SOIL PHYSICS branch of soil science

Download SOIL PHYSICS branch of soil science

Post on 03-Feb-2016

73 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

SOIL PHYSICS branch of soil science physical properties of the soil, dealing with measurement, prediction, and control of the physical processes within the soil deals with the state and movement of matter and with the fluxes and transformations of energy in the soil - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

  • SOIL PHYSICS

    branch of soil science

    physical properties of the soil, dealing with measurement, prediction, and control of the physical processes within the soil

    deals with the state and movement of matter and with the fluxes and transformations of energy in the soil

    understanding the mechanisms governing the behaviour of the soil and its role in the biosphere

    energy exchangeswater cyclestransportable materials

  • Soil composition

  • Soil three-phase system

  • VOLUME AND MASS RELATIONSHIPS OF SOIL CONSTITUENTS

    1. Density of Solids (Mean particle d density)usually 2.6-2.7 g cm-3quite constantOM lowers solid density2. Dry bulk densityusually 1.3 1.35 g cm-3sandy soils: 1.6 g cm-3well-aggregated and clayey soils3. Porosityusually 0.3 0.6

    coarse-textured soils < fine-textured soils, though the mean size of individual pores is greater in the former than in the latter

    clayey soils highly variable because of swelling, shrinkage, aggregation, dispersion, compaction and cracking

  • 4. Void ratiousually 0.3 2.0used in engineering and mechanics5. Soil wetnessa) Mass wetness (gravimetric water content)b) volume wetness (volumetric water content)c) degree of saturation

  • relative air content of the soilnegatively related to the degree of saturation6. Air-filled porosity (fractional air content)7. Additional interrelationshipsa) Relation between porosity and void ratio:b) Relation between volume wetness and degree of saturationc) Relation between porosity and bulk density

  • d) Relation between mass wetness and volume wetnesse) Relation between volume wetness, fractional air content, and degree and saturation

  • STRUKTUR TANAH bahan organik bahan penyimen paling penting dalam tanahkation polivalen Ca2+, Mg2+, dllDi Malaysia, pembaik tiruan popular:dari getahdari kelapa sawitdari bitumendari besi (alma steel)pembezaan paling penting antara luluhawa fizik dan kimia adalah agen-agen fizikal tidak mengubah sifat-sifat kimia bahan-bahan;

    hanya mengubah saiz

    dalam fizik tanah, sukatan kualitatif tidak digunakan

  • 1. Rawatan Klasikalkultura, e.g., shifting & permenant cultivation, bajakansistem penanamanpeminda tanah (soil amendments)

    2. Pembaiktanah tiruanPengubahsuaian Struktur Tanah

  • pembajakan sederhana dan meninggikan BO; menggalakan soil formationtanaman barisan berterusan (jagung & kacang) dan pembajakan intensif -> membinasakan tanah(ii) Sistem penamanan

    melalui:kesan pembutiran oleh akar (lelehan akar)perlindungan tanah oleh kanopimenghasilkan BO yang menggalakan aktiviti biologi dan pengagretanbajakan antara barisan < pusingan tanaman < tanaman saka < rumput berterusandalam tanah yang hilang topsoil, rumput boleh memulihkan tanah; mempercepatkan pembentukkan tanah melalui peningkatan BO. Biomass rumput paling tinggipemuliharan tanah tercurai (degraded) dengan tanaman rumput; akar rumput memberikan kesan pengegretan yang kuatRawatan Klasikal

    (i) Amalan kultura

  • (iii) Peminda tanah e.g., pengapuran, baja organik, pembajaan kesan tak langsung - penggalakan tanaman lebih baik (BO tinggi, perlindungan tanah)kesan langsung belum pasti lagiKaedah tiruan (pembaik tanah)biasanya BOpengstabil struktur(i) hidrofilik serapan air ketersusupan (infiltrability)e.g., larutan polimer spt. PVAC (polivinal asetat), PVC (polivinal klorid), PAM (poliakrilmid)PAM mekanisma ikatan; ikatan H antara sisi OH butir tanah dengan polimer amid

  • (ii) Hidrofobik

    ketelapan, sejatane.g., emulsi polimer (bitumen, lateks getah, POME hidrofobik dan hidrofilik)mekanisme ikatan:

    gerakan dan pemendakan unit (micelles) polimer pada permukaan yang bercantum (spt. gam)

    strong bond hidrofilikweak bond - hidrofobik

  • Ikatan antara pasir dan domain lempung

  • clay domain terdiri daripada cantuman butiran lempung (domain lempung adalah lebih besar drp. butiran lempung).tanah yang banyak Fe mempunyai ikatan kuat (B).

    cantuman hidrofilik berion (bercas) cantuman antara ion H and O.

    bitumen mendak dan bertindak sebagai gam.

    kalau domain lempung hancur (e.g., bajak selalu), agregat tanah akan pecah mesti ada lempung.

