N
/
,Wi
rt niJl' ,m +id,l
Gmbangktt
(
,,h{
istrilt
f, $ "t
lt
bnagaAtr
:
.t
l
! I ,
ti
t' .'
'l
l
,t
M.M. DANDEKAR
'l
Gurubesar dalam Bidang Teknik Sipil Malaviya Regional Engineering College
'.,-i.eri
+l ^,
JAIPUR
,
K.N. SHARMA Dosen dalam Bidang Teknik Sipil Malaviya Regional Engineering College TNPUR
i I
I t I I
D. BAMBANG SETYADI
t I i
-'f
'r"
I
Pendamping:
"
SUTANTO
FEREAIKAN BAHAN PUSTAKA
T.A.2000
?)
ffi
I
tl
gEE
PENERBIT TJMVERSITAS INDONESIA (Ur-PRESS) r.991
Perpustakaan Nasional: Katalog Dalam Terbitan (KDT).
!lr
DANDEKAR,.M.M. Pembangkit Listrik Tenaga Air
/ M.M. Dandekar din K.N. Sharma; penerjemah, D. Bambang Setyadi, Sutanto. Cet. l. Jakarta: Penerbit Universitas Indonesia (UI-Press), 1991. x, 566 hlm.; ilus.; 16 cm.
-
Judul asli: Water Power Engineering Daftar Pustaka
-
l.
air. I. Judul.
Pembangkit listrik tenaga Setyadi,
D. Bambang.
62t.ll
@ Hak penerjemah dan penerbit dilindungi Undang-Undang. Cetakan pertama 1991. Pengarang : M.M. Dandekar dan K.N. Sharma Penerjemah : D. Bambang Setyadi Pendamping : Sutanto
.
Korektor: Iif St. Ulfah Setting : Marman
Atak : Maryo : Umiyati
Repro Film
Operator Cetak : Sulardi, Sumardi, Bambang Bioso Dicetak oleh : Penerbit Universitas Indonesia (UI-Press) Penerbit : Penerbit Universitas Indonesia (UI-Press) Salemba 4, Jakarta 1O430, Telp. 335-373
,Edisi Asli Bahasa Inggris berjudul Water Power Engineering diterbitkan oleh Vikas Publishing House PVT LTD, 1979
,,.t
Buku ini diierbitkan dalam rangka pengadaan buku teks untuk Perguruan Tinggi, bekerjasama dengan Proyek Pengembangan Pendidikan Tinggi (World Bank Education IX Pro-
ject), Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan dan Kebudayaan.
Proycls
Pen,6i62uo lqu,o
t.
Madhav,
Malai,
Shobhana
(Alm.) Mathura Nath, Rama,,Chqtld,yika r' r' . Katnla,"Nath
979-456-072-3.
II. Sharma, K.N.' III. III. Sutanto.
Dengan kasih dan sayang, untuk Mohan
,
Indeks
lsBN
Lr
\
t
MT[, IK PETTPUSTI
KAAI\I OABRAH
J,,\u./& Tl!itJ{l
Nnmpl
I
eo.?6y rp&t p tb 9,r
t*rrl : 9/
t$
UCAPAN TERIMAKASIH
li
9,
TVnLd
toomO4[s2_
Kedua pengarang buku
ini mengucapkan terimakasih yang
sebesar-
besarnya kepada pihak-pihak yang secara ikhlas memberi izin peng-
gunaan bahan-bahan penerbitannya. Ucapan terimakasih disampaikan kepada: Allis-Chalmers Mfg. Co., AS; Beas-Sutlej Link Management Board, India; Bhakra Management Board, India; Bharat Heavy Electricals Ltd., India; Central Water and Power Research Station, Pune, India; Dominion Engg. Works, Canada; English Electric Co.,
Ltd., Inggris; Escher Wyss Ltd., Swiss; Irrigation
Research Institute,
Poondi, India; Kerala State Electricity Board, India; Linden - Alimak, Swedia; Vevey Engg. Works Ltd., Swiss; Water Power and Dam Construction, London, Inggris; "Water Power Development", Jilid I dan II, E. Mosonyi, Penerbit Akademi Ilmu Pengetahuan Hungaria, Budapest.
\
PRAKATA Pada hakikatnya buku ini direncanakan sebagai buku ajar bagi mahasiswa yang berminat pada Pembangkit Listrik Tenaga Air (pLTA). Bidang ini wilayah yang luas dalam rekayasa, meliputi berbagai disip-
lin dan
membutuhkan berbagai jenis buku pegangan agar dapat memahami seluruh aspeknya. Sesungguhnya, banyak buku pegangan seperti itu telah tersedia. Namun, sulit ditemukan buku yang memadai untuk keperluan instruksional dalam bidang rekayasa. Karena segi ini merupakan motivasi utama dalam menulis buku ini, kami sangat mengharapkan bahwa para insinyur lapangan, yang aktif dalam
bidang ini, akan memperoleh penjelasan dalam risalah penjelasannya. teliti dan rincian soal-soal latihan disain diberikan pula. Bab-bab mengenai hidrologi, rancangan bendungan, turbin dan peralatan mekanik dan elektrik memang merupakan bidang pengetahuan yang luas, dan memasukkan prosedur Asas-asas disain pokok dipaparkan secara
t
disain yang komprehensif tidaklah mungkin dalam buku ini. Kami telah berusaha sejauh mungkin mencakup semua informasi mutakhir. Rekayasa Tenaga Air telah maju pesat dalam dua puluh lima tahun terakhir ini, dan kami dengan sadar berusaha memperkenalkan semua konsep dan latihan penerapan modern hepada pembaca. Kami mengutip sejumlah contoh dari proyek-proyek tenaga air dari seluruh dunia guna menjelaskan dan menekankan asas-asas umum. Metodologi penghitungan dijelaskan dengan penguraian contoh-contoh. Tidak seperti dokumen riset, pada dasarnya buku ajar merupakan pilihan informasi dari sumber-sumber yang berlainan. Kami berterima kasih atas segala bantuan dari para penyumbangyang terdahulu dalam bidang ini. Kami tidak memberikan rujukan yang terinci dalam naskah, hanya memasukkan daftar-daftar rujukan yang penting pada bagian akhir buku ini. Tetapi, kami secara istimewa ingin menyebut 'magnum opus' Dr. Emil Mosonyi Perkembangan Tenaga Air, begitu pula Jurnal Tenoga Air dan Bangunon Bendungan sebagai dua sumber penting penjelasan kami.
r
x
nif 'I1
t\
t1
'
l..,.,, n
(!'"r
(r,r./'
/
c
r; [., , r
i
Prakata
("i l'"' J""
Kiranya tidaklah mungkin menyebut nama-nama semua pribadi yang telah mengulurkan bantuan dalam proyek ini. Tetapi kami ingin menyebutkan penghargaan kami kepada Kepala, Malaviya Regional Engineering College, Jaipur (India) yang mengizinkan kamimenyusun proyek ini, kepada University Grants Commission, India, yang mensponsori proyek ini dan menyediakan bantuan keuangan dalam bentuk beasiswa, dan kepada National Book Trust, lndia, yang memasukkan buku ini dalam program penerbitan buku ajar yang diberi subsidi. Kami sungguh berterima kasih kepada dewan penyunting yang ditunjuk oleh UGC (India), yang terdiri dari Dr. Jagdish Lal, KepalaM.N.R. Engineering College, Allahabad, Dr. S. Narasimhan, Guru Besar, IIT, Bombay, dan Prof. M.A. Brahmnalkar dari Balchand College of Engineering, Sangli, yang telah memeriksa naskah dan memberi saran yang berharga. Usaha dan perhatian mereka sangat kami hargai. Ucapan terimakasih juga kami tujukan kepada teman-teman sejawat dan staf dalam Departemen kami, terutama kepada Tuan D. Jagtani, yang menyediakan bantuan sekretariat yang cakap selama proyek penulisan buku ini.
1r'
i
/'i' "
DAFTAR ISI "")
Tdan \-/'''
TENAGA AIR
1
l-15
Pendahuluan. Sumber-sumber Energi. Tingkat Pemanfaatan Tenaga di Dunia. Tenaga Air. Tempat Listrik
Air dalam Sistem Tenaga. Tegangan Transmisi dan PLTA. Taksiran Potensi Tenaga Air. Tenaga
/')
(y'
PARA PENGARANG
HIDROLOGI UMUM
16-33
Umum. Hidrologi dan Hidrometeorologi. Cabang-cabang
Hidrologi. Daur Hidrologi Sebagai Suatu Sistem. Daur Hidrologi. Persamaan Hidrologis. Peresapan. Penguapan.
Aliran Sungai. Hidrologi Stokastik. Contoh Ilustrasi.
Bab
3
PRESIPITASI Pendahuluan. Kejadian
34-59
dan Penyebab
Terjadinya
Presipitasi. Pengukuran Curah Hujan. Interpretasi Data Hujan. Penyajian Data Curah Hujan Secara Grafis. Presipitasi Maksimum. Pola Curah Hu;an di India. Con-
toh llustrasi.
i
't
/-
Bab
4 LIMPASAN DAN ALIRAN SUNGAI
_. /nao
,/
L*
/
60.104
Proses Limpasan. Analisis Aliran Sungai. Hidrograf. Lengkung Masa. Lengkung Jujuh Aliran. Hubungan Curah Hujan-Limpasan. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Limpasan. Perkiraan Limpasan. Metode Perkiraan Limpasan. Analisis Aliran Rendah. Limpasan Banjir. - ..|\4etode Hidrograf Satuan. Contoh Ilustrasi.
,/
BEBAN LIsTRIK pADA TURBIN AIR r0s-u7 Umum. Lengkung Beban. Faktor Beban. Faktor
r xii
Daftar
Daltar Isi
AIR-I
Bab 10 PENGANGKUT (Batang Pipa dan Perlengkapannya)
Kapasitas. Faktor Kegunaan. Faktor Keragaman' Lengkung Jujuh Beban. Tenaga Tetap' Tenaga Sekunder' Ramalan Beban. Contoh llustrasi.
Bab
6 TIPE.TIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENA. GA
AIR-I
(Pembangkit dengan Tekanan
Jangkar. Katup Pipa Saluran. Jenis Katup. Bengkokan dan
Bab
ll PENGANGKUT AIR-II
307-33t
(Pukulan dan Gelombang Air)
Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Air. Pembangkit Listrik Pada Aliran Sungai. Susunan Umum Pembangkit Listrik Tenaga Aliran Sungai. Bendungan Pembangkit Tenaga Listrik di Lembah. Proyek Saluran Pengalih
Pendahuluan. Pukulan Air. Gema dalam Tabung Pipa. Gelombang-gelombang Saluran. Tangki-tangki Gelom-
I
Bab 12 PENGANGKUT AIR-III 339-390 (Tempat-tempat Pengambilan, Saluran-saluran, Terowongan-terowongan)
Berkepala Tinggi. Penyimpanan dan Kolam' Contoh Ilustrasi.
Tempat-tempat Pengambilan Air. Jenis-jenis Bangunan Pemasukan. Kehilangan-kehilangan dalam pengambilan. Perjalanan Udara pada Pengambilan. Pemasukan Udara. Saluranrsal\ra$ Air. Forebay. Terowongan-t€rowongan.
162-185
(Pembangkit Listrik Tenaga Pompa)
Perencanaan Dasar. Sejarah Pengembangannya' Keuntungan Pembangkit Listrik Tenaga Pompa' Tipe-tipe PemUangtlt Listrik Tenaga Pompa. Faedah Relatif Dua Unit dan Tiga Unit Pengaturan. Pengaturan Tiga Kesatuan' Pembalikan Tenaga Listrik Pompa Turbin' Masalahmasalah Operasi. Tofografi. Cadangan-cadangan dan Angkutan Air. Rumah Tenaga Listrik' Efisiensi dari Pembangkit Listrik Tenaga Pompa. Contoh Ilustrasi'
\ Bab 73 TURBIN-TURBIN
391-453
Pendahuluan, Je-nis-jenis Turbin Utama. .Segi-segi Hidraulik. UkuranTiiibin. Segi-segi Konstruksi daripada Turbin. Susunan Tata Letak. Turbin Hidraulik. Segitigasegitiga Kecepatan dan Nomenklatur. Persamaanpersamaan Aliran Dasar. Tube-tube Sementara. Turbin Kapitasi. Pengaturan Turbin. Uji Model Turbin.
.
186-240
I BENDUNGAN
Karakteristik dari Turbin. Contoh Ilustrasi.
Bab 14 PERALATAN LISTRIK DAN
Umum. Sejarahnya. Fungsi Sebuah Bendungan' Klasifikasi dari Bendungan. Pemilihan Tempat dan
MEKANIK
Penghubung dan Pembagi. Perlengkapan Kamar Pengon-
dungan Lengkung. Bendungan Bertiang Penopang'
.
Keamanan Bendungan. Contoh Ilustrasi'
trol. Perlengkapan Mekanik. Perpindahan dari Listrik Mesin.
Bab 15 PERENCANAAN STASIUN TENAGA
9 PELIMPAH
241-268
Umum. Tipe-tipe Pelimpah. Pintu-flntu Pelimpah. Pintu-
pintu tidak Otomatis. Pintu-pintu Otomatis. Pintu Air Bendungan. Peredaman Energi di toh Ilustrasi.
\
Hilir Pelimpah. Con-
454-473
Umum. Dinamo/Generator. Pembentukan. Penyegaran, Pendinginan dan Pelumasan. Transformator. Alat-alat
Pemilihan Bendungan. Bobot,/Gaya Berat Bendungan' Bendungan-bendungan Tanggul Pada Umumnya' Ben-
Bab
I
bang. Contoh llustrasi.
Aliran. Pusat Pembangkit Tenaga Pengalih Aliran
Bab
269-306
Pipa Bermulut Banyak. Contoh Ilustrasi.
tlt-161
Air Tinggi dan Ren-
7 TIPE.TIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR_II
l
Umum. Klasifikasi Batang Pipa. Kriteria perencanaan Batang Pipa. Diameter Ekonomis Batang Pipa. Balok
dah)
Bab
ist xiii
AIR
Umum. A. Siasiun Tenaga Air di Atas Permukaan Tanah. Struktur Stasiun Tenaga Air. Dimensi Stasiun Tenaga Air. Penerangan dan Ventilasi. Variasi dalam Perencanaan Stasiun Tenaga. B. Stasiun Tenaga air di Bawah Tanah. Umum. Latar-Belakang. Lokasi Stasiun Tenaga di Bawah
474-496
\
r
xiv
Daftar Isi Tanah. Jenis Stasiun Pembangkit Tenaga di Bawah Tanah' Keuntungan Pembangkit Tenaga di Bawah Tanah' Komponen Pembangkit Tenaga di Bawah Tanah' Tipe-tipe BaTanah' Peian. Keterbatasan Pembangkit Tenaga Bawah Tenaga' Pembangkit Bangunan i"rr"anaan Struktural
Bab 76 TENAGA LISTRIK SEHUBUNGAN DENGAN
AIR PASANG Terjadinya dengan
Air
Pasang. Tenaga
Listrik
Air Pasang-Prinsip Dasar.
491-520
Sehubungan
Sejarah Perkem-
BAB I
TENAGA AIR
'
bangan. Lokasi Pembangkit Listrik Tenaga Air Pasang' Kesulitan pada Pembangkit Tenaga Air Pasang. Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Air Pasang. Model Pembangkit Tenaga. Susunan Kolam Tunggal. Sistem Kolam Ganda. Kerjasama Sistem Kolam Ganda. Aspek Bangunan. Perkiraan Energi dan Tenaga. Pengaturan Produksi Tenaga. Kontrol Kerusakan dan Kualitas Beton.
PENDAHULUAN Tenaga merupakan suatu unsur penunjang yang sangat penting bagi pengembangan secara menyeluruh suatu bangsa. Pemanfaatannya seca.ra tepat guna akan merupakan suatu alat yang ampuh untuk merangsang pertumbuhan perekonomian negara. Berdasarkan alasan terse-
Studi Kelayakan. Kawasan Tenaga Air Pasang yang Berpengharapan. Contoh Ilustrasi.
Bab 17 BEBERAPA PROYEK PEMBANGKIT LISTRIK 52I-543 TENAGA AIR YANG KHAS Pengantar. Proyek Beas. Proyek Bendun_gan Tarbela. Pro-
yek Bendungan Lengkung Iddiki. Proyek Air Pasang Rance. Proyek Waduk Pompa Revin.
Lampiran
sis-sst
Beberapa Satuan yang Berguna
555-555
Daftar Pustaka
s56-s61
Indeks Subjek
562-566
but, dapat dimengerti apabila pada akhir-akhir ini permintaan akan pembangkit tenaga semakin meningkat di negara-negara seluruh dunia. Secara garis besar dapat dikatakan bahwa, ditinjau dari segi kebutuhan tenaga, hampir dapat dipastikan semua negara di dunia benarbenar sedang mengalami 'krisis energi' dan berbagai kesibukan dilakukan untuk menjajagi pemanfaatan berbagai alternatif pembangkit energi untuk memenuhi kebutuhan yang terus meningkat. Jika digunakan perkiraan berdasarkan stan{ar yang berlaku di Amerika Serikat, penggunaan energi di seluruh dunia pada tahun 2000 akan menjadi empat kali dari kebutuhan tahun 1970. Semakin jelas bahwa harus ada suatu gagasan baru mengenai sumber-sumber penghasil energi dan rumusan program,program pelaksanaan. dengan efisiensi maksimal. SUMBER-SUMBER ENERGI Kekaguman manusia terhadap semua gejala alam telah menimbulkan daya tarik untuk memanfaatkannya bagi kesejahteraan kehidupannya. Pasang-surut lautan, parlas matahari, energi angin, semuanya dianggap memang diciptakan guna memenuhi kebutuhan mereka akan sumber energi untuk mencapai kesejahteraan kehidupan umat manusia. Meskipun demikian, seperti diketahui sampai saat ini, pengembangan tenaga secara besar-besaran dari sumber-sumber tersebut masih belum merupakan suatu kelaziman. Sesuai dengan kriteria pembangkit tenaga secara besar-besaran, tiga sumber terpenting yang sangat umum sehingga sering dikatakan konvensional, jika diurutkan sesuai
I
r-
\ Pembangkit Listrik Tenaga
2
clengan urutan pentingnya, dapat disebutkan:
Tenaga uap, (t) Tenaga air, dan (iir) Tenaga nuklir' Sumber-iumber lain untuk pembangkit tenaga, tentu saja tidak diragukan nilainya, tetapi jika dibandingkan dengan besarnya tenaga ya-ng dihasilkan oleh ketiga sumberdaya utama tersebut, kontribusi' nya memang sangat terbatas. Dengan dernikian, sumber-sumber lain tersebut, tetafr Alltasifikasikan sebagai sumberdaya tidak konvensional dan dapat disajikan seperti berikut ini: (l) Tenaga pasang surut, (il) Tenaga panas matahari, (iil) Tenaga pu"u, bum], (iv) Tenaga angin, dan (v) Medan magnet hidrodinamik. Uraian dalam bab dan seluruh isi buku ini dibatasi hanya mencakup tentang pembangkit listrik air dan segala sesuatu yang dianggap penting dan bersangkutan dengan hal tersebut"
O
TINGKAT PEMANFAATAN TENAGA DI DUNIA Kebutuhan akan tenaga hampir semua negara meningkat secara hebat sekali. Sedemikian hebat sehingga semua gambaran yang disajikan akan segera menjadi kedaluwarsa bahkan sebelum tinta cetaknya mengering. Meskipun demikian, sekedar untuk mendapatkan gambaran .r-r-. kiL dapat menengok gambaran pada tahun 1972. Jumlah energi yang dibangt
' sebui.*ing-*aiing
GW (l GW : I juta kW) (1973). Jumlah kapasitas terpasang daya air seluruhnya mendekati 200 GW. Perlu diketahui, jumlah seluruh potensi tenaga air yang mungkin untuk dikembangkan di seluruh dunia adalah sekitar I1.000 TWh per tahun dan hampir 8890 dari po-
t
Tenagu,.lir
Air
I
tensi tersebut tetap Lrelum termanfaatkan. Gambaran tersebut terlihat luar biasa jika dibandingkan dengan gambaran keadaan di India, jumlah seluruh kapasitas terpasang sebesar 2l GW, dari jumlah tersebut 7 ,2 GW berasal dari tenaga air, produksi energi tahunan sebesar 71,15 TWh, yang berasal dari tenaga air sebesar 28,5 TWh (1975). Jika ditinjau pemanfaatan energi per kapita, maka pemanfaatan tertinggi adalah di Norwegia (dengan 9990 sumber energinya berasal dari tenaga air) yakni sebesar 156000 kWh per tahun. Angka itu berlipat gandajika dibandingkan dengan angka untuk India yang sebesar 100 kWh per tahun. Tabel 1.1 berikut ini menyajikan persentasi dari tenaga dibandingkan dengan seluruh pembangkitan pada beberapa negara. TABEL 1.1*
No.
Negara
Jumloh kapasitas lerpasong
air terposang (GW)
Tenaga
Tenoga air terpasang (Vo)
(GW)
l. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Amerika Serikal
Uni Soviet
340 166
61,3 37
,l
16,2 18,6
Jepang
'16,5 14,1
20,2 14,0
27,0
Norwegia Perancis
43,2
16,2
38,0
Kanada Cina India +
47,0 32,0
3l ,0
66,0 '
10,0
21,0
1a
31,0 14 1
9e,9
*Keadaan rahun 1973- I974.
+Keadaan tahun
1975.
Listrik Tenaga Air di India , Pembangkit Listrik Tenaga Air di India dimulai pada tahun 1897 berupa listrik mikro-hidro, yakni dengan cara rriemanfaatkan arus sungai secara langsung di dekat Darjeeling. Pengembangan listrik tenaga air secara besar-besaran yang pertama kali dilakukan adalah pada
Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA) Sivasamudram di Mysore yang diresmikan pada tahun 1902. Dengan kapasitas terpasang sebesar 4,5 MW. Menyusul proyek Khopoli di Maharashtra yang mulai berope-
l9l4 dengan kapasitas 50 MW. PLTA ini khusus mclayani kebutuhan tenaga kota Bombay. Meskipun demikian, sampai dengan tahun kemerdekaan 1947, pertumbuhan yang terjadi tidak terlalu pesat dan jumlah pembangkit tenaga air sampai mcnjelang tahun rasi pada tahun
\ Pembangkit Listrik Tenogo
Tenaga
Air
Persentase
Kapasitas terPasang,
Tahun
PLTA
dalam GW
Jimlah
,{
dari ----''' -.1 ,a,
Persentase tenaga air
1,92
34,0
l7
4,1
40,5
t4,13
2t,0
5,9 1))
1979
35,4
l3,6
3
Proyeksi sampai dengan 198 I
50.4
22,9,*
45,8
10,
terpasang
(nt 50
l 5000
24,5
3,4 5,65
dari jumlah kapasitas
20000
PLTA 0,56 0,94
Sebelum 1950 Sampai dengan 1956 Sampai dengan 1961 Sampai dengan 1966 Sampai dengan 1969 Sampai dengan 1975 Proyeksi sampai dengan
Persentase tenaga air
Kapasitas terpasang stasiun tenaga air
TABEL 1.2
l2000
21 ,5
I
4l,0
B
34,3
Air
kapasitasterpasang \--
9000
'
I
40 30
6000
2C
3000
MW terpasang
l0
8,0
1950
1960
1970
1980
1985
Gambar 1.2. PLTA di India.
*Statistik Rencana Sepuluh Tahunan'
pertumbuhannya dapat di1947 hampir mendekati 500 MW. Riwayat lihat pada Tabel 1.2. t.2 menyajikan secara grafis pola pertumbuhan
Gambar 1.1 dan
tersebut. 60
52
Jumlah
l.
z <28 F
1
i
n"\I
UaplPanas
)
t2
lltilayah
./-'.)'
Nuklir
t941
50
55
65
75
1980
Tahun
Gambar 1.1.
TABEL T.3
i
\
,/x,
20
Berdasarkan uraian di atas, jelas terlihat bahwa potensi tenaga air yang belum dikembangkan di negara itu masih sangat besar. Komisi Pusat yang menangani masalah Air dan Sumberdaya (India), berdasarkan hasil survei tahun 1958, menyatakan bahwa pemanfaatan potensi tenaga air secara ekonomis di India adalah sebesar 42 juta kW (42 GW), dengan faktor beban sebesar 6090 atau hampir setara dengan 221 TWh'l yang setara dengan 150 juta ton batu bara. Sebaran potensi tersebut menurut wilayah dapat dilihat pada Tabel 1.3. Jika ditinjau potensi dari setiap sungai, dari dua sistem sungai besar di India, yakni Brahmaputra dan Gangga saja potensi tenaga air yang belum termanfaatkan masing-masing sebesar 15000 MW dan 5000 MW. Sungai Godavari dan seluruh anak sungainya mempunyai po-
Pengembangan tenaga di Inriia'
Kapasitas andalan tenago air (GW)
Utara
10,73
Barat
7,t7
Energi (TWh)
56,4 37,7
Selatan
8,10
Timur Timur Laut
3,63
42,6 19,I
t2,46
65,5
Jumlah (Seluruh India)
42,09
22t,3
rAngka ini diperoleh dengan jalan berikut: (lz itoe x rosj 0,6=221i lot2 wtr = zzt x td xwh = zzt twh.
