Modeling soil thermal conductivities over a wide range of conditions

Authors: Balland, Vincent; Arp, Paul A.

Source: Journal of Environmental Engineering and Science, Volume 4, Number 6, November 2005 , pp. 549-558(10)

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Abstract:

This paper presents a new method to seamlessly calculate thermal conductivity for various soil conditions, from loose to compact, organic to mineral, fine to coarse textured, frozen to unfrozen, and dry to wet. The soil is considered as a multi-phase system, containing air, water (liquid, ice), and particles finer (organic matter, minerals) and coarser (gravel) than 2 mm. The new method extends the general portability of the earlier Johansen (1975) method, and this generalization was fine-tuned empirically with data from soil, gravel, and peat drawn from recent and older literature, for frozen and unfrozen conditions from –30 to 30 °C, and for variable moisture and bulk density conditions from dry to saturated. Scatter plots between measured conductivity and best-fitted calculations consistently followed a straight 1:1 correspondence, with R² values generally above 0.90. The new method was then used to re-interpret thermal conductivity data involving wettable and non-wettable soils, in situ field measurements, and snow. Key words: thermal conductivity, soil, quartz, ice, water, air, density, snow.

Cet article présente une nouvelle méthode d'évaluer la conductivité thermique de divers sols, qu'ils soient compacts ou meubles, organiques ou minéraux, de texture fine ou grossière, gelés ou non, et secs ou humides. Pour ce faire, le sol est considéré comme un système à phases multiples contenant de l'air, de l'eau (liquide, glace) et formé de particules de diamètre inférieur (matière organique, minéraux) ou supérieur (graviers) à 2 mm. Cette nouvelle méthode étend le champ d'application de la méthode de Johansen (1975) et a été raffinée empiriquement grâce à des données de sols, de graviers et de tourbe tirées de la littérature récente et ancienne, caractérisant des sols gelés et non gelés, de –30 à +30 °C, de densité et d'humidité très variées, de sèche à saturée. Les diagrammes de dispersion obtenus démontrent une correspondance étroite (1:1) entre les conductivités mesurées et calculées au meilleur ajustement, avec des valeurs de R² généralement supérieures à 0,90. Cette nouvelle méthode est ensuite appliquée pour réinterpréter des données de conductivité thermique de sols hydrophiles, hydrophobes, de mesures in situ et de neige. Mots clés : conductivité thermique, sol, quartz, glace, eau, air, densité, neige.[Traduit par la rédaction]

Document Type: Research article

Publication date: 2005-11-01

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