మట్టి యొక్క కేశనాళత్వం మరియు పారగమ్యత

క్యాపిల్లారిటీ

కాపిల్లారిటీ యొక్క ప్రదర్శన

మేము సన్నని గాజు గొట్టాన్ని ప్రవాహం లేని నిశ్చల నీటితో ఉన్న పాత్రలో ముంచితే, గొట్టంలో నీరు పాత్రలోని N స్థాయి పైన hk ఎత్తు వరకు ఎగుస్తుంది, మరియు గొట్టంలోని నీటి ఉపరితలం మెనిస్కస్ m ను ఏర్పరుస్తుంది (చిత్రం 1_a_). గొట్టం ఎంత సన్నగా ఉంటే, నీటి కాపిల్లరీ ఎగసే ఎత్తు hk అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది.

నీటి కాపిల్లరీ ఎగబాకడం meniscus m యొక్క పైకెత్తే బలానికి ఆపాదించబడుతుంది; దీనిని నీరు మరియు గాజు అణువుల మధ్య ఉన్న అంతర్మాలిక్యులర్ ఆకర్షణ బలాలు మరియు సన్నని గొట్టం గోడలు, నీటి ఉపరితలం మధ్య ఉన్న ఉపరితల ఉద్రిక్తతలు వివరిస్తాయి.

గాజు నాళం గోడ మరియు నీటి ఉపరితలం మధ్య సంపర్కంలో, m మెనిస్కస్ ఉపరితలానికి ట్యాంజెంట్ దిశలో కాపిల్లరీ బలం R పనిచేస్తుంది; ఇది పొడవు యూనిట్‌కు బరువు యూనిట్‌గా, p/cmలో వ్యక్తీకరించబడుతుంది. R బలాన్ని గోడ ఉపరితలానికి సమాంతరమైన J భాగంగా మరియు గోడకు లంబమైన P భాగంగా విభజించడం ద్వారా, మెనిస్కస్ యొక్క ఎత్తే బలాన్ని (చిత్రం 1_a_): J = R cosα పొందుతాము.

బలం R గోడ ఉపరితలంతో ఏర్పరచే α కోణాన్ని క్యాపిల్లారిటీ కోణం అంటారు; దాని విలువ 0 నుండి 90O వరకు ఉంటుంది. కాపిల్లరీ గొట్టంలో ఉన్న నీరు మరియు దాని గోడలు పూర్తిగా శుభ్రంగా ఉంటే, అప్పుడు α=0, మెన్నిస్కస్ ఉపరితలం అర్ధవృత్తాకారంగా ఉంటుంది, పైకి లేపే బలం J = R గరిష్టంగా ఉంటుంది (చిత్రం 1_b_). నీటిలో కొవ్వులు లేదా సేంద్రీయ ఆమ్లాలు ఉంటే, లేదా గోడలు జిడ్డుగా ఉంటే, అప్పుడు α = 90°, మెన్నిస్కస్ ఏర్పడదు, కాబట్టి నీటి కాపిల్లరీ ఎగబాకడం కూడా జరగదు.

చిత్రం 1. నీటి కాపిల్లరీ ఎగబాకడం మరియు కాపిల్లరీ బలాల ప్రభావం

పొదుపు బలం J = R cos α ను సమతుల్యత షరతు నుండి పొందుతాము; దాని ప్రకారం, వ్యాసార్థం r గల మెనిస్కస్ లేదా కాపిల్లరీ నాళం మొత్తం చుట్టుకొలతపై పనిచేసే మొత్తం ఎత్తే బలం J, నాళంలో ఉన్న h__ₖ ఎత్తు గల నీటి స్తంభాన్ని నిలుపుతుంది:

R cos α · 2π_r_ = π_r_² h__ₖ γ__w

ఇక్కడ γ__w అనేది నీటి పరిమాణ బరువు.

