कृषि जल-निकास, लवणता नियंत्रण, भूजल जल-विज्ञान, कुएँ व पंप
2. निक्षालन आवश्यकता, लवणता नियंत्रण व जल गुणवत्ता
हर सिंचाई लवण जोड़ती है, और जब तक कुछ जल जड़-क्षेत्र के नीचे न जाए लवण संचित होता है। निक्षालन आवश्यकता दिए गए जल का वह अंश है जिसे जड़-क्षेत्र से होकर निकलना चाहिए ताकि उसकी लवणता उस स्तर पर रहे जिसे फ़सल सहती है। स्थायी-अवस्था (USSL) रूप में LR = EC_iw/EC_dw — सिंचाई जल की विद्युत चालकता बटा जल-निकास जल की अनुमेय चालकता। EC_iw = 2 dS/m व EC_dw = 8 dS/m पर LR = 0.25, और 600 mm ET वाली फ़सल को कुल 600/(1 − 0.25) = 800 mm जल चाहिए, जिसमें से 200 mm निक्षालित होता है। एक व्यापक प्रयुक्त विकल्प (FAO) LR = EC_w/(5EC_e − EC_w) है, EC_e वह मृदा-निष्कर्ष लवणता जिसे फ़सल सहती है।
| सूचकांक या वर्ग | परिभाषा | किसकी चेतावनी देता है |
|---|---|---|
| विद्युत चालकता (EC) | dS/m में जल की चालकता, घुले लवणों के समानुपाती | लवणता जोखिम — फ़सल पर परासरणी तनाव |
| सोडियम अधिशोषण अनुपात (SAR) | Na/√((Ca + Mg)/2), सांद्रताएँ meq/L में | सोडियम जोखिम — विक्षेपण व पारगम्यता की हानि |
| अवशिष्ट सोडियम कार्बोनेट (RSC) | (CO₃ + HCO₃) − (Ca + Mg), meq/L में | कैल्शियम का अवक्षेपण, सोडियम को प्रभावी छोड़ते हुए |
| लवणीय मृदा | EC_e > 4 dS/m, ESP < 15, pH प्रायः < 8.5 | अच्छे जल व जल-निकास के साथ निक्षालन से सुधारी जाती है |
| सोडिक (क्षारीय) मृदा | ESP > 15, EC_e < 4 dS/m, pH प्रायः > 8.5 | सोडियम को कैल्शियम से बदलने हेतु जिप्सम जैसे सुधारक, फिर निक्षालन चाहिए |
Na = 20, Ca = 5 व Mg = 3 meq/L के साथ SAR = 20/√4 = 10। जल-निकास जल का पुनः उपयोग — लवण-सहिष्णु फ़सलों हेतु, ताज़े जल के साथ मिश्रण द्वारा, या अच्छे जल के साथ बारी-बारी चक्रीय उपयोग में — आपूर्ति बढ़ाता है, परंतु उसके साथ आए लवण को फिर भी कहीं तंत्र से निकलना होता है, इसीलिए पुनः उपयोग योजनाओं को सांद्र छोर हेतु निकास चाहिए।
3. भूजल की उपस्थिति, गति व जलभृतों में प्रवाह; अन्वेषण व पुनर्भरण
जल-स्तर के नीचे छिद्र संतृप्त होते हैं। जलभृत (aquifer) उपयोगी मात्रा में जल संचित व संचारित करता है; जलरोधी (aquitard) धीरे संचारित करता है, जलाभेद्य (aquiclude) जल धारण करता है पर संचारित नहीं करता, और जलवर्जी (aquifuge) न धारण करता है न संचारित। अपरिबद्ध जलभृत का ऊपरी पृष्ठ जल-स्तर है; परिबद्ध जलभृत अपारगम्य परतों के बीच दाब में होता है, अतः उसमें कुएँ का जल दाबमितीय पृष्ठ तक उठता है (और यदि वह भूमि से ऊपर हो तो सतह पर बहता है — आर्टीज़ियन कुआँ); रिसावी (अर्ध-परिबद्ध) जलभृत एक जलरोधी से घिरा होता है; आश्रित (perched) जलभृत