  • Ikatan antara zarah-zarahA ikatan antara zarah oleh minicus airB ikatan antara zarah oleh BO / polimer tak berionC ikatan sisi oleh polimer berionD ikatan sisi dan antara zarahpengumpulan (flocculation) pengagregatan butir lempung

  • Model Agregat (Emerson, 1959): A: kuarza koloid organik kuarzaB: kuarza koloid organik domain lempungC: domain lempung koloid organik domain lempung. Tiga cara cantuman:C1: muka mukaC2: sisi mukaC3: sisi sisiD: sisi domain lempung muka domain lempung (tiada BO) cantuman disebabkan oleh tarikan daya van der Waals -> domain lempung bercantum untuk menstabilkan sendiri (kerana lebih besar)

  • Penilaian Struktur Tanah1) Darjah pengagregatan2) Kestabilan agregat3) Ciri ruang liangAnalisa Agregatayakan kering dan basahayakan keringuntuk tanah beragregat lemah (kaw. arid)menentukan rintangan terhadap hakisan anginayakan basahmenentukan rintangan terhadap hakisan aircadangan kaedah dariTiulin (1928)Yoder (1936)Kemper (1965)

  • keputusan boleh dinyatakan: 1) % pengagregatan % agregat melebihi saiz tertentu e.g., 2 mm2) darjah pengagregatan (zarah-zarah halus)3) Mean Weight Diameter (MWD)W = % berat tanah bagi julat saiz agregat tertentu

    = purata diameter agregat bagi julat saiz agregat tertentu

  • e.g., MWD:tanah belum diusahakan = 1.604jagung sebagai tanaman pusingan = 0.432jagung berterusan = 0.288tanah di Malaysia (kaya Fe) = 2.0hubungan korelasi R2 kuat antara MWD dan % pengagregatan (0.8 0.9) Kestabilan agregatAyakan basah (cadangan de Leenheer & de Boodt, 1959)Indeks Ketakstabilan (II):= MWDkering MWDbasahkalau tanah stabil, MWDkering MWDbasahjika II kecil, tanah stabilIndeks Kestabilan (SI) = 1 / II

  • 2. Larutlesap dengan NaCl (Emerson):Indeks Kestabilan Agregat = K2/K1 K2 = ketelapan akhir selepas larutlesap dengan 0.05 N NaCl K1 = ketelapan awal sebelum larutlesap dengan 0.05 N NaClK2/K1 = 0.90 (rumput berterusan 100 tahun)K2/K1 = 0.35 (penanaman berterusan)Ujikaji: tanah dimasukkan dalam tiub larutlesap dan ditepukan dengan air. Air akan keluar dengan kadar yang semakin tetap (K1). Tambahkan NaCl. Na adalah dispersing agent dan akan meleraikan tanah dan ini menjadi lebih teruk bagi tanah yang kurang stabil. Selepas NaCl, tuang air sekali lagi dan kira K2. Dua keadaan ekstrem:K2/K1 = 1 (sangat stabil)K2/K1 = 0 (tidak stabil langsung)Guna teknik ini jika objektif adalah berkenaan dengan pengurusan tanah, tetapi teknik ayakan basah dan kering untuk objektif hakisan tanah.

  • 3. Hentaman titik hujan (diameter 4-7 mm, 30 cm tinggi)kira bilangan titik untuk memecahkan tanahkeburukan: pengagregatan tanah adalah variable, maka pengiraan kurang tepatkaedah (2) lebih tepat kerana mencampurkan tanah-tanah dari tempat lainkaedah (3) sesuai untuk mengira kestabilan agregat bila dicampurkan dengan soil conditioners

  • 4. Slaking (letupan udara terperangkap)

    guna campuran air dan larutan organik Henin,

    Robichet & Jongerius, 1955

    paling kurang tepat

  • Keseimbangan Statik Dalam Tanah Keseimbangan HidrostatikIkatan air oleh tanah

    disebabkan oleh daya van der Waals

    air tanah diikat oleh beberapa jenis daya

    daya rerambut (capilarity) gabungan antara 2 daya iaitu daya lekatan (adhesive) dan lekitan (cohesive). Penting dalam tanah tekstur kasar (spt. sandy loam).

    osmotik pada lapisan dua elektrik (EDL) bagi tanah lempung, osmotik lebih penting dari daya rerambut. Osmotik wujud dalam EDL tetapi pasir tiada EDL kerana tiada cas (inert). Lempung ada cas ve.