\ 6
Pembangkit Listrik T'enaga
Air
belum tensi tenaga sebesar 6000 MW dan hampir seluruhnya
dimanfaatkan. -i"p".ti dikemukakan di atas, kapasitas sekarang ini hanya sebesar air di ?,2 GW atau sekitar l89o dari jumlah seluruh potensi tenaga 190 dari kurang lndia. Laju pengembangan potensi tenaga air masih laju dengan Oan Uitum be"rarti apa-apajika dibandingkan p", i"t "" dunia' yakni sebesar 7slo per iang dicapai oleh negaru-n.guiu maj-u di untuk Reniurr""". Laju pengemb-angan ,"b..u, 40/o yangdiproyeksikan jika dibandingrendah cana pemtarrgurru., Liria tahun v masih lebih Soviet' Uni di atau kan dengan laju pengembangan di Amerika Serikat pada yang disajikan Satu hal yurg p"ri, dicatit, bahwa gambaran cutelah atau yang lalu' Tabel 1.3 merupakan data lima belas tahun pengemkonsep kup usang, sehingga perlu diremajakan' Berdasarkan terjunan renbangan ying baru, khususnya mengenai pemanfaatan energi sumber banvlk dah dan teknologi tiansmisi tegangan tinggi' kesegi dari ditinjau tayat< ditembangkan vurrg ,.-.,ru dinilai kurang dari contoh Suatu iuvir.u, ekonomi, menjaJi layak dikembangkan' kasusiniialahadanyakemungkinanuntukmemanfaatkantenagase-
besargGWdarin.gurutetanggaterdekatsepertiNepal'misalnya' faktor efiHal lain yang perli diketahuilalah mengenai perkiraan PLTA ini pengoperasian 60v/0. Konsep modern untuk
ar
siensi sebes (misalnya' seaiatatr justru pada tingkat efisiensi yang cukup rendah kitar309o).Sebagaicontoh,rata-ratatahunanfaktorefisiensipada pr-re Grand coulee hanya sebesar kurang lebih 309o ' Dengan cara kapengoperasian seperti ini' akan lebih mudah untuk melipatduakan pasitas terpasangnya. terlihat masih Terlepas Oari semua itu, laju pertumbuhan memang tenaga air karena penyebabnya t urang memadai. Mungkin silah satu memberikan yang tidak pemerintah -"rrp-ufu., suatu kegiaian sektor pepeluang peran serta bagi sektor swasta' Barangkali kebijaksanaan peninmemerlukan lndia ngembangan potensi ilnugu air di seluruh jauan kembali secara menYeluruh'
TENAGA AIR
,
I
lL
setelah tenaga uap/pa' Tenaga air merupakan sumberdaya terpenting (ebututran di dunia dipenuhi tenaga nas. Hampir 30Eo dari seluruh yang hampir selunegara oilt, puru,-pusat listrik tenaga air' Banyak
ruhproduksitenaganyabera-saldaritenagaair;sepertimisalnya'Norterpasang berasal wegia, dengan gg"/, ;;ijumlah selurulr-kapasitas dengan negara-negara au."i t.nugu air. Di samping itu masih banyak dimanfaatkan' belum masih ;;i;;tite"nasa ui, vu,gl'ai biasa tetapi adalah Uni Soviet dengan Dua contoh yung iur.r't dicatat barangkali
Tenaga
Ait
1
sungai besarnya yakni Siberia yang akhir-akhir ini baru mulai dipikirkan pemanfaatannya, demikian pula Nepal dengan potensinya yang hebat berasal dari sungai-sungai yang bermata air di pegunungan Hirnalaya, masih menunggu dimanfaatkan. Berdasarkan perkiraan kasar, jumlah seluruh potensi tenaga air di seluruh dunia jika dimanfaatkan sepenuhnya adalah sebesar 5000 GW. Lingkup dari tenaga air harus sepenuhnya dimengerti jika kita membandingkan dengan jumlah seluruh kapasitas terpasang yang hanya mendekati 200 GW. Bahkan di negara seperti Perancis, di mana pemanfaatan tenaga air secara konvensional sudah dikembangkan sepenuhnya, telah mulai merintis pengembangan suatu pusat listrik dengan sistem pembangkit kombinasi antara tampungan dan pompa Tenaga air mempunyai beberapa keuntungan yang tidak dapat dipisah-pisahkan yang membuatnya makin menarik, seperti berikut ini: (r). Bebg4.,b3.l_
\ 8
Pembangkit Listrik Tenogo
modal hentikan kembali, hampir pada setiap saat merupakan suatu akan PLTN dan pada PLTU sementara utama dalam pengoper;sian yang biasa' luar bakar bahan pimborosan mengakibatkan (iri) pI.fA, .,rtup sederhana untuk dimengerti dan cukup mudah ur,i i dioperasikar,. Keturgguhan sistemnya dapat lebih diandalkan' dibandingkan dengan sumber-sumberdaya lainnya' memiliki peluang tvl peiafatan pLtA yang niutakhir, umumnyadari 50 tahun. Hal lebih selama diopirasikan y"rrg u"ru'. untuk bisa dari PLTN efektif umur jika dengan dibandingkan ioi Jrn p bersaing tahun. yang - sekitar 30 (r) Mengingat kemudahannya untuk memikul beban ataupun mer.p"ri *"vike-mbali, pLTA juga bisa dimanfaatkan sebagai cadangan *" bisa diandalkan pada risi.- kelistrikan terpadu antara PLTU, dan PLTN. PLTA (vii) Dengan teknik perencanaan ya19 mutakhir' pembangkit lismestrik dapat minghasilkantenaga dengan efisiensi yang sangat tinggi besar' cukuP kipun fluktuasi beban pengembang(viir) Perkembangan mutakhir yang telah dicapai pada jenis turbin an turtin air, telah dimungkinkan untuk memanfaatkan yang sesuai dengan keadaan setempat' '---1-ii; e.ngemblngan pLTA dengan memanfaatkan arus sungai da. perpaimenimU]rrlkan juga manfaat lain seperti misalnya pari.wisata, keperikunu, dan lain-lain, sedangkan jika diperlukan waduk untuk dan luan tersebut dapat dimaniaatkan pula misalnya sebagai irigasi pengendali banjir. '-el"prn kelemahan PLTA di antaranya yang paling menonjol ialah: (r) S'ebagaimana telah disebutkan di atas, [rampi1qg4gge-Ll-"f{ 11e Seperti lavaknva pIovgI Pu.qI modal ryiut"" plovek padat 1o-!al' modalPloyek adalahlenetah' taju pingemb-alian iang lLl'A ' (;7)tain, memakan pada umumnya paoyek PLTA suatu p"tiiupl., rraasa samawal *"t iu yang cukup lama. Semenjak proyek berupa gagasan pai dengan saat pengoperasiannya, seringkali memakan-waktu seki-t i* *;"I"n ,urnpui aengan lima belas tahun' Untuk suatu PLTU' masa persiapan pada umumnya lebih singkat(iif) PLiA sangat tergantung pada aliran sungai secara alamiah' pada Sedangkan aliran ,.rrrgu] tersebut sangat bervariasi' sehingga kecil lebih umumnya tenaga andalan atau tenaga mantap akan sangat
jikadibandingkandengankapasitastotalnya.Haliniberartibahwa potensi yurg idu tidak akan termanfaatkan sepenuhnya' andaikata iirencanakan faktor kapasitas yang tinggi untuk suatu PLTA' SebaliknyajikaPLTAdirancangdenganfaktorkapasitasyangren-
I
I
Tenaga
Air
termandah, aian-mengakibatkan sebagian dari peralatan hanya akan mosehingga faatkan selama beberapa waktu saja dalam satu tahun,
Air
9
dal yang sangat berharga yang telah ditanam akan menjadi modal mati. Dengan mengembangkan suatu sistem jaringan kelistrikan secara terpadu yang pengendaliannya dilakukan dengan bantuan komputer, hal
tersebut bukan merupakan masalah lagi.
TEMPAT LISTRIK TENAGA AIR DALAM SISTEM TENAGA Suatu sistem jaringan kelistrikan terpadu harus mampu melayani lakebutuhan daya maksimum yang dikenal sebagai beban puncak. Kebutuhan beban puncak ini pada umumnya hanya untuk sebagian waktu saja. Sehingga umumnya kebutuhan beban dibagi dalam dua bagian, yakni, beban dasar yang harus dipenuhi hampir sepanjang tahun dan beban puncak. Beban puncak ini dapat dibedakan menjadi beban puncak bulanan ataupun beban puncak harian. Pada suatu sistem jaringan terpadu, umumnya perencanaan dilakukan sebagai berikut: beberapa pembangkit dioperasikan untuk melayani kebutuhan beban dasar, sedangkan yang lain dioperasikan untuk melayani beban puncak saja. Pada suatu sistem pembangkit tenaga gabungan antara PLTU, PLTA dan PLTN, misalnya, akan timbul dua pertanyaan. Pertama, bagaimanakah taktik perencanaan yang dipakai agar diperoleh suatu komposisi pembangkit gabungan yang memadai, katakan misalnya, berapa bobot/persentase dari masing-masing jenis pembangkit? Pertanyaan kedua, jika lengkung-beban diketahui, bagaimanakah mengoperasikan berbagai pembangkit tenaga tersebut agar kebutuhan beban bisa dipenuhi secara memuaskan? Pertanyaan pertama mengandung dua aspek. Pertama, jika potensi sumberdaya alam merupakan suatu kendala dalam menentukan pi
ju
lihan. Dalam hal ini, jika
tersedia pqtensi air yang berlimpah-limpah tetapi tidak tersedia potensi sumberdaya alam yang memadai untuk mengoperasikan 6 PLTU maupun PLTN; mad la ka sistem pembangkit gabungan yang dipilih adalah uaoungan Cabungan sistem dengan bobot/per--t> 'sentase yang sangat tinggi untuk PLTA-nya. Jika po- Gambar 1.3. Optimisasi pembangkit gabungan. tensi sumberdaya alam bukan merupakan suatu kendala, maka komposisi gabungan harus diatur sedemikian sehingga mempengaruhi nilai ekonominya secara
l0
Pembongkit Listrik Tenago Air
Tenoga
menyeluruh. Untuk mempelajari hal ini, suatu studi inalisis sistem harus dilakukan, dan juga mengenai
1
-.
a
lengkung-lengkung hu-
6
bungan antara biaYa dan E berbagai komPosisi dari pembangkit gabungan' Waktu (Bulan) '_; (Gambar 1.3) daPat disiaPGambar 1.4. Waktu Pengoperasian PLTA kan untuk membantu me(Tipikal bulan-bulan musim dingin atau nentukan suatu Pilihan musim panas). yang oPtimum. Di India pembangkit-gabungan tebobot/persentase dari PLTA dalam sistem tahun iJ-.rringkat dari2jgo pada tahun l95l menjadi 3890 pada ,o
1970.
jaringan pemPertanyaan kedua ialah, bagaimana mengoperasikan
tertenbangkit gabungan secara terpadu jika lengkung bebansudah Dayang hati-hati. sistem analisis juga suatu memerlukan tu. ftal ini
Air
I
I
TEGANGAN TRANSMISI DAN PLTA Satu faktor dinamika yang sangat penting pada pengembangan tenaga adalah peran tegangan transmisi. Tabel 1.4 menyajikan suatu stu-
di perbandingan pertumbuhan tegangan transmisi di India dan Amerika Serikat selama 70 tahun terakhir. TABEL
1.4 Teganggn dalam
kV
Amerika Serikot
l90l-10 l92l-30
66 66 66
r-40
t32
1941-50
r32
l95l-60 l96l-70
220
t9tt-20 193
t97 t-75
220 220 dalr
33 dan 66
r32 220 287 287
4N
345 dan 500 500 765
lamhalrnenyangkutPLTA,tigaprinsipdasarberikutiniperlu
*rBrffiff:l ,l*fU-iut
pLTA seyogianya maksimumpada saat alirDi India, selama bulan-bulan musim hujan, maksimum. beban pada
aliran pada umumnya sedang mencapai puncaknya dan kesempatan yang ini harus dimanfaatkan semaksimal mungkin. sebagai kesimpulan o"put ait*ik dari hal ini ialah, alokasi beban pada PLTA semestinya waduksefe.if mungkin pada musim kemarau dan persediaan air di vadegan sehubungan khususnya, India Di waduk sedang menyusut. pada bulanriasi curah tru3an ini, tampungan persediaan di waduk untuk iribulan kering pada r-u-ny" sibagian besar diprioritaskan perg"ri-o-ip"a-"'untuk pembangkit tistrit< (pada kasus di mana terjadi
"tsB:i"f lH;:tilhk
mengefekti fkan pengalokasian beban i ni,
paling sesuai ,"tY6 t uiur diperlratit
pomdengan sistem gabungan antara tampungan dan jampuncak p"\1/u1g digunakin untuk mimenuhi kebutuhan beban
,fif,
p.',.A
perhatian khusus. Diperkirakan laju jenis ini mancapai 1590 pada tahun 1980- Hasil ii.itu*U-rf,un iari pengalokasian ueuan tersebut dapat dilihat pada lengkung beban seperti disajikan pada Gambat 1.4memerlukan i"--y"ng tribut"r, pLTA
i
I
Dapat dilihat bahwa peningkatan tegangan transmisi telah terjadi berupa lompatan-lompatan di Amerika Serikat. Diharapkan dalam dasawarsa mendatang akan melewati ambang 1000 kV. Di pihak lain, lompatan besar dalam hal tegangan transmisi di India.terjadi baru pada akhir-akhir ini saja. Jaringan utama yang telah dipasang untuk 400 kV adalah antara Dehar-Panipat Ganjang 200 km), Kishtwar-Jullundur (250 km), Jambur-Satpura (550 km), Obra-Lucknow (400 km) dan Koradi-Kalwa (700 km). Hampir semuanya baru beroperasi pada tahun 1980. Dirasakan masih terlalu awal untuk membicarakan tentang tegangan-tegangan tinggi seperti misalnya 500 kV atau 750 kV untuk keadaan India sekarang ini. Walau bagaimanapun, jelas bahwa untuk beberapa tahun mendatang ini akan terus berkembang sistem transmisi tegangan-tegangan tinggi baik AC atau DC, masing-masing disebut sebagai EHV dan HVDC. Apakah dampak dari perkembangan tersebut pada PLTA? Jelaslah bahwa kehilangan-kehilangan yang terjadi pada sistem transmisi akan semakin berkurang jika digunakan tegangan transmisi yang semakin tinggi. Sehingga dimungkinkan untuk dibuat jaringan transmisi yang semakin panjang. Misalnya, untuk jaringan 400 kV, jaringan transmisi sepanjang 700 sampai 800 km masih cukup ekonomis. Sebagai hasilnya, lokasilokasi yang semula dianggap terlalu jauh dari pusat-pusat beban sekarang menjadi cukup ekonomis untuk dikembangkan. Wilayah Timur Laut India mempunyai potensi sekitar 150fi)
---\ '12
Pembangkit Listrik Tenago
Air
Tenago
MW dengan pusat beban kurang lebih pada jarak 1000 km. sama halnya dengan negara-negara di wilayah pegunungan Himalaya seperti I.Lpd dan Sikkim mempunyai potensi sebesar 9000 Mw dan dengan jaringan transmisi sepanjang 1000 - 1200 km, sumber energi yang cuiup b"r"r itu kini dapat dipertimbangkan untuk dikembangkan lebih tanjut. Jelaslah bahwa dengan kemungkinan tegangan transmisi yang lebih tinggi perlu dilakukaripeninjauan kembali taksirair potensi sumberdaya air di seluruh wilayah negeri.
:,..
pat dinyatakan sebagai
. . .(l.l) w QH (m kgldetik) di mana w, adalah berat jenis air sebesar : 1000 kg/m3 ' Rumus tersebut dapat dituliskan dalam satuan 'daya kuda' dan kW mefijadi: Pp
:
ro
: ff:
atau
Pp:0,736
13,33 QH $tP) (13,33)
QH:9'8
OH(kW)
. (1.e) . (1.3)
Penggunaan rumus 1.3 untuk menaksir besarnya P, umumnya menimbulkan kesulitan mengingat debit suatu sungai selalu bervariajangka si cukup besar. Debit-debit besar umumnya hanya terjadi untuk yang dihasilkan waktu yang singkat setiap tahunnya. Sehingga tenaga juga hanya akan tersedia dalam jangka waktu yang singkat' Jika bei*Vu aiUit aan persentase jujuh waktu ketersediaannya difambarkan, hasilnya akan mdrupakan suatu lengkung seperti terlihat pada Gambar 1.5. Lengkung ini menggambarkan debit atau tenaga (mengingat tenaga tergantung pada debit) yang tersedia di sungai untuk persentase waktu tertentu. Dapat dicatat bahwa: (r) Tenaga potensial minimum dihitung dari aliran minimum yang
t.riiaiu ,ntul l009o waktu sebagai Prroo.
(365 hari atau 8760
za I.
oto
95 10090 PERSENTASE WAKTU .+
sebelum suatu PLTA dipertimbangkan, sangat penting untuk menaksir ketersediaan tenaga dari debit sungainya dan tinggi energi yang tersedia di lokasi. Jika Pom kgldetik merupakan tenaga potensial suatu aliran yang mempunyai tinggi energi sebesar H^ dan kapasitas melakukan debit sebesar Q m3/detik. Maka tenaga potensial teoretis da-
jam). Ini disajikan
6Dfen|iapotensial kecil dihitung dari aliran yang tersedia untuk 959o waktu lAtiran tersedia selama 8322 jam).Ini disajikan sebagai Pot. -(iir) frnaga potcnsial rata-rata (sverage) dihitung dari aliran yang tersedia untuk 50qo waktu (Aliran tersedia selama 6 bulan atau 4380
l3
i
(4390 Jam)
TAKSIRh.N POTENSI TENAGA AIR
.1"
Air
(876O Jam)
Gambar 1.5. Lengkung jujuh aliran.
jqlQ, Iqi. disajikan sebagai
P,5s.
(iy) tgla_qa potensial rala:rata (mean) dihitung dari rata-rata aliran talliinan, rata-rata selama masa pengamatan l0 sampai 3C tahun,, yang setara dengan luas bidang yung aiUutusi oleh lengkung juluh aliran dengan besaran tahun rata-ratanya. Ini diketahui sebagai "Tenaga sungai potensial kotor" dan disajikan sebagai Pr.. Dapat dimengerti bahwa untuk mengevaluasi alirarr rata-rata merupakan permasalahan yang cukup rumit, dan besaran ini akan mendekati besaran yang sebenarnya hanya jika diperole[ dari lengkung jujuh aliran rata-rata yang didasarkan pada data aliran hasil pengamatan'yang cukup panjang. Walau bagaimanapun, mengingat felangkaan data, perkiraan awal tenaga potensial seringkali dilakukan dengan berdasarkan penyederhanaan asumsi-asumsi. f Menurut Mosonyi, arti ekonomi dari suatu sumberdaya potensial, srYatu lokasi adalah fungsi dari bermacam-macam faktor seperti keadaan geografi, geologi, topografi dan lain-lain. Sedangkan tinjauan terhadap keadaan hidrologi, ragam tahunan nisbi tenaga potensial tersedia, merupakan aspek yang penting dalam lingkup bahasan ini. Harga perbandingan antara Po5s/Pps menunjukkan besarnya ragam yang ada, makin kecil harga perbandingan ini makin menunjukkan keadaan hidrologi yang lebih dikehendaki. Tetapi jelas bahwa yang lebih berarti adalah menentukan tenaga tersedia secara teknis dari tenaga potensialnya. Mosonyi menyatakan bahwa kehilangan terhadap besarnya P, menunjukkan batas atas dari pemanfaatan yang dilakukan. Kehilangan-kehilangan tersebut mencakup kehilangan pada sistem pembawa dan kehilangan pada sistem pembangkit, seperti kehilangan pada masukan, kisi-kisi, pembangkit energi dan kehilangan pada turbin dan lain-lain. Menurut F.I. Nesteruk, jika efisiensi pada sistem pembawa diperhitungkan sebesar 700/0, dan
14
Pembangkit Listrik Tenago
Air
Tenoga
efisiensi keseluruhan sistem pembangkit adalah sebesar 8090, maka gaoungan faktor perkaliannya sebesar 0,56 harus dipakai untuk memperhitungkan tenaga potensial rata-rata Prr6. Hal ini akan menghasilkan tenaga tersedia secara teknis, misalnya: .(1.4) Po : 0,56 Ppso Faktor perkalian tersebut akan tergantung pada jenis pengembangannya, apakah merupakan sistem pembangkit yang memanfaatkan arus sungai atau merupakan sistem pembangkit yang memanfaatkan tinggi terjunan yang besar dan lain sebagainya. Nesteruk menyarankan, koefisien sebesar 2,5 bisa digunakan untuk memperkirakan besarnya tenaga air potensial rata-rata dari tenaga potensial 9590, misalnya: Poso
:
2,5
Ppss
sebagainya.
dituliskan sebagai berikut:
P- x8760 kWh
.(1.6)
Tenaga air bersih yang bisa dikembangkan secara teknis dihitung dari tenaga air potensial dikurangi dengan'kehilangan tinggi energi pada sistem pembawa dan kehilangan sehubungan dengan alih bentuk energi. Komisi ekonomi untuk Eropa/menyarankan besarnya koefisien ini berkisar antara 0,75 atau 0,80. Memasukkan bilangan ini ke dalam Persamaan 1.3, diperoleh:
:
(1.7) ,4 sampai 8,0) Q^ I1 kW di mana Q^ : debit rata-rata aritmatik. Energi potensial sungai maksimum adalah sebesar: Pm nero
(7
Emoks (nero)
:
8760 P^
,"b kWh
(1.8)
Berdasarkan keseluruhan uraian tersebut, dapat dilQtakan bahwa pemanfaatan tcnaga air merupakan masalah penafsiran[ Sebagai contoh, besararr l'2rr, pada keadaan tertentu, mungkin saja akan memberikan biaya produksi energi terendah. Meskipun demikian, kecenderungan yang ada akhir-akhir ini telah mengarah kepada peningkatan tingkat pemanl'aalan dcngan cara meningkatkan kapasitas terpasang berdasarkan pada dcbit yang tersedia hanya 35 sampai 4090 waktu. Hal ini disebabkarr lclalr lcrsedianya metodologi maju dari sistem ja-
h.
ringan interkoneksi dan efektivitas jaringan transmisi tenaga jarak jauh. Akan tetapi, pertanyaan yang masih belum terjawab i"fu,f, I ep" dapat dipakai sebagai dasar perhitungan u*ir b"s*nya tenafa vu"g maksimum secara teori? Apakah aliran rita-ratadikarikan a".r!in ,atarata tinggi energi kotor, atau hanya tenaga potensial dari lok-asi tersebut ditinjau dari segi kelayakan pengembangan secara teknis, atau potensi lokasi yang bisa dikembangkan secara ekonomis? epalatr aran diasumsikan efisiensi sebesar 10090 atau ueuerapi ti*ri"Etiril" r"r,tor efisiensi akan diajukan? Apakah dampak dari faktor 6eua" paaa kapasitas terpasang telah dipertimbangkan? Dan yang terat
PERTANYAAN
l.
Uraikan keuntungan dan kerugian pLTA dibandingkan dengan sumberdaya
lainnya? 2.
Energi potensial maksimum suatu sungai, dengan demikian dapat
:
15
(1.5)
Sumberdaya juga bisa digambarkan melalui besaran tahunan energi potensial di sungai, misalnya dengan besaran kerja yang dinyatakan dalam kilowatt-jam dan disebut sebagai Ess, Eso, E^ dan
Emok,
Air
3..
"Perkiraan potensi air di India perlu diperhitungkan kembali',. Apa sebabnya? Debit andalan 9590 waktu dari suatu sungai (debit yang tersedia mendekati 9590 waktu, misalnya, eg) adalah 20 m3ldetik. Jika tinggi energi yang bisa diman_ faatkan sebesar 25 m, hitunglah: 0) hp teoretis dan kW tenaga aliran 95go waktu (pr95). Besarnya tenaga yang mendekati aktual yang iifi'iiifuri. ti| Total (iir) energi tahunan yang bisa dikembangkan. (iv) Kapasitas aktual yang mungkin dipasang untuk memanfaatkan seluruh alir_ an rata-rata dan energi yang bersangkutan. (Gunakan persamaan-persamaan 1.2, 1.3, 1.4, 1.7 dan 1.8).
Jawab
: 0) (i,
(iii)
(,v)
4900 kW
37@ sampai 4000 kW
43
x ldkwh
6860 kW.
-\ Hidrologi Umum l7
lakukan pada dua cabang hidrologi: (r) Hidrologi air permukaan. (ii) Hidrologi air bawah permukaan atau air tanah. Mengingat bahwa untuk proyek-proyek PLTA, hanya mengenai air yang mengalir langsung di lokasi proyek melalui permukaan, maka yang sesuai untuk dibahas.oleh para ahli hidrolistrik adalah hidrologi air permukaan. Hidrologi air tanah tidak mendukung secara langsung pada pengembangan sumberdaya, sehingga tidak akan dibahas dalam buku ini.
BAB 2
HIDROLOGI UMUM
DAUR HIDROLOGI SEBAGAI SUATU SISTEM
UMUM Pengembangan tenaga air yang mengalir tergantung, pertama-tama, padi volume aliran, dan kedua, pada beda ketinggian yang mungkin iersedia. Tenaga potensial berbanding langsung dengan kedua peubah tersebut. Pada bab ini kami menyarankan untuk membahas hal terpenting dari kedua aspek tersebut, yakni, penentuan jumlah aliran teriedia dan variasinya menurut waktu. Ilmu yang membahas aspek-aspek tersebut adalah hidrologi, dan hidrometeorologi; uraian secara sing-
kat disajikan pada paragraf-paragraf
berikut.
Peredaran air dalam berbagai bentuk ke dan dari bumi dapat disajikan sebagai suatu sistem. Akan lebih berharga bagi kita untuk mengetahui dua macam proses, yaitu sistem fisik yang dilalui oleh air, dan proses dinamis di mana pergerakan tersebut terjadi. Penyajian secara skema dari komponen sistem tersebut adalah seperti terlihat pada
Gambar 2.1.
s
HIDROLOGI DAN HIDROMETEOROLOGI Hidrologi dapat didefinisikan sebagai ilmu yang berlc.aitan dengan proses yangmenyangkut masalah penyusutan dan penambahan sumbertenaga air di dan pada permukaan bumi untuk setiap tahapan keberatlaa-nnya. Merupakan suatu kebetulan bahwa dengan menggunakan pengetahuan ini, kita dimungkinkan untuk merancang dengan tinglat kepercayaan yang lebih tinggi akan pekerjaan irigasi dan pengendaliarrbanjir, PLTA, sistem pembekalan air domestik dan industri, saluran-saluran pelayaran dan lain sebagainya. Semua proyek ini memerlukan kepastian penaksiran aliran sungai yang dapat diselesaikan dengan bantuan ilmu hidrologi dan hidrometeorologi. Hidrometeorotogi adalah ilmu yang membahas pergerakan air dan uap air di dalam atmosfer. Batas antara hidrologi dan hidrometeorologi adalah bukan merupakan suatu garis potongyangjelas, sehingga tidak bisa dihindari adanya beberapa ketumpangtindihan.