మునుపటి సమీకరణం నుండి పైకి లేపే కాపిలరీ బలాన్ని పొందుతాము:

R cos α = (r · h__ₖ · γ__w) / 2

అంటే కాపిల్లరీ ఎగబాకే ఎత్తు:

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

వేడి కాపిల్లరీ నీరు, అధిక స్నిగ్ధత కారణంగా, చల్లని నీటికన్నా కాపిల్లరీ గొట్టంలో ఎక్కువ ఎత్తుకు ఎగబాకుతుంది. అందువల్ల ఒకే కాపిల్లరీ ఎగబాకే ఎత్తు h__ₖ కోసం, వేడి కాపిల్లరీ నీటికోసం బలము R cos α చల్లని నీటికంటే తక్కువగా ఉంటుంది. నిర్వహించిన పరీక్షల ప్రకారం, నీటి వివిధ ఉష్ణోగ్రతలు t వద్ద, అన్ని సమాన పరిస్థితులలో, ఎగువకు లాగే బలము R cos α యొక్క క్రింది విలువలు పొందబడ్డాయి:

కాపిల్లరీ నాళంలో నీరు తన్యత ఒత్తిడిలో ఉంటుంది, ఎందుకంటే R cos α బలం దాన్ని పైకి లేపుతుంది, కాగా గురుత్వ బలం దాన్ని క్రిందికి లాగుతుంది. అయితే కాపిల్లరీ నాళం గోడలు కాపిల్లరీ బలం R ప్రభావంలో పీడన ఒత్తిడిలో ఉంటాయి.

మట్టిలో కాపిల్లారిటీ

క్యాపిల్లారిటీ మట్టిలో కూడా ఉంటుంది, అక్కడ కాపిల్లరీ గొట్టాలు రంధ్రాలను ఏర్పరుస్తాయి; అవి అన్ని దిశలలో పరస్పరం అనుసంధానమై ఉంటాయి. నేల ఎంత సన్నకణాలుగా ఉంటే, రంధ్రాలు అంత సూక్ష్మంగా ఉంటాయి మరియు క్యాపిల్లరీ ఎగబాకే ఎత్తు అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఈ ఎత్తు మట్టి నిర్మాణంపై కూడా ఆధారపడి ఉంటుంది. అయితే మట్టిలోని రంధ్రాలు వివిధ పరిమాణాల్లో ఉండవచ్చు, అప్పుడు క్యాపిల్లరీ ఎగబాకే ఎత్తు కూడా భిన్నంగా ఉంటుంది. ఎగబాకే సమయంలో క్యాపిల్లరీ నీరు “విస్తృత ప్రాంతాలకు”, అంటే, చేరుకున్న ఎత్తులో ఉన్న ఇరుకైన రంధ్రం వ్యాసానికి తగిన లేపన శక్తికన్నా పెద్ద రంధ్రానికి చేరితే, అప్పుడు మరింత క్యాపిల్లరీ ఎగబాకడం ఆ పెద్ద రంధ్రం పరిమాణంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఈ సందర్భంలో మనకు సక్రియ క్యాపిల్లరీ ఎగబాకే ఎత్తు h__ₖₐ ఉంటుంది, ఇది అతిపెద్ద రంధ్రాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, భూగర్భ జల మట్టం తగ్గేటప్పుడు పై నుండి కిందికి దిగివస్తున్న క్యాపిల్లరీ నీరు “ఇరుకైన ప్రాంతాలను” ఎదుర్కొంటే, అది ఆ లోతులోనే నిలిచి ఇక దిగదు. అప్పుడు మనకు నిష్క్రియ క్యాపిల్లరీ ఎత్తు h__ₖₚ ఉంటుంది, ఇది అతి చిన్న రంధ్రాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

మట్టి యొక్క రంధ్రాల శాతం మరియు నిర్మాణం ప్రకారం మూసివున్న మరియు తెరిచి ఉన్న కాపిల్లరీ నీరు వేరు చేయబడతాయి.