  • 2. Ikatan rerambutketiga-tiga keadaan wujud kerana 2 daya rerambutlekitan daya antara molekul-molekul samalekatan daya antara molekul-molekul berlainanair pukal, = 0 +ve = tenaga di permukaan > pukal (hidrofobik spt. raksa) -ve = tenaga di permukaan < pukal (hidrofilik spt. alkali)

  • air pukal, = 0interfasa, = +veair yang bersentuh dengan udara akan cuba mengurangkan luas permukaannya -> membentuk sfera kerana luas permukaan sfera minumumlekitan lebih tinggi, lebih stabilKerambutan (capillarity)

  • * sudut sentuh bergantung kepada:i) -> +ve, -ve atau 0ii) magnitud berhubung dengan

    * bagi bulatan c:luas interfasa pepejal-air = i x 1luas interfasa air-udara = f x 1Jumlah tenaga kapilari E:

  • oleh itu: = 180 bila = + dan = 90 bila = 0 = 0 bila = - dan -bagi tanah-air dan kaca-air, = 0 (pembasahan lengkap)bagi raksa-kaca, = 140 (tak membasah)bagi keluli bersih-air, = 90 dan = 0 (tiada tarikan, tiada tolakan)pembasahan sangat penting supaya air dapat dipegang oleh tanah. Jenis tanah akan mempengaruhi . akan mengecil atau membesar sehingga E bagi kedua-dua interfasa (cecair-udara dan pepejal-cecair) adalah minimumminimum energy = kestabilan keadaan/sistem akan selalu dicapai apabila jumlah tenaga diminimumkan.maka,

  • Persamaan antara air dalam salur rerambut dengan air yang dipegang dalam liang tanah:lekitan dan lekatanketegangan permukaan-ve tenagakerja yang diperlukan untuk membebaskan air dalam liang tanahJumlah Keupayaan Air Tanah (JKAT) Definisi dari ISSS Amount of work done per unit quantity of pure water to transport reversibly and isothermally (suhu sama) an infinitesimal quantity of water from a pool of pure water at specified elevation at atmospheric pressure to the soil water at the point of consideration.t = g + p + o + total graviti tekanan osmotik (matrik)

  • Potensi graviti:

    disebabkan oleh daya graviti Bumi (F = ma) potensi air tanah di satu titik ditentukan oleh ketinggian titik tersebut relatif kepada suatu titik rujukan dipengaruhi oleh ketinggian sahaja2. Potensi tekanan:disebabkan oleh tekananp +ve jika > tekanan atmosfera, p ve jika < tekanan atmosfera (suction)p ve dalam tanah disebut sebagai potensi matrik yang disebabkan oleh daya rerambut dan adsorptive forces yang menarik dan mengikat air dalam tanah dan mengurangkan tenaga potensinya sehingga lebih rendah daripada air pukal.

  • 3. Potensi osmotik:solut-solut dalam air tanah mempengaruhi sifat-sifat termodinamik air dan mengurangkan tenaga potensinyapenting bila ada suatu membran yang lebih telap kepada air daripada solut spt. interfasa antara akar dan tanah. boleh dinyatakan secara kuantitatif dengan 3 cara:i) tenaga seunit jisim J kg-1 (L2 T-2)ii) tenaga seunit isipadu J m-3 (N m-2 atau Pascal Pa)iii) tenaga seunit berat atau kepala hidraulik H (L)Kepala hidraulik:tinggi kolum air pada suatu tekanan (nilai +ve)1 atm:= 10.33 m tinggi kolum air= 1 x 981 x 1033= 1.013 x 106 dyne cm-2= 1.013 bar = 1013 mbarunit baru: 1 mbar = 100 Pa = 0.1 kPakelembapan tanah pada muatan tanah (field capacity):FC = pada 100 cm H20 atau pada 10 kPa

  • Gambarajah Kepala Hidraulikgambarajah menghubungkan H = h + z (t = p + g)t = H = 0.4 m di semua tempat (keseimbangan statik)titik A: p = 0.3 m (0.4 0.1) dan g = 0.1 mtitik B: p = 0.2 m (0.4 0.2) dan g = 0.2 mtitik C: p = 0 m dan g = 0.4 m

  • Potential Diagram Bagi KererambutanA:p = 0.2 m;g = 0.0 m;t = 0.2 mBi/B0:p = 0.0 m;g = 0.2 m;t = 0.2 mC:p = -0.15 m;g = 0.35 m;t = 0.2 m (0.2-0.35)D:p = -0.3 m;g = 0.5 m;t = 0.2 m (0.2-0.5)p 0 kerana ada daya rerambut.Kalau 0, air tidak akan naik salur rerambut

  • A:p = 0.4 m;g = 0.0 m;t = 0.4 mB:p = 0.2 m;g = 0.2 m;t = 0.4 mC:p = 0.0 m;g = 0.4 m;t = 0.4 mD:p = -0.2 m;g = 0.6 m;t = 0.4 m

  • Lengkuk Ciri Air Tanah

    kaitan potential dan kandungan air dalam tanahbila bar , sedutan dimulakan dan pengeringan tanah mengikut keluk di bawahkeluk menunjukkan bagaimana sesuatu tanah itu mengering. Ini penting untuk pengurusantanah pasir mengering dengan lebih cepat daripada lempung.Nilai sedutan kemasukkan udara (AEV) = sedutan dimana liang terbesar mula mengeluar air.

