Published March 1, 2024
| Version v1
Publication
Open
Predicting the Electrical Conductivity of Partially Saturated Frozen Porous Media, a Fractal Model for Wide Ranges of Temperature and Salinity
Creators
- 1. Sorbonne Université
- 2. Milieux environnementaux, transferts et interactions dans les hydrosystèmes et les sols
- 3. Central South University
- 4. Laboratoire de Physique de l'ENS
Description
Abstract The quantitative determination of liquid water content and salinity in soils is crucial for the preservation of hydrological environments and engineering infrastructures, especially in frozen regions. Electrical conductivity, as a fundamental physical parameter in electrical and electromagnetic non‐destructive techniques, varies significantly with the physical and chemical properties, such as pore water conductivity, salinity, water saturation, and temperature. In this study, accounting for pore size and tortuous length following fractal distributions, we develop a new capillary bundle model for variation of electrical conductivity as a function of temperature in broad water saturation and salinity ranges. In this new model, we consider the contributions of bulk and surface conductivities to the total electrical conductivity. To test this model, a series of laboratory experiments were carried out for different initial water saturations and salinities using an electrical resistance apparatus and a nuclear magnetic resonance method. The experimental results show that unfrozen water saturation and ionic concentration affect the electrical conductivity of unsaturated frozen soils. Furthermore, the proposed model is capable of fitting the main trends of the experimental data from the literature and acquired in this study in unfrozen‐frozen conditions for different water contents. Relying on the proposed model, we also determine the expression of the apparent formation factor, which is significantly sensitive to porosity, water saturation, and temperature. The predicted values of the apparent formation factor also agree very well with the experimental data. This new capillary bundle model provides a new perspective in interpreting electrical monitoring to easily deduce changes in key variables in the cryosphere such as liquid water content and moisture gradients.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يعد التحديد الكمي لمحتوى الماء السائل والملوحة في التربة أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على البيئات الهيدرولوجية والبنى التحتية الهندسية، خاصة في المناطق المتجمدة. تختلف الموصلية الكهربائية، باعتبارها معلمة فيزيائية أساسية في التقنيات الكهربائية والكهرومغناطيسية غير المدمرة، اختلافًا كبيرًا مع الخصائص الفيزيائية والكيميائية، مثل موصلية الماء المسامي والملوحة وتشبع الماء ودرجة الحرارة. في هذه الدراسة، مع الأخذ في الاعتبار حجم المسام والطول المتعرج بعد التوزيعات الكسورية، نقوم بتطوير نموذج جديد للحزمة الشعرية لتباين الموصلية الكهربائية كدالة لدرجة الحرارة في تشبع الماء الواسع ونطاقات الملوحة. في هذا النموذج الجديد، نأخذ في الاعتبار مساهمات الموصلات السائبة والسطحية في إجمالي الموصلية الكهربائية. لاختبار هذا النموذج، تم إجراء سلسلة من التجارب المعملية لتشبعات وملوحة المياه الأولية المختلفة باستخدام جهاز مقاومة كهربائية وطريقة رنين مغناطيسي نووي. تظهر النتائج التجريبية أن تشبع الماء غير المتجمد والتركيز الأيوني يؤثران على الموصلية الكهربائية للتربة المتجمدة غير المشبعة. علاوة على ذلك، فإن النموذج المقترح قادر على ملاءمة الاتجاهات الرئيسية للبيانات التجريبية من الأدبيات والمكتسبة في هذه الدراسة في ظروف غيرمجمدة لمحتويات المياه المختلفة. بالاعتماد على النموذج المقترح، نحدد أيضًا التعبير عن عامل التكوين الظاهري، وهو حساس بشكل كبير للمسامية وتشبع الماء ودرجة الحرارة. تتوافق القيم المتوقعة لعامل التكوين الظاهري أيضًا بشكل جيد جدًا مع البيانات التجريبية. يوفر نموذج الحزمة الشعرية الجديد هذا منظورًا جديدًا في تفسير المراقبة الكهربائية لاستنتاج التغييرات بسهولة في المتغيرات الرئيسية في الغلاف الجليدي مثل محتوى الماء السائل وتدرجات الرطوبة.Translated Description (French)
Résumé La détermination quantitative de la teneur en eau liquide et de la salinité dans les sols est cruciale pour la préservation des environnements hydrologiques et des infrastructures d'ingénierie, en particulier dans les régions gelées. La conductivité électrique, en tant que paramètre physique fondamental dans les techniques nondestructives électriques et électromagnétiques, varie considérablement avec les propriétés physiques et chimiques, telles que la conductivité de l'eau interstitielle, la salinité, la saturation en eau et la température. Dans cette étude, en tenant compte de la taille des pores et de la longueur tortueuse suivant les distributions fractales, nous développons un nouveau modèle de faisceau capillaire pour la variation de la conductivité électrique en fonction de la température dans de larges plages de saturation en eau et de salinité. Dans ce nouveau modèle, nous considérons les contributions des conductivités de volume et de surface à la conductivité électrique totale. Pour tester ce modèle, une série d'expériences en laboratoire ont été réalisées pour différentes saturations et salinités initiales de l'eau à l'aide d'un appareil de résistance électrique et d'une méthode de résonance magnétique nucléaire. Les résultats expérimentaux montrent que la saturation en eau non congelée et la concentration ionique affectent la conductivité électrique des sols congelés insaturés. En outre, le modèle proposé est capable d'adapter les principales tendances des données expérimentales de la littérature et acquises dans cette étude dans des conditions noncongelées pour différentes teneurs en eau. En nous appuyant sur le modèle proposé, nous déterminons également l'expression du facteur de formation apparent, qui est significativement sensible à la porosité, à la saturation en eau et à la température. Les valeurs prédites du facteur de formation apparent concordent également très bien avec les données expérimentales. Ce nouveau modèle de faisceau capillaire offre une nouvelle perspective dans l'interprétation de la surveillance électrique pour déduire facilement les changements dans les variables clés de la cryosphère telles que la teneur en eau liquide et les gradients d'humidité.Translated Description (Spanish)
Resumen La determinación cuantitativa del contenido de agua líquida y la salinidad en los suelos es crucial para preservar los entornos hidrológicos y las infraestructuras de ingeniería, especialmente en las regiones congeladas. La conductividad eléctrica, como parámetro físico fundamental en las técnicas eléctricas y electromagnéticas no destructivas, varía significativamente con las propiedades físicas y químicas, como la conductividad del agua porosa, la salinidad, la saturación del agua y la temperatura. En este estudio, teniendo en cuenta el tamaño de los poros y la longitud tortuosa después de las distribuciones fractales, desarrollamos un nuevo modelo de haz capilar para la variación de la conductividad eléctrica en función de la temperatura en amplios rangos de saturación y salinidad del agua. En este nuevo modelo, consideramos las contribuciones de las conductividades a granel y de superficie a la conductividad eléctrica total. Para probar este modelo, se llevaron a cabo una serie de experimentos de laboratorio para diferentes saturaciones iniciales de agua y salinidades utilizando un aparato de resistencia eléctrica y un método de resonancia magnética nuclear. Los resultados experimentales muestran que la saturación de agua no congelada y la concentración iónica afectan la conductividad eléctrica de los suelos congelados insaturados. Además, el modelo propuesto es capaz de adaptarse a las principales tendencias de los datos experimentales de la literatura y adquiridos en este estudio en condiciones no congeladas para diferentes contenidos de agua. Basándonos en el modelo propuesto, también determinamos la expresión del factor de formación aparente, que es significativamente sensible a la porosidad, la saturación de agua y la temperatura. Los valores predichos del factor de formación aparente también concuerdan muy bien con los datos experimentales. Este nuevo modelo de haz capilar proporciona una nueva perspectiva en la interpretación de la monitorización eléctrica para deducir fácilmente los cambios en las variables clave en la criosfera, como el contenido de agua líquida y los gradientes de humedad.Files
2023WR034845.pdf
Files
(15.9 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:b958dc08f5c192c861e4ca3eded6f008
|
15.9 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التنبؤ بالموصلية الكهربائية للأوساط المسامية المجمدة المشبعة جزئيًا، نموذج كسوري لنطاقات واسعة من درجة الحرارة والملوحة
- Translated title (French)
- Prédire la conductivité électrique des milieux poreux congelés partiellement saturés, un modèle fractal pour de larges plages de température et de salinité
- Translated title (Spanish)
- Predicción de la conductividad eléctrica de medios porosos congelados parcialmente saturados, un modelo fractal para amplios rangos de temperatura y salinidad
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4393165803
- DOI
- 10.1029/2023wr034845
References
- https://openalex.org/W1161558551
- https://openalex.org/W1502044662
- https://openalex.org/W1535284822
- https://openalex.org/W1605014269
- https://openalex.org/W1606483993
- https://openalex.org/W1608978869
- https://openalex.org/W1745462821
- https://openalex.org/W1918989449
- https://openalex.org/W1925345334
- https://openalex.org/W1970814004
- https://openalex.org/W1982364331
- https://openalex.org/W2030226987
- https://openalex.org/W2032033031
- https://openalex.org/W2034279603
- https://openalex.org/W2044954481
- https://openalex.org/W2045910686
- https://openalex.org/W2052816655
- https://openalex.org/W2063804965
- https://openalex.org/W2071246972
- https://openalex.org/W2071620510
- https://openalex.org/W2074511223
- https://openalex.org/W2084648651
- https://openalex.org/W2085173122
- https://openalex.org/W2094637950
- https://openalex.org/W2119946452
- https://openalex.org/W2138102742
- https://openalex.org/W2138179582
- https://openalex.org/W2141694229
- https://openalex.org/W2146800841
- https://openalex.org/W2253629890
- https://openalex.org/W2494999231
- https://openalex.org/W2532261565
- https://openalex.org/W2622661447
- https://openalex.org/W2741000561
- https://openalex.org/W2742809806
- https://openalex.org/W2751578087
- https://openalex.org/W2767021887
- https://openalex.org/W2773149456
- https://openalex.org/W2803330186
- https://openalex.org/W2883241681
- https://openalex.org/W2886181193
- https://openalex.org/W2887215590
- https://openalex.org/W2887773427
- https://openalex.org/W2899026993
- https://openalex.org/W2943548383
- https://openalex.org/W2948645081
- https://openalex.org/W2948753235
- https://openalex.org/W2964459691
- https://openalex.org/W2972413323
- https://openalex.org/W2989389394
- https://openalex.org/W2994175501
- https://openalex.org/W2997120005
- https://openalex.org/W2997680695
- https://openalex.org/W3000044840
- https://openalex.org/W3008727438
- https://openalex.org/W3016903593
- https://openalex.org/W3028472743
- https://openalex.org/W3080731192
- https://openalex.org/W3093932986
- https://openalex.org/W3096427867
- https://openalex.org/W3099087894
- https://openalex.org/W3110697636
- https://openalex.org/W3114297206
- https://openalex.org/W3126149290
- https://openalex.org/W3165953116
- https://openalex.org/W3166660802
- https://openalex.org/W3169934844
- https://openalex.org/W3190452645
- https://openalex.org/W4210389690
- https://openalex.org/W4229444297
- https://openalex.org/W4243418253
- https://openalex.org/W4292543024
- https://openalex.org/W4318477709
- https://openalex.org/W4321243219
- https://openalex.org/W4362735256