మూసివేసిన కాపిలరీ నీరు భూగర్భజల మట్టంతో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది, మరియు పైకి ఎగసేటప్పుడు తన ముందున్న గాలిని మట్టి పైభాగపు మండలానికి నెట్టివేస్తుంది. దాంతో పై మండలంలో గాలి పరిమాణం పెరుగుతుంది, తద్వారా ఆ మండల రంధ్రాలలో గాలియొక్క పీడనం కూడా పెరుగుతుంది. ఇలా ఏర్పడిన గాలి పీడనం కాపిలరీ పైకెగరడాన్ని ప్రతిఘటిస్తుంది, కాబట్టి కాపిలరీ ఎత్తు తక్కువగా ఉంటుంది. ఈ సందర్భం భూగర్భజల స్థాయికి తక్షణమే పైగా ఉన్న మట్టిలోని దిగువ పొరల్లో కనిపిస్తుంది, అక్కడ రంధ్రాలు చిన్నవిగా ఉండి, కాపిలరీ పైకెగరడంలో నీరు అన్ని రంధ్రాలను పూర్తిగా నింపుతుంది.

తెరిచిన కాపిలరీ నీరు కూడా భూగర్భ జల మట్టంతో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది, అయితే అది గాలితో నిండిన రంధ్రాల పక్కన ఉంటుంది. ఈ పరిస్థితి మట్టిలోని పై భాగంలో ఏర్పడుతుంది, అక్కడ రంధ్రాలు వేర్వేరు పరిమాణాల్లో ఉంటాయి; అప్పుడు నీరు చిన్న రంధ్రాలను మాత్రమే పూర్తిగా నింపుతుంది, కాగా పక్కనే ఉన్న పెద్ద రంధ్రాల్లో గాలి ఉంటుంది. కాపిలరీ ఎగబాకే సమయంలో, నీరు చిన్న రంధ్రాల నుండి గాలిని పక్కనే ఉన్న పెద్ద రంధ్రాల్లోకి తోసివేస్తుంది; అందువల్ల కాపిలరీలోని నీటి స్థంభం పైన ఉన్న పై మండలంలో గాలి పీడనం ఏర్పడదు, కాబట్టి మూసివున్న కాపిలరీ నీటికంటే తెరిచిన కాపిలరీ నీరు ఎక్కువ ఎత్తుకు ఎగబాకుతుంది.

మూసివున్న లేదా తెరిచిన కాపిల్లరీ నీరు ఉన్న మండలం, మట్టిలోని నీటి పరిమాణం w ఆధారంగా నిర్ణయించబడుతుంది.

మూసిన కాపిల్లరీ నీటి సందర్భంలో అన్ని రంధ్రాలు నీటితో నిండి ఉంటాయి, అంటే నేలలోని నీటి పరిమాణం w = wZ, అంటే సంతృప్తి స్థాయి S__ᵣ = 1,0.

తెరిచిన క్యాపిలరీ నీటిలో చిన్న రంధ్రాలు పూర్తిగా నీటితో నిండి ఉంటాయి, అయితే పెద్ద రంధ్రాలు కొంతమేర నీటితో మరియు దృఢ కణాలను చుట్టుముట్టే నీటి పొరతో, అలాగే దృఢ కణాల మధ్య సంపర్క బిందువుల వద్ద ఉన్న మూల నీటితో (చిత్రం 2), మరికొంత గాలితో నిండి ఉంటాయి; కాబట్టి ఈ సందర్భంలో w < wZ, అంటే S__ᵣ < 1,0.

ప్రత్యేక మట్టి రకాల కోసం కాపిల్లరీ ఎగిరివెళ్ళే ఎత్తు h__ₖ ప్రయోగశాల పరీక్ష ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది. ప్రత్యేక మట్టి రకాల కోసం సగటు h__ₖ ఎత్తులు ఈ పరిమితుల్లో ఉంటాయి:

చిత్రం 2. నీటి పొర మరియు కోణీయ ఉపరితల నీరు

మట్టిలో కాపిలరీ బలం R ఘన కణాలపై ఒత్తిడిగా పనిచేసి, వాటి మధ్య所谓 ప్రతీత సహసంబంధం ఏర్పడుతుంది, ఇది ఘన కణాల మధ్య ఒక రకమైన బంధకత్వంలా పనిచేస్తుంది. అయితే ప్రతీత సహసంబంధం మట్టి రంధ్రాలలో నీటి కాపిలరీ ఎగబాకడం ఉన్నంతవరకే ఉంటుంది. మట్టిని నీటిలో ముంచితే, రంధ్రాలు నీటితో నిండిపోతాయి మరియు ప్రతీత సహసంబంధం ఉండటం ఆగిపోతుంది.

