Investigation of the time-independent one-dimensional thermal conductivity of the soil

Yıl 2021, Cilt: 36 Sayı: 2, 212 - 220, 15.06.2021

İmanverdi Ekberli , Coşkun Gülser , Orhan Dengiz

https://doi.org/10.7161/omuanajas.828364

Cited By: 1

Öz

Depending on some thermal properties of soils, determining the time-independent temperature range is necessary for improving and preserving soil fertility, and creating optimum conditions for plant growth. Heat at the surface of any soil layer for explaining the solution was used from boundary conditions including flow and mean soil temperature. The statistical indicators of RMSE, NRMSE, DI and d between the measured soil temperatures according to the analytical solution were 1.339, 0.077, 0.576, 0.023 in Inseptisol soil, respectively; in Entisol soil was determined as 0.654, 0.034, 0.067, 0.005. The change of statistical indicators within the limits of reliability shows the feasibility of the solution.

Anahtar Kelimeler

Soil temperature, Thermal properties of soil, Constant thermal conductivity equation, Mathematical modeling

Toprağın zamana bağlı olmayan bir boyutlu ısı iletkenliğinin incelenmesi

Öz

Toprakların bazı ısısal özelliklerine bağlı olarak zamana bağlı olmayan sıcaklık alanının belirlenmesi, toprak verimliliğinin iyileştirilmesi ve korunmasında, bitki gelişimi için optimum koşulların oluşturulmasında gereklidir. Bu çalışmada İnceptisol ve Entisol toprakların bazı ısısal özelliklerini göz önüne alarak, zamana bağlı olmayan ısı iletkenliği denkleminin analitik çözümünün sıcaklık değişiminin tahmininde uygulanabilirliği incelenmiştir. Çözümün açıklanmasında herhangi toprak katmanı yüzeyinde ısı akışını ve ortalama toprak sıcaklığını içeren sınır koşulları kullanılmıştır. Analitik çözüme göre hesaplanan toprak sıcaklıkları ile ölçülen sıcaklıklar arasındaki HKOK, NHKOK, Dİ ve d istatistiksel göstergeler İnseptisol toprakta sırasıyla 1.339, 0.077, 0.576, 0.023; Entisol toprakta ise 0.654, 0.034, 0.067, 0.005 olarak saptanmıştır. İstatistiksel göstergelerin güvenilirlik sınırları dahilindeki değişimi, çözümün uygulanabilirliğinin mümkünlügünü göstermektedir

Anahtar Kelimeler

Toprak sıcaklığı, Toprağın ısısal özellikleri, Sabit ısı iletkenliği denklemi, Matematiksel modelleme

