1 / 128

SOIL PHYSICS branch of soil science

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

bessie
Download Presentation

SOIL PHYSICS branch of soil science

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 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 exchanges water cycles transportable materials

  2. Soil composition

  3. Soil three-phase system

  4. VOLUME AND MASS RELATIONSHIPS OF SOIL CONSTITUENTS 1. Density of Solids (Mean particle d density) 3. Porosity usually 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 usually 2.6-2.7 g cm-3 quite constant OM lowers solid density 2. Dry bulk density usually 1.3 – 1.35 g cm-3 sandy soils: 1.6 g cm-3 well-aggregated and clayey soils

  5. 4. Void ratio usually 0.3 – 2.0 used in engineering and mechanics 5. Soil wetness a) Mass wetness (gravimetric water content) b) volume wetness (volumetric water content) c) degree of saturation

  6. 6. Air-filled porosity (fractional air content) relative air content of the soil negatively related to the degree of saturation 7. Additional interrelationships a) Relation between porosity and void ratio: b) Relation between volume wetness and degree of saturation c) Relation between porosity and bulk density

  7. d) Relation between mass wetness and volume wetness e) Relation between volume wetness, fractional air content, and degree and saturation

  8. STRUKTUR TANAH bahan organik – bahan penyimen paling penting dalam tanah kation polivalen – Ca2+, Mg2+, dll Di Malaysia, pembaik tiruan popular: dari getah dari kelapa sawit dari bitumen dari 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

  9. Pengubahsuaian Struktur Tanah 1. Rawatan Klasikal kultura, e.g., shifting & permenant cultivation, bajakan sistem penanaman peminda tanah (soil amendments) 2. Pembaiktanah tiruan

  10. Rawatan Klasikal (i) Amalan kultura pembajakan sederhana dan meninggikan BO; menggalakan soil formation tanaman barisan berterusan (jagung & kacang) dan pembajakan intensif -> membinasakan tanah (ii) Sistem penamanan • melalui: • kesan pembutiran oleh akar (lelehan akar) • perlindungan tanah oleh kanopi • menghasilkan BO yang menggalakan aktiviti biologi dan pengagretan • bajakan antara barisan < pusingan tanaman < tanaman saka < rumput berterusan • dalam tanah yang hilang topsoil, rumput boleh memulihkan tanah; mempercepatkan pembentukkan tanah melalui peningkatan BO. Biomass rumput paling tinggi • pemuliharan tanah tercurai (degraded) dengan tanaman rumput; akar rumput memberikan kesan pengegretan yang kuat

  11. (iii) Peminda tanah e.g., pengapuran, baja organik, pembajaan kesan tak langsung - penggalakan tanaman lebih baik (BO tinggi, perlindungan tanah) kesan langsung – belum pasti lagi Kaedah tiruan (pembaik tanah) biasanya BO pengstabil 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

  12. (ii) Hidrofobik  ketelapan,  sejatan e.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 – hidrofilik weak bond - hidrofobik

  13. Ikatan antara pasir dan domain lempung

  14. 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.

  15. Ikatan antara zarah-zarah A – ikatan antara zarah oleh minicus air B – ikatan antara zarah oleh BO / polimer tak berion C – ikatan sisi oleh polimer berion D – ikatan sisi dan antara zarah pengumpulan (flocculation) pengagregatanbutir lempung

  16. Model Agregat (Emerson, 1959): A: kuarza – koloid organik – kuarza B: kuarza – koloid organik – domain lempung C: domain lempung – koloid organik – domain lempung. Tiga cara cantuman: C1: muka – muka C2: sisi – muka C3: sisi – sisi D: 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)

  17. Penilaian Struktur Tanah 1) Darjah pengagregatan 2) Kestabilan agregat 3) Ciri ruang liang Analisa Agregat ayakan kering dan basah ayakan kering untuk tanah beragregat lemah (kaw. arid) menentukan rintangan terhadap hakisan angin ayakan basah menentukan rintangan terhadap hakisan air cadangan kaedah dari Tiulin (1928) Yoder (1936) Kemper (1965)

  18. keputusan boleh dinyatakan: 1) % pengagregatan % agregat melebihi saiz tertentu e.g., 2 mm 2) 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

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

  20. 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 NaCl K2/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.

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

  22. 4. Slaking (letupan udara terperangkap) guna campuran air dan larutan organikHenin, Robichet & Jongerius, 1955 paling kurang tepat

  23. Keseimbangan Statik Dalam Tanah Keseimbangan Hidrostatik • Ikatan 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.

  24. 2. Ikatan rerambut ketiga-tiga keadaan wujud kerana 2 daya rerambut lekitan – daya antara molekul-molekul sama lekatan – daya antara molekul-molekul berlainan air pukal,  = 0  +ve = tenaga di permukaan > pukal (hidrofobik spt. raksa)  -ve = tenaga di permukaan < pukal (hidrofilik spt. alkali)

  25. air pukal,  = 0 interfasa,  = +ve air yang bersentuh dengan udara akan cuba mengurangkan luas permukaannya -> membentuk sfera kerana luas permukaan sfera minumum lekitan lebih tinggi, lebih stabil Kerambutan (capillarity)

  26. * sudut sentuh  bergantung kepada: i)  -> +ve, -ve atau 0 ii) magnitud  berhubung dengan  * bagi bulatan c: luas interfasa pepejal-air = i x 1 luas interfasa air-udara = f x 1 Jumlah tenaga kapilari E:

  27.  akan mengecil atau membesar sehingga E bagi kedua-dua interfasa (cecair-udara dan pepejal-cecair) adalah minimum minimum energy = kestabilan keadaan/sistem akan selalu dicapai apabila jumlah tenaga diminimumkan. maka, 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 .

  28. Jumlah Keupayaan Air Tanah (JKAT) Persamaan antara air dalam salur rerambut dengan air yang dipegang dalam liang tanah: lekitan dan lekatan ketegangan permukaan -ve tenaga kerja yang diperlukan untuk membebaskan air dalam liang tanah 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)

  29. 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 sahaja 2. Potensi tekanan: disebabkan oleh tekanan p +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.

  30. 3. Potensi osmotik: solut-solut dalam air tanah mempengaruhi sifat-sifat termodinamik air dan mengurangkan tenaga potensinya penting 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 mbar unit baru: 1 mbar = 100 Pa = 0.1 kPa kelembapan tanah pada muatan tanah (field capacity): FC =  pada 100 cm H20 atau pada 10 kPa

  31. Gambarajah Kepala Hidraulik gambarajah 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 m titik B: p = 0.2 m (0.4 – 0.2) dan g = 0.2 m titik C: p = 0 m dan g = 0.4 m

  32. Potential Diagram Bagi Kererambutan A: p = 0.2 m; g = 0.0 m; t = 0.2 m Bi/B0: p = 0.0 m; g = 0.2 m; t = 0.2 m C: 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

  33. A: p = 0.4 m; g = 0.0 m; t = 0.4 m B: p = 0.2 m; g = 0.2 m; t = 0.4 m C: p = 0.0 m; g = 0.4 m; t = 0.4 m D: p = -0.2 m; g = 0.6 m; t = 0.4 m

  34. Lengkuk Ciri Air Tanah kaitan potential dan kandungan air dalam tanah bila bar , sedutan dimulakan dan pengeringan tanah mengikut keluk di bawah keluk menunjukkan bagaimana sesuatu tanah itu mengering. Ini penting untuk pengurusan tanah pasir mengering dengan lebih cepat daripada lempung. Nilai sedutan kemasukkan udara (AEV) = “sedutan dimana liang terbesar mula mengeluar air”.

  35. 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 rendah • lengkuk 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 tebal • bentuk lengkuk (slope) bergantung kepada tekstur dan struktur tanah

  36. 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 pengaruhi II – liang sederhana lebih pengaruhi III – liang mikro intraagregat tidak dipengaruhi oleh kepadatan. Pada sedutan tinggi, air dipegang dengan jerapan lebih dipengaruhi kepada tekstur

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

  38. kelembapan tanah setara pada sesuatu sedutan adalah lebih besar bagi penyahserapan dari serapan histeresis berlaku pada alam bila tanah kering ditimpa hujan (lengkuk - - - - - - dipatuhi) histeresis – “kandungan air setara (equivalent) dan status air bergantung kepada proses yang menyebabkan ianya berlaku” Sebab-sebab berlakunya histeresis 1) Ketidakseragaman geometri liang-liang tanah kesan “botol dakwat” (ink bottle effect) 2) Kesan sudut sentuh

  39. dari gambarajah, rw > rd, w < d bagi  tetap Atau w < d bagi  tetap (histeresis) 3) Udara yang terperangkap merendahkan  tanah kering yang membasah

  40. 4) Fenomena pengembangan-pengecutan dan pendewasaan tanah -> perubahan struktur tanah yang berbeza Kesan “botol dakwat” 4) Fenomena pengembangan-pengecutan dan pendewasaan tanah -> perubahan struktur tanah yang berbeza (a) Pengeringan (b) Pembasahan Pembasahan: lebih bergantung kepada R liang akan dimasuki air bila sedutan kurang R dimana R = 2/R Pengeringan: lebih bergantung kepada r bagi tanah tepu air, air akan serta merta mengalir jika sedutan melebihi r dimana r = 2/r kerana r < R, r > R maka pada  sama, r > R

  41. Penentuan Air Tanah 1. Pensampelan dan pengeringan dalam oven (gravimetrik) 2. Rintangan elektrik 3. Sebaran neutron – meter kelembapan neutron 4. Sinaran gamma kaedah 1 – destructive kaedah 2 – 4 – non-destructive Penentuan Keupayaan Air Tanah 1. piezometer 2. Tensiometer m = y + z – 12.6h

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

  43. aliran air berlaku kerana ada perbezaan dalam tekanan dalam salur; kalau P1 and P2 sama, tiada aliran Nombor Reynold Re: d = diameter liang efektif  = ketumpatan cecair  = vicosity Re < 1: aliran lamina Re > 1: aliran gelora

  44. 2. Aliran makroskopik vs. mikroskopik kalau liang-liang sama diameter, u1 = u2 = u3 = … = un tetapi dalam tanah, ini tidak jadi penyelesaian: abaikan corak terperinci (ui) tanah dianggap sebagai satu medium pengalir seragam dimana aliran berlaku di keseluruhan keratan rentasnya A (pepejal + liang)

  45. Hukum Darcy H = Ho – Hi H/L = kecerunan hidraulik (daya penggerak) discharge rate = q = Q/A = V/tA H/L  q = -k H/L atau q = -k H => Hukum Darcy (k = kekonduksian hidraulik)

  46. Persamaan Am Aliran flaks q daya penggerak: q = -k H (3 dimensi) q = -kdH/dx (1 dimensi) aliran air dalam 3 dimensi: dari gambarajah Darcy:

  47. Contoh 1: q = -k (Ho – Hi)/L (H = Hp + Hg): Ho = 0 + 0 = 0 Hp= 0 is contact to atmosphere Hi = H + L  q = -k [0 – (H+L)]/L q = k H/L + k

  48. Contoh 2: kolum tanah komposit lebih realistik kerana aliran air ke bawah tanah melalui beberapa horizon, dan horizon-horizon berlainan akan mempunyai nilai k yang berlainan

More Related