CABANG-CABANG HIDROLOGI Pembahasan yang menyangkut peredaran air dari dan ke bumi di-
Gambar 2,1. Peredaran air sebagai suatu sistem. Proses tersebut dapat juga dituliskan dalam bentuk persamaan seba-
gai berikut:
Keluaran = S (Masukan) di mana d adalah fungsi tanggapan dari daerah aliran sebagai suatu sistem. Masukan pada persamaan tersebut adalah curah hujan, dan keluarannya adalah aliran permukaan langsung. Operator @, mengubah fungsi masukan menjadi fungsi keluaran. DAUR HIDROLOGI Daur air dari laut ke atmosfer melalui penguapan, kemudian'dari sana terjadilah hujan yang jatuh ke bumi dan akhirnya mengalir melalui alur-alur, sungai-sungai dan sebagainya kembali ke laut, disebut sebagai daur hidrologi, yang disajikan secara skema pada Gambar 2.2. Hubungan antarelemen aliran masuk dan aliran keluar diwakili oleh pemecahan persamaan-persamaan masa, energi, momentum dan sta-
l8
Hidrologi
Pembangkit Listrik Tenaga Air
l/mum l9
na sumber-sumber aliran keluar adalah aliran permukaan, penguapan, pemeluhan, pencegatan dan sebagainya. Perubahan simpanan adalah pengaruh dari perubahan kadar lengas, simpanan cekungan dan simpanan sementara. Hubungan antara curah hujan dan aliran sangat rumit. Parameter yang terkait di dalam hubungan tersebut tidak dapat dinyatalqan secara teliti. Sebagian dari presipitasi telah hilang karena peresapan dan penguap-peluhan, sebagian akan tersimpan sementara untuk selanjut-
ATMOSFER
nya diuapkan dan sebagainya. Mempertimbangkan hanya atas kehilangan-kehilangan yang berarti, persamaan hidrologis secara umum untuk suatu periode waktu tertentu dapat dinyatakan sebagai berikut:
P^:Q^+Im+Em+1r+Dr+Sd ...(2.1) E P I x
= Penguapan CR = Kenaikan kapiler SM = = Pengendapan SR = Aliran permukaan ET = =Perembesan S =Tumpahan = Pengeluaran GF = Aliran air tanah
Cairan salju Transpirasi uap
Gambar 2.2. Dalr Hidrologi' sebenarnya tus. Akan tetapi, pemecahan persamaan-persamaan tersebut mewakili tersebut daur ,""g", muskii mengingat tirrwa keseluruhan subbanyak dari yang terdiri ,utui ,u,u sistem paiin; rumit dari alam
yang ti-
sistem di mana umum;ya mengandung informasi-informasi dak lengkap. Prosesnya adalah heterogen, nonlinear dan bervariasi menurut waktu. Berdasarkan alasan tersebut ma\a, umumnya.selalu perl"iauput perbedaan antara perilaku hasil pengamatan dan hasil Mayang sama' masukan terhadap trltunLan aari masukan.hidrtlogis dari tanggapan salah-utama hidrologi ialah menawarkan cara perkiraan Dengan hujan' curah yang berupa hidrologi terhadap masukan sistem
p.itutu"r lainlpa[ng tidak untuk hidrologi air permukaan' hubungan pembahasan' antara curah h;jan dan aliran merupakan titik pusat PERSAMAAN HIDROLOGIS Persamaan hidrologis adalah pernyataan secara sederhana dari hukum kekekalan masa. Dapat dinyatakan sebagai berikut:
Aliran masuk
:
Aliran keluar
+ A Simpanan
Persamaan tersebut memperlihatkan bahwa selama periode yang ditinjau, aliran nrasuk total pada suatu luasan harus sama dengan aliran keluar totalditarnbah dengan perubahan terhadap simpanan (A sim-
t
panan). Sumber utarlra dari aliran masuk adalah curah hujan, di ma-
di mana
P. Q^ I, E^ I, D, Sd
: : : : : : :
Presipitasi
Aliran Permukaan Peresapan total Penguapan dan pemeluhan
Pencegatan total Simpanan sementara Simpanan cekungan Pengertian istilah-istilah tersebut dapat diuraikan seperti di bawah ini:
Presipitasi Presipitasi adalah sumber utama dari aliran masuk dan termasuk
di dalamnya curah hujan, hujan salju, kabut, embun, hujan es,
dan sebagainya. Yang memberikan sumbangan paling berarti terhadap aliran masuk, bagaimanapun juga, adalah curah hujan, dan oleh sebab itu, secara awam seringkali curah hujanlah yang dianggap sebagai presipitasi. Hal ini benar, khususnya untuk keadaan India (kecuali untuk wilayah Himalaya di mana hujan salju memberikan sumbangan juga).
Aliran Permukaan Aliran permukaan adalah bagian dari presipitasi yang muncul
se-
bagai aliran permukaan pada lokasi pengukuran, seterah semua kehilangan seperti cegatan, penguapan dan pemeluhan, peresapan dan kebutuhan kadar lengas tanah dipenuhi. Dari persamaan tersebut juga akan terbukti bahwa jika terhadap sejumlah presipitasi, dikurangi kehilangan-kehilangan, maka akan diperoleh aliran permukaan. Dengan perkataan lain:
Q,
: P^-
kehilangan-kehilangan
(2.2)
20
Pembongkit Listrik Tenaga
Peresapan peresapan adalah proses di mana air memasuki lapisan permukaan tanah dan membuat jalan ke bawah menuju permukaan air tanah. Air yang meresap pertama kali akan mengganti penurunan kadar lengas iurrih, dan sisa air akan bergerak turun ke bawah menjadi bagian dari
air tanah. Peresapan akan dibahas secara terinci pada bagian berikutnya.
Penguapan dan Pemeluhan Penguapan adalah proses di mana air dari keadaan cair atau padat, diubah menjadi uap. Ini merupakan kehilangan yang tinggi dan cukup berarti dalam persamaan hidrologis. Hal ini akan dibahas Iebih lanjut di bawah judul 'Penguapan' pada halaman24. Pemeluhan adalah proses di mana kadar lengas yang telah diserap oleh perakaran pepohonan dan diedarkan ke seluruh tubuh tanaman, kembali ke atmosfer sebagai uap air yang dihembuskan melalui stomata pada dedaunan. Banyaknya sinar matahari, kadar lengas yang tersedia, kelebatan tanaman dan semua faktor yang mempengaruhi penguapan akan berpengaruh pada laju pemeluhan. Di daratan di mana sebagian tertutup oleh vegetasi, kehilangan kadar lengas tanah terjadi terus-menerus melalui proses penguapan dari permukaan tanah dan pemeluhan melalui vegetasi. Seringkali lebih menyenangkan dan praktis untuk memperkirakan kehilangan kadar {pngas tanah ini secara sekaligus. Kehilangan ini diketahui sebagai penguap-peluhan. Penguap-peluhan aktual dibedakan dari laju penguap-peluhan potensial yang -e.rpakan laju yang bisa dicapai jika keadaan kadar leyang tersedia tidak terbatas. ngas -Pada
lahan pertanian, kehilangan kadar lengas total dari lahan disebut sebagai penggunaan konsumtif tanaman, dan untuk tujuan praktis dianggap sama dengan laju penguap-peluhan potensial dari lahan. Cegatan
-egatan adaiah banyaknya air yang tercegat oleh vegetasi, bangunanbangunan dan benda-benda lainnya yang selanjutnya diuapkan tanpa memberikan sumbangan pada aliran. Simpanan Sementara Pada saat mulai terjadi hujan, air akan mulai terkumpul di atas permukaan lahan. Aliran permukaan hanya akan terjadi jika terdapat suatu ketebalan lapisan pengaliran tertentu di permukaan. Volume air yang membentuk ketebalan lapisan ini disebut sebagai simpanan sementara. Selanjutnya sebagian dari simpanan sementara ini akan hi-
L
Hidrologi Umum 2l
Air
lang karena penguapan dan peresapan, sedangkan sisanya
ngalir berupa aliran yang tertunda.
akan
me-
Simpanan Cekungan
Simpanan cekungan adalah sejumlah air yang tersimpan pada cekungan-cekungan kecil dan besar, yang mengisi cekungan-cekungan tersebut sampai sebatas ketinggian limpasannya. Air tersebut sedikit demi sedikit akan hilang karena penguapan atau meresap ke dalam tanah tanpa memberikan sumbangan pada aliran permukaan. Dari batasan tersebut akan terlihat bahwa cegatan dan simpanan cekungan akan berkurang menjadi nol selama perlambatan waktu tertentu, apakah itu disebabkan oleh kehilangan karena penguapan atau karena peresapan atau oleh keduanya. Oleh sebab itu, kedua faktor tersebut tidak mempunyai sumbangan samasekali terhadap terjadinya aliran. Dengan demikian tidak akan didiskusikan. Parameter yang paIing berarti dalam persamaan hidrologi dengan demikian adalah presipitasi, aliran, penguapan dan peresapan akan didiskusikan lebih lanjut. Dua parameter yang pertama yakni presipitasi dan aliran masingmasing akan dibahas pada Bab 3 dan 4. PERESAPAN Sebagaimana sudah diuraikan di muka, peresapan adalah peristiwa mengalirnya air ke bawah masuk ke dalam tanah. Jika pada awal terjadinya hujan, tanah dalam l. keadaan kering, sejumlah l air hujan akan diserap un-
tuk
membasahi butiranbutiran tanah, dan laju peresapan tinggi. Jika hujan 6 6 mdsih berkelanjutan, kapa6 6 sitas tanah untuk menyerap 6 air semakin menurun. Deo c, ngan demikian, jika lengo o kung hubungan antara laA ju peresapan dan waktu digambar, akan didapat suaWaktu 0am) tu lengkung menurun seGambar 2.3. Lengkung kapasitas peresapan. perti terlihat pada Gam-> bar 2.3. Laju penyerapan ini akan berbeda untuk setiap jenis tanah yang berlainan. Kapasitas peresapan tanah adalah laju maksimum potensial di mana air akan memasuki tanah dengan keadaan tertentu dan dengan kadar lengas (!
r22 Pembangkit Listrik Tenoga Air
Hidrologi
di mana tersedia yang tidak terbatas. laju peresapan adalah laju aktual deini sama Laju hujan. air akanmernasuki tanah selama terjadinya
cungan kapasitas peresapan tanah atau laju curah hujan sepanjang
rah hujan yang terjadi lebih kecil. Kapisitas peresapan tanah dapat diketahui dari hasil percobaan di laju atas suatu luasan kicil atau luasan percontohan dengan berbagai peraliran besarnya curah hujan tiruan yarlg terkendali dan mengukur Ini peresapannya' laju merupakan -"f."un yang terjadi. Selisihnya yang digunakan jenis hujan peniru curah adalah piirrtip iniiltrometer untuk menentukan besarnya kapasitas peresapan tanah. Jenis-jenis lain juga digunakan. infiltrometer -iepe.ti tetui, d'iurait an terdahulu, dari keseluruhan kehilangan, kehilangan karena peresapan dan penguapan adalah yang terpenting. Unyang tuk kilebatan curah hujan yang lebih besar dalam rentang waktu penentuan kekecil, lebih singkat, kehilangan kaienapenguapan akan alirperkiraan besarnya hilangan karena peresapan akan membantu an da-ri curah hujan, seperti yang terlihat pada Gambar 2.4, di mana cubagia., yang diaisir memperlihatkan aliran yang dihasilkan dari peresapan kapasitas lengkung .ui'tr.rjun total. Suatu persamaan untuk menurut Horton adalah dalam bentuk:
Jo di mana
: (fo-f) e-kt*f"
= kapasitas peresapan (cm/jam) pada setiap wakttf t. kapasitas peresapan awal (cmljam). Jo c_ kapasitas peresapan akhir (mendekati konstan, Jc cmljam). 1_ waktu terhitung sejak permulaan hujan (iam).
k:
harga konstan emPiris. Peresapan dapat diperkirakan berdasarkan salah satu dari cara-cara
berikut ini:
(l)
Indeks peresapan.
(2) Lengkung kapasitas peresapan. (3) Persamaan-Persamaan peresapan. Pembahasan saat ini ber-
kenaan dengan cara Yang pertama, yakni hanYa menyangkut indeks peresapan, yang merupakan ca-
ra yang paling umum digu-
nakan.
t
t E
6,
I ql
o 6
Kurva kapasitas
o
r
o
Waktu
(jam)+
Gambar 2.4. Lengkung kapasitas peresapan
23
Indeks Peresapan Indeks peresapan adalah laju rata-rata kehilangan karena peresapan, sedemikian sehingga volume curah hujan tebih dari laju tersebut akan sama dengan limpasan langsung. Ada tiga macam indeks peresapan:
(r) Indeks-{. (ii) lndeks rata-rota (atau Indeks-ft,). (ir) Indeks-
IZ. Ketiga macam indeks peresapan tersebut menganggap laju peresapan rata-rata yang konstan (laju imbuhan terhadap daerah aliran sungai yang konstan) selama terjadinya hrrjan, meskipun pa-
t
da kenyataan praktis, taju
d
peresapan bervariasi menu-
A
rut waktu seperti terlihat pada Gambar 2.3. Hal ini juga disebabkan oleh perbedaan tingkat kebasahan
d
d
a 6 o
(2.3\
fp t_
Umum
Waktu (ja6;
*
Gambar 2.5. Metode indeks-Q.
tanah setelah terjadinya hujan. Ketiga indeks tersebut dapat dikatakan hanya mempunyai sedikit perbedaan. Indeks-{, yang umum dipakai, dibahas di bawah ini.
Indeks-S Indeks-@ dapat didefinisikin sebagai laju curah hujan, di mana di atas laju tersebut volume curah hujan akan sama dengan volume lim-
pasan. Sehingga, indeks-S adalah laju peresapan rata-rata yang diperoleh dari grafik intensitas curah hujan terhadap waktu, sedemikian rupa sehingga volume curah hujan lebih dari laju tersebut, akan sama dengan volume limpasan akibat curah hujan. Hal tersebut digam-
barkan pada Gambar 2.5. Perlu dicatat bahwa jika untuk volume curah hujan yang sama, digambar bentuk grafik sebaran yang berbeda, maka garis indeks-6-nya juga akan bergeser (dari y ke y') meskipun limpasan yang diperoleh mungkin akan sama. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.6(a) dan (b). Dari gambar tersebut, dapat dilihat, bahwa dari satu kali penentuan indeks-S tidak akan memberikan harga yang benar. Beberapa kali penentuan harga dilakukan dan dirata-ratakan, sebelum indeks tersebut dapat dipakai. Penentuan indeks-d untuk suatu daerah aliran sungai merupakan suatu prosedur coba-coba.
24
Pembangkit Listrik Tenaga
Hidrologi Umum 25
Air
yang tidak disimpan atau keluar dari masa air, sebab lain terhadap panas laten dari penguapan, menghasilkan volume penguapan. Terdapat juga rumus empiris yang telah diturunkan berdasarkan pertimbangan terhadap elemen-elemen atmosfer. Salah satu rumus yang sangat populer, sebagai contoh, adalah rumus Lake Hefner, sebagai
berikut: Gambar 2.6' Pergeseran garis indeks-{'
PENGUAPAN Seperti didefinisikan sebelumnya, penguapan adalah suatu proses per' ubahan dari air dalam keadaan cair atau padat menjadi gas (bentuk uap) dan membaur ke dalam atmosfer. Penguapan merupakan fungsi dari suhu, kelembapan nisbi, kecepatan angin, salinitas air dan luas permukaan. Suhu dan kecepatan angin yang lebih tinggi cenderung meningkatkan laju penguapan, sedangkan kelembapan dan kadar garam terlarut yang lebih besar cenderung menurunkannya. Demikian pula luas permukaan terbuka lebih besar, penguapan juga akan lebih besar. Penguapan dapat terjadi dari badan-badan air maupun dari tanah. Tenaga matahari adalah sumber utama untuk mengawali serta meme-' lihara kelangsungan proses ini. Jika air diuapkan dari permukaan danau atau laut, uap yang ditimbulkan akan naik di atas permukaannya. Tekanan uap pada lapisan udara tepat di atas permukaan air yang lebih rendah dibandingkan dengan tekanan pada permukaan air itu sendiri, menimbulkan perbedaan tekanan uap. Demikianlah, mekanisme penguapan mulai terjadi disebabkan oleh
terbentuknya perbedaan tekanan uap antara permukaan air dan atmosfer (lapisan udara yang mengandung uap air). Hembusan angin atau arus udara panas akan menyapu uap air yang terbentuk, sehingga memungkinkan terjadinya penguapan lebih lanjut dan berkesinambungannya peristiwa ini. Pada saat tidak ada angin, karena adanya efek-selimut dari udara yang jenuh, perbedaan tekanan uap menjadi sangat kecil, sehingga laju penguapan terbatas. Pengukuran Penguapan Secara analitis, dimungkinkan untuk memperkirakan penguapan dengan cara membuat neraca antara fluks energi total yang masuk dari atmosfer dengan yang diterima oleh masa air. Dengan memperhitungkan fluks panas yang dipantulkan dan oleh pantulan radiasi. Pendekatan ini diwujudkan dalam bentuk sebuah persamaan yang menunjukkan, bahwa perbandingan sebagian dari panas total yang tersedia
f
Efi, di mana E e= v-* dan
0,000068 (e, 0,000054 (e,
- e2)Va - es) Vs
...(2.4)
penguapan danau dalam cmlhari. tekanan uap dalam gm/cmz. kecepatan angin dalam km/jam.
Indeks angka menunjukkan ketinggian di atas permukaan dalam m di mana'e' diukur dan indeks huruf s menunjukkan harga 'e' pada permukaan air. Laju penguapan akan berbanding langsung secara proporsional terhadap perbedaan tekanan uap.
Metode langsung untuk mengukur banyaknya atau volume penguapan apa pun juga, terdiri dari pengamatan terhadap kehilangan air melalui proses penguapan dari suatu wadah baku yang dikenal seba-
gai panci penguapan. Walau bagaimanapun, terdapat variasi rancangan panci penguapan, dan beberapa di antaranya pancipanci yang paling umum digunakan adalah sebagai berikut: (l) Panci Lahan Kelas A USWB (USWB Class A Land Pans). (2) Panci Tertanam Colorado (Colorado Sunken Pans).(3) Panci Terapung (Floating Pons). Panci-panci penguapan umumnya terbuat dari besi sepuhan (dicat atau tanpa dicat) dengan rancangan, ukuran dan cara pemasangan khusus.
Panci Lahan Kelas A USWB adalah panci besi sepuhan berbentuk lingkaran dengan ukuran garis tengah 1,2m, tinggi 25,0 cm dan dipasang setinggi 15,0 cm di atas penopang (grillage) kayu. Terisi air sampai dengan 2,5 cm di bawah tepi atasnya (rim). Kehilangan air karena penguapan (sebagai contoh turunnya paras air) diukur dengan bantuan alat ukur pojok (hook gauge). Gambar 2.7 memperlihatkan panci lahan yang terlindung oleh anyaman kawat. Panci Tertanom Colorodo adalah suatu panci bujur sangkar dengan sisi 92 cm, tinggi 46 sampai dengan 92 cm dan dipasang di atas tanah sedemikian rupa sehingga hanya 5 sampai dengan 15 cm ketinggian panci yang terlihat di atas permukaan tanah, dan dengan demikian, elevasi permukaan air lebih kurang sama dengan tanah. Penguapan diukur dengan alat ukur titik (point gauge). Gambar 2.8 memperlihatkan panci tertanam tersebut, keduanya terbuka dan terlindung.
F
roYek
"-,lll'-^i, ,:,: ""'*"*""o li
26
Pembangkit Listrik Tenago
Air
Gembrr 2.7. Panci lahan.
Grmber 2.t. Panci tertanam.
Panci Terapung adalah suatu panci bujur sangkar dengan sisi tl,5 cm dan tinggi 45 cm dipasang di atas satu rakit yang mengapung dalam air. Penguapan dihitung berdasarkan pengisian kembali volume air yang hilang karena penguapan, sehingga paras muka air kembali pada ketinggian semula. Volume pengisian tersebut kembali diukur dengan cangkir khusus yang mempunyai volume sama dengan kolom air setinggi 0,25 mm meliputi seluruh luas panci (sebagai contoh luas panci dikalikan dengan 0,25 mm). Gambar 2.9 menggambarkan suatu panci terapung, mengapung di atas suatu volume air yang berbanding lebih besar.
Hidrologi (Jmum 27
Gember 2.9. Panci terapung.
Koefisien Panci Panci penguapan dipasang di dekat suatu badan air yang besar, seperti misalnya danau-danau dan lain-lain, dalam rangka upaya untuk mengetahui banyaknya air yang diuapkan darinya. Walaupun persyaratan pemursangan diusahakan supaya lebih kurang menyerupai keadaan danau-danau itu, peristiwa tersebut tidak sepenuhnya tersimulasi. Sebagai contoh, suatu masa air yang kecil di dalam suatu panci Iogam yang terbatas (conftned), sangat dipengaruhi oleh fluktuasi suhu udara atau oleh radiasi sinar matahari, berlawanan dengan suatu badan air yang besar", fluktursi suhu yang dialaminya dapat dikatakan kecil. Sehingga banyaknya penguapan yang terukur oleh panci harus dikorelasikan dengan penguapan dcri danau-danau dan rain-lain dengan menerapkan suatu koefisien. Hal ini disebut sebagai koefisien panci, dan sama dengan perbandingan antara penguapan danau tahunan dengan penguapan panci tahunan. Koefisien ini mempunyai besaran yang berbeda untuk setiap macam panci. Sebagai contoh, panci lahan uswB mempunyai besaran koefisien rata-ratasebesar 0,7 (berkisar antara 0,6 sampai 0,82). Panci tertanam Colorado mempunyai kcefisien sebesar 0,78 (berkisar antara0,57 dan0,86) dan panci terapung mempunyai koefisien yang digunakan untuk mendapatkan penguapan waduk sebesar 0,80 (berkisar antaraO,7O sampai 0,92). Sebagai contoh pada bagian terakhir dari bab ini diberikan gambaran penggunaan koefisien panci untuk mendapatkan kehilangan penguapan danau. Walaupun panci penguapan merupakan peralatan yang paling umum dipakai, alat lain yang digunakan urtuk pengukuran penguapan secara langsung adalah evaporimeter dan atmometer. Evaporimeter
7
28
Pembongkit Listrik Tenoga
Air
Piche dan H. Wild dan cangkir berpori (porous cup) atmometer biasa
dipakai. Meskipun demikian, pemakaian evaporimeter dan atmometer terbatas hanya pada pengukuran volume penguapan air yang sangat kecil dibandingkan dengan sejumlah besar yang berkaitan dengan kepentingan seorang ahli hidrologi.
ALIRAN SUNGAI Dalam merencanakan suatu proyek sumberdaya air, kita perlu mempunyai bermacam-macam informasi hidrologi menyangkut daerah aliran sungai di mana proyek tersebut direncanakan. Kita harus menentukan jika tampungan air dalam waduk yang terbentuk oleh bendungan yang dibangun memang diperlukan dan jika ya, kemudian berapa kapasitas tampungan yang harus disediakan? Kita juga harus mengetahui aliran terendah yang masih bisa diandalkan, di satu pihak; dan kemungkinan terjadinya banjir tertinggi di sungai, di lain pihak. Yang disebut lebih dahulu itu membantu dalam merancang berbagai komponen untuk tingkat pemanfaatan yang semestinya, sedangkan yang disebut terakhir memberikan gambaran pada kita tentang skala banjir yang harus mampu ditanggulangi oleh berbagai bangunan prasarana. Penguapan dari sungai-sungai, danau-danau dan wa'duk-waduk, sebagai suatu dampak, berarti merupakan suatu kehilangan air ditinjau dari segi pemanfaatannya. Oleh karena itu, kita harus mampu r4enentukan be,saran tahunan dari kehilangan ini. Kadang-kadang, musim basah atau kering terjadi untuk jangka waktu yang cukup panjang. Kita harus mengembangkan suatu metode agar bica mengantisipasi secara wajar urutan kejadian seperti ini dan peluang terjadinya sedemikian rupa sehingga hal ini dapat dipertimbangkan dalam rancangan. Perlu diingat bahwa semuaproses alami bukanlah determil nistik, akan tetapi probabilistik dengan simpangan-simpangannya terhadap harga rata-rata. Dengan demikian, secara alamiah, tiga kunci utama adalah untuk menentukan: 0) Harga rata-rata dan simpangan baku, (ii) Harga-harga ekstrem, dan (iir) Urutan historis dan kronologis respons (menurut waktu) dari suatu sistem hidrologi terhadap berbagai pengambilan (masukan) tertentu. Harga rata-rata bisa saja merupakan rata-rata bulanan, musiman, tahunan atau untuk jangka waktu yang lebih panjang dari berbagai faktor, seperti, curah hujan, aliran sungai, penguapan, permukaan air tanah dan lain-lain. Faktor-faktor yang disebutkan di atas merupakan rata-rata ruang dari keadaan iklim, geologi dan topografi
Hidrologi
Umum
29
wilayah-wilayah geografis yang majemuk (heterogen). Semakin besar simpangan bakunya berarti variasi masing-masing harga terhadap harga
rata-ratanya juga semakin besar. Harga-harga ekstrem adalah harga-harga maksimum atau minimum dari curah hujan, aliran sungai, permukaan air tanah. pengetahuan tentang harga-harga seperti ini sangat penting dalam menentukln ukuran dan elevasi pelimpah, volume waduk, tingkat dan ketinggian tembok penahan banjir, kerayakan alur untuk perayaran dan liram menentukan ukuran proyek yang ekonomis.
HIDROLOGI STOKASTIK Peubah hidrologi seperti curah hujan atau ariran membentuk suatu seri data yang dapat disebut sebagai suatu seri waktu historis. Lebih lanjut, peubah hidrologi adarah peubah yang bersifat stokastik, sebagai contoh mereka adarah peubah berperuang di mana harganya ditentukan oleh suatu fungsi peruang. Sehinggiuntuk sungai-apa pun, seri data hidrologi yang tersedia (misalnya, itirar, tahunair) mlmberikan informasi pada kita tentang bagaimana urutan kronorogis terjadinya aliran tersebut. Dengan demikian penggunaan data ini untuk menentukan ukuran waduk, secara rogika dapat diterima. Tetapi pertanyaan yang Iangsung timbul ialah apakah aliran di masa yurg uiun datang mempunyai urutan kejadian yang sama seperti apa yang.telah diamati? Apakah dari data hidrologi memperlihatkan suaiu pola utang yang pasti? Jawabannya tentu saja 'tidak,. Kemudian, iiki memang urutan kejadian aliran dimungkinkan untuk berbeda, bigaimana kita bisa yakin bahwa rancangan kita akan cukup memadailuga untuk urutan kejadian yang baru. Satu-satunya carauntuk memeiahlan permasalahan ini ialah mendasarkan rancangan tidak hanya pada hasil analisis terhadap satu-satunya pengamatan historis urutan kejadian, tetapi pada sejumlah urutan kejadian yang mungkin akan teijadi pada sungai tersebut. Secara sekilas dapat dimengerti bahwa tidaklah mungkin mengetahui sebelumnya kepastian tentang urutan kejadian yang mungkin akan terjadi selama umur proyek. Hal ini merupakan suatu kenyataan, demikian pula akan lebih mendekati kenyataan jika rancangan diselesaikan setelah mempelajari berbagai kemungkinan urutan kejadian sebagai tambahan terhadap urutan kejadian hi-storis, maka kemungkinan bahwa rancangan akan memenuhi harapan sesuai dengan apa yang diharapkan, akan lebih besar. Hidrologi stokastik ber_ kaitan dengan permasalahan menciptakan data hidrorogi hipotetik menurut ururan kejadiannya. Untuk tujuan ini, sifat-sifit teitentu dari data pengamatan historis diambil sebagai harga awar, dan suatu model matematik disusun untuk membanlu p"niiptuan'seri data sinte-
30
Pembongkit Listrik Tenoga
Air
Hidrologi
tik. Peubah hidrologi yang bersifat stokastik dipertahankan
dengan peluang komsuatu atau ke dalam model sebagai memasukkannya cirra ponen acak. Minat dalam hidrologi stokastik baru berkembang- terutama pada lima belas tahun terakhir ini. Sebagai contoh suatu model matematik stokastik, mempertimbangkan persamaan yarlg sangat populer berikut ini:
X,: pX,-1+ l,
(2.s)
Persamaan ini disebut sebagai model regresi linear orde satu yang dikembangkan oleh Markov. Dalam persamaan ini X, adalah harga dari peubah acak X pada waktu t, P adalah koefisien korelasi serial
orde satu dari data historis, dan t, adalah komponen acak murni, yang mempirnyai harga rata-rata dan satuan simpangan baku sama ienEan noi. Model Markov khususnya sesuai (apl) untuk data hidrologihengingat harga dari peubah X,'biasanya agak tergantung pada haiga sebelumnya yait.u X,_1. Ini disebut persistensi. Sangat mudah untuk dimengerti bahwa aliran sungai hari ini pasti sedikit banyak tergantung pada aliran hari sebelumnya, dan dari sirtilah timbulnya pengaruh persistensi. Dengan persamaan seperti tersebut di atas, berbagai urutan kejadian yang berbeda dari data dapat diciptakan dan digunakan dengan leluasa.