స్పష్ట కోహీషన్ ద్వారా, పొడి స్థితిలో రవ్వలుగా ఉండే సన్నని ఇసుక తేమగా ఉన్నప్పుడు కొంత బంధనాన్ని పొందుతుందని, అందువల్ల పొడి ఇసుకతో సాధ్యం కానిది అయిన ఆకృతీకరణ చేయవచ్చని చెప్పే పరిణామాన్ని వివరించబడుతుంది.

సముద్ర తీరాల్లో అలల వల్ల తడిసిన ఇసుక (అది మట్టి లేదా ధూళి కాకపోతే) అంత మంచి భరించే సామర్థ్యం కలిగి ఉంటుందని తెలిసిందే, అందులో సైకిల్ లేదా కారు నడపవచ్చు; అయితే కొద్దిగా దూరంగా, అలలు చేరని చోట, అదే ఇసుక పొడి స్థితిలో ఉండి చక్రాలు అందులో మునిగిపోతాయి, అందువల్ల ఏ రకమైన ప్రయాణమూ అసాధ్యం.

పారగమ్యత

పారగమ్య ద్రవ్యరాశి ద్వారా నీటి ప్రవాహం

A, B, C, D, మరియు E అనే సంయుక్త పాత్రలను పరిశీలిద్దాం (ఆకు. 3), వీటిలో ఒక భాగం a నుండి b వరకు L పొడవుతో జలస్రావ్య ద్రవ్యం, ఉదాహరణకు ఇసుక, తో నింపబడి ఉంది. సంయుక్త పాత్రల ఒక చివర నీటిని N₁ స్థాయికి పోస్తే, సంయుక్త పాత్రలలో నీటి స్థాయి భిన్నంగా ఉంటుంది, అంటే నీరు ప్రయాణించిన మార్గం పొడవుతో పాటు అది తగ్గుతుంది.

ఆకృతి 3. నీరు పారగమ్యమైన మాధ్యమం గుండా ప్రవహించడం

ఫిల్టర్ ముందు నీటి నిలువు ఎత్తు h₁ చేరుకున్నప్పుడు, ఫిల్టర్ వెనుక h₂ ఉంటుంది. అప్పుడు N₁ మరియు N₂ స్థాయిల మధ్య వ్యత్యాసం:

h = h₁ − h₂

తేడా h అనేది కోల్పోయిన హైడ్రోస్టాటిక్ పీడనాన్ని సూచిస్తుంది, అది నీరు ఫిల్టర్ ద్వారా ప్రవహించేప్పుడు ఎదురయ్యే ప్రతిఘటనను అధిగమించడానికి ఖర్చవుతుంది. ఈ ఘటనను ఫ్రెంచ్ శాస్త్రవేత్త డార్సీ 1856. సంవత్సరంలోనే గుర్తించాడు. అప్పుడు ఆయన ప్రవేశించగల మాధ్యమం గుండా నీటి ప్రవాహ వేగాన్ని గణించేందుకు ఈ సూత్రాన్ని కూడా ప్రతిపాదించాడు:

V = k × (dh/dL) = ki

ఎక్కడ ఉంది:

• V = పారగమ్య సమూహం గుండా నీటి ప్రవాహ వేగం, [cm/sec],
• k = మట్టిభౌతిక లక్షణాలపై ఆధారపడే పారగమ్యత గుణకం [cm/sec],
• dh = ఎత్తు h ను అనేక సన్నని పొరలుగా [cm] విభజించినప్పుడు లభించే పొడవు,
• dL = పొడవు _L_ను, ఎత్తు _h_తో సమాన సంఖ్యలో భాగాలుగా విభజించినప్పుడు పొందే పొడవు, [cm].

