PERENCANAAN AIR BUANGAN DAN DRAINASE PERTEMUAN KE-3
HENDRI SUTRISNO, ST, MT
drainase didefinisikan sebagai ilmu pengetahuan yang mempelajari usaha untuk mengalirkan air yang berlebihan dalam suatu konteks pemanfaatan tertentu.
Fungsi dan Tujuan Drainase • Drainase adalah prasarana yang berfungsi untuk menyalurkan dan mengendalikan limpasan air hujan yang berlebihan. Umumnya berbentuk saluran terbuka yang terkadang dilengkapi dengan bangunan pengendali aliran air.
• Perubahan karakteristik limpasan akibat perubahan penggunaan lahan Hujan
Setelah perubahan
Evaporasi Run-Off
Sebelum perubahan
Q Infiltrasi
Hujan Evaporasi
Run-Off
t b. Hidrograf aliran permukaan
Infiltrasi a. Partisi hujan
Fungsi dan Tujuan Drainase Tujuan drainase adalah untuk: • • • • • • •
Mengeringkan daerah genangan. Mengendalikan limpasan air hujan yang berlebihan. Mencegah kerusakan infrastruktur dan melindungi keselamatan manusia. Mengendalikan erosi. Memelihara kualitas air. Mencegah penyakit. Memperbaiki kualitas lingkungan.
Kiat dan Filosofi Perancangan Drainase • Perencanaan drainase mengacu pada karakteristik limpasan hujan yang terjadi. • Kiat dalam perencanaan drainase adalah: • Menghambat limpasan permukaan di daerah hulu. • Memperbesar infiltrasi dan perkolasi di daerah hulu. • Mengurangi debit puncak limpasan permukaan di daerah hilir.
Kiat dan Filosofi Perancangan Drainase • Filosofi dalam perencanaan drainase : • Filosofi lama: membuang limpasan air hujan secepat-cepatnya dengan jalur sependek-pendeknya. • Filosofi baru: menghambat limpasan air hujan di hulu dan mengurangi debit aliran puncak di hilir.
• Filosofi lama
Hujan
Run-off
• Filosofi baru Hujan
Run-off
Run-off
Infiltrasi Retensi/Detensi
Pembagian Sistem Drainase • Sistem drainase dapat dibagi berdasarkan: • • • • • • •
Cara terbentuknya. Tujuannya. Sistem pengalirannya. Tata letaknya. Fungsinya. Konstruksinya. Pola Jaringannya
JENIS DRAINASE MENERUT SEJARAH TERBENTUKNYA • DRAINASE ALAMIAH Drainase yang terbentuk secara alami dan tidak terdapat bangunan-bangunan penunjang seperti bangunan pelimpah, pasangan batu/beton, gorong-gorong dan lain-lain. Saluran ini terbentuk oleh gerusan air yang bergerak karena grafitasi yang lambat laun membentuk jalan air yang permanen seperti sungai. • Drainase Buatan Drainase yang dibuat dengan maksud dan tujuan tertentu sehingga memerlukan bangunan-bangunan khusus seperti selokan pasangan batu/beton, gorong-gorong, pipa-pipa dan sebagainya. •
Pembagian Sistem Drainase • Berdasarkan tujuannya : • • • •
Drainase perkotaan, perdesaan dan pemukiman. Drainase pertanian, perkebunan dan pekarangan. Drainase jalan raya, jalan kereta api dan lapangan terbang. Drainase lapangan olah raga dan tempat rekreasi.
Pembagian Sistem Drainase • Berdasarkan sistem pengalirannya : • Drainase dengan sistem saluran. • Drainase melalui sistem saluran dan bangunan pelengkapnya.
• Drainase dengan sistem resapan. • Drainase dengan meresapkan air ke dalam tanah.
P
SD
RO
AB Saluran drainase
Lahan resapan
Sistem drainase
MENURUT TATA LETAKNYA • Drainase Permukaan Tanah (Surface Drainage) Saluran drainase yang berada di atas permukaan tanah yang berfungsi mengalirkan air limpasan permukaan. Analisa alirannya merupakan analisa open chanel flow. • Drainase Bawah Permukaan Tanah ( Subsruface Drainage) Saluran drainase yang bertujuan mengalirkan air limpasan permukaan melalui media di bawah permukaan tanah (pipa-pipa), dikarenakan alasan-alasan tertentu. Alasan itu antara lain : Tuntutan artistik, tuntutan fungsi permukaan tanah yang tidak membolehkan adanya saluran di permukaan tanah seperti lapangan sepak bola, lapangan terbang, taman dan lain-lain.
(a) Drainase permukaan
(b) Drainase bawah permukaan
MENURUT FUNGSI • Single Purpose saluran yang berfungsi mengalirkan satu jenis air buangan • Multi Purpose saluran yang berfungsi mengalirkan beberapa jenis air buangan baik secara bercampur maupun bergantian.
P
SD
RO
AB (a) Sistem tercampur
P
SD
RO
AB SAB
(b) Sistem terpisah
MENURUT KONSTRUKSI • Saluran Terbuka saluran yang lebih cocok untuk drainase air hujan yang terletak di daerah yang mempunyai luasan yang cukup, ataupun untuk drainase air non-hujan yang tidak membahayakan kesehatan I mengganggu lingkungan. • Saluran Tertutup, saluran yang pada urnumnya sering dipakai untuk aliran air kotor (air yang mengganggu kesehatan/ lingkungan) atau untuk saluran yang terletak di tengah kota.