Kaynakça

• Arkhangelskaya, T., Lukyashchenko, K., 2018. Estimating soil thermal diffusivity at different water contents from easily available data on soil texture, bulk density, and organic carbon content. Biosystems Engineering, 168: 83-95.
• Bayat, H., Ebrahimzadeh, G., Mohanty, B.P., 2021. Investigating the capability of estimating soil thermal conductivity using topographical attributes for the Southern Great Plains, USA. Soil & Tillage Research, 206: 104811.
• Dengiz, O., Efendiler, A., 2016. Farklı iki fizyografik ünite üzerinde oluşmuş toprakların karakteristiklerinin belirlenmesi ve dağılım haritalarının oluşturulması. Uluslararası Coğrafya Sempozyumu, TÜCAUM, 13-14 Ekim, Ankara, s.156-168.
• Ekberli, İ., 2006. Isı iletkenlik denkleminin çözümüne bağlı olarak topraktaki ısı taşınımına etki yapan bazı parametrelerin incelenmesi. Ondokuz Mayıs Üniversitesi Ziraat Fakültesinin Dergisi, 21(2): 179-189.
• Ekberli, İ., Gülser, C., 2014. Estımatıon of soil temperature by heat conductıvıty equatıon. Vestnik Bashkir State Agrarian University (Вестник Башкирского Государственного Аграрного Университета), 2(30): 12-15.
• Ekberli, İ., Gülser, C., 2015. İki boyutlu ısı iletkenliği denklemine bağlı olarak toprak sıcaklığının matematiksel modellenmesi Anadolu Tarım Bilim. Dergisi, 30 (3): 287-291.
• Ekberli, İ., Gülser C., Dengiz O., 2021. Aluviyal depositler üzerinde oluşmuş genç ve gelişmekte olan toprakların ısı akışı ve ısı miktarının incelenmesi. Toprak Su Dergisi, 10 (1): 1-12.
• Ekberli, İ., Sarılar, Y., 2015. Toprak sıcaklığının profil boyunca sönme derinliğinin ve gecikme zamanının belirlenmesi. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesinin Dergisi, 52(2): 219-225.
• Evett, S.R., Agam, N., Kustas, W.K., Colaizzi, P.D., Schwartz, R.C., 2012. Soil profile method for soil thermal diffusivity, conductivity and heat flux: Comparison to soil heat flux plates. Advances in Water Resources, 50: 41-54.
• Fourier, J.B.J., 1822. Théorie analytique de la chaleur (The Analytical Theory of Heat). Paris, 676 p.
• Gülser, C., Ekberli, İ., 2019. Toprak sıcaklığının tahmininde ısı taşınım denklemi ve pedotransfer fonksiyonun karşılaştırılması. Toprak Bilimi ve Bitki Besleme Dergisi, 7(2): 158-166.
• Gülser, C., Ekberli, İ., Mamedov, A., 2019. Toprak sıcaklığının yüzey ısı akışına bağlı olarak değişimi. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Tarım Bilimleri Dergisi, 29(1): 1-9.
• Gülser C, Ekberli İ, Mamedov A, Özdemir N, 2018. Faz değişimine bağlı olarak ısı iletkenliği denkleminin incelenmesi ve toprak neminin ısısal yayınıma etkisi. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 33(3): 261-269.
• Hedayati-Dezfooli, M., Leong, W.H., 2019. An experimental study of coupled heat and moisture transfer in soils at high temperature conditions for a medium coarse soil. International Journal of Heat and Mass Transfer, 137: 372-389. İsachenko, V.P., Osipova, V.A., Sukomel, A.S., 1981. Heat transfer (in Russian). Energoizdat Press, Moscow, 417 p.
• Krause, P., Boyle, D.P., Base, F.B., 2005. Comparison of different efficiency criteria for hydrological model assessment. Advances in Geosciences, 5: 89-97.
• Kreith, F., Black, W.Z., 1983. Basic heat transafer (in Russian). Mir Press, Moscow, pp. 47-128.
• Li, Y., Kustas, W.P., Huang, C., Kool, D., Haghighi, E., 2018. Evaluation of soil resistance formulations for estimates of sensible heat flux in a desert vineyard. Agricultural and Forest Meteorology, 260–261: 255-261.
• Luikov, A.V., 1967. Theory of thermal conductivity (in Russian). Vysshaya Shkola Press, Moscow, 599 p.
• Lu, S., Ren, T., Horton, R., 2020. Estimating the components of apparent thermal conductivity of soils at various water contents and temperatures. Geoderma, 376: 114530.
• Oncley, S.P., Foken, T., Vogt, R., Kohsiek, W., DeBruin, H.A.R., Bernhofer, C., Christen, A., van Gorsel, E., Grantz, D., Feigenwinter, C., Lehner, I., Liebethal, C., Liu, H., Mauder, M., Pitacco, A., Ribeiro, L., Weidinger, T., 2007. The energy balance experiment EBEX-2000. Part I: overview and energy balance. Boundary-Layer Meteorology, 123: 1-28.
• Peng, X., Heitman, J., Horton, R., Ren, T., 2015. Field evaluation and improvement of the plate method for measuring soil heat flux density. Agricultural and Forest Meteorology, 214-215: 341-349.
• Rajeev, P., Kodikara, J., 2016. Estimating apparent thermal diffusivity of soil using field temperature time series. Geomechanics and Geoengineering: An International Journal, 11(1): 28-46.
• Turcotte, D.L., Schubert, G., 1982. Geodynamics: Application of Continuum Physics to Geological Problems. John Wiley and Sons, New York, 450 p.
• Usowicz, B., Lipiec, J., Usowicz, J.B., Marczewski, W., 2013. Effects of aggregate size on soil thermal conductivity: Comparison of measured and model-predicted data. International Journal of Heat and Mass Transfer, 57: 536-541.
• Wang, L., Li, X., Chen, Y., Yang, K., Chen, D., Zhou, J., Liu, W., Qi, J., Huang, J., 2016. Validation of the global land data assimilation system based onmeasurements of soil temperature profiles. Agricultural and Forest Meteorology, 218-219: 288-297.
• Wang, Z-H., Bou-Zeid, E., 2012. A novel approach for the estimation of soil ground heat flux. Agricultural and Forest Meteorology, 154-155: 214-221.
• Willmott, C.J., Matsuura, K., 2005. Advantages of the mean absolute error (MAE) over the root mean square error (RMSE) in assessing average model performance. Climate Research 30: 79-82.
• Wu, B., Oncley, S.P., Yuan, H., Chen, F., 2020. Ground heat flux determination based on near-surface soil hydrothermodynamics. Journal of Hydrology, 591: 125578.
• Xie, X., Lu, Y., Ren, T., Horton, R., 2019. Soil temperature estimation with the harmonic method is affected by thermal diffusivity parameterization. Geoderma, 353: 97-103.
• Yadav, B., Krishnan, P., Shafeeq, P.M., Parihar, C.M., Aggarwal, P., 2020. Modelling soil thermal regime in wheat using HYDRUS-2D under diversified maize-wheat-mungbean cropping system. Catena, 194: 104765.
• Zhu, B., Cheng,W., 2011. Constant and diurnally-varying temperature regimes lead to different temperature sensitivities of soil organic carbon decomposition. Soil Biology & Biochemistry, 43: 866-869.