Perlu diingat bahwa hidrologi stokastik hanyalah suatu alat dan 0engan sendirinya bukan merupakan suatu hasil akhir. Pendekatan ini mempunyai keterbatasan tertentu dan tidak dapat menggantikan secara menyeluruh analisis hidrologi yang telah lazim dilakukan' Tetapi untuk permasalahan seperti penentuan kapasitas waduk atau qengoperasian waduk yang optimal ini adalah merupakan suatu prosedur yang berharga.
CONTOH ILUSTRASI
Umum 3l
Vr: Aav'hT di mana Aon adalah luas rata-rata selama waktu T, dan hTadalah tinggi penguapan waduk total selama waktu 7 (di mana pada kasus ini adalah satu bulan). Dengan menggunakan rumus kerucut, Aov =.
dan
l/3 (A1+A2 +,,/ffi
h7: khpnci
di mana,t adalah koefisien panci dan hp,nsiadalah tinggi yang tercatat oleli panci penguapan. Sehingga,
,r-r?*'1A1,+e2+,1v1$ k = 0,7 dan besaran-besaran lainnya diketahui, 0,7 (0.15)
Jika diasumsikan harga
-. vr = = coNToH
#12,0+ r,o+{6fr)
ro6m3
0,1886x 106m3.
2.2
Pada Gambar 2.10 diperlihatkan lengkung kapasitas peresapan untuk suatu daerah aliran yang mempunyai kapasitas peresapan awal sebesar 2,0 cm/jam, diasumsikan mencapai harga hampir konstan sebesar 0,5 cmljam, 8 jam setelah hujan mulai. Hi-
tung besarnya peresapan total, jika konstanta Horton, k adalah sama dengan:5 hari -
l.
I I I I
e6 E o
;6
2,0
I
6
E d q 6
E
r,s
t,o
0. 0,5
CONTOH 2.1. Dalam rangka memperkirakan kehilangan penguapan bulanan dari suatu waduk kecil, pengamatan harian dilakukan dan diketahui bahwa laju penguapan panci bulanan untuk bulan Mei adalah sebesar 15 cm. Luas waduk pada tanggal I Mei adalah sebesar 2 km2 dan pada akhir bulan Mei berkurang menjadi 1,6 km2' Hitunglah volume penguapan jika vang digunakan untuk pengamatan adalah panci lahan kelas A'
PENYELESAIAN Volume penguapan v, = I r \Ah h)dt di mana lr adalah tinggi penguapan selama selang waktu dt dan 41, adalah luas permukaan waduk selama selang waktu tersebut. Penjumlahan selama waktu I rnenghasilkan volume penguapan total selama waktu ?". Lebih disederhanakan,
02468
T-_;il;CIFr| Gambar 2.10
PENYELESAIAN Persamaan Horton untuk lengkung kapasitas peresapan dinyatakan oleh
:
fr=f"+ (fo-/")ekt Dengan demikian, luas total bidang yang berada di bawah lengkung akan menjadi:
32
Pembangkit Listrik Tenoga
Fo =fro
"
Hidrologi
Air
=l:l
rc + (fo
:r., ,t re, -l =fcr+
4.
-fc),- r,lo, _K lo
-fc
K KE -kT Jikadisubstitusikanhargaf, = 2cm/:am,fc:0,5cm/jam, I= 8 jamdan k = =-fcT+
Maret
April
5,
Mei
Juni Juli
z':e's,-,,* & = ro's,<0.(t#) -
Agustus September
Jika suku terakhir diabaikan, karena terlalu kecil, kita peroleh peresapan total sebesar Fp = 9'8 cm'
PERTANYAAN
1. 2. 3.
Apakah yang dimaksud dengan daur hidrologi? Bagaimanakah parameterparameter dari daur tersebut dapat dituliskan dalam bentuk persamaan? Apakah indeks peresapan itu? Bagaimanakah saudara akan menentukan aliran dari suatu daerah aliran sungai, jika pola sebaran curah hujan diketahui? Gambar 2. I I menunjukkan suatu sebaran curah hujan pada suatu daerah aliran sungai. Jika indeks / diketahui 2,8 cm/jam hitunglah besarnya aliran. Hitunglah besarnya laju peresapan awal(fo) dari lengkung pada Gambar 2.10 jika peresapan total adalah sebesar 18,25 cm, laju peresapan pada batas akhir (expiry) jam ke-15 adalah 1,2 cm/ jam dan harga konstan it untuk lengkung tersebut adalah: 8 jam-l
Jelaskan batasan tentang penguapan. Bagaimanakah saudara akan menentu-
Bulon Januari Februari
ry1,-rr-,."1 Io
(J1wab 3,2 cm/iam)
Penguopan (cm)
lt,2 t2,6
l3,l t4,l 15,8
16,4 13,2 10,5
tt,2
Oktober
t2,3
November
13,2
Desember
l4,l
Setelah pengamatan selama satu tahun, luas danau diukur menjadi sebesar 2,55 km2' Hitunglah jumlah totat air v"ng aiu"pi"n serama satu tahun. 6.
Diperlukanuntukmenentukanalirandarisuatu.".."lix:;tr';:i;;r:'Jr*]rata sebesar r,5 km2, pada daerah aliran tersebut terah terjadi tri.;an setinggi l0 cm selama 24 jam yang lalu. Suatu lengkung kapasitas pererupu, O"rg1-, konstanta empiris k = 4,5 jam- I yang telah disiapkan untuk keperluan ter-pererapan sebut, menunjukkan bahwa. kapasitas aiu*ai dengan harga sebeyar.9 mm{j1m-dan mencapai harga sebesar 3 mmZjam f S jamlerhituig sejak hujan mulai. Suatu panci t.r"pung batu, vane ;ip;sang pada daerah aliran tersebut menunjukkan suatu penurunan p"ia, ai, sibesar'mm selama pengoperasiannya. Kehilangan-kehilangan rainnya dianggap bisa diab;iil;:
zrffi
(Jawab 32.805 m3) a I
c H
>t0 e8 6 E6 (d
o4 .d
':dt I
Eo
Caris indeks
8l012t4 Waktu
(iam)
Grmbrr
-+ 2.ll
33
kan penguapan bulanan dari suatu waduk? Apakah arti dari koefisien panci? Suatu panci rahan keras-A digunakan untuk menentukan penguapan tahunan dari sebuah danau dengan luas Z,S fm2 didekatnya. Hasil pengamatan bulanan dari panci adalah sebagai berikut:
uo-rc)e-*'{
fo-Ic
llmum
presipitosi 35
.BAB 3
PRESIPITASI PENDAHULUAN presipitasi termasu-k hujan' Seperti diuraikan sebelumnya, meskipun salju' hujan (batu) es' [":r. t"flr, kabut, hujan bercampur es dan untuk aliran adalah embun dan hujan.r,-iuttot penyumbang utama di mana hujan India' keadaan untuk hujan. Hal ini b.nu, kh,,'snya Itulah sebabnya' t"f;, .i"i"rg terjadi, kecuali di *ilayah Himalava' di6ahas di sini akan tidak lain-lainnva' pengukuran hujan ,utj, aun i"" r"", irmatsuatan dengan presipitasi terutama terdiri dari hujan.
KF^IADIANDANPENYEBABTERJADINYAPRESIPITAST berlangsungUap air yang dilepaskan dari permukaan tanah selama masa udamenjenuhkan ke atmosfer menuju penguapan nya proses sendiri' ra. Di atmosfer, uaf air ini meningkatkan tekanan ulpnya duhunya' Hal Kejenuhan tekanan uap berbanding langsung dengan air akan ini berarti kemampuan awan panas untuk mengandung uap perkataan lebih besar jika dibandingkan dengan awan dingin' Dengan suhu' penurunan i"i"l:it" "aara jenuh dengan uap air pada sebarang uap' srr,u-utun menyebabkan terjadinya kondensasi dari kelebihan masa pendinginan Hal ini berarti bahwa untuk terjadinya presipitasi, prasyarat penting' udara yang mengandung uap air merupakan ataupun peSuhu atmosfer turun secara adiabatis (tanpa tambahan keting.rguiunguri panas' ke atau dari udara) dengan bertambahnya gi"r. fIUf, aiamati bahwa suhu atmosfer turun pada laju sekitar 6'5o l0- 12 km dari Celcius/km pada stratosfer sampai dengan ketinggian t*"tr.Lebihjauh,terdapatjugasuatupenurunantekanandenganberi*U"trn,u fetinggian, a* teUagai konsekuensinya adalah terjadinya
Selama berlangsungnya proses p"rnluia'' energi Hal ai"u"t, menjaai kerja dan suhu menurun secara adiabatis. ke atas ke naik jenuh seharusnya kembali
;;;;.""" iunu,
ini berlaku
rrl*".
;;;;;;udara
wilayah yang suhunya menurun secara progresif sedemikian sehingga proses pendinginan dapat berlangsung. Dengan demikian, agar presipitasi terjadi, dua prasyarat penting ialah bahwa masa udara harus mempunyai cukup uap air, dan kedua, masa udara ini harus naik ke atas sedemikian sehingga menjadi dingin dan dengan demikian akan sangat jenuh. Naiknya masa udara dapat berlangsung disebabkan oleh hal-hal berikut ini:
(r)
Konveksi panas, siklon, (llr) Pengaruh orografik karena medan yang bergelombang atau bergunung, dan (iv) Pertemuan frontal antara masa udara dingin dan masa udara
(,,)
hangat.
Jika lengas udara yang lebih hangat sedang membubung naik (menjadi lebih ringan) bertemu dengan udara yang lebih dingin dengan lingkungan yang lebih pekat, selanjutnya kondensasi pun terjadi. Presipitasi yang terjadi disebabkan oleh proses ini disebut presipitasi konvektif. Alasan terhadap perbedaan suhu udara ini barangkali disebabkan oleh ketidaksamaan pemanasan udara pada permukaan atau ketidaksamaan pendinginan pada lapisan udara atas. Sedemikian rupa sehingga curah hujan konvektif umumnya bersifat setempat. Disebabkan adanya pembentukan daerah tekanan rendah di atmosfer, udara dari daerah sekitarnya cenderung untuk bergerak menuju ke daerah bertekanan rendah tersebut. Selama berlangsungnya proses ini, udara tersebut memindahkan udara bertekanan rendah ke atas, mendinginkannya dan menumpahkan kadar lengasnya. Presipitasi seperti ini disebut presipitasi siklonik. Medan yang bergelombang dan berbukit atau pegunungan, mengangkat masa udara berperingkat lengas rendah ke atas secara orografis ke dalam lapisan dingin di atmosfer. Menghasilkan presipitasi yang disebut presipitasi orografik. Jika suatu masa udara hangat dan relatif ringan bertemu dengan suatu masa udara dingin yang relatif berat, udara hangat akan terangkat ke atas. Bidang pertemuan antara dua masa udara ini disebut sebagai front, dan presipitasi yang dihasilkan disebut presipitasiy'ontal. Presipitasi frontal dapat juga dihasilkan dari jenis interaksi masa udara lainnya pada permukaan frontal. Mengingat bahwa semua penyebab ini di alam seringkali saling berhubungan satu sama lain, maka tidak selalu bebas satu sama lain. Sehingga kadang-kadang sulit mengatakan suatu penyebab khusus terjadinya presipitasi.
36
Pembangkit Listrik Tenaga
7.
Presipitosi
Air
:, PENGUKURAN CURAH HUJAN
hujan dapat diukur dengan alat ukur sebagai berikut:, Curah - er"i p.nutu. hujan, (b) Pengamatan menggunakan radar' trj
'tl n"n,
PENAKAR HUJAN
tersebut ialah alat Yang paling umum digunakan dari dua alat ukur
perir'"t rrujan. aral iinar.ar hujan dapat dikelompokkan -sebagai berikut: - -iri (3) afu, penakar huja.n biasa, (2) Alat.penakar hujan otomat!9-' hujan oiomatis dilengkapi dengan pemancar radio' etai -A*p.ru[ar kupenakar hujan otomatis dengan hasil pengamata1 hujan suamenurutlungsi waktu dalam bentuk -rriuiir'U..tesinambungan hujan biasa diamati secara manual ptt'utur i,, grafit. Sedangkan atlt iurah hujan pada stasiun hujan besarnya usilkan
:"*fun
Oui--.rrgt
selama selang waktu Pengamatan
(l) Alat Penakar Hujan Biasa cgrgh'-huDi India, alalutuiia\u Symon dipakai untuk mengukur suatu mempunyai Symon t'y1un :"" p"J" tU;i". tt"i"".'Aat peiiakai l2'7 cm yang ditempatkan te;;;;"g penerima dengan garis tengah bersama botol pat 30,5 cm di atas p"i."iuun tanih' Coiong tersebut pada berada'di dalam suatu tabung silindeqseperti terlihat bantuan bu*Uu, :.-1. Curatr hujan yang terkumpul diukur dengan
;;;;;pr.g,
Bejana silindris
T
I
rz,,
J
.----,
)ii
Itll
30,s
It
1
rl ltl1 L-- -r
I 60
Gambar 3.1. Alat penakar hujan Symon.
se-
37
buah gelas ukur yang memenuhi persyaratan yang ditentukan oleh Departemen Meteorologi India. Pengamatan setiap hari dilakukan dua kali, misalnya pada jam 8.30 pagi dan 5.30 petang (Waktu Baku India). Jumlah curah hujan yang terukur mewakili besarnya curah hujan selama selang waktu pengamatan sebelumnya. Di wilayah Himalaya, di mana terjadi hujan salju, pada tinggi hujan ditambahkan sebesar l/10-nya yang berasal dari salju sebagai suatu kelaziman untuk mendapatkan presipitasi total. Jenis lain dari alat penakar hujan biasa baku ini misalnya adalah alat penakar hujan US Weather Bureau. Di wilayah yang bersalju, alat penakar salju meng-
hasilkan tinggi curahan salju yahg kemudian dapat diubah menjadi tinggi air. (2)*$Jat Penakar Hujan Otomatis Alat penakar hujan otomatis dapat dikelompokkan secara garis besar sebagai berikut: (r) Alat penakar hujan jenis timba jungkit, (il) Alat penakar hujan jenis timbangan, (iii) Alat penakar hujan jenis pelampung. (i) Alat penakar hujan jenis timba iungkit. Alat ini terdiri dari silinder penampung dengan garis tengah 30 cm yang pada alasnya dipasang suatu corong. Tepat di bawah corong, sepasang timba penakar kecil dipasang sedemikian rupa sehingga jika timba yang mana pun menerima curah hujan sebesar 0,25 mm, ia akan menjungkit dan menumpahkan isinya ke dalam tangki. Timba yang lainnya kemudian menggantikan tempatnya, dan urutan kejadian yang serupa akan terulang. Gerakan timba mengaktifkan suatu sirkuit listrik dan mengakibatkan bergeraknya pena pada lembaran kertas grafik yang dipasang pada suatu silinder dan berputar sesuai dengan pdtaran jam, sehingga mencatat intensitas hujan,,Susunannya dapat dilihat pada Gambar 3.2.
(ii) Alat penokar hujan jenis timbango.n. Sesuai
dengan namanya,
alat penakar hujan jenis ini bekerja ketika sejumlah air hujan dengan berat tertentu jatuh di atas tangki yang dihubungkan dengan suatu susunan pegas atau tuas keseirnbangan. Berat total tangki dan rakitan yang berhubungan, beserta curahan hujan yang terkumpul, menggerakkan sebuah pena yang dicantumkan pacia rakitan pengikat. Gerakan pena ini sebanding dengan berat total curah hujan yang diterima, dicatat pada kertas grafik yang membungkus keliling suatu silinder yang digerakkan oleh suatu jam. lni akan menggambarkan lengkung curah hujan total menurut fungsi waktu (lengkung masa hujan dijelaskan pada "Penyajian Curah Hujan Secara Grafis"). Mekanisme pencatatan tersebut disajikan secara skema pada Gambar 3.3.
38
Presipitasi 39
Pembangkit Listrik Tenoga Air
ruh isi airnya akan melimpas ke luar melalui mekanisme sifon yang dihubungkan. (Lihat Gambar 3.4.). Jenis alat penakar otomatis ini dipakai oleh Departemen Meteorologi. Jam pemutar memutar silinder sekali dalam dua puluh empat jam. Jika penanya menyentuh batas atas kertas grafik, sifon bekerja dan wadah dikosongkan. Jika tidak ada hujan, pena menarik suatu garis lurus. Mekanisme jam pemutar perlu diputar ulang sekali dalam tujuh hari ketika kertas grafik yang dipasang pada silinder tersebut juga diganti. Drum putar
Tabung pengatur
Penyaring
Gambar 3.2. Alat penakar hujan jenis timba jungkit. Batang penghubung
Corong penadah
Ruang sifon Pelampung
Tanki penimbang
Tabung pelePas
Per atau pengimbang
Gambar 3.4. Alat penakar hujan jenis pelampung.
Sumber putar
Alat Penakar Hujan Otomatis yang Dilengkapi
dengan Pemancar
Radio
Di wilayah pegunungan yang terpencil dan sulit untuk dicapai, di Gambar 3.3. Alat penakar hujan jenis timbangan.
Atat penakor huianienis pelompung. Pada alat penakar hujan jenis ini, huJan memasuki ruang pelampung yang berisi suatu pelampung. Jika tinggi muka air yang tertampung di ruang pelampung menirgt ut, pelampung bergerak ke atas dan bersama dengan pelampung tersebut suatu pena yang dihubungkan dengan pelampung itu melalui suatu tali penghubung juga ikut bergerak. Gerakan pena tersebut memberi tanda pada kertas grafik yang membungkus keliling silinder yang berputar. iiku tuung pelampung telah penuh. secara otomatis selu-
(iii)
mana secara normal tidak dimungkinkan mengumpulkan data hujan secara manual, alat penakar hujan jenis inilah yang dimanfaatkan. Alat penakar hujan otomatis dengan pemancar radio seperti ini telah dikembangkan oleh Departemen Meteorologi India di Poona (India) dan bekerja secara memuaskan di wilayah Proyek Hidrolistrik Koyna sejak Juni 1966. Seperti pada susunan timba penakar, pada kasus ini juga, ketika air hujan tercurah pada timba melalui corong penerima, timba menjungkit dan memberikan pada gilirannya, pulsa listrik yang sama dengan sejumlah mm curahan hujan yang terkumpul di dalam alat penakar, yang disimpan oleh sebuah alat pencatat data. Suatu satuan
40
Pembangkit Listrik Tenaga
Presipitasi 4l
Air
pesan bersandi yang memsandi mengubah data tersebut ke dalam jam terprogram mepengaruhiilat pemancar selama siaran' Suatu pemrograman bersamaan mindahkan satuan-satuan penyandian dan hujan total yang tercurah dan hujan Dita dengan pemancar radio. stapada stasiun terSebut dipancirkan berupa sandi-sandi'.Pada
ukur ,iunp.".ti-a,sinyal-sinyalsandiiniditerimaolehalatpenerimaUHF' pada Gambar O-iugru* balok siitem aiat penakar hujan ini disajikan 3.5.
Antcna
Antena
ta cara pengoperasian sistem radar. Impuls energi radio ditimbulkan oleh suatu pemancar, dipancarkan dengan menggunakart antena narrow beam. Pantulan impuls yang berasal dari sasaran (misalnya, awan, dan sebagainya) yang berada pada wilayah cakupan antena ditangkap oleh antena yang sama, dan dideteksi oleh penerima yang juga memperkuat dan mengubah sinyal yang tertangkap ke dalam bentuk video. [ni muncul di atas suatu indikator letak kedudukan yang terdiri dari tabung sinar katoda, dan sinyal yang diterima disajikan di atas-
nya dalam bentuk koordinat kutub. Jika tidak terdapat sasaran, la yar bersinar redup, sedangkan jika terdapat sasaran kecil akan mun-
Putaran sinar elektron
cul sebagai suatu titik yang terang. Jika terdapat sasaran yang cukup meluas seperti misalnya curahan hujan, suatu bidang yang terang akan muncul di atas layar piGambar 3.5. Sistem alat penakar menggunakan radio' (D) PENGAMATAN RADAR
Pemanfaatan Radar Penggunaan radar untuk mempelajari mekanisme yang terjadi, luas wilayah, orientasi dan pergerakan hujan badai, sangatlah bermanfaat. Sinyal radar yang dipantulkan oleh hujan sangat m'embantu dalam menentukan besarnya hujan badai tersebut serta wilayah penyebarannya. Gambar 3.6 (a) memperlihatkan secara diagram garis besar dari taTombol
Gema presipitasi
hot Gambar 3.6 (b)1. Layar dibagi dalam sisS tem koordinat, posisi sasaran dapat diketahui. Gambar 3.6(b). Indikator letak kedudukan. Departemen Meteorologi India telah memiliki jaringan radar yang sangat mantap untuk mendeteksi badai guntur, di samping radar peringatan akan teriadinya siklon yang bekerja di Visakhapatnam. Badai yang tipikal dipelajari dengan bantuan secara manual seperti misalnya teknik fotografi terpadu. Teknik secara manual termasuk pelacakan secara berkala posisi pantulan dengan cara menumpangtindihkan di atasnya citra radar tembus pandang yang telah diberi tanda batas-batas daerah aliran sungai. Berdasarkan penampakan dari pantulan, yaitu sangat kuat, kuat, sedang atau lemah, penaksiran secara kuantitatif dapat dilakukan. Metode fotografi mempertimbangkan suatu seri hasil pemotretan oleh radar di atas film yang sama dengan selang tertentu untuk sebagian jujuh waktu tertentu. Radar S-Band juga membantu untuk menganalisis curah hujan secara kuantitatif untuk wilayah yang tidak mudah dijangkau. Hal ini berguna untuk pekerjaan prakiraan banjir. INTERPRETASI DATA HUJAN
Gsmbrr 3.6(r)' Garis besar sirkuit radar cuaca'
L
Data curah hujan di suatu lokasi tertentu di mana alat penakar hujan
42
Pembangkit Listrik Tenogo
Air
Presipitasi 43
dipasang, dicatat dan hasil pencatatannya untuk jangka waktu sepanjang mungkin digunakan untuk keperluan analisis selanjutnya. Dalam rangka membuat perkiraan secara kuantitatif dari data tersebut, kita perlu mengambil langkah awal pengolahan data yang ada. Dengan langkah ini, kita dapat mengetahui arti statistik besaran-besaran seperti harga rata-rata buP, lanan curah hujan atau harga o i,r.,n rata-rata tahunan dan simD pangan baku dari harga ratao's rata. Hal tersebut dapat dise12,7 cm P5o,s butkan sebagai harga titik. rPr e,2 cm Untuk menemukan harga rata-rata untuk seluruh daerah " aliran, kita harus mengubah harga titik tersebut menjadi harga wilayah. Pemakaian ll,8 c*OP4
Gambar 3.7. Stasiun-stasiun hujan dengan har$a rata-rata titik.
yang urnum, ialah dengan memasang sejumlah alat penakar hujan yang tersebar di seluruh daerah aliran. Kerapatan sta-
siun tersebut kurang lebih mendekati satu stasiun untuk wilayah seluas 150-250 km2. Jumlah stasiun hujan yang optimum akan sangat tergantung pada keragarnan curah hujannya menurut tempat, selain pada tingkat ketelitian yang diinginkan. Jaringan stasiun hujan dapat diraneang dengan menggunakan teknik statistik yang sudah sangat berkembang. Dengan demikian, untuk suatu wilayah tertentu, tersedia sejumlah harga-harga titik (rata-rata) (lihat Gambar 3.7). Metode-metode yang dikeq{ berikut ini biasaiya digunakan untuk menentukan presipitasi rata-rdta wilayah untuk stasiun-stasiun hujan yang berbeda. (r) Metode Rata-rata Aritmatik, (O Metode Poligon (iir) Metode Isohiet.
Theissen,
(l) Metode Rata-rata Aritmatik Pada metode ini tinggi hujan rata-rata wilayah, dihitung dengan menggunakan rata-rata aritmatik yang sederhana untuk curah hujan yang terjadi pada setiap stasiun di wilayah tersebut. Sehingga jika P1, Pz,Pt .. . P, adalah harga rata-rata presipitasi untuk masing-masing stasiun 1,2, 3. . . n, maka presipitasi rata-rata untuk seluruh wilayah adalah:
n
p:&*Pr*Pr* ... n1
Pn
j"
(3.t1
Asumsi yang tersirat di sini ialah apakah stasiun_stasiun tersebut tersebar mewakili seluruh wirayah, atau variasi t rjanrrvu-rungu,
kecil. Asumsi-asumsi ini seringkari tidak benar, "urat ,.r,inggu *"iode ini sekarang tidak dipakai.
(a) Metode Poligon
Theissen
Metode ini memberlakukan bahwa nilai presipitasi pada suatu stasiun hujan dapat dianggap sebagai perwakiian au.i.uiut tuj* puOu wilayah sekitarnya. poligon yang dibuat secara tertimpang dianggap merupakan harga perwakilan dari wilayah tersebut. Tata cara untuk membuat poligon seperti yang diusurkan oleh rheisser adalah sebagai berikut. Seluruh wilayah daerah ariran sungai ini dibagi menjadi berbentuk segitiga dengan cara membuat garisgaris penghubung antarstasiun-stasiun yang berdekatan aengan garis lurus. Kemudian dibuat garis berat lgaiis tlgak rurus yang iie*uagi dua sama. panjang) pada garis_garis penghrbrng tuai, ,"[inggu t.r_ bentuk sejumlah poligon, masing_maiing poligo;n,.n.ut up r"ulu rru_ siun hujan, yang mewakili wilayah yungGrrurrgkutan (tihat Gambar 3.8).
.'
lo,
! i
44
Pembongkit Listrik Tenago
PresiPitasi 45
Air
Jika P1, Pz, Pt . . .Pnmewakili catatan hujan pada stasiun-stasiun yang dicakup ofen po[gon-poligon,luas masing-masing wilayatr adaiun?r, Ar,-A, . . . e* kemudian presipitasi rata-rata P untuk seluruh wilayah ,4 di daerah aliran sungai adalah:
,-W'r&Ar*Ar*Ar-1 .....A,,
'-
-#'**n#* "' *:*^'''
p-
I'P(')("+r)
. (3.3)
Untuk wilayah-wilayah perbatasan dapat diambil suatu harga anggapan hasil ekstrapolasi. Sehingga untuk wilayah Ao pada Gambar 3.9, kita bisa menganggap suatu harga rata-rata Po = Pr + Ap di mana A,p didasarkan pada kecenderungan curah hujan umumnya.
i:n
!;rr, L
Pr, luas antara isohiet P2dan P3 adalah ,42dan seterusnya, maka presipitasi pada seluruh wilayah adalah:
(3'2)
sLA, i:1
Di sini,
. dan
*^,*^.
sebagainva disebut sebagai faktor bobot
ini faktor untuk staiiun hujan yang bersangkutan, dan pada metode bobot ini tetap, untuk hujan badai yang t'erbeda' dengan meMetode poligon Theissen lebih baik jika dibandingkan toderata-rataaritmatik,melihatkenyataanbahwasetiapstasiunhu. jandiberibobotsesuaidenganletaknya.terhadapbatasdaridaerah 'uiii"n tung"i yang ditinjau. Sehingga, stasiun-stasiun yang berada atau mempunyai sangat aetiat iengan daerah aliraniungai secara otomatis yang destasiun-stasiun dengan dibandingkan L.Ult yang lebihlesar Theispoligon f.uit.tupi [erada di luar daerah ilirun sungai. Metode berukuran ,"n oipuiui untuk daerah aliran sungai yang relatif datar dan banyaknya staJika km2)' 5000 dengan sampai (katakanlah ;;"; aliran susiun h-ujan terlalu sedit
;;;ilt;,;.tode
poligon TheissenTbih sesuai daripada metode isohiet.
(iii) ' Metode Isohiet
iada metode isohiet, dianggap bahwa presipitasi pada suatu wila-
yang yah di antara dua garis isohiei, yaitu, garis kontur curah hujan isogaris-garis pada sama, adalah sama dengan rata-rata presipitasi yang hiet tersebut. Untuk memperkirakan presipitasi rata-rata, titik-titik isohiet dari bercurah hujannya sama dihubungkan untuk membentuk diukur Lagai tuiga. Luu. bidang di antara dua isohiet yang berurutan pada wilavah hujan ;;;u, bintuan planimiter dan rata-rata curah pada wilayah tertutup' terjadi dianggap tersebut isofiiet dua di aitara yang diwakili oleh Sehingga, apabila P12 adalah rata-iata presipitasi antara dua iiiiet yang Uerurutan dengan harga P1 dan P2 day luas P2dan presipitasi dua isohiet tersebut adalah Ai Pztadalah rata-rata
Gambar 3.9.Metode isohiet.
Metode isohiet sangat sesuai untuk mempelajari wilayah-wilayah pegunungan yang berbukit-bukit atau bergelombang yang terpencil dan luas (lebih dari 5000 km2), jika jumlah stasiun hujan di daerah aliran sungai cukup banyak untuk bisa menggambarkan isohiet dengan interpolasi.
PENYAJIAN DATA CURAH HUJAN SECARA GRAFIS l'ola curah hujan paling baik untuk dipelajari dengan bantuan penggarnbaran secara grafis. Jenis-jenis lengkung yang dipergunakan secara luas untuk tujuan ini adalah sebagai berikut: (i) Hietograf, (ir) Lengkung masa (keduanya untuk setiap curahan lrrrf arr badai), (iii) Lengkung rata-rata bergerak (untuk variasi curah lrrr.ian tahunan).
46
Pembangkit Listrik Tenaga
Air
Presipitasi 47
Hietograf Ilietograf adalah lengkung hubungan intensitas curah hujan waktu yang menunjukkan variasi laju curah hujan terhadap waktu. Akan (r"\
tetapi, seringkali lebih mudah untuk menyajikannya dalam bentuk diagram balok atau diagram garis dengan menganggap bahwa intensitas curah hujan adalah tetap untuk suatu selang waktu Al yang sangat singkat. Pada umumnya dalam bentuk inilah hietograf dipergunakan
dalam praktik. Suatu hietograf - keduanya dalam bentuk lengkung dan diagram balok disajikan pada Gambar 3.10.
sedangkan kelandaian dari lengkung tersebut pada setiap titik menunjukkan intensitas curah hujan pada saat itu. Lengkung -uru sangat berguna untuk memperkirakan hujan badai rencaia. siatu lengxung masa curah hujan yang tipikal disajikan pada Gambar 3.l l untui daerah aliran sungai Damodar (India). Lengkung masa hujan badai renc€na umumnya diperoleh dengan cara memaksimumkan rengkung masa
dari hujan badai yang teramati di daerah aliran
bersangkutan.
,u""gui" vung
T2,5 cm isohiet (440 km2)
d, '=
T 6
I2,5 cm isohiet (1900 km2)
d
a
o
.:d
(! o
,o
a
d
a a
At
At
At Waktu
At At (jam) ----+
V
At IAI
Grmber 3.10. Hietograf.
(ir) Lengkung
Masa Sebagai pengganti penggambaran intensitas curah hujan,
jika cu-
rah hujan kumulatif digambarkan menurut fungsi waktu, diperoleh suatu lengkung yang disebut sebagai lengkung masa curah hujan. Untuk menggambarkan lengkung tersebut, besaran kumulatif total curah hujan sampai dengan waktu-waktu yang berbeda diketahui dan hargaharganya digambarkan pada ordinat terhadap waktu yang merupakan absisnya. Sehingga, hal ini akan terlihat bahwa suatu lengkung masa akan selalu merupakan lengkung yang meningkat. Lengkung tersebut mungkin saja akan mempunyai beberapa bagian mendatar yang menunjukkan bahwa selama jangka waktu tersebut tidak terdapat curah hujan tambahan yang terjadi. Dari lengkung masa, dimungkinkan untuk mendapatkan intensitas curah hujan selain curah hujan total selama jangka waktu yang ditinjau. Ordinat dari lengkung masa pada setiap titik menunjukkan curah hujan total sampai dengan saat itu,
Larnanya
d"lu.
j". j
60
Gambar 3.11. Lengkung_masa-curah hujan.
(iii)
Lengkung Rata-rata Bergerak Suatu penyajian data curah hujan secara grafis yang lain diperoleh melalui suatu lengkung rata-rata bsrgerak. Faaa p.osIs ini criatr trujan tahunan rata-rata suatu tempat digambarkun -b"rupa diagram ga-
ris seperti disajikan pada Gambar 3.r2. Diagfam gu.ir,.p";i ini tidak menunjukkan secara jeras suatu kecendeiungui pun atau pola pengulangan curah hujan, karena variasi yang mendaaak "pu paaa tahuntahun tertentu. Dalam rangka untuk menekin hal ini serta menim-
48
Pembongkit Listrik Tenago
Presipitasi 49
Air
formasi seperti ini mungkin saja diperoleh dengaq cara seperti berikut ini seandainya data banjir yang sesungguhnya terjadi tidak tersedia: (1) Lengkung jujuh-intensitas, (2) Presipitasi maksimum yang mungkin terjadi (PMP), (3) Lengkung jujuh - tinggi - luas (DAD), (4) Kekerapan curah hujan. Lengkung Jujuh
- Intensitas Telah diamati bahwa umumnya makin besar intensitas curah hujannya, makin singkat jujuh berlangsungnya curah hujan tersebut. Hubungan ini untuk jujuh yang lebih singkat (kurang daripada dua jam) dapat dinyatakan dalam bentuk rumus sebagai berikut:
1 d
.a
l:d
i : t : a dan b :
di mana
s t-
{"
I
E BE B E Tahun
5$ r
E
il
4
Gambar 3.12. Lengkung rata-rata bergerak'
tiga atau 'lima bulkan kecenderungan umum curah hujan, rata-rata disakemudian dan tahun yang berurutan dihitung tahap demi tahap tiga bergerak ;ik", ;;;i pada Gambar. Sihingga' untuk tata-tata
tahunan:
,r:'t*fr
. . . (3.s)
t+o
intensitas curah hujan dalam (cmljam)
jujuh waktu (jam)
konstanta setempat (a dalam cm dan b dalam jam).
Sehingga curah hujan total menjadi berbeda untuk jujuh hujan badai yang berbeda. Disajikan dalam bentuk lengkung, hubungan jujuh dan
intensitas akan menjadi seperti yang tersaji pada Gambar 3.13. Talbot menemukan bahwa harga-harga a dan D masing-masing adalah 1,75 cm dan 0,25 jam untuk hujan badai yang biasa terjadi di Amerika Serikat. Untuk saluran Jhelum Hulu (India) harga-harga i telah ditemukan. Sebagai contoh, untuk jangka waktu 15 menit dan I jam, harga presipitasi maksimum masing-masing adalah sebesar 17,8 cm/1am dan 6,3 cm/ jam.
\
Dr_ Pr+Pr+P. rz-
(3.4)
p,-:Pr* P!*P, dan sererusnya. rt3
lengPenggambaran P '1, P'2, P'3 dan seterusnya menghasilkan bergusangat Xurrg ;;a-rata bergerak. iengkun g r ata-rata bergerak pola data curah nu ,intuf. mengidentifikasikan kecinderungan atau
I d
tr
.:d
hujan.
PRBSIPITASI MAKSIMUM memastiDalam rangka mempelajari peluang terjadinya banjir dan perlu mesangat hidrolistrik, kan keamanan dari Uangunan-Uangunan kekemaksimum' hujan curah miliki pengetahuan t.nLng intensitas dan sebarannya pada suatu wilayah yang ditinjau' In-
t
*pun
i..jlai
Lamanya
(iam) -+
Gambar 3.13. Lengkung jujuh -intensitas.
50 Pembangkit
Listrik
Tenago
Air
Presipitasi Maksimum yang Mungkin (PMM) PMMdapat didefinisikan sebagai tinggi presipitasi maksimum secara teoretis yang secara fisik mungkin terjadi pada suatu wilayah drainasi untuk waktu kapan pun pada suatu tahun tertentu untuk jujuh tertentu. Sehingga, PMM dapat dijelaskan sebagai besaran harga curah hujan yang meliputi suatu daerah aliran sungai tertentu, yang mana akan menghasilkan aliran banjir yang sebenarnya sarnasekali tanpa risiko untuk dilampaui. Presipitasi yang seperti ini adalah hasil dari berbagai kombinasi keadaan hidrologi dan meteorologi dari wilayah tersebut. Pengetahuan tentangPMMadalah penting dalam rangka mendapatkan hujan badai rencana, yang mana untuk bangunan-bangunan besar ditangani sama dengan hujan badai maksimum yang mungkin (BMM) sesuai dengan PMM. Bangunantersebut harus mampu menahan hujan badai rencana ini. Kegagalan dari bangunan utama dapat meningkat menjadi bencana di wilayah pengaruhnya. Seperti dapat dilihat d.ari definisinya, PMMdapat diperkirakan dengan cara memaksimumkan berbagai parameter, seperti, kecepatan angin, kelembapan dan sebagainya dari beberapa hujan badai yang teramati pada daerah aliran sungai tersebut. Kadang-kadang, data hujan badai untuk suatu daerah aliran sungai yang cukup tidak tersedia,PMM dapat diperkirakan dengan mengambil beberapa hujan badai yang terjadi pada beberapa daerah aliran sungai di sekitarnya dan mengubahnya ke dalam daerah aliran sungai yang dipelajari. Untuk tinjauan secara lebih terinci tata cara tersebut, dapat mengacu pada sebarang buku acuan tentang hidrometeorologi.
presipitasi
Gambar 3.14 menyajikan garis_garis isohiet di India untuk tinggi hujan badai maksimum (hujan u"i"i oru harian selama musim hu_ jan)' Gambar seperti.itu hanya argu"at an sebagai panduan secara umum tentang sifat_sifat daerah. Lengkung Jujuh - Tinggi Luas Dalam rangka menentdkan tinggi maksimum (banyaknya) presipitasi yang.terjadi pada suatu witayatr dengan berbagai ukuran untuk berbagai jujuh waktu, rengkung tigu-puiJ-.ter yang dikenar sebagai lengkung JTL dipersiapkin d;4;ilnvai bentuk seperri disajikan pada cambar 3.15. Lelskulg JTL vane dimaksimuirk;;J;rnu_ kan untuk memperkirat
30,0 27,5
25,O
\ \
22,5
$
zo,o
H
I/,)
\
E d d
'
I5,0
-s
lz,s
E
d
7,5
4E tam
\ \
lo,o
z
\
\
J
i
2t Jam
\
am
5,0 2 jam
3 janr
Jam
2,5
r
jain I
5000
7500
10.000
12500
Luas dalam ribuan km2
Gambar
Gambrr 3.l4.Curah hujan terlebat 2 harian (cm).
5t
3.15. LengkungJTL
untuk daerah ariran Sungai Damodar.
52
Pembangkit Listrik Tenaga
presipitasi j3
Air
Kekerapan Curah Hujan Rancangan sebarang bangunan hidraulik atau hidrolistrik harus mempertimbangkan informasi yang lengkap tentang curah hujan terbe,u. yung m,rngiin terjadi selama umur bangunan. Hal ini bisa saja berhubungin dengan curah hujan yang mempunyai kesempatan untuk terjadi sekali dalam 5.000 atau 10.000 tahun. Curah hujan seperti ini dapat diperkirakan dari data yang ada dengan menggunakan metode statistik. Informasi seperti ini akan merupakan bantuan yang sangat besar dalam mempelajari variasi dari presipitasi biasa, kekerapan dari curah hujan lebat, aliran tahunan dan sebagainya. Rumus berikut ini u*r*nyu disukai untuk menghitung kekerapan curah hujan meskipun banyak terdapat rumus lain yang tersedia: Rumus Weibull:
F:( '1 ;* 1go adalah
urut,
,?
T:llF:n*l ,m
. . (3.7)
Gambar seperti ini sangat berguna sebab berdasarkan harga-harga yang terbatas dari data curah hujan untuk beberapa tahun, ttrarga curah hujan yang mempunyai masa ulang, katakanlah, I dalam l0'000, dapat
diekstrapolasikan. untuk menggambarkan lengkung tersebut, pertarna-tama data curah hujan yang tersedia ditabulasikan menurut urutan dari kecil ke besar. Harga yang pertama adalah besaran yang terkecil sehingga dapat dikatakan mempunyai nomor urut I (misalnya, m : l), harga yang kedua mempunyai m : 2 dan seterusnya. Letak pengganbaran iitit t
t{
F_UT Sehingga, peluang bahwa hal ini tidak akan terjadi pada suatu tahun tertentu adalah (l - F). Lebih jauh peluang paling tidak satu keja"I, dian yang sama atau melampaui kejadian 7-tahun akan terjadi pada sebarang seri data N tahun diberikan oleh
J:l-(l-f)^,
(3.8)
Seperti contoh yang menjelaskan lebih jauh penggunaan rumus ter-
sebut terdapat pada akhir bab ini.
(3.6)
adalah banyaknya data presipitasi dan F presiadalah persentase dari tahun-tahun yang selama tahun tersebut pitasinya menyamai atau melampaui presipitasi dengan nomor urut ,n. ' t
di mana m
Peluang untuk disamai atau dilampaui jangan sampai dirancukan dengan peluang terjadinya suatu kejadian. Sebagaimana disebutkan di muka, peluang 4 bahwa suatu kejadian dengan masa ulang 7_tahun akan disamai atau dilampaui pada sebarang tahun, adalah
POLA CURAH HUJAN DI INDIA Gambar 3.16 menyajikan isohiet curah hujan rata-ratatahunan di India. Dari sini dapat dilihat bahwa di sana terdapat keragaman besaran curah hujan yang luas pada wilayah-wilayah yang berbeda. Musim hujan yang utama di India berawal dari Juni sampai September yang mana masa musim hujan barat daya dan hujan lebat serta meliputi wilayah yang sangat luas selama jangka waktu tersebut, mencakup daerah-daerah aliran sungai di India yang umumnya menghasilkan permukaan air sungai yang tinggi. Hal ini, walau bagaimanapun dapat dicatat bahwa hqjag pada musim hujan biasanya disertai dengan pergerakan udara yang bersifat mendebarkanpulsatory dan terdapat speels curah hujan berseling reda. Hanya negara-negara bagian India Selatan seperti Tamil Nadu memperoleh keuntungan dari musim hujan yang mundur dalam bentuk curah hujan musim dingin. Wilayah sisanya mendapatkan curah hujan umumnya pada bulan-bular, musim panas. Sejauh bersangkutan dengan koefisien keragaman, sangat tinggi (60 - 70 persen) di wilayah kering (Gurun pasir Thar) Rajasthan . Untuk wilayah-wilayah sisanya, bervariasi antara l5 sampai 35 persen. Hal ini penting diketahui, dengan pola presipitasi pada suatu wilayah, mengingat bahwa hal ini memberikan petunjuk pada sifat-sifat
aliran di wilayah tersebut.
CONTOH ILUSTRASI CONTOH 3.1
Di bawah ini diberikan data curah hujan rata-rata tahunan untuk jangka waktu l95l - 1970, pada suatu daerah aliran sungai. Dengan bantuan penggambaran pada
r 54
Pembangkit Listrik Tenaga
PresiPitasi
Air
55
PENYELESAIAN India Curah hujan tahunan (garis isohiet dengan harga dalam mm)
Harga-harga curah hujan mula-mula ditabulasikan seperti pada Tabel 3. I menurut urutannya dari besar ke kecil, dengan mengabaikan tahun kejadiannya. Lengkung peluang kemudian digambar pada kertas peluang dengan harga-harga ini, seperti disajikan pada Gambar 3.17. Untuk dapat memperkirakan besarnya curah hujan dengan masa ulang I dalam 10.000 tahun, lengkung diperpanjang ke atas (dengan garis lurus). Harga-harga yang berhubungan dengan peluang dilampaui 0,01 persen misal-
nya, suatu masa ulang O,0f
x 1fu = mhm ditandai, yakni sebesar 22tO mm. TABEL 3.1
Urut (m)
No.
Curah hujan rala-rato (mm)
l.
850 1800 I 750 1720 1690 1675 1
2. 3.
Laut Arabia
4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Rata-rata jarak hujan
di India
3.16. Curah hujan
tahunan rata-rata)t ,no,u-
hujan' dengan peluang dilampauinya adakertas peluang, perkiraan besarnya curah lah I dalam 10.000 tahun: Tahun
195 I
t952 1953 1954 1955 1956 1957 1958 1959 1960
L
Curah hujan roto-rato
Tahun
(mm)
Curah hujan rato-rato (mm)
1800
1961
t625
t475
1962
1720
1420
1963
l7 50 1850
1600
t9g
1380 1560 1400 1505
1965 1966 1967 1968 1969
r520
t970
r690
1260 1300 1675 1450 1580 1360
m -xtffi(40) nxI 4,75 9,5 14,25
t625
19,0 23,8 28,s 33,2
1600 1580 1560
42,75 47,5
38,0
11.
1520
52,25
12.
I 505
57,0 6t,75
.
14.
1475 1450
15.
1420
16.
19.
1400 1380 1360 1300
80,75 85,50 90,25
20.
t260
95,0
13.
Gambar
Peluang dilampaui
F=
17. 18.
66,5 71,25
76,0
56
Pembangkit Listrik Tenaga
Air
Presipitosi 57 Al A3
Aa A5
Aa
t
EAn
d
80 km2 80 km2 9() km2
= = = = = =
A2
76km2 30 km2 49 km2 405 km2
Presipitasi rata-rata menjadi
d
Pou =
(B
d 6 d
atau pa,,
-
A1P1+A2P2+...A,Pn
A,
80x6'5+80x8,3+90x9'2+76x ll,8+30x 12,7+49x5,0 405
=
g,7z cm
(q
U P5
12,7 cm
2 5 l0 20
30 40506070
80 -
90
98
99
Probabilitas kelebihan (persentase)
Gambai 3.17.
CONTOH 3,2 Gambar 3.7 menyajikan suatu daerah aliran sungai dengan luas 405 km2 beserta stasiun-stasiun curah hujan yang terpasang. Harga-harga curah-hujan titik yang ditunjukkan oleh masing-masing stasiun curah hujan diterakan. Hitunglah curah hujan tata-rata untuk seluruh daerah aliran sungai dengan menggunakan: (a) Metode rata-rata aritmatik (b) Metode Poligon Theissen (c) Metode isohiet.
Gambar
3.It.
(c) Metode isohiet. Caris-garis isohiet untuk 6 cm, barkan pada Cambar 3.19.
.
dan seterusnya digam-
8,0 cm 9,0 cm 7,0 cm
10,0 cm I 1,0 cm
PENYELESAI,4N (o) Melode rata-rata aritmatik. curah hujan rata-rata adalah sebagai berikut:
P, t Pt * Pr * . .' P6,:_6,5+8,3+9,2+ll'8+12'7+5'0
7 cm
D
or5 12,7 cm
Pq 6,5 cm
n
atau curah hujan rata-rat"
=+I =
8,91 cm'
(b) Metode poligon Theissen Poligon Theissen dibuat seperti disajikan pada Gambar 3.18. Dengan bantuan planimeter atau geometri, luas masing-masing poligon di-
perkirakan sebagai berikut:
I2,0 cm 5,0 cm O
Gambar 3.19.
'58
Pembongkit Listrik Tenago
Air
Presipitasi 59
Luas wilayah yang terukur di antara isohiet-isohiet adalah sebagai berikut:
: : : : = : :
As A1
A2 A3 Aa A5
A5
bar. Hitunglah curah hujan rata-rata pada seluruh daerah aliran sungai dengan: (t) Metode rata-rata aritmatik. (r,) Metode poligon Theissen. (iir) Metode Isohiet.
33,0 km2 55,0 km2 65,0 km2 68,0 km2 62,0 kmz 55,0 km2 43,0 km2 24,0 kmz
20,6 cm
18,7.cm
*
Harga curah hujan rata-rata untuk wilayah -46 dan A7 masing-masing dapat dianggap sebesar 5,6 cm dan 12,3 cm. Sehingga curah 33
hujan rata-ratamenjadi Po,
x 5,6 + 55 x 6,5
3564,9 405
+
65,7 5
--Afo*
AtPt+
14,0 cm
' ' 'A' P'
+ 68 x 8,5 + 62 x 9'5 + 55 x 10,5 + 43 x
ll,5
+ 24
x
21,5 cm
12,1
Gambar 3.20. 8,8 cm 5.
CONTOH 3.3 Suatu banjir dengan besaran tertentu mempunyai masa ulang 25 tahunan. Berapakah peluang dilamfauinya? Berapakah peluang terjadinya banjir tersebut dalam l2 tahun mendatang? Peluang dilampaui P : l/T = l/25 : 0,04 = 4t/o' Peluang bahwa banjir tersebut tidak akan terjadi dalam 12 tahun adalah sebesar
:
atau
(0,96)12
--
0,6125
:
6l,25Vo
Sehingga, peluang bahwa banjir tersebut akan disamai atau dilampaui dalam 12 tahun adalah
J = I - 0,6125:0'3875:38,750/o
PERTANYAAN l.
Apakah yang saudara ketahui tentang presipitasi? Bagaimanakah terjadinya hal tersebut?
2.
J.
4.
7.
Apakah lengkung masa itu? Bagaimanakah cara memperkirakan hujan badai reincana dengan menggunakan lengkung ini? Jelaskan yang dimaksud dengan presipitasi maksimum yang mungkin. Apa yang cukup berarti daripadanya? Apa yang dimaksudkan dengan kekerapan curah hujan dan masa ulang? Berapakah masa ulang suatu banjir yang peluang dilampauinya adalah 6,590? Berapakah peluang terjadinya banjir ini dalam 5 tahun mendatang.
(Jawab 15,4 tahun;
PENYELESAIAN
(l -0,04)12
*
Bagaimanakah cara inengukur curah hujan pada suatu daerah aliran sungai? Sebui dan jelaskan bermacam-macam peralatan yang digunakan untuk keperluan tersebut. Bagaimanakah radar dapat sangat membantu dalam penentuan lokasi hujan badai? Bagaimanakah alat penakar hujan otomatis yang dilengkapi dengan pemancar radio bekerja? bagaimanakah cara saudara memperoleh curah hujan rata-rata pada suatu daerah aliran sungai? Gambar 3.20 menyajikan suatu daerah sungai yang luasnya 100 kmz dengan stasiun-stasiun hujan yang terletak seperti terlihat pada gam-
28,520/o)
Limpasan dan Aliron
Sungai 6l
rah aliran sungai.
BAB
4
LIMPASAN DAN ALIRAN SUNGAI
PROSES LIMPASAN Semenjak hujan mulai jatuh di atas lahan, sebagian akan meresap, sebagian menguap dan sisanya mulai mengalir dalam bentuk lapisan tipis di atas permukaan lahan. Aliran di atas permukaan lahan ini disebut sebagai aliran permukaan. Bagian presipitasi yang meresap mengalir melalui pori-pori tanah; sebagian akan bergabung dengan muka air tanah dan menambah air tanah. Sebagian tertahan dalam tanah dalam bentuk lengas tanah yang berada di atas muka air tanah. Sebagian lengas tanah di atas muka air tanah juga bergerak secara latoral dan bergabung dengan aliran sungai sebelum bergabung dengan muka air tanah. Bagian ini disebut sebagai aliran antara. Muka air tanah itu sendiri mempunyai kelandaian yang sangat kecil, dan pada umumnya aliran air di bawah peringkat kejenuhan ini searah dengan kelandaian tersebut. Hal ini disebut sebagai aliran air tanah. Gambar 4.1 menyajikan aliran permukaan, aliran antara dan aliran air tanah seluruhnya mengarah menuju ke lembah sungai. Ketiga-tiganya secara keseluruhan dapat disebut sebagai limpasan yang berasal dari dae-
Jelas bahwa semua aliran tersebut akan memberikan sumbangannya pada aliran sungai. Limpasan permukaan mulai terjadi segera setelah presipitasi. Aliran antara agak sedikit lambat dan aliran air tanah yang paling lambat. Apabila suatu badai menyebabkan beberapa presipitasi pada suatu wilayah, aliran permukaan dan aliran antara yang dihasilkannya akan mencapai alur sungai dalam hitungan jam, sedangkan tanggapan dari aliran tanah mungkin baru akan terjadi dalam hitungan hari atau bahkan bulan. Sehingga untuk keperluan analisis, aliran permukaan dan aliran antara dapat dikelompokkan bersama. Bagian dari limpasan ini disebut sebagai limpasan langsung, sedangkan aliran air tanah sesuai dengan implikasinya dapat disebut sebagai aliran tidak langsung. Pada sebarang waktu, aliran pada suatu alur sungai dapat saja terdiri dari tiga macam komponen, tetapi aliran langsung akan berhubungan dengan curah hujan yang baru saja terjadi, sedangkan sumbangan dari air tanah merupakan tanggapan yang ter-
tunda, atau, mungkin saja, bahkan tidak mempunyai huburg&r s&: masekali dengan presipitasi yang baru saja terjadi. Kita hampir dapat memastikan bahwa aliran air tanah menuju alur sungai akan berlangsung kurang lebih tidak berubah, bahkan apabila samasekali tidak terjadi presipitasi belum lama ini. Dengan alasan inilah maka hal ini disebut sebagai aliran dasar dalam analisis hidrograf. Gambar 4.2menunjukkan perubahan curah hujan rnenjadi limpasan sebagai suatu sistem. Total presipitasi Ekses
Aliran
I
l,-+l
permukaan
J-r
Aliran di bawah
Aliran
yung
."put
Yang
Lapisan dalam
Aliran air
tertunda
langsung
Abstraksi lain
permukaan
I Aliran antara Aliran antara
I
Aliran melalui daratan
presipitasi Peresapan
tanah
Aliran dasar
Total aliran
Gambar 4.2. Sistem curah hujan-limpasan.
Limpasan dihasilkan dari presipitasi. Hal ini dapat dimengerti, seperti ditunjukkan oleh persamaan pada bab sebelumnya, untuk menganggap bahwa: Gambar
4.1 Aliran
menuju alur sungai.
Presipitasi-Kehilangan: [.impasan Langsung+ A Simpanan
62 Pembangkit
Listrik
Tenoga
Limpasan don Aliron
Air
Di sini kehilangan berarti banyaknya kehilangan lengas karena penguapan, penguap-peluhan dan peresapan yang tidak memberikan sumbangan pada limpasan langsung. Kenyataannya, hal ini akan dapat disalahartikan untuk menyebutnya sebagai kehilangan. Seperti diketahui, kehilangan lengas ini bukan merupakan kehilangan yang tetap untuk pemakaian. lstilah yang lebih baik adalah 'abstraksi'. Sehingga: Presipitasi - Abstraksi : Presipitasi Lebih . . . (4.1) = Limpasan Langsung + Perubahan Simpanan Karena gejala ini mempunyai sifarterulang kembali, apabila persamaan ini diterapkan untuk sepanjang tahun, perubahan simpanan (A,S) umumnya bisa diabaikan'dan kita memperoleh suatu alat penghubung antara presipitasi dengan limpasan langsung. Hampir seluruh limpasan langsung muncul eventually sebagai aliran sungai. Dari sini kita bisa menuliskan: Presipitasi Lebih : Aliran sungai limpasan langsung . . . (4.2)
Sungai
63
dikumpulkan dengan cara pengukur aliran pada suatu stasiun pengukur yang sesuai secara terus-menerus selama beberapa tahun. Semakin panjang jangka waktu pengumpulan data, makin Lesar tingkat keandalan ramalan kita. untuk membuat anggapan yang bisa diterima, jangka waktu pengamatan data harus paling sioitit re]amu 20 tahun. Maksud dari pengukuran sungai adalah memperkirakan besarnya debit pada alur sungai. Hal ini dapat dicapai dengan cara mengukur kecepatan titik pada beberapa titik yang dipilih pada sejumlah irisanirisan tegak yang berjarak sama satu sama lain ieperti misalnya a c, b - b dan seterusnya seperti disajikan pada Gamb ar 4.3. Umumnya untuk kecepatan rata-ratapada satu irisan, diukur kecepatan pada0,2 (kedalaman) dan pada 0,8 (kedalaman) dan rata-rata aritmitik dari harga-harga ini diambil sebagai kecepatan rata-ratapada penampang tersebut. Debit total diperoleh dari
Q
:
D (luas irisan)
x
V,, pada penampang
(4.3)
Persamaan tersebut adalah dalam satuan volume dan tidak menunjukkan pada kita sebaran dari limpasannya menurut waktu.
ANALISIS ALIRAN SUNGAI Sungai-sungai disebut pe renniol yang berarti alirannya terdapat sepanjang tahun atatintermittent, yang berarti alirannya hanya ada selama sebagian dari tahun. Di samping itu, kita dapat mengenali suatu sungai pada wilayah kering, yang mengalir hanya untuk beberapa jam saja setelah terjadinya hujan. lni disebut sebagai sungai ephemeral. Untuk pengembangan tenaga, sungai perennial adalal yang terbaik, meskipun tenaga bisa saja dibangkitkan dari sungai'intermittent dengan menyediakan fasilitas penampungan yang cukup memadai. Sungai
ephemeral, umumnya dapat ditemui di wilayah kering tidak berguna
untuk pembangkitan tenaga air secara konvensional. Akan tetapi sungai-sungai jenis ini kadang-kadang masih dapat digunakan untuk sistem-sistem simpanan-pompa yang murni, di mana pemakaian air sebenarnya hanya dalam batas marginal. Dalam uraian berikut ini, kita terutama akan membahas sungai yang perennial. Analisis dari sebarang aliran sungai hanya dapat dilakukan setelah data aliran di sungai tersebut dikumpulkan.
Data Aliran Sungai Dalam rangka untuk menarik kesimpulan yang berarti tentang aliran sungai, pengamatan data aliran mutlak diperlukan. Data ini dapat rDi
T
mana hal
ini tidak selalu benar'
Gambar
4.3.
Pengukuran kecepatan pada suatu alur sungai.
Luds irisan c- c akan berhubungan dengan bagian yang diarsir se_ perti disajikan pada gambar. Garis putus-putus berjarak sama masingmasing antara b-b dan c-c dan c-c dan d-d. pengukuran kecepatan dikerjakan dengan menggunakan current meter yang tersedia di pasaran. Current meter ini digantung dengan tali kawat yang dijuIurkan dari kabel yang terentang (dari tanggul ke tanggul) atau langsung dari sebuah perahu. Pengukuran seperti ini umumnya dilakukan sekali sehari. Sehing_ ga debit yang diperoleh dianggap sebagai harga rata-rata untuk hari itu. Pencatatan debit rara-rata harian menghasilkan data aliran harian. Apabila catatan pengukuran yang seperti ini tidak tersedia, digunakan untuk memperkirakan debit dengan menggunakan persamaan Manning untuk alur sungai, sebagai berikut:
64
Pembongkit Listrik Tenogo Air
Q:A(Ln"'s"') di mana Q A n
R
s P
= = = = = =
Limposan dan Aliron
HIDROGRAF
. . .(4.4)
debit luas penampang melintang aliran koefisien kekasaran alur
jari-jari hidrolis = A/P kelandaian energi
keliling basah.
Ketelitian dari perkiraan semacam ini tergantung pada ketepatan penentuan harga-harga n dan S, mengingat luas dan keliling sebenarnya dapat diukur. n bervariasi dari 0,02 sampai 0,05 untuk sungaisungai alamiah, sedangkan S, kelandaian energi, meskipun sangat mendekati kelandaian dasar sungai, harus diperhitungkan secara ter-
Suatu hidrograf adalah suatu lengkung debit - waktu dari aliran. Debit digambarkan pada sumbu-Ydan waktu yang bersangkutan digambarkan pada sumbu-X. Untuk analisis banjir, waktu tersebut dapat digambarkan dalam hari mengingat banjir dapat berlangsung hanya selama beberapa hari. Di lain pihak, jika variasi rata-rata dari bulan ke bulan dipelajari, kita bisa menggambarkan waktu ini dalam bulan. Gambar 4.4(a) menyajikan suatu variasi bulanan untuk dua sungu perennial. Dapat dilihat bahwa aliran sangat rendah selama bulanbulan musim panas dan cukup tinggi pada musim hujan pada kasus sungai-sung ai perennial.
sendiri, apabila alirannya tidak seragam.' Data aliran sungai dapat dipergunakan untuk mempelajari sifat-sifat yang berarti dari aliran sungai di satu pihak, dan untuk mengembangkan hubungan antara aliran dengan curah hujan di lain pihak. Di antara sifat-sifat yang berarti dari aliran sungai, kita ingin mengetahui debit maksimum dan minimum untuk bisa diantisipasi selama umur proyek tenaga, variasi debit musiman dan bulanan, volume total ketersediaan air pada suatu musim atau pada suatu tahun dan tingkat
keandalannya.
I
I t
Hidrauliko.
L
t
'Aliran Saluran Terbuka' dalam sebarang buku acuan tentang
6000 I
I t
(B
!d
I
5(m
I
t
t
titl
ilno
o.
t I t
zooo =6 d
*
6 d
\
Juli
Waktu dalam bulan
--
d,
I
I
99
eg (!
I
t
April
d-v
t
!
-E
va o I
,
Jan.
\ t
I
I
(,
4ooo
I
I t
'
6
,q
€
I
Analisis untuk debit maksimum dan debit minimum masing-masing diketahui sebagai analisis banjir dan analisis aliran rendah. Pada analisis ini kepentingan kita tidak hanya untuk mengetahui harga-harga ekstrem (banjir tertinggi yang mungkin atau aliran terendahyalg mungkin) tetapi jugajujuh sebenarnya dari keadaan seperti ini dan variasi urutan kejadian sebenarnya dari hari ke hari agar bisa diantisipasi. Pada perkiraan limpasan secara volumetri, urutan kejadian sebenarnya dari limpasan adalah kepentingan kedua, tetapi tingkat keandalan dari suatu perkiraan seperti ini harus dianalisis. Hal ini bisa disebut sebagai analisis limpasan.
+Mengacu pada bab tentang
f,r
r
Penyajian Secara Grafis - Aliran Sungai Dati aliran sungai umumnya tersedia dalam bentuk tabel atau dalam bentuk rekaman bersandi. Pada saat dilakukan analisis, hal ini pertama-tama disajikan secara grafis, dan untuk itu dipakai berbagai jenis penggambaran. Hal ini dibahas sebagai berikut.
Sungai 6j
Okt.
Des.
-
Gambar 4.4(a). Debit bulanan untuk sungai-sungai perennial.
Gambar 4.4(b) menyajikan suatu hidrograf banjir yang merupakan hasil dari badai yang baru saja terjadi. Di sini waktu digambarkan
66
Pembangkit Listrik Tenago
Limpason don Aliran Sungai
Air
F dalam jam atau hari, ter0. A jujuh gantung pada banjirkl nya. Badai ditunjukkan .:l EI oleh hietograf yang mulai gt jam pada ke nol berlangsung selama beberapa jam. t Hal ini menghasilkan kec(, pada naikan yang melaju q, o aliran sungai yang mencaE J pai harga puncaknya di B, sebentar setelah badai berlalu dan banjir kemudian Waktu (iam; * surut secara berangsurGambar 4.4(b). Hidrograf. angsur. Perlu dicatat bahputus-putus /C wa garis menunjukkan garis pembagi limpasan langsung dan aliran dasar' Bagaimana cara penggambaran garis ini dibahas kemudian. Luas di bawah lengkung ABCD akan memberikan volume banjir total"AB disebut bagian menaik dan BCD adalah bagian menurun atau menyusut dari hidrograf. Debit di B berhubungan dengan harga puncak banjir. Pada sungai-sungai sebenarnya, banjir yang tercatat tidak selalu berupa lengkung-lengkung yang mulus berpuncak tunggal seperti disajikan pada Gambar 4.4(b), tetapi bisa saja terdiri dari puncak-puncak ganda dan kinks karena pengaruh gabungan dari kerumitan badai atau keanehan daerah aliran sungainya. Gambar 4.4(c) menyajikan hidrog)
6j
raf seperti itu. Untuk analisis banjir hidrograf dengan puncak tunggal lebih disenangi daripada hidrograf yang rumit seperti itu. Suatu hidrograf yang rumit, walau bagaimanapun, dapat diuraikan menjadi beberapa hidrograf yang sederhana dengan menggambarkan garisgaris menurun secara hipotetik seperti disajikan pada Gambar 4.4(c) berupa garis putus-putus. Dimungkinkan pula untuk membuat garisgaris seperti ini, mengingat bahwa untuk sebarang sungai, pola umum dari garis menurun ini kurang lebih sama. LENGKUNG MASA Lengkung masa limpasan adalah metode lain dari penyajian aliran sungai secara grafis. Sedangkan hidrografadalah lengkung debit - waktu, lengkung masa adalah lengkung volume aliran kumulatif - waktu. Ordinat lengkung masa Zpada setiap saat Tdapat diperoleh dari
v:.lb a,
(4.5)
Ruas kanan dari persa-
maan tersebut mewakili
hid- t ,=o sampai I
luas bidang di bawah
rograf dari
/:
7. Sehingga dimungkin- E kan untuk memperoleh e
lengkung masa dari hidrogiaf din sebaliknya.
Mudah dilihat bahwa kelandaian dari lengkung ma-
4 E
I
sa pada setiap titik menunWaktu+ jukkan laju dari aliran masuk pada saat itu (lihat Gambar 4.5. Lengkr:ng masa. Gambar 4.5). Mengingat bahwa debit kapan pun tidak mungkin negatif, lengkung masa limpasan akan selalu merupakan lengkung yang menaik atau mendatar
1
ketika aliran masuk (limpasan) menurun. Lengkung masa adalah suatu sarana yang berguna untuk menghitung kapasitas penampungan wacluk atau volume air yang bisa diandalkan dari suatu waduk dengan
g d
l:
kapasitas tertentu. Waktu
-.+
Gambar 4.4(c). Hidrograf banjir rumit.
\
Perkiraan Kapasitas Penampungan Waduk Untuk memperkirakan kapasitas penampungan suatu waduk, mularnula digambar lengkung masa aliran masuk. Dari laju kebutuhan yang
68 Pembangkit Listrik Tenaga Air
Limposon dan Aliran
diperlukan, kelandaian dari garis kebutuhan diketahui. Sekarang dari puncak-puncaknya ata:u opexes, seperti misalnya P, Qpada Gambar 4.6 dari lengkung masa, garis singgung PA, QB digambar sedemikian rupa sehingga sejajar terhadap garis kebutuhan. Ordinat tegak yang maksimum di antara lengkung masa dan garis kebutuhan, memberikan kapasitas penampungan waduk yang dapat dipenuhi. Pada Gambar
4.6, ab adalah ordinat tegak yang terbesar di antara ob, cd dan ef, dan dari sini didapatkan harga kapasitas penampungan yang diperlukan. P,A,Q,B dianggap merupakan titik-titik di mana waduk dalam keadaan penuh. Sekarang mulai dari titik-titik P sepanjang lengkung masa, akan dapat dilihat bahwa kekurangan meningkat secara berangsur-angsur bila dibandingkan dengan aliran masuk dan menjadi maksimum ( = ab) di titik b. Sesudah titik ini kesenjangan di antara lengkung masa dan lengkung kebutuhan (yang merupakan garis lurus pada kasus ini) berkurang dan menjadi nol di titik,4 yang lagilagi menunjukkan titik waduk dalam keadaan penuh. Sehingga, pada dan sesudah titik,4, sampai dengan Q, waduk penuh dan aliran masuk sebarang yang lebih besar dari kebutuhan akan dilimpahkan. Jika lengkung kebutuhan bukan merupakan garis lurus, ini menunjukkan kebutuhan yang tidak seragam. Pada kasus seperti ini, penyelesaian secara numerik akan lebih menyenangkan.
Sungai
69
simum (ordinat) dari sebarang garis singgung lengkung masa tidak melampaui kapasitas waduk yang ada. Sehingga keland6ian dari garisgaris ini (garis-garis singgung) memberikan hasil yang aman untuk jangka waktu tersebut. Garis kelandaian yang paling datar menunjukkan hasil pasti yang dapat diandalkan. Untuk mengukur kelandaian tersebut, garis kebutuhan mempunyai laju yang berbeda-beda (dan dari sini, kelandaian yang berbeda) digambarkan pada grafik yang sama seperti yang disajikan pada Gambar 4.7. Kelandaian dari garis singgung ini, kemudian dapat disatukan atau dibandingkan dengan sebarang kelandaian dari sebarang garis dan diinterpolasikan. Contohcontoh sebagai gambaran telah dikerjakan pada bagian akhir dari bab ini untuk lebih memperjelas tata cara ini.
o o 6
llo .tr 6 (!
Pengisian kembali waduk
/Limpahan
o o
6
J: o
'-t+
Pengosongan
E
d
N
,Y/
Tahun
.fl
d -.\, ,9 Limpahan
Gambar
maks.
t97t Tahun
+
1972
1973
(iambar 4.6. Kapasitas waduk untuk lengkung masa.
Hesil dari Wsduk Untuk menentukan hasil dari waduk dengan kapasitas tertentu, garisgaris singgung digambar dari puncak-puncak atau apexes seperti misalnya P, O (Gambar 4.71sedemikian rupa sehingga jarak tegak mak-
t
Hasil waduk dari lengkung masa.
LENGKUNG JUJUH ALIRAN kemiringan
1970
4.7.
-+
Masih ada cara lain penyajian limpasan secara grafis yaitu berupa lengkung jujuh aliran. Tidak seperti lengkungJengkung lainnya, jujuh aliran, yang menghubungkan laju aliran dengan jujuhnya, samasekali tidak memberikan informasi yang menyangkut urutan kejadian aliran. Lengkung ini mempunyai debit yang digambarkan pada sumbu-Ydan persentase jujuh waktu untuk mana besaran tersebut (atau yang melebihi) tersedia digambarkan pada sumbu-X. Lengkung jujuh - aliran akan terlihat seperti pada Gambar 4.8. Debit Q, atau lebih akan tersedia untuk p persen waktu dari keseluruhan jangka waktu data. Sehingga Qmin = Orm akan merupakan debit yang tersedia untuk 100
'70
Pembonekit Listrik Tenaga
Air
Limposan dan Aliran
persen waktu. Sungai perennial akan menunjukkan harga Qwyang tak terhingga, sedangkan sungai intermittent akan menunjukkan ordinat nol di antara p = 50 sampai p : 100, seperti yang terlihat pada
Gambar 4.8. Lengkung jujuh aliran tidak berguna jika urutan waktu ke-
jadian dari alirannya yang diperlukan seperti misalnya pada studi tentang banjir. Pada
Aliran sebentar-sebentar
Sungai 7l
HUBUNGAN CURAH HUJAN-LIMPASAN Data aliran sungai yang teramati dapat dianalisis dengan sarana seperti hidrograf atau lengkung jujuh aliran. Tetapi untuk meramalkan limpasan atau aliran sungai yang berhubungan dengan sebarang presipitasi tidaklah mrrngkin hanya dengan melihat pada data limpasan saja. Apa yang kita perlukan ialah mengembangkan suatu hubungan antara curah hujan dengan limpasannya. Adalah merupakan suatu ke-
I
Aliran tetap kasus seperti ini hidrograf- ({ \\ hidrograf perlu digambarkan. o \\ Dengan kata lain, jika kita 5 berkepentingan untuk mendal. patkan informasi tentang = Q Menit debit-debit yang akan terse25p5075 dia, katakanlah 50 persen atau Persentase waktu Eo 75 persen atau 100 persen Gambar 4.E. Lengkung jujuh aliran untuk waktu (mengabaikan pada basungai. gian tahun yang mana mereka tersedia) lengkung jujuh aliran menjadi sesuai. Lengkung jujuh aliran digunakan untuk menghitung tingkat keandalan debit. Jika kita mendapatkan bahwa debit sebesar 100 m3ldetik mempunyai tingkat keandalan 75 persen." Jika debit rata-rataharian diambil untuk penggambaran lengkung jujuh debit, kita akan memperoleh lengkung yang tergambar secara lebih teliti dengan bantuan 365 titik yang berhubungan dengan ba' nyaknya hari dalam satu tahun. Walau bagaimanapun, kita hanya mengambil debit rata-rata untuk tiap bulan, kemudian lengkung yang dihasilkan akan mendekati, tetapi lebih mudah untuk digambar, mengingat ini hanya akan menyangkut 12 titik untuk setiap sebarang tahun tunggal. Suatu studi perbandingan dari lengkung jujuh aliran yang digambarkan berdasarkanrata-rata harian dan rata-rata bulanan menunjukkan bahwa barangkali terdapat kesalahan yang berkisar dari l0 sarnpai l5 persen dalam memperkirakan laju aliran minimum dan maksimum seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.9.Dalam menggunakan lengkung jujuh aliran yang digambarkan berdasarkan data bulanan, kenyataan ini harus selalu diingat. Lengkung jujuh aliran umumnya digunakan untuk menghitung tenaga yang dapat diandalkan pada pembangkit mi,nihidro dengan atau tanpa penampungan. Lengkung jujuh aliran, pembuatan dan penerapannya lebih jauh dibahas selanjutnya pada Bab 6 tentang 'Pembangkit dengan Tinggi Tekanan Rendah'. (B
Rata-rata limpasan harian
t
\\\
d d
Rata-rata limpasan bulanan
CI
E
J
o
25 50 75
Pcrsentase
Gambar
4.9.
waktu 9o
100
+
Variasi lengkung jujuh aliran
nyataan bahwa hubungan antara curah hujan dengan limpasan me,rupakan tema pokok dari hidrologi air permukaan. Mengingatkan kembali pembahasan kita pada bab sebelumnya, limpasan dapat ditinjau sebagai suatu tanggapan keluaran dari daerah aliran sungai sebagai suatu sistem terhadap presipitasi sebagai suatu masukan. Dari sini jelaslah bahwa limpasan akan tergantung pada sifat-sifat masukannya serta pada sifat-sifat daerah aliran sungainya. Hal ini dibahas secara luas di bawah ini:
FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI LIMPASAN Berbagai faktor yang mempengaruhi laju limpasan dan besarannya dapat disebutkan di bawah empat golongan besar sebagai berikut: (l) Sifat-sifat presipitasi, (2) Sifat-sifat meteorologi, (3) Sifat-sifat daerah aliran sungainya, (4) Sifat-sifat penampungannya.
Sifat-sifat Presipitasi Sifat-sifat presipitasi mencakup jenis atau perilaku badai, intensitasnya, liputan dan jujuhnya. Variasi intensitas badai menurut tempat serta waktunya juga penting. Hujan dengan intensitas yang lebih besar menghasilkan limpasan yang lebih besar untuk volume presipitasi total yang sama. Hal demikian ini, disebabkan waktu badai yang
r 72
Limpasan don Aliran
Pembongkit Listrik Tenaga Air
lebih singkat menurunkan abstraksi-abstraksi seperti misalnya penguapan dan peresapan. Badai yang menghasilkan hujan gerimis tetapi berlangsung lebih lama, sebagai lawannya, menghasilkan limpasan yang
relatif lebih sedikit. Jika satu badai datang hampir bersamaan dengan badai lainnya, badai yang kedua menghasilkan limpasan yang relatif lebih b6sar. Hal ini'disebabkan oleh kenyataan bahwa telah ada kejenuhan yang cukup pada tanah, kehilangan karena peresapan sangat berkurang pada badai yang kedua. Status tanah ini disebut sebagai kondisi presipitasi anteseden. Badai salju menghasilkan limpasan bersamaan dengan melelehnya salju. Limpasan seperti ini mempunyai sifat-sifat yang sangat berbeda. Sifat-sifat Meteorologi Faktor-faktor meteorologi seperti suhu, lembap, angin, variasi tekanan, dan sebagainya menghasilkan peng.uuh yang cukup berarti pada limpasan. Suhu yang lebih tinggi dan kecepatan angin membantu penguapan. Kelembapan, di pihak lain, mengurangi penguapan. Pemeluhan juga meningkatkan faktor-faktor ini. Angin yang membawa serta lengas udara dan menggantikannya dengan udara segar yang kering membantu berlangsungnya penguapan. Sebaran tekanan di atmosfer membantu pergerakan badai. Jika badai mengikuti arah aliran sungai, laju limpasan lebih besar. Di lain pihak, jika badai bergerak pada arah yang berlawanan, hasilnya adalah banjir yang relatif sedang. tr
Sifat-sifat Daerah Aliran
Sungai
Sungai
73
rah aliran sungai yang berbentuk bulu kasusnya menjadi sebaliknya. Pada kenyataannya, bentuk hidrograf aliran dari sebarang daerah aliran sungai tergantung pada banyaknya peubah seperti waktu tempuh air melalui daerah aliran sungai, di samping sifat-sifat bentuk ddn tampungan dari daerah aliran sungai. Waktu tempuh pada gilirannya tergantung pada kecepatan aliran rata-rata, akan tetapi dapat diperkirakan secara kasar sebanding dengan jaraknya terhadap titik yang ditinjau dari titik aliran keluar. Khususnya, waktu tempuh dari titik terjauh dari daerah aliran sungai sampai dengan titik aliran keluar disebut sebagai waktu konsentrasi. Ini adalah suatu peubah yang sangat berarti dan ini sangat jelas bahwa hanya badai yang mempunyai jujuh lebih besar dari waktu konsentrasinya yang akan mampu menghasilkan limpasan dari seluruh daerah aliran sungainya. Hal ini sama jelasnya bahwa hanya badai seperti ini yang akan menghasilkan ban-
jir
besar.
Anak sungai Aliran sedang Batas tumpahan
at
\
Sifat-sifat daerah aliran sungai meliputi ukuran bentuk, permukaanorientasi ketinggian, topografi dan geologi dari daerah aliran sungai. Makin besar daerah aliran sungainya, makin besar pula limpasan totalnya. Namun diketahui pula bahwa intensitas limpasan maksimum tidak meningkat secara linear mengikuti ukuran daerah aliran sungai. Daerah aliran sungai yang lebih besar memperkenalkan suatu pengaruh penampungan dan mempunyai pengaruh yang cukupan pada banjir. Benar pula bahwa untuk daerah aliran sungai yang lebih besar, sangatlah jarang secara efektif meliputi seluruh daerah aliran sungai. Sehingga pada sebarang waktu hanya sebagian dari daerah aliran sungai menyambung pada aliran. Hal ini juga memperkenalkan pengaruh ukuran pada harga puncak banjir. Bentuk daerah aliran sungai mempengaruhi limpasan. Daerah aliran sungai yang berbentuk kipas menghasilkan intensitas banjir yang lebih besar dibandingkan dengan daerah aliran sungai yang berbentuk bulu (Gambar 4.10). Hal ini disebabkan karena pada jenis yang terdahulu, semua anak sungai mempunyai panjang yang sebanding dan limpasan mencapai outlet hampir secara serentak. Dengan dae-
rpas
(a) Bentuk kipas
Gambar
4.10.
(b) Bentuk daun pakis
Bentuk daerah aliran sungai.
Apresiasi yang lebih baik terhadap benruk hidrograf dapat diperoleh dengan cara menggambarkan isokron (yakni garis-garis yang menghubungkan titik-titik yang mempunyai waktu tempuh yang sama) dan menggambar diagram waktu - luas yang menunjukkan pcrtambahan luas yang rnrulai memberikan sumbangannya pada limpasan dengan selang waktunya. Permukaan daerah aliran sungai juga mempunyai pengaruh yang bcrarti pada limpasan. Permukaan yang terbuka memberikan limpasan yang lebih banyak, sedangkan permukaan berumput atau yang ditanarni memberikan limpasan yang lebih sedikit, mengingat bahwa tangkrrpan yang disebabkan oleh adanya tanaman akan lebih besar seperti pada kasus yang disebutkan kemudian. Permukaan yang diaspal,
r '74
Pembongkit Listrik Tenago
Air
seperti perkotaan menghasilkan limpasan yang lebih besar. Jika daerah aliran sungai terletak pada daerah pegunungan, ia akan menerima presipitasi lebih besar dan dengan sendirinya memberikan limpasan yang lebih besar. Jika terletak pada daerah bayangan hujan, ia akan menerima presipitasi yang lebih sedikit dan dengan demikian limpasannya juga akan lebih sedikit. Serupa dengan hal tersebut, daerah aliran sungai yang terletak pada elevasi yang lebih tinggi menerima presipitasi yang lebih besar dan memperoleh limpasan yang
lebih besar. Secara topografis, daerah aliran sungai yang kelandaiannya curam menghasilkan limpasan yang lebih besar. Kelandaian yang curam membantu penyaluran lebih cepat, dan karena tidak ada tampungan cekungan menyebabkan berkurangnya kesempatan terjadinya penguapan dan peresapan. Sebaliknya, suatu lahan yang bergelombang mempunyai penahanan yang lebih besar terhadap aliran, dan menyebabkan terjadinya tampungan cekungan yang luar biasa. Lahan yang se-
perti ini menghasilkan limpasan yang lebih sedikit. Geologi daerah aliran sungai juga merupakan faktor yang sangat baik (pertinent). Tanah yang berpasir menyebabkan terjadinya laju peresapan yang lebih besar, sedangkan tanah liat atau hard pans tidak membolehkan air untuk menembus melaluinya. Hal yang dapat ditembus lapisan geologi, dengan demikian mengendalikan laju abstraksi yang berarti juga limpasan. Permukaan batuan yang tidak bercelah (unfissured) mengubah hampir semua presipitasi menjadi limpasan. Lapisan batuan juga menjadi batas kedap air apabila menyangkut aliran
bawah tanah, dan di banyak tempat mengubah aliran bawah tanaL menjadi mata air yang menyumbang pada aliran air permukaan.
Sifat-sifat Tampungan Kita menyebutkan pada paragraf terdahulu bahwa hidrograf limpasan tergantung pada sifat-sifat tampungan dari daerah aliran sungainya. Dari presipitasi total yang jatuh pada daerah aliran sungai, sebagian daripadanya disimpan di wilayah tersebut dan tidak akan muncul segera sebagai limpasan pada titik aliran keluar. Ia akan dilepaskan sedikit demi sedikit sesudahnya dalam bentuk limpasan yang tertunda. Sehingga mungkin saja di sana terdapat banyak cekungan, kolam-kolam atau danau-danau, yang menerima bagian dari presipitasi dan menahannya secara sementara atau tetap. Ini disebut sebagai tampungan cekungan. Pada waktu tinggi permukaan air di jaringan alur sungai meningkat seiring dengan meningkatnya aliran, sejumlah air secara otomatis tersimpan di tampungan alur tambahan yang terpakai oleh air. Ini disebut sebagai tampungan alur. Tampungan alur dan tampungan cekungan bersama-sama membentuk tampungan lem-
Limpason dan Aliran
Sungai
75
bah. Misalnya, secara umum diketahui bahwa pembuatan bendungan pemeriksaan (check dams) di jurang-jurang dan alur-alur kecil mengurangi debit banjir maksimum. Pembangunan waduk besar pada suatu alur sungai dapat mempengaruhi besarnya skala banjir menjadi cukup besar disebabkan oleh pengaruh tampungannya.
PERKIRAAN LIMPASAN Perkiraan limpasan dari suatu daerah aliran sungai merupakan masalah yang sangat rumit. Kita umumnya memerlukan tiga macam informasi yang menyangkut statistik limpasan, yakni: (l) Limpasan tahunan, musiman atau bulanan. (lr) Aliran rendah ekstrem. (ilr) Limpasan banjir. Yang pertama berguna untuk memberikan gambaran secara umum tentang sumberdaya air dan untuk keperluan perencanaan pengembangan serta pemanfaatannya. Juga berguna untuk merencanakan pengaturan operasi waduk pada sungai. Perkiraan yang kedua dan ketiga untuk menentukan suatu keadaan ekstrem yang mungkin diharapkan akan terjadi selama umur proyek, apakah itu merupakan suatu kejadian banjir tinggi atau aliran rendah. Meskipun pada dasarnya ketiga perkiraan tersebut dapat dikelompokkan sebagai perkiraan limpasan secara umum, pembahasannya akan dilakukan secara terpisah. Kita akan menekankan hal lain di sini. Limpasan adalah keluaran dari sistem daerah aliran sungai, dan ini merupakan suatu proses stokastik. Dengan delnikian, perkiraan limpasan mestinya harus dilakukan dalam bentuk peluang terjadinya. Walau bagaimanapun, untuk penyederhanaannya, seringkali ramalan limpasan dibuat dengan bantuan rumus deterministik. Sedangkan untuk menggunakan rumus deterministik, seseorang harus mengingat latar-belakang ini.
METODE PERKIRAAN LIMPASAN Terdapat dua macam perbedaan pendekatan untuk perkiraan limpas-
an, yakni: (l) Menganalisis data limpasan yang tersedia untuk mengetahui sifatsifat statistiknya. Pada kasus ini, data limpasan tidak perlu dikorelasikan dengan curah hujan dan peubah hidrologi lain. rah hujan dan peubah hidrologi yang lain. (ir) Menurunkan hubungan antara presipitasi dan limpasan. Hal ini lebih dikenal sebagai hubungan antara curah hujan-limpasan. Pada pendekatan ini, limpasan dapat diperkirakan sesuai dengan sebarang presipitasi jika hubungannya dapat diturunkan. Untuk menurunkan suatu korelasi, diperlukan kedua data presipitasi dan limpasan.
76
Pembangkit Listrik Tenago
Limpasan don Aliran
Air
Kedua pendekatan tersebut dibahas berikut ini: Berbagai studi tentang sebaran kekerapan limpasan dari sungaisungai pada berbagai bagian dunia telah tersedia pada perpustakaan. Secara umum dapat disimpulkan bahwa sebaran kekerapan untuk seri data limpasan tahunan melencong (skewed) positif. Kelencongan ini akan lebih terlihat jika seri data bulanan yang ditinjau. Secara statistik dikatakan, harga tengah dari data ini, dengan demikian lebih berarti daripada harga rata-ratanya. Alexander telah menyarankan bah-
(l) sesuai untuk sebaran melencong. Di lain pihak, transformasi logaritmis dari harga-harga limpasan cenderung menormalisasikan data dan seringkali juga digunakan. Kesulitan utama pada penggunaan tata cara ini ialah bahwa data limpasan dengan jujuh yang cukup panjang tidak mudah tersedia. Pada kasus ini, perpanjangan data dengan menggunakan bermacam-macam model matematik memang perlu. Kerugian utama dari analisis kekerapan ini ialah bahwa sepenuhnya tanpa semua pengertian fisik dari proses limpasan. Dengan demikian, biasanya analisis curah hujan-limpasan (bersama) digunakan untuk perkiraan limpasan. wa penggunaan sebaran gamma
Curah Hujan - Limpasan: Pendekatan Historis Memperkirakan limpasan dari curah hujan merupakan suatu masalah yang telah ditangani oleh para ahli teknik.di masa awal pengetahuan tentang hidrologi, dengan cara mengembangkan korelasi empryx dan dengan cara menurunkan rumus, lengkung-lengkung dan tabeltabel yang siap pakai untuk berbagai tujuan perancangan dan perencanaan. Rumus/lengkung/tabel seperti ini mempunyai keterbatasan kesahihan untuk masing-masing wilayah; tetapi mereka memenuhi tujuan penggunaan dan boleh jadi mempunyai berbagai relevansi bahkan sampai hari ini digunakan untuk berbagai lingkungan khusus. Rumus sederhana yang termasuk kelompok ini adalah: 4
...(4.6)
di mana R, P dan K masing-masing adalah limpasan, presipitasi (keduanya dalam cm) dan suatu koefisien r( seringkali disebut sebagai koefisien aliran. Yang disebut 'rumus rasional' yakni
R:KAP
(4.7)
hanya merupakan penyesuaian hubungan linear pada persamaan (4.6) dengan hanya perbedaan bahwa R sekarang adalah dalam satuan volume mengingat A; luas daerah aliran sungai juga dimasukkan dalam
rumus ini.
77
Di samping kenyataan bahwa sebenarnya hubungan curah hujan limpasan adalah nonlinear dan juga nondeterministik (yang berarti bahwa
Sebaran Kekerapan Limpasan
R:KP
Sungai
r( bukan merupakan suatu koefisien yang konstan), rumus ini dipakai cukup meluas bahkan sampai saat ini. Harga K dapat serendah 0,05 atau bahkan setinggi 0,8. Misalnya, di lokasi bendungan Kariba di Sungai Zambezi, pada limpasan minimum yang tercatat sebesar 20,9 x lOe m3, harga K hanya sebesar 0,05 tetapi meningkat (membuktikan apa yang telah kita nyatakan di atas) menjadi 0,16 untuk limpasan sebesar 92,2 x lOe m3, yakni limpasan maksimum yang tercatat. Sebagai catatan, di bawah ini diberikan beberapa rumus empiris dengan pendekatan yang sama, dengan persamaan (4.6) tersebut di atas. Rumus-rumus ini telah diturunkan untuk dipakai di wilayah yang terbatas:
(i) Inglis-De Souza (untuk Peninsulor India):
.:
?t':;;;:'' rl 254
(4.8)
(ii) Locey (untuk datarun Indo-Gangetic ):
R-
P
I _! 304,8r', PS
. (4.e)
di mana F adalah taktor jujuh musim hujan yang berkisar antara 0,5 sampai 1,5 dan S adalah faktor daerah aliran sungai yang tergantung pada kelandaian dan bervariasi pada kisaran antara 0,25 untuk lahan yang datar sampai 3,5 untuk wilayah berbukit. (iii) Rumus Rihand (untuk Daerah Aliran Sungai Rihand, India): R : P - l,l7 Po'to . . . (4.10) (iv) Yamuna di Delhi (India): R : 0, 14 Pt,l . . . (4.11) (v) Tabel harga K dori Barlow: Barlow memberikan suatu tabel untuk mendapatkan harga K yang tepat tergantung pada jenis hujan dan daerah aliran sungainya. Hargaharga tersebut dianggap dapat diterapkan untuk keadaan di India. (v) Lengkung-lengkung Tabel-tabel Strange: Strange, berdasarkan pengamatan empirisnya di India, mengemukakan bahwa derajat kebasahan daerah aliran sungainya pada keadaan awal adalah merupakan suatu peubah dan mengusulkan lengkung-lengkung menurut jenisnya seperti ditunjukkan pada Gambar 4.ll.Ia juga menyiapkan
r 78
Pembangkit Listrik Tenaga
Limpasan don Aliran Sungai 19
Air
sebarang, jika tidak sama dengan nol, akan mempunyai harga yang relatif kecil dibandingkan dengan 46. Harga Ab rata-rata terutama
TABEL 4.1 Jenis Daerah Aliron Sungai
Hujan
Hujan
LIu.jan
Cerirnis
Sedang
Lebat
0,07 0,08 0,08
0, 0,
0,08 0,08
akan tergantung pada suhu rata-rata yang dominan pada jangka waktu tersebut. Berdasarkan pengertian ini, Khosla mengembangkan hubungan tiga parameter sebagai berikut, umumnya sesuai untuk diterapkan
Datar, ditanami dengan tanah blq(k cotlon Datar, sebagian ditanami tanah beragam Rata-rata
l0
0,r5
l5
0,20
0,22s 0,32
0,35 0,45
0,595 0,81
di India Utara:
R:P-*
Berbukit dan bergelombang dengan sedikit tanaman Sangat berbukit dan curam
tabel-tabel acuan yang siap pakai. Hal yang perlu dicatat dari lengkung-lengkung strange ini ialah bahwa ia kelihatannya telah mempertimbangkan sifat-sifat non linear dari hubungan ini. Persamaan Hidrologi Curah Hujan - Limpasan Hubungan yang umum antara curah hujan dan limpasan dapat di-
nyatakan sebagai:
R:P-AS-Ab
. (4.12)
di sini R dan P mempunyai notasi yang sama seperti di atas, AS adalah perubahan simpanan di daerah aliran sungai selama jangka "Vhktu yang ditinjau dan A6 menunjukkan abstraksi total karena penguapan dan penguap-peluhan. Pada waktu rumus di atas diterapkan untuk memperkiratun-ti*pasan tahunanrata-rata, AS dapat diabaikan sebab harganya akan menjadi nol untuk jangka waktu yang cukup panjang. Pada laju AS Basah Rata-rata
/
t
'l I
I Kondisi I tangkapan
,Kerine)
I 6
.!
e
rata dalam derajat Celsius. Dalam memperkirakan limpasan bulanan dari curah hujan bulanan, AS tidak bisa lagi diabaikan dan harus diperhitirngkan. Untuk tatacara perhitungan neraca air seperti ini, sifat-sifat tampungan daerah aliran sungai harus diawali benar-benar oleh AS. Model daerah aliran sungai yang 'modern' mencoba untuk mencapai hal ini melalui proses simulasi Curah Hujan - Limpasan: Korelasi Berganda Mengingat limpasan tergantung pada berbagai faktor, suatu pendekatan yang masih lebih masuk akal ialah dengan cara mengembangkan suatu korelasi berganda. Hal ini telah dicoba oleh Linsley, Kohler dan Paulhus. Mereka menyebutnya dengan korelasi koaksial. Salah satu hubungan tipikal seperti ini adalah yang disajikan secara grafis seperti terlihat pada Gambar 4.12. Penggambaran secara grafis ini ialah untuk Sungai Mirnacacy (Amerika Serikat). Tergantung pada presipitasi antisiden, waktu dari tahun yang bersangkutan, jujuh dan besarnya badai dan elevasi, perkiraan limpasan dapat dibuat dengan mengikuti data seperti yang ditunjukkan oleh garis putus-putus pada Gambar 4.12. Sehingga, suatu daerah aliran sungai dengan indeks presipitasi antisiden (lPA) : 2,5 cm, dalam minggu kelima dari tahun tersebut, mengalami badai dengan jujuh 24 jam dan tinggi presipitasi sebesar 12 cm, akan menghasilkan limpasan sebesar 5 cm. Indeks presipitasi antisiden (IPA) adalah indeks lengas tanah (derajat kebasahan daerah aliran sungai), dalam memperkirakan limpasan diberikan <-rleh
di mana +
Gambar 4.11. Lengkung-lengkung stonge.
...{4.tza)
di sini R dan Pdinyatakan dalam cm dan Tadalah suhu tahunan rata-
Prr: Pookt Curah hujan
T
:
...
(4.13)
harga awal IPA (cm); perlu diperkirakan berdasarkan lengas tanah awal yang ada Po, : harga IPA setelah / hari konstanta resesi berkisar antara 0,85 dan 0,98. k: Poo
r 80
Pembangkit Listrik Tenaga
Air
Limpasan dan Aliran
Sehingga setelah satu hari, harga
Prt:
k
IPA* akan menjadi: Poo
(4.14)
Sungoi
81
kumulatif sepanjang tahun. Metode untuk menyusun grafik seperti ini digambarkan lebih jelas dalam bnku Hydrology for Engineers yang ditulis oleh Linsley, Kohler dan Paulhus.
l0^
t
oS
#,#
.1
o o
lo
o
oE
100
75 50 25 'O
Luas aliran di atas/
(cm)
/
25 50 75
t00
Curah hujan dalam bulan sebelumnya
I e'o"l -,.€;74
WW Gambar 4.13. Korelasi grafis untuk sungai Kallada
Gambar
4.12. Korelasi koaksial grafis.
Gambar 4.13 menyajikan korelasi koaksial grafis yang lain untuk memperkirakan limpasan bulanan dari daerah aliran sungai Kallada di Kerala Selatan (India), seperti yang disampaikan oleh N.N. Pillai. Di sini yang diambil sebagai indeks presipitasi antisiden (IPA) adalah presipitasi dari bulan sebelumnya. Untuk nomor bulan-bulan tertentu (misalnya, I Januari, 2 Februari dan seterusnya), mengalami curah hujan tertentu, limpasan pada wilayah tersebut dapat dibaca langsung, jika presipitasi dari bulan sebelumnya diketahui. Sehingga, jika Iimpasan permukaan pada bulan Juli (nomor bulan : 7) akan dicari, curah hujan pada bulan-bulan Juni dan Juli masing-masing sebesar 49,5 cm dan 67,0 cm, kemudian ia akan menjadi sebesar 41,3 cm seperti yang ditunjukkan oleh garis putus-putus. Jika, jumlah total tahunan untuk daerah aliran sungai yang dicari, aliran dasar (diperkirakan sebesar 30 cm) ditambahkan terhadap limpasan permukaan *Jika hujan terjadi pada sebarang hari, yang ditinjau, tinggi hujan ditambahkan langsung pada indeks.
Curah Hujan - Limpasan - Model Komputer Pemakaian komputer digital dan analog telah berkembang sedemikian pesat, seperti pada berbagai bidang lainnya, demikian pula telah terjadi suatu revolusi pada studi-studi hidrologi. Metode yang diuraikan di atas dianggap cukup memadai dan memuaskan sebelum era komputer., tetapi ini menjadi ketinggalan zaman dan ketinggalan mode dalam pandangan pepakaian komputer secara besar-besaran dalam hidrologi modern. Kita telah menyebutkan sebelumnya bahwa suatu daerah aliran sungai dapat ditinjau sebagai suatu sistem dengan presipitasi sebagai masukan, dan limpasan sebagai keluarannya. Pada metode dengan menggunakan komputer, sistem fisik ini disimulasikan pada komputer semirip dan se-komprehensif mungkin. Seluruh proses fisik seperti penahanan, peresapan, penguap-peluhan disimulasikan dalam bentuk sua-
tu seri fungsi-fungsi matematik. Komponen-komponen dalam proses fisik ini biasanya ditangani dalam bentuk lumped dan diwakili oleh hubungan-hubungan empiris. Dengan sejumlah parameter seperti ini, suatu program dapat dikembangkan dan mereproduksi suatu urutan kejadian aliran secara historis, sesuai dengan presipitasi dan masukan meteorologi lainnya yang diberikan.
r 82 Pembongkit
Listrik
Tenaga
Limposan don Aliran
Air
Model Daerah Aliran Sungai
-
Sungoi
83
Stanford
Suatu model komputer yang terkenal sekarang ini ialah Model Daerah Aliran Sungai Stanford yang dikembangka.n oleh Linsley dan Crawford di Universitas Stanford. Model Stanford disempurnakan terusmenerus dan sekarang merupakan suatu model yang sangat komprehensif yang didasarkan pada neraca air. Dengan menggunakan data presipitasi berjam-jam dan penguap-peluhan harian sebagai masukan utama, model ini diprogramkan untuk menghasilkan aliran sungai berjam-jam. Tanah, vegetasi, tata guna lahan semuanya diperhitungkan dengan menggunakan satu set parameter-parameter, harga dari parameter-parameter tersebut dioptimasi secara progresif dengan suatu teknik pencarian. Diagram aliran untuk model ini disajikan pada Gambar 4.14. Sete-
I
L-
i,id';-".;-'.'' nyan
I
Alitu ruul r.lutu
lah memperkirakan simpanan awal, penambahan curah hujan tiaptiap jam dimasukkan ke dalarn model. Hujan yang datang apakah akan langsung menjadi limpasan atau ditahan di dalam simpanan lengas tanah lapisan atas dan lapisan bawah, yang terakhir ini menambah simpanan air tanah. Simpanan pada zona lapisan atas menyerap sebagian besar curah hujan pada suatu badai selama jam-jam pertama. Simpanan pada zona lapisan bawah mengendalikan peresapan jangka panjang. Simpanan air tanah mengendalikan aliran dasar di sungai. Penguapan terjadi pada laju potensialnya dari simpanan pada zona lapisan atas, dan pada laju yang lebih kecil dari laju potens?alnya dari simpanan pada zona lapisan bawah, dan dari simpanan air tanah. Limpasan langsung dibagi menjadi dua komponen, limpasan permukaan dan aliran antara, yang memisahkan antara tata cara translasi dan pelacakan. Aliran sungai total adalah jumlah dari aliran dasar, aliran permukaan dan aliran antara. Parameter-parameter model pertama-tama diperkirakan berdasarkan pencatatan curah hujan dan limpasan selama 5 - 6 tahun. Jangka waktu pengamatan lainnya kemudian digunakan untuk menguji ketepatan parameter-parameter yang diperkirakan tadi. Simulasi aliran menggunakan komputer menghasilkan keluaran sangat mirip dengan yang diperoleh dari pengukuran-pengukuran sebenarnya. Dengan demikian volume aliran rata-rata harian, bulanan dan tahunan serta hidrograf banjir yang merupakan data limpasan hasil, simulasi, selanjutnya dapat digunakan dalam proses perancangan. Model-model komputer sangat mengandalkan pada keahlian operator serta pengalamannya. Hal ini mengakibatkan subjektivitas dalam harga-harEayang diusulkan dan penyesuaian dari berbagai parameter yang berbeda. Keterbatasan lainnya dari model matematik ini
I- -{/'\ rorru lwl
|
w.dut a,
tul
\_,/ drjmll.j
Gambar 4.14. Diagram aliran model daerah aliran Sungai Stanford IV.
ialah bahwa ia mereproduksi perilaku limpasan hanya pada batas-batas tertentu yang telah diatur dalam harga awal model. Akan tetapi meskipun dengan keterbatasan ini, pemodelan daerah aliran sungai telah menjadi suatu sarana yang sangat penting untuk mengembangkan suatu hubungan curah hujan limpasan yang sebenarnya untuk suatu daerah aliran sungai.
ANALISIS ALIRAN RENDAH I)crkiraan aliran rendah diperlukan tidak hanya pada perancangan
,
84 Pembongkit
Listrik
Tenago
Air
Limpasan dan Aliron
proyek-proyek hidrolistrik tetapi juga pada kasus proyek-proyek suplar itir dan proyek-proyek navigasi. Analisis aliran rendah paling baik dilakukan dengan studi-studi peluang. Fisher dan Tippett telah menunjukkan bahwa jika harga-harga yang terkecil dari banyak contoh yang berukuran besar dari suatu populasi khusus ditinjau sebagai suatu statistik bebas tidak tergantung, maka kemudian sebarannya adalah bebas tidak tergantung sebaran populasinya. Gumbel menganalisis harga-harga aliran rendah yang ekstrem seperti ini dalam rangka menentukan sebaran peluangnya, dan menyimpulkan bahwa sebarannya
dapat dinyatakan dengan:
e(c):€rP[#]&J di
mana p(q) e
:
0: k-
:
(4.15)
Q_CA3/4
...(4.16)
U-4. -
C,A
(4.17)
\/C-+A
Q dan A sama seperti pada rumus Dicken. Cq dan C2 adalah konstanta dengan harga masing-masing sebesar 123 dan l0 untuk Jazirah lndia.
(iii) Rumus Fuller. Dikembangkan di Amerika Serikat, rumus Fullcr patut mendapat catatan khusus, mengingat ia mengandung pengertian tentang peluang dan masa ulang. Rumusnya sebagai berikut:
Qon:CAo'8 dengan C berkisar antara 0,18 samPai 1,3
ditinjau.
Qr--Q",U+0,8 log 7l
Pada waktu sebaran ini diterapkan pada data yang ditinjau, besaryan aliran rendah yang sesuai dengan sebarang peluang yang diberikan'da-
pat dikerjakan. Peluang dari aliran terendah yang dapat diandalkan untuk pembangkit tenaga dapat diperkirakan dengan analisis seperti ini. Studi tentang peristiwa-peristiwa aliran rendah atau aliran kering sekarang mendapat perhatian yang makin besar.
LIMPASAN BANJIR Perkiraan banjir mencakup kegiatan memperkirakan harga maksimum puncak banjir, masa ulangnya, dan volume banjirnya, termasuk sejarah naik-turunnya tinggi permukaan banjir. Jika hidrograf banjir dapat dikembangkan, semua informasi tersebut dapat segera diperoleh. Pada pendekatan secara historis, rumus banjir empiris, meskipun harga puncak banjir dapat dihitung, informasi tentang volume banjir atau tentang waktu banjir datang dan menyurut tidak diketahui. Meskipun demikian, jika data yang berharga tidak ada, rumus banjir tetap dapat dipergunakan. Sifatnyayang sangat terikat pada wilayahnya membuat rumus-rumus tersebut sangat terbatas wilayah penerapannya. Beberapa rumus tersebut disajikan berikut ini: (r) Rumus Dicken
85
di mana Q dalamm3/dt, A, daerah aliran sungai dalam km2 dan C suatu konstanta berkisar antara ll sampai 25. Rumus tersebut diterapkan untuk keadaan India Utara. (ii) Rumus Inglis
peluang dari suatu aliran rendah ekstrem lebih besar atau sama dengan q selama jangka waktu yang
aliran minimum yang mungkin selama jangka waktu yang ditinjau, misalnya harga batas asimptotis. aliran rendah yang bersifat normal. suatu konstanta dengan batas atas dan bawah masing-masing nol dan satu.
Sungai
Q^o*s
: n,l*r,o(#I'''J
. . . (4.18)
QTadalah banjir yang terdan Q^o*, adalah harga mutlak Harga-harga Q adalah dalam m3/dt
l)i sini Qo,adalah banjir rata-rata harian, iirtli mendekati sekali setiap f tahun, ;runcak
banjir selama Ttahun.
tlan / dalam km2. llanyak rumus lokal seperti itu yang umum digunakan setempat. Scbagai alternatif, lengkung-lengkung mencakup semua data banjir y;rrrs diamati di wihyah yang ditinjau, dapat dipersiapkan dan digururkan untuk wilayah tersebut. Cukup menarik untuk dicatat, bahwa r unrus-rumus banjir ini, secara eksplisit, mengenai banjir maksimum yirrrg rnungkin tidak memasukkan intensitas hujan sebagai peubah langrrrrrg. Tetapi mengingat bahwa daerah aliran sungainya menentukan wrrktu konsentrasi, dan waktu konsentrasi menentukan jujuh hujan llihol l\ab 3), rumus debit banjir tidak dapat didasarkan pada premis vrurg salah samasekali. Kerugian yang terbesar, walau bagaimanapun, rk'rr14irrr penggunaan rumus-rumus seperti ini merupakan ketetapan yang irp.rk bcrsifat subjektif tentang harga konstanta yang dipergunakan. Arrulisis peluang yang ditetapkan merupakan suatu pendekatan yang lclrilr trcrsifat rasional. (Lihot kisaran harga C yang hampir delapan lnli lipat dalam 4.18).
lfelurng Banjir l'rrrlr bab sebelumnya kita
membahas pengertian tentang masa ulang, rlarr nrcrrggambarkan bagaimana presipitasi yang sangat jarang terja-
7 86 Pembongkit
Listrik
Tenaga
Air
Limposon dan Aliran
di dapat diramalkan dengan penggambaran pada kertas peluang yang sesuai. Suatu tatacara yang serupa dapat digunakan untuk menentukan banjir dengan masa ulang tertentu jika data sekitar 30 tahun diketahui. Keberhasilan perkiraan banjir dengan metode ini tergantung pada pemilihan sebaran peluang yang sesuai dengan datanya. Kertas peluang harus sesuai dengan sebaran peluang yang diambil. Sehingga sebaran normal mempunyai kertas peluang normal. Untuk perkiraan banjir, salah satu dari tiga sebaran berikut ini dapat diambil. (r) Sebaran peluang log normal. (ir) Sebaran gflltrna. (ill) Sebaran
harga ekstrem Gumbel. Ketiga sebaran tersebut adalah sebaran melencong (skew) pada kuad-
ran positif dan mempunyai bentuk umum seperti disajikan pada Gam-
bar 4.15.
t E .o
6
I
€
Besarnya
aliran
'€
Gambar 4.15. Bentuk umum distribusi aliran limpahan.
Dari ketiganya, sebaran harga ekstrem Gumbel lebih sering digunakan. Sebaran ini mempunyai persamaan:
P:l:€-!
(4.19)
di mana p adalah peluang dilampaui atau disamainya sebesar aliran tertentu, e adalah bilangan napierion, dan y adalah peubah yang direduksi yang mempunyai persamaan:
-
di mana
-0,834- 2,3log r.t 7"
87
Pada Persamaan 4.21, Q adalah banjir rata-rata dari data pengamatan, dan C, adalah koefisien variasi dari data pengamatan, / adalah peubah yang direduksi, f, adalah harga rata-rata peubah yang direduksi yang diharapkan, dan on adalah simpangan baku. Hargaharga yndan sn tergantung pada panjangnya seri data dan dapat dibaca dari tabel-tabel. Kertas Peluang Metode peluang dapat juga dikerjakan secara grafis. Data banjir tahunan yang ada dapat digambarkan bersama dengan masa ulangnya yang bersesuaian pada suatu kertas grafik yang disiapkan secara khusus (skala distorsi), yang dikenal sebagai kertas peluang. Grafik ini (garis lurus) kemudian dapat diekstrapolasikan untuk membaca besarnya banjir dengan masa ulang tertentu yang diinginkan. Kertas peluang harga ekstrem yang dikembangkan oleh Gumbel-Powell dapat berguna untuk ekstrapolasi seperti ini, sebab sebaran harga ekstrem yang dinyatakan dengan Persamaan 4.18 digambarkan berupa garis lurus pada kertas seperti ini.
METODE HIDROGRAF SATUAN
lL,l
y
Sungoi
(#r)
. . . (4.20)
adalah masa ulang yang diinginkan. Harga Q7 diberikan
oleh
o, = Ol l+c,
+1
(4.21)
Metode hidrbgraf satuan, yang pertama kali diusulkan oleh L.K. Sherman pada tahun 1932, telah menjadi suatu sarana yang sangat berguna untuk perhitungan-perhitungan banjir. Keuntungan utamanya selain hanya memberikan harga puncak banjir, juga dapat memberikan bentuk hidrograf banjir secara lengkap untuk setiap badai sebarang yang diantisipasikan. Hal ini menjadi agak penting mengingat bahwa analisis banjir kita harus mulai dari bentuk hidrograf banjir secara menyeluruh daripada hanya harga puncaknya saja. Yang kedua, metode hidrograf satuan jauh lebih rasional daripada rumus banjir empiris yang dibahas sebelumnya. Hidrograf satuan dapat didefinisikan sebagai hidrograf limpasan langsung yang sesuai dengan satu-satuan presipitasi efektif (misalnya seperti I cm curah hujan) pada suatu jujuh waktu tertentu. Presipitasi dianggap terjadi secara seragam meliputi seluruh daerah aliran sungai. Tiga keadaan penting terkait pada definisi tersebut diatas. Pertama, presipitasinya adalah efektif, yakni kelebihan, setelah abstraksi dikurangkan. Sehingga volume presipitasi total harus sama dengan volume yang ditunjukkan oleh lengkung hidrograf. Dengan demikian un-
tuk hidrograf satuan, limpasan langsungnya sesuai dengan satu-satuan. Kedua, waktu berlangsungnya satu-satuan presipitasi adalah khusus. Ini bisa saja 3 jam, 4 jam,6 jam atau 12 jam. Untuk setiap jujuh waktu bentuk hidrograf satuan akan berbeda. Suatu hidrograf satuan
88
Pembangkit Listrik Tenaga
Air
Limposan dan Aliran
jam adalah sesuai dengan presipitasi efektif sebesar l/4 cm/ jam seragam selama 4 jam. Sehingga dalam membicarakan tentang hidrograf satuan, adalah penting untuk menyebutkan jujuhnya secara khusus. Misalnya, suatu hidrograf satuan T-jam sesuai dengan jujuh I jam dan sesuai dengan intensitas hujan efektif sebesar l/T cm/jam. Ketiga, hidrograf satuan adalah suatu alat, device, untuk menghubungkan limpasan langsung dengan presipitasi lebihnya. Sehingga, hidrograf yang dihasilkannya tidak termasuk ariran dasar. pemisahan aliran dasar dari limpasan langsungnya adalah suatu sisi/ea ture yang cocok dari hidrograf satuan. 4
Anggapan-anggapan
Di samping ketiga masalah features dasar tersebut, anggapananggapan penting berikut ini telah diambil pada metode hidrograf satuan:
0) Jujuh hidrograf limpasan langsung unruk badai-badai dengan jujuh yang sama tetapi berbeda intensitasnya, untuk suatu daerah ariran sungai tertentu, selalu tetap. (a) Hidrograf limpasan langsung dari suatu daerah aliran sungai untuk curah hujan dengan jangka waktu tertentu, menggambarkan semua sifat fisik daerah aliran sungainya sebagai satu kesatuan (lumped together). Sehingga, hidrograf satuan dapat ditinjau sebagai tang-, gapan dari daerah aliran sungai terhadap suatu masukan presipitasi sebesar I cm untuk waktu yang sama dan tertentu. (iir) Prinsip-prinsip linearitas,dapat diterapkan.
Sungoi
Hal ini berarti bahwa limpasan langsung pada setiap saat berbanding langsung dengan intensitas presipitasinya. (iv) Prinsip superposisi dapat diterapkan. Gabungan antara hidrograf dari curah hujan yang berurutan dapat diperoleh dengan cara mendapatkan limpasan langsung untuk setiap jangka waktu curah hujan secara terpisah, dan kemudian mensuperposisikan semua hidrografhidrograf tersebut. Anggapan-anggapan tersebut diperjelas dengan bantuan Gambar 4.16(a\, (D) dan (c). Pada Gambar 4.16(a),badai A dan B mempunyai tinggi presipitasi yang berbeda dengan jujuh yang sama. Pada Gambar 4.16(b), diperlihatkan bahwa jika intensitasnya dua kali lipat, ordinat hidrografnya juga akan dua kali lipatnya. Ini adalah prinsip linearitas. Pada Cambar 4.16(c), digambarkan prinsip superposisi. Dua presipitasi dengan intensitas yang sama dan jujuh berurutan menghasilkan hidrograf limpasan yang identik dengan jujuh menggeser. Ordinat hidrograf gabungannya adalah jumlah ordinat-ordinat dari kedua hidrograf tersebut pada setiap saat. Penerapan Metode Hidrograf Satuan Penerapan metode hidrograf satuan terdiri dari dua aspek:
l-rJam -rl
I *
ql
6 6 q
A .E
E
F]
J
f*
Dasar Periode, Waktu
.l
+
Gambsr 4.16(a). Dua badai dengan Jujuh yang sama.
89
Waktu
<
Gambar 4.16(b). Meningkatnya ordinat hidrograf dengan intensitas.
90
Pembangkit Listrik Tenaga
Limpasan dan Aliron
Air
Sungai 9l
hzjam&z jamJ
t a 6
tr d d A
6
o E
5
tr
J
Waktu.< Waktu
Gambar 4,16(c). Hidrograf-hidrograf identik dengan penggeseran.
Gambar
(r) Mendapatkan hidrograf satuan yang jujuhnya sesuai untuk dae-
rah aliran sungai yang ditinjau. (il) Mempergunakan hidrograf satuan sedemikian rupa sehingga dapat diturunkan agar memperoleh hidrograf banjir untuk setiap badai sebarang. Untuk tujuan perancangan, badai rencana adalah badai yang dianggap, dengan bantuan hidrograf satuan akan memberikan sualt hidrograf banjir rencana. Untuk kasus yang pertama, metode yang umum adalah derigan mengambil berbagai hidrograf badai berpuncak tunggal yang sederhana, hasil pengamatan di masa lalu, dan menurunkannya menjadi hidrograf satuan. Kemudian hidrograf satuannya diasumsikan sebagai lengkung rata-rata dari sejumlah hidrograf satuan tersebut. Proses penurunan hidrograf banjir menjadi hidrograf satuan ini terdiri dari beberapa langkah berikut: (r) Untuk badai yang terpilih, gambarkan hidrograf banjirnya. (il) Perkirakan lengkung aliran dasarnya, dan dari limpasan totalnya, dapat diperoleh limpasan langSungnya (DLL) dengan mengurangkan besaran aliran dasarnya. Sehingga, pada Gambar 4.17, dari ordinat limpasan total pr, ordinat aliran dasar qr dikurangkan sedemikian sehingga diperoleh ordinat limpasan langsung pq. (iu) Dapatkan volume limpasan, yang mana akan sesuai dengan luas bidang di bawah hidrograf limpasan langsung. (iv) Dapatkan tinggi ekuivalen limpasan dengan jalan membaginya dengan luas daerah aliran sungai. Tinggi limpasan ini juga merupa'kan tinggi presipitasi efektif pada seluruh daerah aliran sungai. Catat jujuh waktu presipitasinya. (v) Bagilah setiap ordinat dari DLL dengan tinggi presipitasinya.
+
4.17. Hidrograf.
Ordinat yang dihasilkannya kemudian merupakan ordinat HS. Sejuga hingga, tinggi limpasan langsung atau tinggi presipitasi efektifnya, dapat dinyatakan sebagai: Tinggi limpasan langsung
: ,:
: 0,36'or*' A
"
. . . (4.22)
Jumlah ordinat limpasan langsung dalam mt/det. Selang waktu dalam jam antara dua ordinat yang berurutan. / : L.uas daerah aliran sungai dalam km2. Sehinga, ordinat hidrograf satuan menjadi
di mana DO
grdinatHS:@ '" - Tinggi limpasan
langsung
...(4.231
Untuk aspek yang kedua, dipakai tata cara sebaliknya. Yakni, mengingat hidrograf satuan telah diketahui dan badai rencana telah dihitung, kita melanjutkan sebagai berikut: (r) Gambarkan badai rencana yang telah dihitung sebagai suatu grafik garis dengan jujuh hidrograf satuan sebagai selang waktu' Misalnya, badai dengan jujuh l6 jam akan disajikan sebagai empat selang waktu curah hujan dengan jujuh masing-masing empat jam, jika hidrograf satuan empat jam tersedia. (ll) Kurangkan kehilangan karena peresapan untuk mendapatkan presipitasi efektif. (iii) Terapkan prinsip-prinsip linearitas dan superposisi, dapatkan hidrograf untuk setiap selang badai dengan jalan mengalikan ordinatordinat hidrograf dengan tinggi presipitasi selama selang waktu
92
Pembangkit Listrik Tenaga
Air
Limpasan don Aliron
tersebut. (iv) Tambahkan ordinat-ordinat hidrograf untuk setiap selang waktu
guna mendapatkan hidrograf limpasan langsung untuk badai gabungan. (v) Tambahkan aliran dasar yang diperkirakan untuk mendapatkan
hidrograf banjir yang diantisipasikan. Dua contoh yang diberikan di akhir bab ini akan menggambarkan penerapan hidrograf satuan. Pemisahan Aliran Dasar Kita telah mengatakan bahwa untuk metode HS, pemisahan aliran dasar adalah perlu. Dari setiap hidrograf badai sebarang, lengkung aliran dasar dapat digambarkan secara empiris. Metode berikut ini digunakan: (r) Gambarkan titik E pada bagian resesi dan anggap bahwa limpasan setelah titik E hanya terdiri dari aliran dasar. Lihat Gambar 4.17 hubungkan AE dengan suatu lengkung yang turun dari A ke F dan naik dari F ke E, di mana F adalah titik vertikal di bawah B. Seringkali merupakan garis lurus, untuk keperluan praktis dapat diambil
AGE. Letak titik Eadalah satu titik di mana kelandaian dari lengkung resesi berubah dengan mendadak. Sebagai petunjuk kasar, jarak mondatar BE ditentukan oleh
N=
O,84 Ao,2
(4.24)
di mana Nadalah dalam hari, dan A adalah luas daerah aliran sungai .dalam km2. Penyempurnaan pada pemisahan aliran dasar ini tidak diperlukan mengingat biasanya aliran dasar menyumbang bagian yang tidak terlalu berarti pada banjir-banjir tinggi. pada kenyataannya, sangat sering diambil suatu harga konstan untuk aliran dasar yang su_
dah memadai. Keterbatasan Metode HS Metode hidrograf satuan mempunyai beberapa keterbatasan. pertama, keberhasilannya tergantung pada badai rencana yang diambil untuk menghitung banjir rencana. Jika pemilihan badai rencana dan sebaran menurut waktunya tidak dikerjakan dengan hati-hati, hasilnya bisa salah samasekali. Kedua, metode ini menganggap suatu ben-
tuk deterministik hidrograf satuan untuk setiap daerah aliran sungai
sebarang. Hal ini merupakan penyederhanaan masalah yang berlebihan. Ketiga, hidrograf satuan mempunyai jujuh khusus seperti misalnya HS enam jam, HS dua belas jam dan sebagainya. Jujuh ini merupakan bagian yang terpadu pada tatacara ini, tetapi sepenuhnya bisa ber-
Sungai
93
jika perhitungan banrencana dibuat dengan HS dua belas-jam dan kemudian diulang dengan HS enam-jam, hasilnya akan berbeda. Keempat, metode hidrograf satuan tidak bisa digunakan untuk daerah aliran sungai yang sangat luas. Ia dipakai untuk luas daerah aliran sungai sampai dengan 5000 km2, bisa saja digunakan untuk luas daerah aliran sungai sampai dengan 10000 km2, tetapi dengan sedikit penyesuaian. Untuk daerah aliran sungai yang lebih besar, metode ini tidak dapat digunakan secara langsung. Pada kasus seperti ini, metode ini dapat dipakai secara bebas untuk sub-sub daerah aliran sungai, dan kemudian hidrograf banjir untuk seluruh daerah aliran sungai dapat diperoleh dengan melakukan tatacara pelacakan banjir. Terakhir, anggapan linearitas pada keseluruhan tata cara tersebut kelihatannya tidak bisa dipertanggungjawabkan. Mengingat pada kenyataannya, limpasan banjir pada hakikatnya merupakan suatu proses yang nonlinear. Terlihat bah'wa ordinat purtcak hidrograf satuan yang diturunkan dari hidrografhidrograf banjir besar adalah lebih tinggi sekitar 50 persen dibandingkan dengan hidrograf satuan yang diturunkan dari hidrograf-hidrograf banjir kecil. ubah (arb itrory), dan subjektif . Sebagai hasilnya
jir
Penyesuaian Hidrograf Satuan* Sejumlah pengembangan yang menarik telah dilakukan selama em-
pat puluh tahun yang lalu yang membuat metode HS makin berarti. Pengembangan Hidrograf Satuan Sesaat (HSS) telah mehghapuskan kesulitan penggunaan hidrograf satuan dengan jujuh tertentu. HSS adalah hidrograf satuan yang merupakan hasil dari kejadian hujan lebih sesaat sebanyak I cm pada suatu daerah aliran sungai tertentu. HSS dalam hubungannya dengan badai rencana dapat digunakan untuk memperoleh banjir rencana dengan menggunakan integral konvolusi. HSS pertama kali diusulkan oleh Clark (1945). HSS dapat dikembangkan langsung dari data pengamatan atau dengan menggunakan model-model konseptual. Dalam rangka mendapatkan hidrograf satuan untuk berbagai jujuh lainnya dari hidrograf satuan dengan jujuh tertentu yang ada, digunakan hidrograf-S. Hidrograf-S adalah suatu hidrograf yang sesuai dengan curah hujan lebih dengan laju seragam yang jatuh untuk suatu jujuh yang panjangnya tidak terhingga. Ia juga dapat disebut sebagai hidrograf-kumulatif. Hidrograf-S mempunyai bagian lengkung naik yang tipikal dan kemudian secara asimptotis menjadi suatu harga konstan aliran (Gambar 4.18). Jika suatu hidrograf-S digeser se+Mengingat keterbatasan tempat, hanya diberikan penjelasan singkat dari seluruh tata cara ini.
94
Pembongkit Listrik Tenaga Air
Limpason don Aliron
jauh jangka waktu T jam, selisih ordinat-ordinat antara hidrograf-S yang asli dan hidrograf-S yang digeser akan memberikan ordinat hidrograf satuan dengan jujuh I jam .Tatacara ini dimungkinkan, mengingat prinsip superposisi dapat diterapkan pada teori hidrograf satuan. Aliran keluar Qyang konstan pada suatu daerah aliran sungai dengan
CONTOH 4.1 Tabel berikut (kolom I dan 2) menunjukkan laju aliran rata-rata bulanan dari sua-
tu sungai untuk tahun terkering selama pencatatan: Debit bulanan roto-rota (m3
S
7---'-
/ ( }Iid.ogruf - S pengimbang
I
Ordinat UM
-
bulan)
Volume kumulotif /det - buton)
(m3
(2)
Januari Februari Maret
lr0
ll0 2N
Mei
90 70 50 30
Juni Juli
25 65
(3)
270
Agustus
220
320 350 375 440 660
September
300 190
I 150
ll5 ll0
1265 1375
Oktober
o
/det
(t)
April
-
95
CONTOH ILUSTRASI
Hietograf
Hidrograf
Sungai
November l)esember
960
(0 Berapakah kapasitas tampungan minimum untuk pembangkit tenaga pada laju debit seragam sebesar 85 m3ldet? (lr) Jika kapasitas waduk ditetapkan sebesar 270 m3ldet-bulan, berapakah laju seGambar
4.lt.
Hidrograf_S.
luas,4 km2 dari curah hujan lebih dengan laju sebesar dinyatakan oleh
o: YT
2'TA
m3ldet
ragam pengambilan air yang dimungkinkan? Anggap rata-rata setiap bulan = 30,4 hari (l m3,/det - bulan: I x 86400 x 30,4m3)
l/T cm/jam (4.2s)
Pengembangan lain yang berkaitan dengan hidrograf satuan adalah dalam hubungannya dengan wilayah di mana tidak ada data banjir untuk menurunkan hidrograf satuan. Pada kasus ini, Snyder (1938) mengusulkan hidrograf satuan sintetik, di mana parameter-parameter yang berhubungan dengan hidrograf satuan seperti ordinat puncak ban-
jir,
waktu kelambatan dan jujuh banjir dinyatakan dalam bentuk
persamaan-persamaan empiris yang mencaktp features geomorfologi dari daerah aliran sungainya. Hidrograf satuan sintetik pada beberapa daerah aliran sungai di India telah dikembangkan oleh Pusat Ko-
misi Air, India.
PENYELESAIAN Dari data yang diberikan pada soal, harga kumulatif dihitung seperti pada kolom (3). Suatu lengkung masa digambarkan berdasarkan harga-harga ini seperti disajikan pada Cambar 4.19 di mana suatu garis kebutuhan dengan kelandaian sama dengan li5 m3ldet ditunjukkan. Dari puncak A pada lengkung, suatu garis singgung AD sejajar dengan garis kebutuhan digambarkan. Ordinat maksimum aD memberikan kagrasitas waduk yang mempunyai harga 190 m3ldet - bulan. Untuk menghitung hasil (yield) yang aman apabila kapasitas waduk yang diberikan adalah sebesar 270 n3/det-bulan, garis singgung dari titik .4 digambarkan sedemikian sehingga ordinat maksimum cb adalah sama dengan 270 m3/det - bulan. Kelandaian dari garis ,4F didapatkan dari diagram yang menyertainya adalah sebesar 100 ,,,1/det.
96
Pembangkit Listrik Tenaga
Limposan dan Aliran
Air
Aliron
Bulan
mASuk
Kebudon tuhon kebutuhKehilone-
Aliran
an
masuk bersih
Keku-
rangon
juta
m3 juto rF
juto
(1)
(2)
(3)
iun nf
juta m3 juto
(s)
(4)
(6)
tr
Januari Februari Maret
d
a
D I
0 !
April
./,
E
Mei Juni Juli
!o
r&
135
r45
1220
r260
300
-40
I 180 l 350 1900
300
November
1430
l 145
250 220
Hasil (m3ldet)
Desember
1240
I 155
180
<{ t uutan p-. 6
280
2010 1520
September
E
+ 170 +75
300
370 295 205
Oktober
Agustus
E a I
o
200 220
100 85
a
E
I 130 I 135 I 145 I 145 1280 I 170 I 140 I 135 I 140
d
9
500 1430 l 350 1280 r
Fg E 2 Ss 6 i Bulan '4
-
r00
300
180
300 280
760 875 380
28s 85
m3
(7)
=(2)-(3) :(5)-(4)
I
-95
-95
-340 -400
- 580 - 980
+ 460 + 595
-
*
-
t20
+ 130 +65
-95
-240
-
u00
640
-45 -95
PENYELESAIAN
Dari harga-harga aliran masuk dan kehilangan-kehilangan serta kebutuhankebutuhan lainnya, aliran masuk bersih dihitung dengan cara mengurangkan A
Gambar 4.19.
coNToH
nf
Kekurangon
kumulatiJ
an lain-
F
Sungoi 9'l
4.2 Data berikut ini (kolom 1,2, 3 d,an 4) menunjukkan aliran sungai suatu sungai selama periode air rendah. Diusulkan untuk membangun suatu bendungan di lokasi tersebut. Kehilangan-kehilangan dan kebutuhan-kebutuhan lainnya diketahui. Hitunglah penampungan yang dibutuhkan.
kehilangan-kehilangan terhadap aliran masuknya dan ditabulasikan seperti pada kolom (5). Pada saat kebutuhan melampaui aliran masuknya, perimbangan harus disediakan dari tampungannya. Besaran aliran yang dibutuhkan dari tampungan ini dihitung pada kolom (6) merupakan kekurangan. Sehingga penampungan total yang dibutuhkan adalah harga kekurangan kumulatifyang maksimum (kebutuhan-kebutuhan) seperti yang dikerjakan pada kolom (7). Sehingga kebutuhan penampungan yang dibutuhkan adalah sebesar I l0O juta m3. Perlu dicatat bahwa sesudah bulan September, waduk akan penuh kembali dan dengan demikian kebutuhan sebesar 95 juta m3 pada bulan Desember akan dapat dipenuhi dari penampungan ini.
CONTOH 4.3 Diketahui pada kolom-kolom l, 2,4, 5 dan 8 berikut ini masing-masing menunjukkan bulan, harga-harga laju aliran rata-rata, penguapan dan kebutuhan untuk lokasi waduk yang diusulkan. Dengan menganggap luas waduk adalah 6000 hektar, perkiraan kapasitas waduk.
r i
98
Pembangkit Listrik Tenaga
Alirun rolorato
Bulan
Air
Volume Curoh uliran hujan
Penguapan
Volume
Tam-
bersih pungon
Kebu- Pengamtuhon bilan dsri
bulanan
penyimpanan
bulanan
(m3/d) (ha-m) (cm) (2) (3) (4)
(cm)
(ha-m)
(5)
(6)
=
(4)-(s) .Iuli Agustus
)1
7t00
29
l5
s0 7880 7100 8150 3940
Januari Februari Maret
6
157 5
3
I
790 262
April
a
525
Mei Juni
7
September
30
Oktober
27
November
3l
Desember
13,5 l7,5 t4,00 2,s0 0,50 0,00 0,00 0,00 0,00 2,O0 4,5 10,00
77
1
I
840 262
(7) :
7,50 8,00 t2,50 6,50 4,00
*600 6500
- 360 '1'.790 -240 3700 - 300 1275
5,00 8,00 10,00 r 3,00 19,50 20,00
(ha-m)
(8)
(e)
(3)+(6)
* lZO 6980 600 8350 360 8240
15,50
(ha-m)
-480 310 -600 -862
- 540 - 1065 -900 940
-600
338
(7)
Limpasan dan Aliran
Tanggol
Jam
l5 Juli
-
16 Juli
1250 1875
2500 3750 4500 4500 4500 4400 42s0 2500
l7 .luli
-
800
-
-
4090 s112
-
3565
- 3225
- l3l0 - 1588
22s0
t2s0
Aliron Dasar
1200 1800
(8)
1m3
15
l5
l0
22'.7
7
5
0000 0600
148
8
94
9
1200 1800
6l
tl
35
0000
15
l3 l5
PENYELESAIAN penyelesaian dari soal tersebut diberikan dalam bentuk tabel seperti di bawah ini. Tanggal
tgogo
Ordinat
Aliran
Ordinot
Ordinol
hidrograJ
dasar
oliran
hidrograf
(m3
/det)
1m3
(t)
/det1
(2)
Kolom
(3)
:
Kolom (6) Kolom (7) = Kolom (9) = Kapasitas total
Kolom (zl
*
(Kolom (4)
-
j91-a49-121 10"
Kolom (5))
r00
(3)
+
l5 Juli
Juli
6000 ha-m
(6)
17 Juli
l5 190 305 227 148
Sehingga, kapasitas waduk :
:
/det1
(4)
(3)/9,36
t9,22 32,05 23,05
0
5
300
220
8
9
6l
ll
140 85 50
1800
35
l3
).,
9,08 5,35 2,35
0000
l5
15
0
0
0000 0600 1200
94
Curah hujan lebih
=
0.36x997x6 : 230
t4,9s
ssl m3ldet
0,36
X0xr A
9.36 cm
19690 ha-m.
CONTOH 4.4 Pada suatu daerah aliran sungai kecil luasnya 23Okmz,berikut ini adalah pengamatan aliran dari badai dengan jujuh 6-jam. Harga-harga aliran dasar juga telah diketahui. Turunkan dan gambarkan suatu hidrograf satuan 6-jam. Hitung curah hujan le-
bih yang diakibatkan oleh badai ini.
(t)*(2) 0
Zo =
(Catatan: Setiap bulan dianggap 30,4 hari dan perhitungan dilakukan mencakup satu tahun hidrologi mulai dari bulan-bulan musim hujan).
(3)
180
- (Kolom (8)) (hanya harga-harga yang negatif) (9)
1m3
l5 t0
(Kolom (7))
waduk : X kolom
sotuon
ft# /det)
7
1200 1800
nu-. 16
x
0000 0600
langsung
:
PENYELESAIAN Dari data yang diberikan untuk aliran bulanan, penguapan dan curah hujan (d atas permukaan waduk). Volume total aliran masuk bulanan yang sudah disesuaikan pada kolom 7 dihitung seperti di bawah ini:
/det1
190 305
badai
D
99
Aliran (m3 /det)
0000 0600
-
Sungui
CONTOH 4.5 Suatu badai yang memberikan curah hujan lebih berturut-turut sebesar 4 cm, 6 cm dan 5 crn pada selang waktu 6-jam. Buatlah suatu hidrograf badai 6-jam jika ordinat hidrograf satuannya diketahui seperti di bawah ini: Anggap suatu aliran dasar tetap sebesar l5 m3ldetik.