(a) Saluran terbuka
(b) Saluran tertutup
Jenis-jenis Saluran Drainase •
Saluran interseptor (pencegat). •
•
Saluran yang berfungsi mencegah terjadinya pembebanan aliran dari suatu daerah terhadap daerah lainnya. Saluran interseptor biasanya diletakkan sejajar dengan garis kontur atau garis ketinggian.
Saluran kolektor (pengumpul). •
Saluran yang berfungsi sebagai pengumpul aliran dari saluran drainase yang lebih kecil.
Jenis-jenis Saluran Drainase •
Saluran konveyor (pembawa). Saluran yang berfungsi sebagai saluran pembawa seluruh air buangan dari suatu daerah ke lokasi pembuangan.
POLA JARINGAN DRAINASE • Siku Dibuat pada daerah yang mempunyai topografi sedikit lebih tinggi pada sungai. Sungai sebagai saluran pembuang akhir berada di tengah kota.
• Pararel Saluran utama terletak sejajar dengan saluran cabang. Dengan saluran cabang (sekunder) yang cukup banyak dan pendek-pendek, apa ila terjadi perkembangan kota, saluran-saluran akan dapat menyesuaikan diri.
• Grid Iron Untuk daerah dimana sungainya terletak di pinggir kota, sehingga saluran- saluran cabang dikumpulkan dulu pada saluran pengumpul.
• Alamiah Sarana seperti pola siku, hanya beban sungai pada pola alamiah lebih besar.
• Radial Pada daerah berbukit, sehingga pola saluran memencar ke segala arah.
• Jaring-jaring Mempunyai saluran-saluran pembuang yang mengikuti arah jalan raya dan cocok untuk daerah dengan topografi datar.
ASPEK HIDROLOGI KARAKTERISTIK HUJAN 1. DURASI lama kejadian hujan (menitan. jarm-jaman, harian) diperoleh terutama dari hasil pencatatan alat pengukur hujan otomatis.
2. INTENSITAS jumlah hujan yang dinyatakan dalam tinggi hujan atau volume hujan tiap satuan waktu. Besamya intensitas hujan berbeda- beda, tergantung dari lamanya curah hujan dan frekuensi kejadiannya. Intensitas hujan diperoleh dengan cara melakukan analisis data hujan baik secara statistik maupun secara empiris.
Analisis Hidrologi Periode ulang hujan Tr (tahun) • Tr untuk perencanaan saluran drainase dan bangunan pelengkapnya ditentukan berdasarkan tingkat resiko dan umur efektif bangunan. • Umumnya Tr adalah 2, 5, 10, 25, 50 atau 100 tahun. • Sebagai perkiraan dapat digunakan tabel-tabel berkut:
5. Analisis Hidrologi 5.2. Prakiraan debit puncak (Qp) limpasan hujan • Qp untuk daerah pengaliran kecil dapat diperkirakan dengan menggunakan metode rasional. • Persamaan debit puncak limpasan hujan untuk metode rasional (Mulvaney, 1851)*:
Qp C i A Dimana: • Qp = debit puncak limpasan hujan (cfs). • C = koefisien aliran. • i = intensitas hujan (inchi/jam). • A = luas daerah pengaliran (acres). *Sumber: Martin P. Wanielista, 1990, Hydrology and Water Quantity Control, Wiley and Sons, New York
5. Analisis Hidrologi 5.2. Prakiraan debit puncak (Qp) limpasan hujan • Metode rasional menggunakan asumsi: • hujan yang menyebabkan debit puncak (Qp) mempunyai intensitas yang seragam dan merata di seluruh daerah pengaliran selama paling sedikit sama dengan waktu konsentrasi aliran (tc). • Koefisien limpasan permukaan dan luas daerah pengaliran tetap selama terjadi hujan.
5. Analisis Hidrologi 5.2. Prakiraan debit puncak (Qp) limpasan hujan • Dalam sistem metrik persamaan debit puncak limpasan hujan untuk metode rasional menjadi:
Q p 0,278 C i A Dimana: • Qp • C • i • A
= debit limpasan hujan (m3/detik). = koefisien aliran/limpasan permukaan. = intensitas hujan (mm/jam). = luas daerah pengaliran (km2).
5. Analisis Hidrologi 5.2. Prakiraan debit puncak (Qp) limpasan hujan • Nilai koefisien limpasan permukaan C adalah nisbah antara debit puncak limpasan hujan terhadap intensitas hujan dan luas wilayah yang berpengaruh terhadap besar debit puncak limpasan hujan. • Nilai C sebetulnya berubah setiap kali terjadi perubahan intensitas hujan, tetapi dalam perancangan dapat dianggap tetap.
• Nilai koefisien limpasan permukaan C untuk berbagai jenis penggunaan lahan adalah sebagai berikut:
5. Analisis Hidrologi • Untuk daerah dengan berbagai jenis penggunaan lahan nilai C diperoleh dari: m
C
C j 1
j
Aj
m
A j 1
j
Dimana: • Cj = nilai koefisien C untuk sub daerah pengaliran. • Aj= luas sub daerah pengaliran (km2).
5. Analisis Hidrologi • Atau persamaan debit puncak limpasan hujan untuk metode rasional menjadi: m
Q p 0,278 i C j A j j 1
Dimana: • Qp = debit limpasan hujan (m3/detik). • i = intensitas hujan (mm/jam). • Cj = nilai koefisien C untuk sub daerah pengaliran. • Aj= luas sub daerah pengaliran (km2).
5. Analisis Hidrologi • Data curah hujan yang tersedia umumnya data curah hujan harian. • Untuk menghitung intensitas hujan setiap waktu dengan menggunakan data curah hujan harian pada daerah pengaliran kecil dapat digunakan rumus Mononobe yang dikemukakan oleh Ishiguro (1953)*.