  • bila tekanan dikenakan, air yang dipegang dengan daya paling lemah akan keluar dulu air graviti kerana air dipegang dalam ruang rongga makro AEV pasir adalah rendah kerana rongga besar

    tanah tekstur kasar (e.g., tanah berpasir) dan tanah beragregat baik AEV rendahlengkuk graf bergantung kepada:0 1 bar: pengaruh rerambut dan sebaran saiz liang (bergantung kepada struktur)1 bar: tekstur dan permukaan tentu (adsorption)15 bar: berkait dengan permukaan tentu; 10 lapisan molekul air tebalbentuk lengkuk (slope) bergantung kepada tekstur dan struktur tanah

  • Kesan kepadatan I & II structure-dependent ( difference between compact and aggregated soils)III texture-dependent ( no difference between compact and aggregated soils)I liang besar lebih pengaruhiII liang sederhana lebih pengaruhiIII liang mikro intraagregat tidak dipengaruhi oleh kepadatan. Pada sedutan tinggi, air dipegang dengan jerapan lebih dipengaruhi kepada tekstur

  • Histeresisbila air hujan turun dan berhenti, ada pengerakkan air dalam tanah spt. saliran ke bawah dan penyejatan airdrp. teori, kedua-dua kaedah serapan dan penyahserapan sepatutnya memberi lengkuk sama kerana guna tekanan sama ttp. ini tidak berlaku => fenomena ini dipanggil histeresis

  • kelembapan tanah setara pada sesuatu sedutan adalah lebih besar bagi penyahserapan dari serapanhisteresis berlaku pada alam bila tanah kering ditimpa hujan (lengkuk - - - - - - dipatuhi)histeresis kandungan air setara (equivalent) dan status air bergantung kepada proses yang menyebabkan ianya berlakuSebab-sebab berlakunya histeresis1) Ketidakseragaman geometri liang-liang tanahkesan botol dakwat (ink bottle effect)

    2) Kesan sudut sentuh

  • dari gambarajah, rw > rd,w < dbagi tetapAtau w < d bagi tetap(histeresis)3) Udara yang terperangkap merendahkan tanah kering yang membasah

  • 4) Fenomena pengembangan-pengecutan dan pendewasaan tanah -> perubahan struktur tanah yang berbeza4) Fenomena pengembangan-pengecutan dan pendewasaan tanah -> perubahan struktur tanah yang berbezaKesan botol dakwat (a) Pengeringan (b) Pembasahan Pengeringan:lebih bergantung kepada rbagi tanah tepu air, air akan serta merta mengalir jika sedutan melebihi r dimana r = 2/rPembasahan:lebih bergantung kepada Rliang akan dimasuki air bila sedutan kurang R dimana R = 2/Rkerana r < R, r > Rmaka pada sama, r > R

  • Penentuan Air Tanah1. Pensampelan dan pengeringan dalam oven (gravimetrik)2. Rintangan elektrik3. Sebaran neutron meter kelembapan neutron4. Sinaran gammakaedah 1 destructivekaedah 2 4 non-destructivePenentuan Keupayaan Air Tanah1. piezometer2. Tensiometer

    m = y + z 12.6h

  • Aliran Air Dalam Tanah Teputanah adalah medium yang kompleks, maka aliran air dalam tanah adalah satu fenomena yang kompleksdalam tanah, ruang rongga tidak sama, maka perlu andaian iaitu:1. Aliran laminahalaju aliran rendah (tidak gelora)salur sempit (liang sempit)Hukum Poiseuillis: = vicosity cecair

  • aliran air berlaku kerana ada perbezaan dalam tekanan dalam salur; kalau P1 and P2 sama, tiada aliranNombor Reynold Re:d = diameter liang efektif = ketumpatan cecair = vicosity

    Re < 1: aliran laminaRe > 1: aliran gelora

  • 2. Aliran makroskopik vs. mikroskopik kalau liang-liang sama diameter, u1 = u2 = u3 = = un tetapi dalam tanah, ini tidak jadipenyelesaian:

    abaikan corak terperinci (ui)

    tanah dianggap sebagai satu medium pengali...

Recommended

View more >