मुख्य जल-स्तर के ऊपर किसी स्थानीय परत पर टिका होता है। अपरिबद्ध जलभृत प्रति इकाई आयतन गुरुत्व-निकास से जो जल देता है वह उसकी विशिष्ट लब्धि S_y है; जो गुरुत्व के विरुद्ध रोकता है वह उसका विशिष्ट धारण है; और S_y + S_r = सरंध्रता। परिबद्ध जलभृत संपीडन व प्रसार से जल छोड़ता है, प्रति इकाई शीर्ष बहुत कम — उसका संचय गुणांक प्रायः S_y से कई कोटि छोटा होता है।
भूजल डार्सी नियम v = Ki से चलता है, जहाँ v सम्पूर्ण अनुप्रस्थ-काट पर डार्सी (आभासी) वेग है; छिद्रों से होकर वास्तविक अंतःस्रवण वेग v/n_e है, प्रभावी सरंध्रता जितना बड़ा: K = 50 m/दिन व i = 0.002 से v = 0.1 m/दिन और n_e = 0.25 के साथ 0.4 m/दिन अंतःस्रवण वेग मिलता है। b मोटाई वाले परिबद्ध जलभृत की संचारिता T = Kb है। पूर्ण-भेदी कुएँ की ओर स्थायी त्रिज्य प्रवाह (थीम) परिबद्ध जलभृत में Q = 2πKb(h₂ − h₁)/ln(r₂/r₁) और अपरिबद्ध में Q = πK(h₂² − h₁²)/ln(r₂/r₁) देता है, h₁ व h₂ प्रेक्षण त्रिज्याओं r₁ व r₂ पर शीर्ष। अस्थायी प्रवाह थीस हल s = (Q/(4πT))W(u), u = r²S/(4Tt), से वर्णित होता है, और छोटे u (लगभग 0.01 से कम) हेतु कूपर–जैकब सरल-रेखा सन्निकटन s = (2.30Q/(4πT)) log₁₀(2.25Tt/(r²S)) से, जिससे पंपन परीक्षण T व S देता है।
अन्वेषण वेधन से पहले जलभृतों का पता लगाता है: पृष्ठीय भूभौतिकी — विद्युत प्रतिरोधकता परीक्षण (वेनर व श्लम्बर्जर व्यूह; मीठे जल वाली बालू व बजरी मृत्तिकाओं या लवणीय क्षेत्रों से अधिक प्रतिरोधकता दिखाती हैं) और भूकंपी अपवर्तन — भूवैज्ञानिक व सुदूर-संवेदन अध्ययनों, परीक्षण वेधन व वेधछिद्र अभिलेखन के साथ। पुनर्भरण जल-स्तर उतार-चढ़ाव विधि (पुनर्भरण = S_y × उठान + अवधि में निकासी), वर्षा-अंतःस्यंदन गुणकों, और जल-संतुलन बजटों से आकलित होता है। कृत्रिम पुनर्भरण प्रसार द्रोणियों, अंतःस्रवण तालाबों, रोक बाँधों, पुनर्भरण गड्ढों व शाफ़्टों, और अंतःक्षेपण कुओं से जान-बूझकर जल जोड़ता है।
4. कुओं के प्रकार; जल कुओं का अभिकल्प व निर्माण
खुले (खोदे) कुएँ बड़े व्यास के, उथले होते हैं और अपने आयतन में जल संचित करते हैं, कम-लब्धि जलभृतों हेतु उपयुक्त; खोदे-सह-वेधित कुएँ तल पर एक वेध जोड़ते हैं; नलकूप — उथले या गहरे, आवरित व जालीयुक्त — गहराई पर परिबद्ध या अपरिबद्ध जलभृतों तक पहुँचते हैं; कोटर (cavity) कुएँ स्थिर मृत्तिका परत के नीचे बने कोटर से खींचते हैं; फ़िल्टर-पॉइंट कुएँ बालू में गाड़े छोटे उथले नलकूप हैं। वेधन कठोर या बड़े-पत्थर वाली संरचनाओं में केबल-टूल (प्रहार) विधि से, असंपिंडित पदार्थ में गति हेतु परिसंचारी पंक के साथ प्रत्यक्ष घूर्णी विधि से, बड़े व्यास के बजरी-भरे कुओं हेतु विपरीत घूर्णी विधि से, और उथले कुओं हेतु जेटिंग या बोरिंग से होता है।