5. Analisis Hidrologi • Rumus Mononobe:
R24 24 I 24 t Dimana: • I • R24 • t
2
3
= Intensitas curah hujan (mm/jam). = Curah hujan maksimum dalam 24 jam. = Lamanya hujan (jam)
*Sumber: Suyono Sosrodarsono dan Kensaku Takeda (Ed.), 2006, Hidrologi Untuk Pengairan, Pradnya Paramita, Jakarta
5. Analisis Hidrologi • Untuk metode rasional, lamanya hujan (t) yang menyebabkan debit puncak limpasan hujan (Qp) sama dengan waktu konsentrasi aliran (tc) (Wanielista, 1990). Sehingga rumus Mononobe menjadi:
R24 24 i 24 t c Dimana: • i • R24 • tc
2
3
= intensitas curah hujan (mm/jam). = curah hujan maksimum dalam 24 jam. = waktu konsentrasi aliran (jam)
Q
Qp (a) Hidrograf metode rasional untuk lama hujan sama dengan waktu konsentrasi.
tc
t
tc
Q
Qp
tc
(b) Hidrograf metode rasional untuk lama hujan lebih besar dari waktu konsentrasi. D - tc
D
tc
t
WAKTU KONSENTRASI ( T) • waktu yang diperlukan untuk meng- alirkan air dari titik yang paling jauh pada daerah aliran ke titik kontrol yang ditentukan di bagian hilir suatu saluran. • Pada prinsipnya waktu konsentrasi dapat dibagi menjadi : a. Inlet time (t), yaitu waktu yang diperlukan oleh air untuk mengalir di atas permukaan tanah menuju saluran drainase. b. Conduit time ( td ), yaitu waktu yang diperlukan oleh air untuk mengalir di sepanjang saluran sampai titik kontrol yang ditentukan dibagian hilir.
Lama waktu mengalir di dalam saluran ( td ) ditentukan dengan rumus sesuai dengan kondisi salurannya. untuk saluran alami, sifat- sifat hidroliknya sukar ditentukan, maka td dapat ditentukan dengan menggunakan perkiraan kecepatan air seperti pada tabel 2.1.
• Waktu konsentrasi besarnya sangat bervariasi dan dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut ini a. Luas daerah pengaliran i: b. Panjang saluran drainase c. Kemiringan dasar sa1uran d. Debit dan kecepatan aliran
5. Analisis Hidrologi • to dan td dapat dihitung dengan rumus: • Rumus Kirpich (1940):
t c 0,0078 L0,77 S 0,385 Dimana: • tc = waktu konsentrasi (menit). • L = panjang aliran atau saluran (feet). • S = kemiringan rata-rata daerah pengaliran atau saluran. • Untuk aliran di atas permukaan aspal tc dikalikan dengan 0,4; untuk aliran di dalam saluran beton tc dikalikan dengan 0,2.
5. Analisis Hidrologi • Rumus FAA (1970):
L0,5 tc 1,81,1 C 0,33 S Dimana: • tc = waktu konsentrasi (menit). • C = koefisien limpasan permukaan dari metode rasional. • L = panjang aliran di atas permukaan tanah (feet). • S = kemiringan rata-rata daerah pengaliran (%).
5. Analisis Hidrologi • Curah hujan harian maksimum atau curah hujan maksimum dalam 24 jam yang digunakan untuk menghitung intensitas hujan adalah curah hujan harian maksimum dengan periode ulang (Tr) yang direncanakan/diinginkan atau disebut “curah hujan rencana” atau RT. • Besarnya curah hujan rencana dapat ditentukan melalui analisis distribusi frekuensi dalam statistik misalnya: distribusi ekstrim Gumbel tipe I.
5. Analisis Hidrologi • Distribusi Ekstrim Gumbel tipe I (1958)a
RT R K SR n
R
R
i
i 1
n
R R n
SR
i 1
2
i
n 1
TR K 0,7797 0,5772 ln ln TR 1
5. Analisis Hidrologi Dimana: • RT • R • R • SR • n • TR •
a
= curah hujan rencana (mm). = curah hujan harian maksimum (mm). = rata-rata curah hujan harian maksimum (mm). = simpangan baku. = jumlah data. = periode ulang (tahun).
Sumber: Philip B. Bedient and Wayne C. Huber, 1992, Hydrology and Floodplain Analysis Second Edition, Addison-Wesley, Reading Mass.
5. Analisis Hidrologi • Waktu konsentrasi: tc = t o + t d Dimana: • tc = waktu kosentrasi aliran (menit). • to = waktu melimpas di permukaan tanah (menit). • td = waktu mengalir di dalam saluran (menit).
5. Analisis Hidrologi • to dan td dapat dihitung dengan rumus: • Rumus Kirpich (1940)1
t c 0,0078 L0,77 S 0,385 Dimana: • tc = waktu konsentrasi (menit). • L = panjang aliran atau saluran (feet). • S = kemiringan rata-rata daerah pengaliran atau saluran. • Untuk aliran di atas permukaan aspal tc dikalikan dengan 0,4; untuk aliran di dalam saluran beton tc dikalikan dengan 0,2.
5. Analisis Hidrologi • Rumus California Culverts Practice (1942)1
L t c 6011,9 H
3
0 , 385
Dimana: • tc = waktu konsentrasi (menit). • L = panjang aliran di atas permukaan tanah (feet). • H= perbedaan tinggi antara titik awal dan titik akhir aliran (feet).
5. Analisis Hidrologi • Rumus Kerby (1959)2
t c c Lns
0 , 5 0 , 467
untuk L < 365 m atau 1000 feet. Dimana: • tc = waktu konsentrasi (menit). • L = panjang aliran di atas permukaan tanah (feet). • s = kemiringan rata-rata daerah pengaliran. • c = 0,83 untuk satuan Inggris atau 1,44 untuk satuan metrik. • n = retardance roughness coefficient.
