मृदा–जल–पौधा संबंध व सिंचाई: फ़सल जल आवश्यकता, निर्धारण, जल-वहन, प्रयोग विधियाँ व दक्षताएँ
2. फ़सलों की जल आवश्यकता: वाष्पोत्सर्जन, उपभोगी उपयोग, कर्तव्य व डेल्टा
वाष्पोत्सर्जन (ET) मृदा से वाष्पन व पौधों से उत्स्वेदन का संयुक्त रूप है; उपभोगी उपयोग ET जमा पौध-ऊतक में निर्मित थोड़ा जल है, और व्यवहार में दोनों परस्पर प्रयुक्त होते हैं। इसका आकलन दो चरणों में होता है: मौसम आँकड़ों से संदर्भ वाष्पोत्सर्जन ET₀ — FAO-56 पेनमैन–मॉन्टीथ समीकरण (मानक विधि) से, आँकड़े कम होने पर विकिरण या ताप विधियों (हारग्रीव्स, ब्लेनी–क्रिडल) से, या पैन वाष्पन से, ET₀ = K_p × E_pan, 1 से कम पैन गुणांक K_p के साथ — और फिर फ़सल वाष्पोत्सर्जन ET_c = K_c × ET₀, जहाँ फ़सल गुणांक K_c फ़सल की वृद्धि अवस्थाओं का पालन करता है (स्थापना पर कम, मध्य-मौसम में शिखर, परिपक्वता पर घटता)। E_pan = 8 mm/दिन, K_p = 0.7 व K_c = 0.9 पर ET_c = 5.04 mm/दिन।
शुद्ध सिंचाई आवश्यकता ET_c घटा प्रभावी वर्षा (और जमा कोई निक्षालन आवश्यकता) है; सकल सिंचाई आवश्यकता उसे प्रयोग दक्षता से भाग देती है। एक मौसम में फ़सल को आवश्यक जल की कुल गहराई उसका डेल्टा Δ है; वह क्षेत्रफल जिसे एक क्यूमेक का सतत प्रवाह फ़सल के आधार-काल B में सींच सकता है, उसका कर्तव्य (duty) D है। चूँकि एक दिन हेतु एक क्यूमेक 86 400 m³ है, D = 8.64 B/Δ, D ha/क्यूमेक में, B दिनों में व Δ मीटर में: B = 120 दिन में Δ = 1.2 m वाली फ़सल का कर्तव्य 864 ha/क्यूमेक है। कर्तव्य दक्षता के साथ बढ़ता है, अतः वहन व प्रयोग सुधारने से नहर द्वारा सेवित क्षेत्रफल बढ़ता है।
3. सिंचाई निर्धारण; सिंचाई नालियों व भूमिगत पाइपलाइनों का अभिकल्प
निर्धारण (scheduling) तय करता है कि कब सिंचाई करें और कितनी। दृष्टिकोण हैं मृदा-आधारित (जब मापा ह्रास MAD तक पहुँचे, या टेन्सियोमीटर निर्धारित चूषण पढ़ें तब सिंचाई), जलवायु-आधारित (वर्षा के विरुद्ध ET_c का जल संतुलन, या IW/CPE अनुपात — हर बार संचयी पैन वाष्पन निर्धारित मात्रा तक पहुँचने पर सिंचाई जल की निश्चित गहराई देना), पौध-आधारित (वितान ताप, पत्ती जल विभव), और जल दुर्लभ होने पर क्रांतिक वृद्धि अवस्थाओं पर सिंचाई (गेहूँ में शिखर-जड़ आरंभन, अधिकांश अनाजों में पुष्पन व दाना निर्माण)। दी गई गहराई शुद्ध गहराई बटा प्रयोग दक्षता है, और अंतराल शुद्ध गहराई बटा दैनिक ET_c है।
खेत पर सिंचाई नालियाँ मैनिंग समीकरण से एकसमान प्रवाह हेतु अभिकल्पित होती हैं, उन्हें वहन करने वाले निस्सरण, अनुमेय वेग (गाद जमने से रोकने हेतु पर्याप्त ऊँचा, बिना अस्तर की नाली में खुरचन रोकने हेतु पर्याप्त नीचा), मृदा हेतु स्थिर पार्श्व ढालों, और मुक्त-बोर्ड के साथ। दिए गए क्षेत्रफल हेतु सबसे दक्ष (सर्वोत्तम जलीय) काट का गीला परिमाप न्यूनतम होता है: आयत हेतु चौड़ाई गहराई की दोगुनी (b = 2y) और जलीय त्रिज्या y/2; समलंब हेतु यह नियमित षट्भुज का आधा है, फिर R = y/2 के साथ। अस्तर (कंक्रीट, ईंट, प्लास्टिक फ़िल्म) अंतःस्रवण घटाता है — बिना अस्तर की नालियों की सबसे बड़ी हानि — और अधिक वेग व छोटे काट संभव बनाता है। कंक्रीट या PVC की भूमिगत पाइपलाइनें लगभग बिना अंतःस्रवण या वाष्पन हानि के जल पहुँचाती हैं और भूमि नहीं घेरतीं; ये उपलब्ध शीर्ष हेतु हेज़न–विलियम्स या डार्सी–वाइसबाख से अभिकल्पित होती हैं, और प्रवाह नियंत्रित व वितरित करने हेतु स्टैंड, वायु निकास, दाब-मुक्ति व अल्फ़ाल्फ़ा वाल्वों से युक्त होती हैं।
4. पृष्ठीय, बौछारी व सूक्ष्म सिंचाई: अभिकल्प व मूल्यांकन
पृष्ठीय सिंचाई गुरुत्व से जल को मृदा पर फैलाती है: पट्टी (border) क्यारियाँ (नीची मेड़ों के बीच लंबी पट्टियाँ, हल्की ढालों पर सघन उगने वाली फ़सलों हेतु), बंधित क्यारियाँ (check basins) (बंडों से घिरे समतल भूखंड, धान व बगीचों तथा निक्षालन हेतु), और कूँड़ (furrows) (फ़सल पंक्तियों के बीच छोटी नालियाँ)। इसका अभिकल्प खेत में नीचे की ओर जल-अग्र की प्रगति (advance) और उसके पीछे अंतःस्यंदन के बीच की दौड़ है: अंतर्वाह दर, लंबाई व ढाल ऐसे चुने जाते हैं कि दूर छोर को आवश्यक गहराई मिले, शीर्ष पर अत्यधिक गहन अंतःस्रवण या पुच्छ पर अपवाह के बिना। प्रत्येक बिंदु पर अवसर-समय अपसरण (recession) समय घटा प्रगति समय है।
बौछारी (स्प्रिंकलर) सिंचाई घूमते या स्थिर नोज़लों से दाब के अंतर्गत जल छिड़कती है। किसी नोज़ल का निस्सरण q = C_d a √(2gh) है, और आयताकार अंतराल पर प्रयोग दर I = q/(S_l × S_m) है — जो जलभराव व अपवाह से बचने हेतु मृदा की आधारभूत अंतःस्यंदन दर से नीचे रहनी चाहिए। 12 m × 12 m अंतराल पर 0.5 L/s का स्प्रिंकलर 0.5 × 3600/144 = 12.5 mm/h देता है। एकरूपता कैच-कैन परीक्षणों से क्रिश्चियनसेन एकरूपता गुणांक CU = 100(1 − Σ|x − x̄|/(n x̄)) से आँकी जाती है: 8, 10, 12 व 10 mm के संग्रह (माध्य 10, कुल निरपेक्ष विचलन 4) CU = 90 प्रतिशत देते हैं। पवन प्रतिरूप विकृत करती है, अतः हवादार स्थलों पर अंतराल घटाए जाते हैं।
सूक्ष्म सिंचाई — टपक (ड्रिप), सूक्ष्म-स्प्रिंकलर व बबलर — जल को धीरे-धीरे और बार-बार केवल जड़-क्षेत्र में देती है। उत्सर्जक (emitter) निस्सरण q = kHˣ का पालन करता है: विक्षुब्ध-प्रवाह द्वारक या लंबे-पथ उत्सर्जक हेतु x = 0.5, स्तरीय प्रवाह हेतु x लगभग 1, और दाब-प्रतिकारी उत्सर्जक हेतु x लगभग 0, इसीलिए वे ढालों पर लंबी पार्श्व नलियों के अनुदिश एकसमान निस्सरण बनाए रखते हैं। 10 m शीर्ष पर 4 L/h देने वाला द्वारक-प्रकार उत्सर्जक 14.4 m पर 4 × √1.44 = 4.8 L/h देता है। एकरूपता उत्सर्जन एकरूपता EU = 100 q_n/q_a से आँकी जाती है, q_n उत्सर्जक निस्सरणों के निम्नतम चौथाई का माध्य और q_a सभी का माध्य। दूर-दूर लगी फ़सल की दैनिक जल आवश्यकता ET_c × पौध-अंतराल क्षेत्रफल × गीला या वितान गुणक ÷ दक्षता है: 3 m × 3 m अंतराल पर 0.6 गुणक व 90 प्रतिशत दक्षता के साथ 5 mm/दिन, प्रति पौधा प्रतिदिन 30 L है। फ़िल्टर (जाली, डिस्क, बालू माध्यम), फ़र्टिगेशन व फ़्लशिंग उत्सर्जकों को अवरुद्ध होने से बचाते हैं, जो विफलता का मुख्य कारण है।
5. सिंचाई दक्षताएँ
| दक्षता | परिभाषा | क्या इसे घटाता है |
|---|---|---|
| वहन, η_c | खेत तक पहुँचा जल ÷ स्रोत से मोड़ा गया जल | नालियों में अंतःस्रवण व वाष्पन |
| प्रयोग, η_a | जड़-क्षेत्र में संचित जल ÷ खेत तक पहुँचा जल | गहन अंतःस्रवण व पुच्छ-जल अपवाह |
| संचय, η_s | जड़-क्षेत्र में संचित जल ÷ उसे क्षेत्र क्षमता तक भरने हेतु आवश्यक जल | अल्प-सिंचाई |
| वितरण, η_d | 100(1 − ȳ/d), ȳ गहराई का उसके माध्य d से माध्य निरपेक्ष विचलन | असमान प्रयोग |
| समग्र (परियोजना), η_o | η_c × η_a (और कोई मध्यवर्ती वितरण दक्षताएँ) | शृंखला की हर हानि |
दक्षताएँ शृंखला बनाती हैं: यदि 1000 L/s मोड़ा जाए, 800 L/s खेत तक पहुँचे और उसका 70 प्रतिशत जड़-क्षेत्र में संचित हो, तो η_c = 80 प्रतिशत, η_a = 70 प्रतिशत व η_o = 56 प्रतिशत। प्रयोग दक्षता व संचय दक्षता एक-दूसरे के विरुद्ध खींचती हैं — बहुत कम देने से η_a ऊँचा व η_s नीचा रहता है, बहुत अधिक देने से उलटा — अतः अच्छी सिंचाई दोनों पर, और एकरूपता पर, आँकी जाती है। जल-उपयोग दक्षता भिन्न अनुपात है: प्रति इकाई जल फ़सल उपज (kg/m³), प्रति इकाई ET (फ़सल WUE) या प्रति इकाई दिए गए जल (क्षेत्र WUE) पर।
मुख्य बिंदु
- FC लगभग 1/3 बार, PWP लगभग 15 बार; उपलब्ध गहराई d = (FC − PWP)/100 × (ρ_b/ρ_w) × D।
- ET_c = K_c × ET₀, ET₀ पेनमैन–मॉन्टीथ से या K_p × E_pan; अंतराल शुद्ध गहराई ÷ दैनिक ET_c है।
- कर्तव्य D = 8.64B/Δ (ha/क्यूमेक, दिन, मीटर)।
- स्प्रिंकलर दर = q/(S_l × S_m) और ग्रहण दर से नीचे रहनी चाहिए; CU = 100(1 − Σ|x − x̄|/(nx̄)); ड्रिप q = kHˣ।
- η_c × η_a समग्र दक्षता देता है; प्रयोग व संचय दक्षताएँ एक-दूसरे के विरुद्ध संतुलित होती हैं।
- सर्वोत्तम जलीय आयताकार नाली में b = 2y व R = y/2 है।
अभ्यास प्रश्न (13)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
एक मृदा की क्षेत्र क्षमता 28 प्रतिशत व स्थायी म्लानि बिंदु 12 प्रतिशत (दोनों शुष्क भार पर) और स्थूल घनत्व 1.5 g/cm³ है। 0.9 m जड़-क्षेत्र में कितनी गहराई का उपलब्ध जल धारित है, mm में?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 216
d = (FC − PWP)/100 × ρ_b × D = 0.16 × 1.5 × 900 mm = 216 mm। स्थूल घनत्व छोड़ना भार के प्रतिशत को आयतन का प्रतिशत मानना है और 144 mm देता है।ऊपर की मृदा व जड़-क्षेत्र (216 mm उपलब्ध जल) हेतु सिंचाई तब दी जाती है जब उपलब्ध जल का 50 प्रतिशत प्रयुक्त हो चुका हो। यदि फ़सल 6 mm/दिन प्रयोग करती है, तो सिंचाई अंतराल, दिनों में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 18
शुद्ध गहराई = 0.5 × 216 = 108 mm; अंतराल = 108/6 = 18 दिन। पूरा 216 mm समाप्त होने पर ही सिंचाई (36 दिन) मृदा को म्लानि बिंदु तक पहुँचने देती है, जिसे निर्धारण रोकने हेतु बना है।एक फ़सल का डेल्टा 1.2 m व आधार-काल 120 दिन है। उसका कर्तव्य, ha/क्यूमेक में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 864
D = 8.64B/Δ = 8.64 × 120/1.2 = 864 ha/क्यूमेक। Δ = 120 cm लेने पर 8.64 आता है, सौ गुना छोटा, क्योंकि स्थिरांक 8.64 पहले से Δ को मीटर में मानता है।क्लास A पैन वाष्पन 8 mm/दिन, पैन गुणांक 0.7 और मध्य-मौसम में फ़सल गुणांक 0.9 है। फ़सल वाष्पोत्सर्जन, mm/दिन में (दो दशमलव स्थानों तक), क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 5.04
ET₀ = K_p × E_pan = 0.7 × 8 = 5.6 mm/दिन; ET_c = K_c × ET₀ = 0.9 × 5.6 = 5.04 mm/दिन। पैन गुणांक से भाग देना (8/0.7) ET₀ को बढ़ा देता है, क्योंकि पैन फ़सल सतह से अधिक वाष्पित करता है, कम नहीं।नहर में मोड़े गए 1000 L/s में से 800 L/s खेतों तक पहुँचता है, और खेतों तक पहुँचे जल का 70 प्रतिशत जड़-क्षेत्र में संचित होता है। समग्र सिंचाई दक्षता, प्रतिशत में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 56
η_c = 800/1000 = 80 प्रतिशत; η_a = 70 प्रतिशत; η_o = 0.8 × 0.7 = 56 प्रतिशत। दोनों का औसत (75 प्रतिशत) या हानियाँ जोड़ना (50 प्रतिशत) दोनों दक्षताओं की शृंखला को ग़लत पढ़ते हैं, जो गुणा होती हैं।सिंचाई से पहले जड़-क्षेत्र को क्षेत्र क्षमता तक लाने हेतु 80 mm जल आवश्यक है। सिंचाई के बाद जड़-क्षेत्र में 60 mm संचित हुआ है। जल संचय दक्षता, प्रतिशत में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 75
η_s = संचित/आवश्यक = 60/80 = 75 प्रतिशत। यह इस पर निर्भर नहीं कि कितना दिया गया; संचित जल को दिए गए जल से भाग देना प्रयोग दक्षता देगा, एक भिन्न माप।0.5 L/s प्रत्येक निस्सरण करने वाले स्प्रिंकलर 12 m × 12 m वर्गाकार अंतराल पर लगाए गए हैं। प्रयोग दर, mm/h में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 12.5
I = q/(S_l × S_m) = 0.5 × 3600 L/h/144 m² = 1800/144 = 12.5 mm/h, क्योंकि 1 L/m² = 1 mm। q को L/s में छोड़ने पर 0.0035 mm आता है, घंटे की दर 3600 गुणक से कम।स्प्रिंकलर परीक्षण में चार कैच-कैन 8, 10, 12 व 10 mm एकत्र करते हैं। क्रिश्चियनसेन एकरूपता गुणांक, प्रतिशत में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 90
माध्य x̄ = 10 mm; निरपेक्ष विचलन 2, 0, 2, 0 का योग 4; CU = 100(1 − 4/(4 × 10)) = 90 प्रतिशत। चिह्नित विचलनों का योग शून्य देता है और 100 प्रतिशत का झूठा CU।एक द्वारक-प्रकार ड्रिप उत्सर्जक (निस्सरण घातांक 0.5) 10 m संचालन शीर्ष पर 4 L/h देता है। 14.4 m पर वह कितना देता है, L/h में?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 4.8
q = kH^0.5, अतः q₂ = q₁√(H₂/H₁) = 4 × √1.44 = 4 × 1.2 = 4.8 L/h। शीर्ष के साथ रैखिक मापन (5.76 L/h) स्तरीय प्रवाह मानता है; दाब-प्रतिकारी उत्सर्जक 4 L/h पर ही रहता।आम के पेड़ 3 m × 3 m पर लगाए गए हैं। फ़सल वाष्पोत्सर्जन 5 mm/दिन, गीला-क्षेत्र गुणक 0.6 और ड्रिप तंत्र दक्षता 90 प्रतिशत है। प्रति पौधा प्रतिदिन कितना आयतन जल देना होगा, लीटर में?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 30
V = ET_c × क्षेत्रफल × गुणक/दक्षता = 5 mm × 9 m² × 0.6/0.9 = 45 × 0.6/0.9 = 30 L/दिन (1 m² पर 1 mm, 1 L है)। दक्षता से भाग के बजाय गुणा करने पर 24.3 L आता है, हानियों के बाद फ़सल की आवश्यकता पूरी करने हेतु बहुत कम।किसी मृदा का स्थायी म्लानि बिंदु लगभग कितने मृदा-जल चूषण के संगत है?
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उत्तर: A — 15 बार (1500 kPa)
पारंपरिक म्लानि बिंदु 15 बार है, जहाँ अधिकांश फ़सलें स्फीति पुनः पाने हेतु पर्याप्त तेज़ी से जल नहीं निकाल सकतीं। लगभग 1/3 बार क्षेत्र क्षमता है (बलुई मृदाओं हेतु कभी-कभी 0.1 बार); 31 बार आर्द्रताग्राही गुणांक के निकट है, और भी शुष्क।मृदा-नमी मापन के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — टेन्सियोमीटर केवल आर्द्र परिसर में, लगभग 0.8 बार चूषण तक, कार्य करता है; B — न्यूट्रॉन प्रोब मुख्यतः मृदा जल के हाइड्रोजन द्वारा तीव्र न्यूट्रॉनों के धीमे होने पर निर्भर है; C — भारमितीय विधि, 105 °C पर ओवन में सुखाना, वह संदर्भ है जिसके विरुद्ध अन्य विधियाँ अंशांकित होती हैं
लगभग 0.8 बार से आगे टेन्सियोमीटर के प्याले में वायु प्रवेश कर जाती है और वह तनाव तोड़ देता है; न्यूट्रॉन प्रोब हाइड्रोजन से धीमे हुए न्यूट्रॉन गिनता है; ओवन में सुखाना संदर्भ विधि है। TDR मृदा के परावैद्युत स्थिरांक से तय स्पंद का यात्रा-समय मापती है — जिप्सम ब्लॉक प्रतिरोध विधि है, अतः चौथा कथन असत्य है।सबसे मितव्ययी (सर्वोत्तम जलीय) काट वाली अस्तरित आयताकार सिंचाई नाली हेतु तल-चौड़ाई b व प्रवाह-गहराई y का संबंध है:
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उत्तर: A — b = 2y
स्थिर क्षेत्रफल A = by हेतु गीला परिमाप P = b + 2y = A/y + 2y न्यूनतम है जब dP/dy = 0, अर्थात् A = 2y², अतः b = 2y व R = A/P = y/2। b = y वर्गाकार काट है, जिसका समान क्षेत्रफल हेतु परिमाप अधिक है।