नलकूप की जाली (screen) सर्वोत्तम जलधारी परतों के सामने लगाई जाती है, जलभृत के कण-आकार वक्र से चुने स्लॉट-आकार के साथ ताकि अधिकांश बालू रुकी रहे; जहाँ जलभृत महीन या एकरूप हो, वहाँ जाली के चारों ओर श्रेणीबद्ध बजरी भराव (gravel pack) रखा जाता है। फिर कुएँ का विकास किया जाता है — उछाल, अति-पंपन या पश्च-धावन से — ताकि महीन कण व वेधन पंक हटें और जाली के निकट पारगम्यता बढ़े। उसका निष्पादन विशिष्ट क्षमता, प्रति इकाई अवनमन लब्धि, से संक्षेपित होता है: 4 m अवनमन पर 20 L/s, 5 L/s प्रति मीटर है। जाली व आवरण से प्रवाह के कारण कुआँ हानि जलभृत हानि में जुड़ती है, अतः पंपन दर बढ़ने पर विशिष्ट क्षमता घटती है।
5. पंपों का वर्गीकरण, अभिलक्षण, चयन व स्थापना
पंप धनात्मक-विस्थापन — प्रत्यागामी (पिस्टन, प्लंजर) व घूर्णी (गियर, स्क्रू) — होते हैं, जो शीर्ष कुछ भी हो प्रति स्ट्रोक या चक्कर लगभग निश्चित आयतन देते हैं, या घूर्णगतिक (rotodynamic), जो घूमते इम्पेलर से ऊर्जा जोड़ते हैं: अपकेंद्री (त्रिज्य-प्रवाह, वॉल्यूट या विसारक आवरण, उच्च शीर्ष पर मध्यम प्रवाह हेतु), मिश्र-प्रवाह, और अक्षीय-प्रवाह (प्रोपेलर, कम शीर्ष पर बड़े प्रवाह हेतु)। ऊर्ध्वाधर टरबाइन व निमज्जनीय (submersible) पंप गहरे कुओं हेतु बहु-चरण अपकेंद्री पंप हैं; जेट पंप व वायु-उत्थापन पंप के कुएँ में कोई गतिशील भाग नहीं होता। प्रकार विशिष्ट चाल N_s = N√Q/H^(3/4) से निकलता है: अपकेंद्री हेतु कम, मिश्र-प्रवाह हेतु मध्यम, अक्षीय-प्रवाह हेतु अधिक।
स्थिर चाल पर अपकेंद्री पंप के अभिलक्षण वक्र निस्सरण के विरुद्ध शीर्ष, शक्ति व दक्षता दर्शाते हैं: निस्सरण बढ़ने पर शीर्ष घटता है, दक्षता सर्वोत्तम दक्षता बिंदु पर शिखर पर होती है, और ली गई शक्ति निस्सरण के साथ बढ़ती है। संचालन बिंदु वहाँ है जहाँ पंप वक्र तंत्र वक्र (स्थैतिक उत्थापन जमा Q² के अनुसार बढ़ती घर्षण हानियाँ) को काटता है। एक पंप की बदली चाल पर सादृश्य नियम Q ∝ N, H ∝ N² व P ∝ N³ हैं: चाल 1450 से 2900 चक्कर/मिनट दोगुनी करने पर पंप 25 m पर 20 L/s से 100 m पर 40 L/s पर पहुँचता है और उसकी शक्ति आठ गुनी होती है। आवश्यक शक्ति P = ρgQH/η है — 60 प्रतिशत दक्षता पर 30 m के विरुद्ध 0.02 m³/s को 9.81 kW चाहिए। श्रेणी में पंप समान निस्सरण पर अपने शीर्ष जोड़ते हैं; समांतर में समान शीर्ष पर अपने निस्सरण जोड़ते हैं।