5. Analisis Hidrologi • Nilai n untuk rumus Kerby: • • • •
Perkerasan dengan permukaan yang licin Tertutup rumput (jarang) Tertutup rumput (sedang) Tertutup rumput (rapat)
0,02 0,30 0,40 0,80
5. Analisis Hidrologi • Rumus FAA (1970)1
L0,5 tc 1,81,1 C 0,33 S Dimana: • tc = waktu konsentrasi (menit). • C = koefisien limpasan permukaan dari metode rasional. • L = panjang aliran di atas permukaan tanah (feet). • S = kemiringan rata-rata daerah pengaliran (%).
5. Analisis Hidrologi • Rumus SCS (SCS lag equation) (1975)2
t c 1,67t L
S '1
0, 7
tL L
0 ,8
1900 ws0,5
Dimana: • tc = waktu konsentrasi (jam). • tL = waktu tunda (lag time) aliran (jam). • S’ = (1000CN) 10 = kapasitas tampungan potensial daerah pengaliran (inchi) • ws= kemiringan rata-rata daerah pengaliran (%).
5. Analisis Hidrologi • Rumus SCS (SCS average velocity) (1975)1
L tc 60V Dimana: • tc = waktu konsentrasi (menit). • L = panjang saluran (m atau feet). • V = kecepatan aliran di dalam saluran (m/detik atau feet/detik). Kecepatan aliran dapat diperkirakan dari tabel berikut:
5. Analisis Hidrologi • Kecepatan aliran di dalam saluran dapat dihitung dengan menggunakan rumus Manning (1889)3 apabila bentuk penampang dan bahan pembentuk dinding saluran sudah diketahui.
V
n
2
3
R S
1
2
Dimana: • V = kecepatan aliran di dalam saluran (m/detik atau feet/detik). • = 1 untuk satuan metrik; 1,49 untuk satuan Inggris. • R = Jari-jari hidraulik saluran (m atau feet). • S = kemiringan dasar saluran. • n = koefisien Manning
5. Analisis Hidrologi • Beberapa nilai koefisien Manning (Chow, 1959)3: • Sungai besar • Saluran tanah, bersih • Saluran tanah, berkerikil • Saluran tanah, berumput • Saluran buatan, dinding kayu 0,012 • Saluran buatan, dinding beton halus • Saluran buatan, dinding beton kasar • Saluran buatan, dinding susunan batu 0,025
0,035 0,022 0,025 0,030 0,012 0,014
5. Analisis Hidrologi •
1
•
2
•
3
Sumber: David F. Kibler (ed.), 1982, Urban Stormwater Hydrology Monograph 7, American Geophysical Union, Washington DC dalam: William S. Springer, Storm Drain Design in Land Development Handbook, The Drewberry Companies, McGraw-Hill, 2002. Sumber: Martin P. Wanielista, 1990, Hydrology and Water Quantity Control, Wiley and Sons, New York. Sumber: Bruce R. Munson, Donald F. Young dan Theodore H. Okiishi, 2005, Mekanika Fluida Edisi Keempat Jilid 2 (Terj.), Erlangga, Jakarta
• Rumus-rumus untuk menghitung tc juga dapat dilihat dalam: Ven Te Chow, David R. Maidment and Larry W. Mays, 1988, Applied Hydrology (International Edition), McGrawHill, Singapore.
• Berikan ulasan dan contoh perhitungan untuk menentukan besaran intenitas hujan pada suatu daerah aliran apabila diketahui data hujan harian dengan kala ulang 2 tahun R = 84 mm, waktu konsentrasi pada daerah aliran tersebut Tc = 2 jam.
6. Analisis Hidrologi • Contoh menghitung tc dan Qp • Contoh 1
A
A, C Lo, to
400 m
Ld, td B
Outlet 1000 m
C
6. Analisis Hidrologi • Contoh 2
A
Lo, to
Lo, to
B
500 m
500 m
A, C
A, C
1200 m
Ld, td
C Outlet
Sungai Maju
S17
S16
S13
S5
S15 S18
S14
S4
S12 S10
S11
S3 S2
S9
S8
S7 S6
S1
Legenda: Arah aliran air
S1
Nama saluran drainase
Gambar a. Arah dan jalur lintasan aliran air untuk menentukan tc
Sungai Maju
S17
A8 S16
S13 S15
S18
S14
A9
S5 A3
A7 S4
S12 S11
S10
S3 S2
A6 S9
A5
S8
S7
A4
S6
Legenda:
A1 S1
Arah aliran air Nama daerah pelayan/blok pengaliran Nama saluran drainase
Gambar b. Arah dan jalur lintasan air untuk menentukan tc
S1
A2 A1
5. Analisis Hidrologi Beberapa pendekatan praktis-empiris untuk menghitung intensitas hujan: • Untuk perencanaan saluran drainase kawasan pemukiman, pedesaan, kota-kota kecil atau perencanaan drainase dengan resiko rendah di Indonesia, dapat diambil pendekatan sebagai berikut: bila debit puncak limpasan hujan dihitung dengan menggunakan metode rasional maka intensitas hujan dapat diambil sebesar 250 L/detik.ha yang dianggap sebagai intensitas hujan 15 menit di daerah tropis dengan periode ulang 25 tahun1. 1
Sumber: L.A. Van Duijl, 2004, Low-cost Sewerage and Drainage. IHE Lecture Note No. LN0128/05/1, UNESCO-IHE, Delft.