dh/dL = i అనేది ముంచుకుపోవడంలో కోల్పోయిన ఎత్తు మరియు నీరు ప్రయాణించిన దూరం యొక్క నిష్పత్తి, దీనిని హైడ్రాలిక్ పతనం, హైడ్రాలిక్ గ్రేడియెంట్ లేదా ఇంకా పీజోమెట్రిక్ వంపు. ఈ చివరి పేరు B, C మరియు D గొట్టాల నుండి వచ్చింది, వీటిని పీజోమీటర్ గొట్టాలు అంటారు. పై రూపాన్ని ఫిల్టర్ ద్వారా నీటి ప్రవాహానికి సంబంధించిన డార్సీ సూత్రం అంటారు.

ఒక నిర్దిష్ట సమయం t లో ఫిల్టర్ విభాగం A ద్వారా ప్రవహించే మొత్తం నీటి పరిమాణం q అనేది

q = kAti,

అక్కడి నుంచి ఇది

k = q / (Ati), అంటే k = qL / Ath,

ఇక్కడ i = h / L = పొడవు _L_పై హైడ్రాలిక్ పతనం (అది సరళరేఖీయమైతే).

గుణకం k ఉష్ణోగ్రత 10°C వద్ద నేల యొక్క పారగమ్యతను సూచిస్తుంది.

k = V / i  [cm/sec]

మట్టిలో నీటి ప్రవాహ వేగం ఈ సూత్రం నుండి లభిస్తుంది

V = q / A  [cm/sec],

ఇక్కడ q = సెకనుకు cm³లలో మట్టిలోంచి ప్రవహించే నీటి పరిమాణం, ఉష్ణోగ్రత 10°C వద్ద, A = నీరు ప్రవహించే మట్టి అడ్డకత్తిరింపు విస్తీర్ణం, [cm²].

డార్సీ సూత్రం లామినార్ నీటి కదలికలకు వర్తిస్తుంది, అంటే, భ్రమణాలు లేని ప్రశాంత కదలికలకు మరియు చిన్న వేగాలకు.

ఫిల్టర్ వేగం V అనేది మట్టి ద్వారా నీటి కదలిక యొక్క సగటు వేగం, మరియు అది నీటి వాస్తవ ప్రవాహ వేగానికి సరిపోదు; ఆ వాస్తవ వేగం ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఫిల్టర్ ద్వారా నీరు ప్రవహించే సమయంలో, సమానమైన పారగమ్యత అంశాలు dh చాలా సార్లు నీటి ప్రయాణ మార్గంలోని అసమాన పొడవుల dL పై ఖర్చవుతాయి; అందువల్ల హైడ్రాలిక్ గ్రేడియంట్ మట్టిలో ఒక బిందువు నుండి మరొక బిందువుకు మారుతూ ఉంటుంది.

మట్టిలోని రంధ్రాల పరిమాణంపై మట్టి పారగమ్యత ఆధారపడి ఉంటుంది. మట్టిపై భారం వేస్తే, రంధ్రాలు తగ్గి పారగమ్యత మరింత తగ్గుతుంది. కాబట్టి, ఒకే మట్టికి, పారగమ్యత గుణకం k దాని రంధ్రాల పరిమాణానికి, అంటే దాని రంధ్రత గుణకం e కు నేరుగా అనుపాతంలో ఉంటుంది. అయితే, వివిధ రకాల మట్టుల కోసం, రంధ్రతను రంధ్రత గుణకం e ద్వారా వ్యక్తీకరించినది పారగమ్యతకు కొలమానం కాలేడు, ఎందుకంటే ఈ పారగమ్యత మొత్తం మట్టి రంధ్రతపై అంతగా ఆధారపడదు, దానిలోని రంధ్రాల పరిమాణంపై ఎక్కువగా ఆధారపడి ఉంటుంది. ఉదాహరణకు, e = 0,25 ఉన్న గరుగు ఇసుకకు చాలా ఎక్కువ పారగమ్యత ఉంటుంది, k = 2–3 cm/sec, కాగా 60% రంధ్రత, రంధ్రత గుణకం e = 1,50 ఉన్న మృదువైన మట్టికి తక్కువ పారగమ్యత ఉంటుంది, k = 10_⁻⁶ నుండి 10⁻_¹¹ cm/sec.