चयन व स्थापना। पंप ऐसा चुना जाता है कि उसका सर्वोत्तम दक्षता बिंदु आवश्यक कार्य-बिंदु पर बैठे; जल-सतह से ऊपर लगे अपकेंद्री पंप को आरंभ से पहले प्राइम करना (उसका आवरण व चूषण नली भरना) होता है, और फ़ुट वाल्व व छलनी लगानी होती है। चूषण उत्थापन सीमित है क्योंकि इम्पेलर-नेत्र पर दाब वाष्प दाब से ऊपर रहना चाहिए: समुद्र-तल पर वायुमंडलीय दाब केवल 10.33 m जल-स्तंभ सँभालता है, और घर्षण, वेग शीर्ष तथा पंप का आवश्यक NPSH (शुद्ध धनात्मक चूषण शीर्ष) व्यावहारिक उत्थापन को उससे काफ़ी नीचे कर देते हैं। बहुत अधिक चूषण उत्थापन कोटरन (cavitation) उत्पन्न करता है — इम्पेलर पर वाष्प बुलबुलों का बनना व ढहना, शोर, शीर्ष हानि व गड्ढे पड़ने के साथ — इसीलिए गहरे कुओं में जल-स्तर के नीचे लगाए निमज्जनीय या टरबाइन पंप प्रयुक्त होते हैं।
मुख्य बिंदु
- Q = DC × A; हूगहाउट q = (8K_b d_e h + 4K_a h²)/L², अवरोध पर नालियों हेतु L² = 4Kh²/q बनता है।
- LR = EC_iw/EC_dw, और कुल जल = ET/(1 − LR); SAR = Na/√((Ca + Mg)/2), meq/L में।
- लवणीय: EC_e > 4, ESP < 15, निक्षालित करें; सोडिक: ESP > 15, पहले जिप्सम डालें।
- थीम: परिबद्ध Q = 2πKb Δh/ln(r₂/r₁), अपरिबद्ध πK(h₂² − h₁²)/ln(r₂/r₁); S_y + S_r = सरंध्रता; अंतःस्रवण वेग = v/n_e।
- सादृश्य नियम Q ∝ N, H ∝ N², P ∝ N³; पंप शक्ति = ρgQH/η; श्रेणी शीर्ष जोड़ती है, समांतर निस्सरण।
अभ्यास प्रश्न (14)
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।
50 ha हेतु अवपृष्ठीय जल-निकास तंत्र 1 cm/दिन के जल-निकास गुणांक हेतु अभिकल्पित है। अभिकल्प निस्सरण, L/s में (एक दशमलव स्थान तक), क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 57.9
प्रति दिन आयतन = 0.01 m × 50 × 10⁴ m² = 5000 m³; Q = 5000/86 400 = 0.0579 m³/s = 57.9 L/s। 86 400 के बजाय 3600 से भाग देना गुणांक को प्रति घंटा गहराई मानता है और 1389 L/s देता है।समांतर नालियों को उनके बीच मध्य में जल-स्तर नाली-तल से 0.8 m ऊपर रखना है, 2 mm/दिन जल-निकास गुणांक के साथ। मृदा में नालियों के ऊपर व नीचे K = 1 m/दिन है, और अपारगम्य परत तक तुल्य गहराई 3 m है। हूगहाउट समीकरण कितना नाली अंतराल देता है, m में (एक दशमलव स्थान तक)?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 104.3
L² = (8Kd_e h + 4Kh²)/q = (8 × 1 × 3 × 0.8 + 4 × 1 × 0.64)/0.002 = (19.2 + 2.56)/0.002 = 10 880, अतः L = 104.3 m। नालियों के नीचे का प्रवाह (8Kd_e h पद) छोड़ने पर केवल 35.8 m, और q को mm से m में न बदलने पर 3.3 m आता है।अपारगम्य परत पर टिकी नालियों को, K = 0.5 m/दिन वाली मृदा में, 5 mm/दिन जल-निकास गुणांक हेतु, मध्य में जल-स्तर उनसे 1.0 m ऊपर रखना है। नाली अंतराल, m में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 20
d = 0 के साथ L² = 4Kh²/q = 4 × 0.5 × 1²/0.005 = 400, अतः L = 20 m। 4K के स्थान पर 8K लेने (नाली-तल के नीचे वाला पद उधार लेकर) पर 28.3 m आता है।एक सिंचाई जल में 20 meq/L Na⁺, 5 meq/L Ca²⁺ व 3 meq/L Mg²⁺ हैं। उसका सोडियम अधिशोषण अनुपात क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 10
SAR = Na/√((Ca + Mg)/2) = 20/√(8/2) = 20/2 = 10। योग को आधा करना भूलने पर 20/√8 = 7.07, और वर्गमूल भूलने पर 5 आता है।सिंचाई जल का EC 2 dS/m है और जल-निकास जल 8 dS/m से अधिक नहीं हो सकता। यदि मौसम हेतु फ़सल का वाष्पोत्सर्जन 600 mm है, तो कितनी कुल गहराई का जल देना होगा (अन्य हानियों की उपेक्षा करते हुए), mm में?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 800
LR = EC_iw/EC_dw = 2/8 = 0.25, अतः दी गई गहराई D, D − 0.25D = 600 को संतुष्ट करती है और D = 600/0.75 = 800 mm, जिसमें से 200 mm जड़-क्षेत्र के नीचे निकलता है। ET का 25 प्रतिशत जोड़ना (750 mm) कम आपूर्ति करता है, क्योंकि निक्षालन अंश दिए गए जल का है, ET का नहीं।एक कुआँ 20 m मोटे, K = 30 m/दिन वाले परिबद्ध जलभृत को पूर्णतः भेदता है। स्थायी अवस्था में उससे 10 m व 100 m दूर प्रेक्षण कुओं में शीर्षों का अंतर 2 m है। पंपन दर, m³/दिन में (निकटतम पूर्ण संख्या तक), क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 3275
T = Kb = 600 m²/दिन; Q = 2πT(h₂ − h₁)/ln(r₂/r₁) = 2π × 600 × 2/ln 10 = 7539.8/2.3026 = 3274.5 ≈ 3275 m³/दिन। ln 10 के स्थान पर log₁₀(10) = 1 लेने पर 7540 m³/दिन आता है, 2.3 गुना अधिक।एक जलभृत का K = 50 m/दिन व प्रभावी सरंध्रता 0.25 है, और जलीय प्रवणता 0.002 है। भूजल का औसत अंतःस्रवण (छिद्र) वेग, m/दिन में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 0.4
डार्सी वेग v = Ki = 50 × 0.002 = 0.1 m/दिन सम्पूर्ण अनुप्रस्थ-काट पर; जल वास्तव में केवल छिद्रों से चलता है, अतः v_s = v/n_e = 0.1/0.25 = 0.4 m/दिन। 0.1 m/दिन बताना डार्सी फ़्लक्स देता है, वह चाल नहीं जिससे कोई अनुरेखक चलता।एक अपकेंद्री पंप 1450 चक्कर/मिनट पर 25 m शीर्ष के विरुद्ध 20 L/s देता है। 2900 चक्कर/मिनट पर वह कितना शीर्ष विकसित करता है, m में?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 100
H ∝ N², अतः H₂ = 25 × (2900/1450)² = 25 × 4 = 100 m; निस्सरण दोगुना होकर 40 L/s होता है और शक्ति आठ गुनी बढ़ती है। शीर्ष को रैखिक रूप से मापित करने पर 50 m आता है।एक पंप 60 प्रतिशत समग्र दक्षता के साथ 30 m कुल शीर्ष तक 0.02 m³/s जल उठाता है। उसे कितनी निवेश शक्ति चाहिए, kW में (दो दशमलव स्थानों तक)? g = 9.81 m/s² लें।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 9.81
P = ρgQH/η = 1000 × 9.81 × 0.02 × 30/0.6 = 5886/0.6 = 9810 W = 9.81 kW। दक्षता से भाग के बजाय गुणा करने पर 3.53 kW आता है, जल शक्ति गुणा η — जल को स्वयं मिलने वाली शक्ति से भी कम।एक नलकूप 4 m अवनमन के साथ 20 L/s देता है। उसकी विशिष्ट क्षमता, L/s प्रति मीटर में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 5
विशिष्ट क्षमता = Q/s = 20/4 = 5 L/s प्रति मीटर अवनमन। लब्धि को अवनमन से गुणा करना (80) अर्थहीन गुणनफल देता है; सूचकांक प्रति इकाई अवनमन लब्धि है।किसी अपरिबद्ध जलभृत पदार्थ हेतु विशिष्ट लब्धि व विशिष्ट धारण का योग बराबर है:
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उत्तर: A — सरंध्रता
छिद्रों को भरने वाले जल का भाग गुरुत्व से निकलता है (विशिष्ट लब्धि) और शेष केशिकत्व व आसंजन से धारित रहता है (विशिष्ट धारण); मिलकर वे छिद्र-स्थान भरते हैं, अतः उनका योग सरंध्रता है। रिक्ति अनुपात V_v/V_s है, V_v/V नहीं, और संचय गुणांक परिबद्ध जलभृत का वर्णन करता है।लवण-प्रभावित मृदाओं के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — लवणीय मृदा का EC_e 4 dS/m से ऊपर और ESP 15 से नीचे होता है; B — सोडिक मृदा का विनिमेय सोडियम प्रतिशत 15 से ऊपर होता है; C — सोडिक मृदा सुधारने हेतु जिप्सम डाला जाता है
ये USSL मानदंड हैं: लवणीय मृदाओं में उच्च EC व कम ESP, सोडिक में उच्च ESP। जिप्सम कैल्शियम देता है जो विनिमेय सोडियम को विस्थापित करता है, जो फिर निक्षालित होता है। केवल निक्षालन लवण घटाता है और सोडिक मृत्तिका को और विक्षेपित होने देता है, अतः चौथा कथन असत्य है।पंपों के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — श्रेणी में दो समान पंप लगभग दोगुने शीर्ष पर समान निस्सरण देते हैं; C — अक्षीय-प्रवाह पंपों की विशिष्ट चाल अधिक होती है और वे कम शीर्ष पर बड़े प्रवाह हेतु उपयुक्त हैं; D — चूषण उत्थापन बढ़ने पर कोटरन का जोखिम बढ़ता है
श्रेणी पंप शीर्ष जोड़ते हैं; अक्षीय-प्रवाह मशीनें विशिष्ट चाल के ऊपरी छोर पर हैं; अधिक चूषण उत्थापन इम्पेलर-नेत्र पर दाब को वाष्प दाब की ओर घटाता है। समुद्र-तल पर वायुमंडलीय दाब केवल 10.33 m जल सँभालता है, और व्यावहारिक उत्थापन कम है, अतः 12 m चूषण उत्थापन असंभव है।पंपन परीक्षण विश्लेषण की कूपर–जैकब सरल-रेखा विधि केवल तब वैध है जब:
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उत्तर: A — u = r²S/(4Tt) छोटा हो, लगभग 0.01 या कम — अर्थात् अधिक समय पर या कुएँ के निकट
कूपर–जैकब कुआँ फलन W(u) की श्रेणी के केवल पहले दो पद रखता है, जो u छोटा होने पर — परीक्षण में देर से या कुएँ के निकट — यथार्थ है। स्थायी अवस्था थीम की स्थिति है, और अपरिबद्ध जलभृत में इतना बड़ा अवनमन दोनों विधियों की मान्यताओं का उल्लंघन करता है।