5. Analisis Hidrologi • Metode van Breena yang menganggap 90% hujan harian terpusat selama empat jam pertama atau:
I ¼ (90% RT) Dimana: • I
= intensitas hujan pada curah hujan rencana (mm/jam).
• RT
= curah hujan rencana (mm/hari).
a
Sumber: M. Masduki Hardjosuprapto, 1996, Desain Drainase Perkotaan Vol. 1, ITB, Bandung.
5. Analisis Hidrologi • Tabel hubungan antara curah hujan harian dengan intensitas maksimum:
5. Analisis Hidrologi • Batasan luas dan waktu konsentrasi aliran dalam penggunaan rumus rasional. • Memberikan hasil yang memuaskan untuk luas daerah pengaliran antara 20 – 200 ekar (8 – 80 ha atau 0,08 – 0,8 km2). Pada prakteknya dibatasi untuk luas daerah pengaliran 100 ekar (40 ha atau 0,4 km2). Waktu konsentrasi maksimum dalam rumus rasional dibatasi sampai dengan 60 menit (Springer, 2002). • Luas daerah pengaliran 300 ha (3 km2) (Suripin, 2004). • Waktu konsentrasi 20 menit (Wanielista, 1990).
LANGKAH-LANGKAH PERENCANAAN Data Perencanaan a. Data Permasalahan b. Data Topografi c. Data Tata Guna Lahan
d. e. f. g. h. i. j. k.
Jenis Tanah Master Plan Data prasarana dan Utilitas Biaya Data Kependudukan Kelembagaan Peraturan Aspirasi Pemerintah dan Peran serta Masyarakat
l. m. n. o. p. q. r.
Data Sosial Ekonomi Kesehatan lingkungan Pemukiman Banjir Kiriman Peta Situasi dan Pengukuran Jalur Saluran Data Tanah Data Hujan Data Bahan Bangunan
Desain Hidraulika .Saluran Terbuka • Saluran drainase dirancang sebagai saluran terbuka. • Dapat berupa: • Saluran tanah tanpa pelapisan atau dengan pelapisan rumput. • Saluran dengan pelapisan dinding dari beton, pasangan batu atau kayu.
• Penampang saluran dapat berbentuk segi empat, trapesium, segitiga, lingkaran atau setengah lingkaran.
Desain Hidraulika Kriteria perancangan: • Bila mungkin saluran dirancang untuk memperoleh aliran subkritis (aliran tenang). Aliran kritis dihindari karena tidak stabil dan aliran superkiritis dihindari karena berpotensi menyebabkan kerusakan. • Bila tidak mungkin untuk menghindari aliran superkritis maka perlu dirancang bangunan untuk mengurangi energi air. • Aliran air di dalam saluran dijaga agar tidak berubah menjadi turbulen, berputar atau membentuk lompatan hidraulik (hydraulic jump).
Desain Hidraulika Kriteria perancangan: • Bila mungkin (misalnya: lahan yang disediakan untuk saluran drainase cukup lebar) maka saluran dengan pelapisan sebaiknya dihindari dan digunakan saluran lebar dengan pelapisan rumput. • Pada daerah padat, lahan yang sempit atau bila harga tanah mahal bentuk penampang dengan sisi miring sebaiknya dihindari agar penggunaan lahan dapat dikurangi. Karena sisi saluran dibuat tegak maka pada tanah yang stabilitasnya buruk saluran harus diberi pelapisan.
Desain Hidraulika Kriteria perancangan: • Kecepatan aliran dirancang tidak kurang dari kecepatan minimum (untuk mencegah pengendapan dan tumbuhan pengganggu) dan tidak melebihi kecepatan maksimum (agar tidak terjadi erosi). Kecuali untuk saluran dengan pelapisan dan pemeliharaan rutin batas-batas kecepatan tersebut dapat dipertimbangkan kembali. • Debit saluran sama atau lebih besar dari debit rencana (debit maksimum limpasan hujan yang ingin dialirkan dalam saluran drainase).
Desain Hidraulika Kriteria perancangan: • Muka air rencana di dalam saluran dibuat lebih rendah dari muka tanah yang akan dilayani. • Saluran drainase sebaiknya dibuat di atas muka air tanah untuk mencegah penurunan muka air tanah (terkecuali jika saluran drainase yang dibuat memang dimaksudkan untuk menurunkan muka air tanah) dan menjaga stabilitas tanah.
Desain Hidraulika Kriteria perancangan: • Bentuk penampang saluran mengikuti prinsip penampang hidraulik terbaik (saluran yang memiliki keliling basah minimum dengan kemampuan menghantarkan debit maksimum). • Bila mungkin maka kemiringan memanjang saluran dibuat sama dengan atau mendekati kemiringan memanjang muka tanah. Bila kemiringan memanjang saluran lebih kecil dari pada kemiringan memanjang muka tanah maka perlu dibuat terjunan.
Desain Hidraulika Kriteria perancangan: • Saluan drainase campuran harus dibuat dengan penampang melintang ganda, yaitu penampang untuk aliran pada musim penghujan dan penampang untuk aliran pada musim kemarau (Gambar 1 dan 2). • Pertimbangkan kemungkinan menggunakan konsep ekohidraulik dalam merancang saluran (misalnya: retensi aliran di dalam saluran yang memperbesar td dan menurunkan Qp di hilir) (Gambar 3 – 11).
6. Desain Hidraulika
Gambar 1.
6. Desain Hidraulika
Gambar 2.
6. Desain Hidraulika
Gambar 3.
6. Desain Hidraulika
Gambar 4.
6. Desain Hidraulika
Gambar 5.
6. Desain Hidraulika
Gambar 6.
