. Soil heat and water flow with a partial surface mulch // Water Resources Research. 1987. Vol. 23. Iss. 12. P. 2175-2186. https://doi.org/10.1029/WR023i012p02175.
  • Devendra N.S., Konchenapalli D. Generalized relationships for estimating soil thermal resistivity // Experimental Thermal and Fluid Science. 2000. Vol. 22. Iss. 3-4. P. 133-143. https://doi.org/10.1016/S0894-1777(00)00020-0.
  • Dymov A.A., Gorbach N.M., Goncharova N.N., Karpenko L.V., Gabov D.N., Kutyavin I.N., Startsev V.V., Mazur A.S., Grodnitskaya I.D. Holocene and recent fires influence on soil organic matter, microbiological and physico-chemical properties of peats in the European North-East of Russia // Catena. CATENA Verlag, Germany. 2022. Vol. 217. P. 106449.
  • Fröb K. Measuring and modeling of soil thermal properties and ground heat flux at two different sites at Lena Delta, Siberia: Diploma thesis, matric. number: 9762674 // Universität Leipzig; Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung Potsdam. 2011. 99 p.
  • Glushakova A.M., Kachalkin A.V., Umarova A.B., Butylkina M.A., Kokoreva A.A., Ivanova A.E., Maksimova I.A., Bolotov A.G., Dunaeva E.A. Yeast complexes in urban soils of some southern cities of Russia (Krasnodar, Maykop, Simferopol and Sochi) // Microbiology. 2020. Vol. 89. No. 5. P. 603-608.
  • Ju W., Chen J., Black T.A., Barr A. Modelling multi-year coupled carbon and water fluxes in a boreal aspen forest // Agricultural and Forest Meteorology. 2006. Vol. 140(1). P. 136-151. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2006.08.008.
  • Kokoreva A.A., Dembovetskiy A.V., Ezhelev Z.S., Bolotov A.G., Stepanenko V.M., Shishkin K.V., Abramyan I.A. Simulating water transport in porous media of urban soil // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 862. No. 1. P. 012042-012046.
  • Kroes J.G., Van Dam J.C., Groenendijk P., Hendriks R.F.A., Jacobs C.M.J. SWAP version 3.2. Theory description and user manual // Alterra Report 1649. Wageningen: Alterra, 2008. 262 p.
  • Lin J., Nowamooz H., Braymand S., Wolff P., Fond C. Impact of soil moisture on the long-term energy performance of an earth-air heat exchanger system // Renewable Energy. Vol. 147(15). 2018. P. 1-25. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.06.106.
  • Liu C.-H., Zhou D., Wu H. Measurement and prediction of temperature effects of thermal conductivity of soils // Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 2011. Vol. 33(12). P. 1877-1886.
  • Loukili Y., Woodbury A.D., Snelgrove K.R. SABAE-HW: An Enhanced Water Balance Prediction in the Canadian Land Surface Scheme Compared with Existing Models // Vadose Zone Journal. 2008. Vol. 7. Iss. 3. P. 865-877. https://doi.org/10.2136/vzj2007.0081.
  • McKenzie N.J., Coughlan K.J., Cresswell H.P. Soil Physical Measurement and Interpretation for Land Evaluation. Australia: CSIRO Publishing, 2002. 379 p.
  • Noborio K., Mclnnes K.J. Thermal conductivity of salt-affected soils // Soil Science Society of American Journal. 1993. Vol. 57. Iss. 2. P. 329-334. https://doi.org/10.2136/sssaj1993.03615995005700020007x.
  • O’Donnel J.A., Romanovsky V.E., Harden J.W., McGuire A.D. The effect of moisture content on the thermal conductivity of Moss and organic soil horizons from Black Spruce ecosystems in Interior Alaska // Soil Science. 2009. Vol. 174(12). P. 646-651. https://doi.org/10.1097/SS.0b013e3181c4a7f8.
  • Rajeev P., Chan D., Kodikara J. Ground-atmosphere interaction modelling for long-term prediction of soil moisture and temperature // Canadian Geotechnical Journal. 2012. Vol. 49(9). https://doi.org/10.1139/T2012-068.
  • Ronan A.D., Prudic D.E., Thodal C.E., Constantz J. Field study and simulation of diurnal temperature effects on infiltration and variably saturated flow beneath an ephemeral stream // Water Resources Research. 1998. Vol. 34(9). P. 2137-2153. https://doi.org/10.1029/98WR01572.
  • Rozanski A., Sobótka M. On the interpretation of the needle probe test results: thermal conductivity measurement of clayey soils // Studia Geotechnica et Mechanica. 2013. Vol. 35. No. 1. https://doi.org/10.2478/sgem-2013-0015.
  • Sakai M., Jones S.B., Tuller M. Numerical evaluation of subsurface soil water evaporation derived from sensible heat balance // Water Resources Research. 2011. Vol. 47. W02547. P. 1-17. https://doi.org/10.1029/2010WR009866.
  • Schjønning P. Thermal conductivity of undisturbed soil - Measurements and predictions // Geoderma. 2021. Vol. 402(331). https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115188.
  • Šejna M., Šimůnek J., van Genuchten M.Th. HYDRUS. User Manual. Version 5. Prague: PC-Progress, 2022. P. 88-91.
  • Simsek U., Mikailsoy F., Erdel E., Shein E.V., Bolotov A.G. Subsoil compaction: the intensity of manifestation in silty clayey calcic pantofluvic fluvisols of the Iğdır region (Eastern Turkey) // Eurasian Soil Science. 2019. Vol. 52. No. 3. P. 296-299.
  • Timlin D., Pachepsky Ya., Acock A., Simunek J. Error analysis of soil temperature simulations using measured and estimated hourly weather data with 2DSOIL // Agricultural Sysrems. 2002. Vol. 72(3). P. 215-239. https://doi.org/10.1016/S0308-521X(01)00075-0.
  • Vogel T., Dohnal M., Votrubova J. Modeling heat fluxes in macroporous soil under sparse young forest of temperate humid climate // Journal of Hydrology. 2011. Vol. 402(3). P. 367-376. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2011.03.030.
  • Wiesner S., Gröngröft A., Ament F., Eschenbach A. Spatial and temporal variability of urban soil water dynamics observed by a soil monitoring network // J. Soils Sediments. 2016. Vol. 16(11). P. 2523-2537.
  • Yu D., Zha Y., Shi L., Bolotov A., Tso C.H.M. Spatiotemporal sampling strategy for characterization of hydraulic properties in heterogeneous soils // Stochastic Environmental Research and Risk Assessment. 2020. Vol. 35(3). P. 737-757. https://doi.org/10.1007/s00477-020-01882-1.
  • Zhang N., Wang Zh. Review of soil thermal conductivity and predictive models // International Journal of Thermal Sciences. 2017. Vol. 117. P. 172-183. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2017.03.013.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp