የአፈር ካፒላሪነትና በውሃ መስቀል ችሎታ

ካፒላሪነት

የካፒላሪነት ተግባር

ጠባብ የመስታወት ቱቦ በማይፈስ የተረጋጋ ውሃ ያለበት ዕቃ ውስጥ ከገባን፣ በቱቦው ውስጥ ያለው ውሃ ከዕቃው ውስጥ ያለው N ደረጃ በላይ እስከ hk ቁመት ይወጣል፣ በቱቦው ውስጥ ያለው የውሃ ገጽታም ሜኒስከስ m ይፈጥራል (sl. 1_a_). ቱቦው እየጠበበ ሲሄድ የውሃው ካፒላሪ መነሳት hk ያህል ከፍ ይሆናል።

የውኃ ካፒላሪ መውጣት ለ_m_ ሜኒስከስ የሚያነሳ ኃይል ይመደባል፣ እና በውኃ ሞለኪውሎችና በብርጭቆ መካከል ያሉ ኢንተርሞሌኩላር የመሳብ ኃይሎች እና በጠባብ ቱቦ ግድግዳዎችና በውኃው ወለል መካከል ያሉ የወለል ግፊቶች በመሆናቸው ይተረጎማል።

በመስታወት ቱቦው ግድግዳ እና የውሃው ገጽታ መካከል የሚሰራው ካፒላሪ ኃይል R ወደ ሜኒስከስ m ገጽታ ታንጀንት አቅጣጫ ነው፣ እሱም በአንድ የክብደት ክፍል ለአንድ የርዝመት ክፍል በp/cm ይገለጻል። ኃይሉን R ወደ ከግድግዳው ገጽታ ጋር ትይዩ ያለ ክፍል J እና ለግድግዳው መደበኛ ክፍል P በመከፋፈል የሜኒስከሱን የማስነሻ ኃይል (sl. 1_a_):  J = R cosα እናገኛለን።

በኃይል R ከግድግዳው ወለል ጋር የሚፈጥረው አንግል የካፒላሪቲ አንግል ተብሎ ይጠራል እና የእሱ ዋጋ ከ0 እስከ 90O ይለዋዋጣል። በካፒላሪ ቱቦ ውስጥ ያለው ውሃ እና ግድግዳዎቹ ሙሉ በሙሉ ንጹሕ ከሆኑ፣ ከዚያም α=0 ይሆናል፣ የሜኒስከስ ወለል ከፊል-ክብ ነው፣ የሚያነሳው ኃይል J = R ከፍተኛ ነው (sl. 1_b_)። ውሃው ቅባቶች ወይም ኦርጋኒክ አሲዶች ካሉት ወይም ግድግዳዎቹ ቅባታማ ከሆኑ፣ ከዚያም α = 90° ይሆናል፣ ሜኒስከስ አይፈጠርም፣ ስለዚህም የውሃ ካፒላሪ መውጣትም የለም።

ምስል 1። የውሃ ካፒላሪ መውጣት እና የካፒላሪ ኃይሎች ተጽዕኖ

የማስነሻ ኃይሉ J = R cos α የሚገኘው ከሚዛን ሁኔታ ነው፣ በዚህም መሠረት በሜኒስከስ ሙሉ ዙሪያ፣ ወይም በራዲየሱ r ያለ ካፒላሪ ቧንቧ ሁሉ ላይ የሚገኘው ጠቅላላ የማስነሻ ኃይል J በቧንቧው ውስጥ የቁመቱ h__ₖ የውሃ አምድ ይይዛል፦

R cos α · 2π_r_ = π_r_² h__ₖ γ__w

በዚህም γ__w የውሃ የመጠን ክብደት ነው።

ከቀደመው እኩልነት የሚነሳውን የካፒላሪ ኃይል እናገኛለን፦

R cos α = (r · h__ₖ · γ__w) / 2

ወይም የካፒላሪ መውጣት ቁመት፦

h__ₖ = (2_R_) / (r · γ__w) · cos α  [cm].

ትኩስ ካፒላሪ ውሃ በካፒላሪ ቱቦ ውስጥ በቀዝቃዛው ውሃ ከሚያድግበት በላይ ከፍ ይደርሳል፣ ምክንያቱም በጣም የበለጠ የስንስነት ምክንያት። ስለዚህም ለአንድ የካፒላሪ መውጣት ከፍታ h__ₖ የመነሻ ኃይል R cos α ለትኩስ ካፒላሪ ውሃ ከቀዝቃዛው ያነሰ ነው። በተፈጸመው ሙከራ መሠረት ለተለያዩ የውሃ ሙቀቶች t በሁሉም ተመሳሳይ ሁኔታዎች የተገኙ የማንሳት ኃይል R cos α የሚከተሉት ናቸው፦

በካፒላሪ ቱቦ ውስጥ ያለው ውሃ በመዘገብ ጭነት ላይ ነው፣ ምክንያቱም የ R cos α ኃይል ወደ ላይ ስለሚያነሳው፣ የስበት ኃይል ግን ወደ ታች ይስበዋል። ነገር ግን የካፒላሪ ቱቦ ግድግዳዎች በካፒላሪ ኃይል R ተጽእኖ ስር በግፊት ላይ ናቸው።

በአፈር ውስጥ ካፒላሪነት

ካፒላሪነት በአፈር ውስጥም ይገኛል፤ በዚያ የካፒላሪ ቱቦዎች ቀዳዳዎችን ይፈጥራሉ፣ እነሱም በሁሉም አቅጣጫዎች እርስ በርሳቸው ተያይዞ ይገኛሉ። አፈሩ ይበልጥ ጥሩ እህል ባለው መጠን ቀዳዳዎቹ ይበልጥ ትንሽ ይሆናሉ እና የካፒላሪ የመውጣት ከፍታ ይበልጣል። ይህ ከፍታ ከአፈሩ አወቃቀርም ይመራል። ነገር ግን በአፈር ውስጥ ያሉ ቀዳዳዎች የተለያዩ መጠን ሊኖራቸው ይችላል እና በዚህ ጉዳይ የካፒላሪ መውጣት ከፍታም ይለያያል። ካፒላሪ ውሃ በመውጣት ጊዜ “ሰፊ ቦታዎች” ላይ ከደረሰ፣ ማለትም በደረሰበት ከፍታ ለቀጭኑ ቀዳዳ ዲያሜትር ከሚስተካከለው የማንሳት ኃይል የሚበልጥ ቀዳዳ ላይ ከደረሰ፣ ከዚያ በኋላ የካፒላሪ መውጣት በዚያ ትልቅ ቀዳዳ መጠን ላይ ይመራል። በዚህ ሁኔታ ንቁ የካፒላሪ መውጣት ከፍታ h__ₖₐ አለን፣ እርሱም በትልቁ ቀዳዳዎች ላይ ይመራል። በተቃራኒው ግን፣ የከርሰ ምድር ውሃ ደረጃ ሲወርድ ካፒላሪ ውሃው ከላይ ወደ ታች ሲወርድ “ጠባብ ቦታዎች” ላይ ቢደርስ፣ በዚያ ጥልቀት ላይ ይቆያል እና ከዚያ በታች አይወርድም። በዚህ ጊዜ ፓሲቭ ካፒላሪ ከፍታ h__ₖₚ አለን፣ እርሱም በትንንሽ ቀዳዳዎች ላይ ይመራል።

እንደ አፈሩ ባለብዙ ቀዳዳነት እና አወቃቀር መሠረት የተዘጋ እና የተከፈተ ካፒላሪ ውሃ ይለያያሉ።

የተዘጋ ካፒላሪ ውሃ ከ地下ውሃ መስታወት ጋር ይዛመዳል እና በመነሳት ጊዜ አየርን በፊቱ ወደ ላይኛው የአፈር ዞን ይገፋፋል። በዚህም ምክንያት በላይኛው ዞን ውስጥ የአየር መጠን ይጨምራል፣ ከዚህም ጋር በዚያ ዞን ያለው የአየር ግፊት በቀዳዳዎቹ ውስጥ ይጨምራል። በዚህ መንገድ የተፈጠረው የአየር ግፊት ከካፒላሪ መውጣት ጋር ይቃወማል፣ ስለዚህም የካፒላሪ መውጣት ቁመት ያነሰ ይሆናል። ይህ ሁኔታ በውሃ መሬት ደረጃ በቀጥታ ከላይ ባሉ ዝቅተኛ የአፈር ንብርብሮች ውስጥ ይከሰታል፣ እዚያም ቀዳዳዎቹ ትንሽ ሲሆኑ በካፒላሪ መውጣት ጊዜ ውሃው ሁሉንም ቀዳዳዎች በፍጹም ይሞላል።

ክፍት ካፒላሪ ውሃ እንዲሁም ከ地下ውሃ ግምባር ጋር የተያያዘ ነው፣ ነገር ግን በአየር የተሞሉ ቀዳዳዎች አጠገብ ይገኛል። ይህ ሁኔታ ቀዳዳዎቹ መጠናቸው የተለያዩ በሆኑበት የአፈር የላይኛው ክፍል ውስጥ ይከሰታል፤ በዚያም ውሃ ትንንሽ ቀዳዳዎችን ብቻ ሙሉ በሙሉ ይሞላል፣ በአጠገቡ ያሉት ትልልቅ ቀዳዳዎች ግን አየር ይዟሉ። በካፒላሪ መውጣት ጊዜ ውሃው ከትንንሽ ቀዳዳዎች ወደ አጠገባቸው ያሉ ትልልቅ ቀዳዳዎች አየርን ይገፋፋል፤ ስለዚህም ከውሃ ዐምድ በላይ ባለው ከፍተኛ ክፍል በካፒላሩ ውስጥ የአየር ግፊት አይፈጠርም፣ ስለዚህ ክፍት ካፒላሪ ውሃ ከተዘጋው የበለጠ ከፍ ይወጣል።

የተዘጋ ወይም ክፍት ካፒላሪ ውሃ ያለበት ዞን በአፈር ውስጥ ያለው የውሃ w መጠን መሠረት ይወሰናል።

በተዘጋ ካፒላሪ ውሃ ውስጥ ሁሉም ቀዳዳዎች በውሃ የተሞሉ ናቸው፣ ይህም በአፈር ውስጥ ያለው የውሃ መጠን w = wZ መሆኑን፣ ማለትም የሙሉ መጠገኛ ደረጃ S__ᵣ = 1,0 መሆኑን ያመለክታል።

በክፍት ካፒላሪ ውሃ ውስጥ ትንንሽ ቀዳዳዎች ሙሉ በሙሉ በውሃ ይሞላሉ፣ ትላልቅ ቀዳዳዎች ግን በከፊል በውሃ ይሞላሉ፤ ይህም የጠንካራ ክፍሎችን የሚሸፍን የውሃ ፊልም እና በጠንካራ ክፍሎች መካከል በመነካካት ቦታዎች ላይ ያለ የማዕዘን ውሃ (ምስል 2) እንዲሁም በከፊል በአየር ሲሆን፣ በዚህ ሁኔታ w < wZ እና S__ᵣ < 1,0 ነው።

ለተለያዩ የአፈር ዓይነቶች የካፒላሪ መውጣት ከፍታ h__ₖ በላቦራቶሪ ፈተና ይወሰናሉ። ለተለያዩ የአፈር ዓይነቶች አማካይ h__ₖ ከፍታዎች በእነዚህ ክልሎች ውስጥ ይገኛሉ፡

Сл. 2. Водени филм и угаона површинска вода

በአፈር ውስጥ ካፒላሪ ኃይሉ R በተሸካሚ ቁሶች ላይ በግፊት ይሰራል፣ በዚህም መካከላቸው ተብለው የሚጠሩትን አስመሳሳይ ተጣባቂነት ይፈጥራል፣ ይህም እንደ አንድ ዓይነት ማገናኘት በጠንካራ ቅንጣቶች መካከል ይሠራል። ነገር ግን አስመሳሳይ ተጣባቂነት በአፈር ቀዳዳዎች ውስጥ ውኃ ካፒላሪ ሲወጣ እስከሚቆይ ድረስ ብቻ ነው። አፈርን በውኃ ውስጥ በማጥለቅ ቀዳዳዎቹ በውኃ ይሞላሉ እና አስመሳሳይ ተጣባቂነት መኖር ይቆማል።

በግልጽ የሚታይ ኮሄዥን የሚባለው ነገር፣ በደረቅ ሁኔታ የተበተነ የሆነው ጥሩ አሸዋ በእርጥብ ሁኔታ የተወሰነ የማገናኘት ችሎታ እንዲያገኝ ስለሚያደርግ፣ በደረቅ አሸዋ የማይቻል ሆኖ ሞዴል ማድረግ እንዲቻል የሚከሰተውን ክስተት ያመለክታል。

Познато је да песак (уколико није муљ или прашина) на морским плажама квашен таласима има тако добру носивост да се по њему може возити бицикл или аутомобил, док је мало даље, где не допиру таласи, исти песак у сувом стању и точкови у њему пропадају, тако да је свака вожња немогућа.

መተላለፊያነት

በውሃ በሚያልፍ ጅምላ ውስጥ የውሃ መፍሰስ

የተገናኙ ዕቃዎች A, B, C, D, እና E (ስዕ. 3) እንመልከት፤ ከ_a_ እስከ b ያለው አንድ ክፍል የ_ L_ ርዝመት ያለው ተላላፊ ብዛት፣ ለምሳሌ አሸዋ፣ ተሞልቶበታል። በተገናኙ ዕቃዎች አንድ ጫፍ ላይ ውሃ እስከ N₁ ደረጃ ከፈሰስን፣ በተገናኙ ዕቃዎች ውስጥ የውሃው ደረጃ የተለያየ ይሆናል፣ ማለትም ውሃው የተጓዘበት መንገድ ርዝመት እየጨመረ ይቀንሳል።

Sl. 3. በሚያስተላለፍ ብዛት ውስጥ የውሃ ፍሰት

በማጣሪያው ፊት የውሃ አምድ ከፍታ h₁ ሲደርስ፣ ከማጣሪያው በኋላ h₂ ይኖራል። በዚያ ጊዜ በ_N₁_ እና N₂ ያለው ልዩነት፦

h = h₁ − h₂

ልዩነቱ h የጠፋ ሀይድሮስታቲክ ግፊትን ይወክላል፣ ይህም በፊልተሩ ውስጥ የውሃ መፍሰስ መከላከያን ለመሸነፍ ተጠቅሟል። ይህን ክስተት የፈረንሳይ ሳይንቲስት Darcy እስከ 1856. ዓ.ም. ድረስ አረጋግጧል። እርሱ በዚያን ጊዜ በሚያልፍ የሚችል ህይወት ውስጥ የውሃ ፍሰት ፍጥነትን ለማስላት የሚከተለውንም ቅጥ አቀረበ፦

V = k × (dh/dL) = ki

የት ነው፥

• V = ውሃ በሚያልፍበት ፍሰት ፍጥነት በፍሳሽ ተላላፊ መስርያ ውስጥ፣ [cm/sec]፣
• k = በአፈር ባህሪያት ላይ የሚመረኮዝ የተላላፊነት አቅም ቅንጅት [cm/sec]፣
• dh = ቁመቱ h በብዙ ቀጭን ንብርብሮች ሲከፈል የሚገኘው ርዝመት [cm],
• dL = የ L ርዝመት ከ h ቁመት ጋር በተመሳሳይ ቁጥር የርዝመቶች ተከፍሎ ሲገኝ የሚገኘው ርዝመት ነው፣ [cm].

የ dh/dL = i ግንኙነት በመበላሸት የጠፋ ከፍታ ከተጓዘው የውሃ መንገድ ጋር ያለው ግንኙነት ሲሆን የሃይድራውሊክ ዝቅተኛነት፣ የሃይድራውሊክ ግራዲየንት ወይም የፒዮዞሜትሪክ ዝንባሌ ተብሎም ይጠራል። ይህ የመጨረሻው ስም የመጣው B፣ C እና D ተብለው ከሚጠሩ piezometarske cevi. ነው። ከፊተኛው ቅጽ የውሃ በማጣሪያ ውስጥ የሚንቀሳቀስበት የDarcyev ሕግ ተብሎ ይጠራል።

በተወሰነ ጊዜ t ውስጥ በመስተዋቱ ማጣሪያ ከመስተዋቱ ክፍል ስፋት A የሚያልፈው አጠቃላይ የውሃ መጠን q የሚከተለው ነው

q = kAti,

ከዚያም ነው

k = q / (Ati),  ወይም k = qL / Ath,

እዚህ i = h / L = በ L ርዝመት ላይ ያለው ሃይድሮሊክ ቅናሽ ነው (ቀጥተኛ መስመር ከሆነ)።

ኮኤፊሺየንት k በ10°C ሙቀት ላይ የአፈርን ልፋት ይገልጻል።

k = V / i  [cm/sec]

ውሃ በአፈር ውስጥ የሚፈስበት ፍጥነት ከሚከተለው ቅጽ ይገኛል

V = q / A  [cm/sec],

እዚህ q = በአፈር በኩል በሴኮንድ የሚፈስሰው የውሃ መጠን በሴንቲሜትር³፣ በ10°C ሙቀት፣ A = ውሃው የሚፈስበት የአፈር መስቀለኛ ክፍል ስፋት፣ [cm²]።

የDarcyev ሕግ ለየውሃ ላሚናር እንቅስቃሴዎች፣ ማለትም ዝምታ ያለ፣ ከተዘዋዋሪ እንቅስቃሴ የጸዳ እና በትንሽ ፍጥነት የሚከናወን እንቅስቃሴ ይሠራል።

የማጣሪያ ፍጥነት V በአፈር ውስጥ የውሃ እንቅስቃሴ አማካይ ፍጥነት ነው እና ከተጨባጭ የውሃ ፍሰት ፍጥነት ጋር አይመሳሰልም፣ እርሱም ከፍተኛ ነው። ውሃ በማጣሪያ ውስጥ ሲፈስ፣ እኩል የሆኑ የትንሽ ጭነቶች dh ብዙ ጊዜ በውሃ መንገድ የተለያዩ ርዝመቶች dL ላይ ይውላሉ፣ ስለዚህ የሃይድራዊክ ግራዲየንት ከአንዱ የአፈር ነጥብ ወደ ሌላው ይለዋዋጣል።

የአፈር የሚያልፍ ችሎታ በውስጡ ያሉ ፖሮች መጠን ላይ ይመረኮዛል። አፈሩን በጫና ሲያጋጥም ፖሮቹ ይቀንሳሉ እና የሚያልፍ ችሎታው ይቀንሳል። ስለዚህ ለአንድ ያው አፈር የሚያልፍ ችሎታ ኮኤፊሺየንት k በትክክል ከፖሮሲቲ መጠን፣ ወይም ከፖሮሲቲ ኮኤፊሺየንቱ e ጋር ቀጥታ ተመጣጣኝ ነው። ነገር ግን ለተለያዩ የአፈር ዓይነቶች ፖሮሲቲ በ_ e _ ኮኤፊሺየንት የተገለጸ ቢሆንም ለሚያልፍ ችሎታ መለኪያ መሆን አይችልም፣ ምክንያቱም ይህ ችሎታ በአፈሩ አጠቃላይ ፖሮሲቲ እንደማይደገፍ ይልቅ በውስጡ ያሉ ፖሮች መጠን ላይ ይመረኮዛል። ለምሳሌ፣ ፖሮሲቲው e = 0,25 የሆነ የጠጠር አሸዋ በጣም ከፍተኛ የሚያልፍ ችሎታ አለው፣ k = 2–3 cm/sec፣ ለስላሳ ሸክላ ግን ፖሮሲቲው 60%፣ የፖሮሲቲ ኮኤፊሺየንቱ e = 1,50 ነው፣ ትንሽ የሚያልፍ ችሎታ አለው፣ k = 10_⁻⁶ እስከ 10⁻_¹¹ cm/sec።

የመግቢያ መጠን k በ_ስሌታዊ መንገድ፣ በላብራቶሪ_ እና በ_መስክ ሙከራዎች_ ሊወሰን ይችላል።

በስሌት መንገድ ኮኤፊሺየንትን መወሰን በአፈር የግራኑሎሜትሪክ አቀማመጥ ላይ ይመሠራል። ኮኤፊሺየንት k ለመወሰን የአፈሩ ጠንካራ አካላት ሉላዊ ቅርጽ አላቸው የሚል ግምት ይወሰዳል፣ ይህም በተለይ በተጣጣሚ አፈር ላይ እውነታውን አያመለክትም። ስለዚህ በዚህ መንገድ የተወሰኑ የኮኤፊሺየንት k እሴቶች እንደ ትክክለኛ አይቀበሉም።

የ k ኮኤፊሺየንት በላቦራቶሪ ሙከራዎች መወሰን በጣም ተስፋፊ ሲሆን በያልተበላሹ የአፈር ናሙናዎች ላይ ይከናወናል። ነገር ግን በዚህ መንገድ የተወሰነው የ k ኮኤፊሺየንት ትክክለኛነት እንደ ብዙ ምክንያቶች ይወሰናል፣ ለምሳሌ ሙከራው በሚደረግበት ናሙና በአፈሩ ውስጥ ያለውን የሚያልፍ ንብርብር ምን ያህል እንደሚወክል፣ ከዚያም በሙከራ መሣሪያው ውስጥ ያለው ናሙና ያልተበላሸ ሁኔታ እና የሙከራው የመፈጸሚያ መንገድ። የተወሰነውን አፈር የሚወክሉ በቂ ብዛት ያላቸውን ናሙናዎች በመመርመር፣ ናሙናውን በመስክ ላይ በሙከራ መሣሪያው ራሱ ሲሊንደሮች ውስጥ በመውሰድ እና በተገቢ የሙከራ አፈጻጸም መንገድ፣ ለመጠቀም ተገቢ የሚሆኑ በግምት ትክክለኛ የ k ኮኤፊሺየንት እሴቶች ሊገኙ ይችላሉ።

የ k ኮኤፊሺየንት በመስክ ሙከራ መወሰን በጣም ትክክለኛ ዋጋዎችን ይሰጣል፣ ምክንያቱም በውስጡ ያለውን የአፈር ስብጥር እና የተከፋፈለ ንብርብር ሁኔታ ሙሉ በሙሉ ይመሳሰላል። ነገር ግን ይህ የ k ኮኤፊሺየንት መወሰኛ መንገድ ብዙ ጊዜ እና ትልቅ ወጪ ይፈልጋል፣ ስለዚህ በትንሽ ጊዜ ብቻ እና ትክክለኛው ዋጋው በፍጹም አስፈላጊ ሲሆን ብቻ ይካሄዳል።

በመሠረት ስራ ላይ ያሉ ደንቦቻችን መሠረት የሚከተለው የመተላለፊያ ኮኤፊሺየንት ያላቸው አፈሮች እንደሆኑ ይቆጠራሉ፦

• k < 10_⁻_¹¹ cm/sec — በጣም የማይያልፍ
• k < 10_⁻_⁹        — በጣም ጥቂት የሚያልፍ
• k < 10_⁻_⁷        — ትንሽ ተላላፊ
• k < 10_⁻_⁵        — መካከለኛ የሚያልፍ
• k < 10_⁻_³        — የበለጠ የሚያልፍ
• k > 10_⁻_³        — በጣም የሚያልፍ