6. Desain Hidraulika
Gambar 7.
6. Desain Hidraulika
Gambar 8.
6. Desain Hidraulika
Gambar 9.
6. Desain Hidraulika
Gambar 10.
6. Desain Hidraulika
Gambar 11.
Desain Hidraulika • Aliran dalam saluran terbuka mungkin kritis, sub kritis atau super kritis. • Diklasifikasikan berdasarkan nilai bilangan Froude (Fr). • Rumus bilangan Froude*: Fr V/(g.l)1/2 • V Kecepatan aliran air. • g Percepatan gravitasi. • l panjang karakteristik, pada saluran terbuka panjang karakteristik adalah kedalaman aliran air.
Desain Hidraulika Klasifikasi aliran berdasarkan bilangan Froude*: • • • •
Kritis, Fr 1. Sub kritis, Fr 1. Super kritis, Fr 1. Bilangan Froude penting pada aliran dalam saluran terbuka.
Desain Hidraulika • Aliran dalam saluran terbuka mungkin laminar, transisi atau turbulen. • Diklasifikasikan berdasarkan nilai bilangan Reynolds (Re). • Rumus bilangan Reynolds*: Re V. Rh / • V Kecepatan aliran air. • Rh Jari-jari hidraulik saluran terbuka. • viskositas air.
Desain Hidraulika Klasifikasi aliran berdasarkan bilangan Reynolds*: • • • •
Laminar, Re 500. Transisi, Re 500 – 12.500. Turbulen, Re 12.500. Semua nilai Re yang menjadi batas pembagi aliran adalah perkiraan.
Desain Hidraulika • Lompatan hidraulik (hydraulic Jump) • Terjadi apabila terdapat konflik antara pengaruh hulu dan hilir yang mengendalikan aliran. • Tampak sebagai kenaikan kedalaman aliran secara tiba-tiba. • Rasio kedalaman (antara sebelum dan sesudah lompatan) tergantung pada bilangan Froude.
Desain Hidraulika hL
V2 y2 Q
y1
V1
Gambar 12. Geometri lompatan hidraulik.
Desain Hidraulika • Hubungan antara kedalaman bagian hulu dan hilir pada lompatan hidraulik adalah*: y2 1 1 1 8Fr12 y1 2 Dimana: • y2 = kedalaman di hilir • y1 = kedalaman di hulu • Fr1 = bilangan froude di bagian hulu
Desain Hidraulika • Klasifikasi lompatan hidraulik*
Desain Hidraulika • Kecepatan aliran di dalam saluran terbuka. Rumus Chezy (1786)*
V C Rh S 0 Dimana: • C = koefisien Chezy. • Rh = jari-jari hidraulik. • S0 = kemiringan dasar saluran.
Desain Hidraulika • Kecepatan aliran di dalam saluran terbuka. Rumus Manning (1889)*
V
n
2
3
R S
1
2
Dimana: • V = kecepatan aliran di dalam saluran (m/detik atau feet/detik). • = 1 untuk satuan metrik; 1,49 untuk satuan Inggris. • R = Jari-jari hidraulik saluran (m atau feet). • S = kemiringan dasar saluran. • n = koefisien Manning.
Desain Hidraulika • Beberapa nilai koefisien Manning (Chow, 1959)*: • Sungai besar • Saluran tanah, bersih • Saluran tanah, berkerikil 0,025 • Saluran tanah, berumput • Saluran buatan, dinding kayu • Saluran buatan, dinding beton halus • Saluran buatan, dinding beton kasar • Saluran buatan, dinding susunan batu
0,035 0,022 0,030 0,012 0,012 0,014 0,025
*Sumber: Bruce R. Munson, Donald F. Young dan Theodore H. Okiishi, 2005, Mekanika Fluida Edisi Keempat Jilid 2 (Terj.), Erlangga, Jakarta
Desain Hidraulika • Parameter aliran: • Luas penampang aliran atau luas penampang basah (A). • Keliling terbasahi atau keliling basah (P). • Jari-jari basah atau jari-jari hidraulik (R A/P). • Untuk aliran seragam, A dan P dianggap konstan sepanjang saluran.
Desain Hidraulika Penampang hidraulik saluran terbukaa,b. • Trapesium A y b y cot
B
P b
1
y z b
Atau:
A y b yz
P b 2y z2 1 B b 2 yz
A R P
2y sin
Desain Hidraulika • Segi empat
A by y
b
P b 2y
A R P
Desain Hidraulika • Segi tiga
A y 2 cot
b
1
y z
Atau:
A y2z
P 2y z2 1
b 2 yz
2y P sin A R P
Desain Hidraulika • Lingkaran bs
D2 A sin 8 D P
y
R D
2
A P
Desain Hidraulika • Parabola b
y
2 A yb 3 8y2 P b 3b A R P
Atau kira-kira: 2 R y 3
6. Desain Hidraulika Penampang hidraulik terbaika,b. • Trapesium, yn = kedalaman normal (kedalaman air di dalam saluran pada waktu terjadi aliran seragam)
60 o b
2 3
yn
Q y n 0,968 1n 2 Sb
Q A 1,622 1n 2 Sb
3
3
4
8
6. Desain Hidraulika • Segi empat
b 2 yn Q y n 0,917 1n 2 Sb
Q A 1,682 1n 2 Sb
3
3
8
4
6. Desain Hidraulika • Segi tiga
45 o Q y n 1,297 1n 2 Sb
Q A 1,682 1n 2 Sb
3
3
8
4
6. Desain Hidraulika • Bundar
D 2 yn Q y n 1,00 1n 2 Sb
Q A 1,583 1n 2 Sb
3
8
3
8
6. Desain Hidraulika • Kedalaman kritisa,c Untuk saluran terbuka dengan penampang segi empat: • Energi spesifik:
q2 E y 2gy 2 Dimana: E = energi spesifik aliran. y = kedalaman aliran. q = debit persatuan lebar saluran (Q/b). g = konstanta gravitasi.
6. Desain Hidraulika • Kedalaman kritis:
q y c g
2
1
3
Dimana: yc = kedalaman kritis. q = debit per satuan lebar saluran (Q/b). g = konstanta gravitasi.
6. Desain Hidraulika • kecepatan kritis: 3
2
yc g q Vc yc yc
1
2
gyc
Dimana: Vc = kecepatan kritis. q = debit per satuan lebar saluran (Q/b). yc = kedalaman kritis. g = konstanta gravitasi.
6. Desain Hidraulika • Kedalaman kritis Untuk saluran terbuka dengan penampang selain segi empat: • Energi spesifik:
Q2 E y 2gA2 Dimana: E = energi spesifik aliran. y = kedalaman aliran. Q= debit aliran. g = konstanta gravitasi.
6. Desain Hidraulika • Kedalaman kritis:
Q 2 A3 g B y yc Dimana: Q= debit aliran. g = konstanta gravitasi. A = luas penampang basah. B = lebar permukaan air. y = yc = kedalaman aliran.
6. Desain Hidraulika •
a
•
b
Sumber: Philip B. Bedient, Wayne C. Huber, 1992, Hydrology and Floodplain Analysis Second Edition, Addison-Wesley, Reading, Mass.
Sumber: Glen O. Schwab, Delmar D. Fangmeir, William J. Elliot dan Rihard K. Frevert, 1997, Teknik Konservasi Tanah dan Air (Terj.), Center for Land and Water Management Studies, Sriwijaya University, Indonesia.
• c Sumber: Bruce R. Munson, Donald F. Young dan Theodore H. Okiishi, 2005, Mekanika Fluida Edisi Keempat Jilid 2 (Terj.), Erlangga, Jakarta Juga dapat dilihat dalam: • Ven Te Chow, 1997, Hidrolika Saluran Terbuka (Terj.), Erlangga, Jakarta.
6. Desain Hidraulika Contoh perhitungan aliran seragam dalam saluran terbuka • Contoh 1: Aliran seragam di dalam saluran trapesium.
Saluran berpenampang trapesium dengan kemiringan dinding 2 : 1 dirancang untuk mengalirkan debit 200 ft3/detik. Dinding saluran dilapisi dengan rumput (n = 0,025) dan kemiringan dasar saluran 0,0006 ft/ft. Tentukanlah kedalaman normal aliran air, lebar bawah dan lebar atas saluran bila lebar bawah adalah 1,5 kali kedalaman normal aliran air. • Contoh 2: Aliran seragam di dalam saluran segi empat. Sebuah saluran terbuka dirancang untuk mengalirkan air dengan debit 10 m3/detik. Tentukanlah dimensi saluran berdasarkan penampang hidraulik terbaik bila kemiringan dasar saluran 0,005 m/m, dinding saluran dilapisi dengan beton (n = 0,010).
6. Desain Hidraulika Contoh perhitungan aliran seragam dalam saluran terbuka • Contoh 3: Aliran seragam di dalam saluran segitiga.
Air mengalir dengan aliran seragam di dalam sebuah saluran berpenampang segitiga. Tentukanlah jenis aliran di dalam saluran (superkritis atau subkritis) bila debit yang mengalir 14 m3/detik, koefisien kekasaran dinding saluran n = 0,012 dan kemiringan dasar saluran 0,006 m/m.
Jawaban untuk Contoh 1:
Gambar: Penampang saluran Qd
= 200 ft3/detik.
n
= 0,025
So
= 0,0006 ft/ft.
b
= 1,5 yn
Kecepatan aliran air di dalam saluran dihitung dengan menggunakan rumus Manning: V
1,49 2 3 12 R S o .......... (1) n
Debit di dalam saluran: Q = VA .......... (2) Subtitusi persamaan (2) ke persamaan (1) sehingga diperoleh: Q
2 1 1,49 AR 3 S o 2 .......... (3) n
Karena: R = A/P .......... (4) dan merujuk kepada gambar penampang saluran, diperoleh: A = ynb + 2(½)(2yn)(yn) = 1,5 yn2 + 2 yn2 = 3,5 yn2 .......... (5) P = b + 2( yn2 + 4 yn2) ½ = 1,5 yn + 2(5 yn) = yn(1,5 + 25) .......... (6) Subtitusi persamaan (5) dan (6) ke persamaan (4) menghasilkan:
3,5 yn2 R 0,586 yn .......... (7) yn 1,5 2 5
Subtitusi persamaan (5) dan (7) ke persamaan (3) menghasilkan: Q
1 2 1,49 3,5 yn2 0,586 yn 3 S o 2 .......... (8) n
Pemecahan persamaan (8) akan memberikan nilai yn. 200
2 1 1,49 3,5 yn2 0,586 yn 3 0,0006 2 0,025
8
200 3,578 yn 3
yn 55,89
3
8
yn = 4.5 ft b = 1,5 yn = 1,5 x 4,5 = 6,8 ft B = 2 (4,5 x 2) + 6,8 = 24,8 ft
Jawaban untuk Contoh 2:
yn
b Gambar: Penampang saluran Qd
= 10 m3/detik.
n
= 0,010
So
= 0,005 m/m.