పారగమ్యత గుణకం k ను గణనాత్మక పద్ధతి ద్వారా, ప్రయోగశాల మరియు క్షేత్ర పరీక్షల ద్వారా నిర్ణయించవచ్చు.

గణనాత్మక విధానంతో గుణాంక నిర్ధారణ మట్టి యొక్క కణ పరిమాణ పంపిణీపై ఆధారపడి ఉంటుంది. గుణాంకం _k_ను నిర్ణయించడానికి, ఘన మట్టి కణాలు గోళాకార రూపంలో ఉన్నాయని అనుకుంటారు, ఇది వాస్తవానికి, ముఖ్యంగా కోహెరెంట్ మట్టిలో, సరిపోదు. అందువల్ల ఈ విధంగా నిర్ణయించిన k గుణాంక విలువలను ఖచ్చితమైనవిగా స్వీకరించరు.

ప్రయోగశాల పరీక్షల ద్వారా గుణకం k ను నిర్ధారించడం అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది మరియు అవి భంగం లేని మట్టి నమూనాలపై నిర్వహించబడతాయి. అయితే ఈ విధంగా నిర్ధారించిన k గుణకం యొక్క ఖచ్చితత్వం అనేక అంశాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది; ఉదాహరణకు, పరీక్ష నిర్వహించబడే నమూనా మట్టిలోని పారగమ్య పొరను ఎంతవరకు ప్రతినిధ్యం వహిస్తుందో, తరువాత పరీక్ష పరికరంలో నమూనా భంగం లేని స్థితి, అలాగే పరీక్ష నిర్వహణ విధానం. తగినంత సంఖ్యలో నమూనాలను పరీక్షించడం ద్వారా, అవి ఇచ్చిన మట్టిని ప్రతినిధ్యం వహించేలా, పరీక్ష పరికరం సిలిండర్లలోనే క్షేత్రంలో నమూనా తీసుకోవడం ద్వారా మరియు తగిన విధంగా పరీక్షను నిర్వహించడం ద్వారా, k గుణకం యొక్క సుమారుగా ఖచ్చితమైన విలువలను పొందవచ్చు; వాటిని తగినవిగా ఉపయోగించవచ్చు.

క్షేత్ర పరీక్ష ద్వారా k గుణకాన్ని నిర్ణయించడం అత్యంత ఖచ్చితమైన విలువలను ఇస్తుంది, ఎందుకంటే అది ఉన్న నేల యొక్క నిర్మాణం మరియు పొరల అమరికకు పూర్తిగా సరిపోతుంది. అయితే k గుణకాన్ని ఈ విధంగా నిర్ణయించడం చాలా సమయం మరియు అధిక ఖర్చును అవసరం చేస్తుంది; అందువల్ల ఇది అరుదుగా మాత్రమే నిర్వహించబడుతుంది, అది కూడా దాని పూర్తిగా ఖచ్చితమైన విలువు తప్పనిసరిగా అవసరమైన సందర్భాల్లో మాత్రమే.

మన ఫౌండేషన్ నిబంధనల ప్రకారం, పారగమ్యత గుణకం కలిగిన మట్టులు ఇలా పరిగణించబడతాయి:

• k < 10_⁻_¹¹ cm/sec — దాదాపు అపారగమ్యం
• k < 10_⁻_⁹        — చాలా తక్కువ పారదర్శకత కలది
• k < 10_⁻_⁷        — తక్కువ పారగమ్యత
• k < 10_⁻_⁵        — మధ్యస్థ పారగమ్యత కలది
• k < 10_⁻_³        — మరింత పారగమ్యమైనది
• k > 10_⁻_³        — అత్యంత పారగమ్యమైన