Penampang hidraulik terbaik untuk penampang segi empat memberikan: b = 2yn Kecepatan aliran air di dalam saluran dihitung dengan menggunakan rumus Manning: V
1 2 3 12 R S o .......... (1) n
Debit di dalam saluran: Q = VA .......... (2) Subtitusi persamaan (2) ke persamaan (1) sehingga diperoleh: Q
2 1 1 AR 3 S o 2 .......... (3) n
Karena: R = A/P .......... (4) dan merujuk kepada gambar penampang saluran, diperoleh: A = ynb = 2 yn2 .......... (5) P = 2 yn + b = 4 yn .......... (6) Subtitusi persamaan (5) dan (6) ke persamaan (4) menghasilkan:
2 y n2 R 0,5 y n .......... (7) 4 yn Subtitusi persamaan (5) dan (7) ke persamaan (3) menghasilkan: Q
1 2 1 2 yn2 0,5 yn 3 So 2 .......... (8) n
Pemecahan persamaan (8) akan memberikan nilai yn. 10
2 1 1 2 y n2 0,5 y n 3 0,005 2 0,01
8
10 8,909 y n 3 y n 1,1225
3
8
yn = 1.04 m b = 2 yn = 2 x 1,04 = 2,08 m
Jawaban untuk contoh 3:
y
1 1
Gambar: Penampang saluran Untuk penampang selain segi empat kedalaman kritis adalah: Q 2 A3 .......... (1) g B y y c
Merujuk kepada gambar penampang saluran, diperoleh A = y2 .......... (2) P = 2y2 .......... (3)
R
y 2 2
.......... (4)
B = 2y .......... (5) karena y = yc, maka persamaan (2) dan (5) menjadi: A = yc2 .......... (6) B = 2yc .......... (7)
Subtitusi persamaan (6) dan (7) ke persamaan (1) diperoleh:
yc6 14 2 2 yc 9,81 yc5 = 39,96 yc = 2,09 m Karena aliran dianggap seragam maka kedalaman aliran di dalam saluran dapat dihitung dengan menggunakan rumus Manning: Q
2 1 1 AR 3 So 2 .......... (8) n
1 y 14 y2 0,012 2 2
2
3
0,006
y8/3 = 4,338 y = 1,73 m Dengan membandingkan antara y dan yc diketahui y < yc, artinya aliran air di dalam saluran superkritis.
6. Desain Hidraulika Kecepatan izin • Untuk mencegah pengendapan dan tumbuhnya tumbuhan pengganggu maka kecepatan aliran air di dalam saluran disarankan ≥ 0,6 m/detik1. • Berikut ini adalah kecepatan maksimum aliran air yang diizinkan untuk berbagai jenis bahan saluran:
6. Desain Hidraulika Kecepatan izin • Bila saluran dirancang sebagai saluran tanah yang diberi pelapisan rumput maka kecepatan maksimum aliran air di dalam saluran yang diizinkan adalah 1 – 2,4 m/detik pada tanah tahan erosi dan 0,8 – 1,8 m/detik pada tanah tidak tahan erosi. Kecepatan aliran > 1,5 m/detik hanya untuk saluran dengan rumput penutup yang tumbuh dengan baik (menutupi permukaan dinding saluran dengan baik) dan saluran dirawat dengan baik2.
6. Desain Hidraulika Kecepatan izin • Untuk saluran drainase kota dengan dinding dari batu atau beton kecepatan aliran di dalam saluran pada saat mengalirkan debit puncak disarankan antara 0,9 – 3 m/detik3. • Untuk saluran yang dilapisi dengan rumput kecepatan aliran yang disarankan adalah 0,6 – 2,25 m/detik3.
6. Desain Hidraulika Kemiringan dinding saluran • Kemiringan dinding saluran bila mungkin sebaiknya mengikuti kemiringan yang menghasilkan penampang hidrolis terbaik. • Kemiringan dinding saluran tanah yang disarankan untuk saluran dengan pelapisan rumput adalah 1 : 33. • Berikut ini adalah kemiringan dinding saluran yang disarankan untuk berbagai jenis bahan saluran:
6. Desain Hidraulika Tinggi jagaan (Freeboard) • Setiap saluran drainase harus mempunyai kedalaman tambahan yang disebut tinggi jagaan (freeboard). • Besarnya tinggi jagaan umumnya antara 5 – 30%1 dari kedalaman aliran air yang direncankan (y) atau menggunakan rumus yang disarankan oleh USBR4: F = (Cy)½ Dimana: F = tinggi jagaan (m). C = koefisien yang besarnya 0,17 untuk Q < 0,6 m3/detik; 0,17 < C < 0,23 untuk 0,6 ≤ Q ≤ 8 m3/detik; 0,24 untuk Q > 8 m3/detik. y = kedalaman air rencana di dalam saluran (m).
6. Desain Hidraulika Tinggi jagaan (Freeboard) • Sehingga kedalaman akhir saluran adalah: Y = y + tinggi jagaan. • Lebar atas saluran yang akan dibangun adalah lebar atas yang dihitung setelah kedalaman saluran ditambah dengan tinggi jagaan.
6. Desain Hidraulika •
1 Sumber:
•
2
•
3
Sumber: M. Masduki Hardjosuprapto, 1996, Desain Drainase Perkotaan Vol. 1, ITB, Bandung.
•
4
Sumber: Ven Te Chow, 1997, Hidrolika Saluran Terbuka (Terj.), Erlangga, Jakarta.
Wesli, 2008, Drainase Perkotaan, Graha Ilmu, Yogyakarta.
Sumber: Glen O. Schwab, Delmar D. Fangmeir, William J. Elliot dan Rihard K. Frevert, 1997, Teknik Konservasi Tanah dan Air (Terj.), Center for Land and Water Management Studies, Sriwijaya University, Indonesia.
