Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-1 MODUL III PARAMETER HIDRAULIK AKIFER SASARAN 1. Mengetahui arti peta isophreatik dan jaring aliran airtanah 2. Mampu membuat peta isophreatik dan jaring aliran airtanah (flow net) 3. Mengetahui kondisi batas hidrodinamika 4. Memahami batasan uji pompa dan akifer 5. Mengetahui teknologi pemboran airtanah I. TEORI DASAR Akifer merupakan suatu lapisan batuan yang mampu menyimpan dan mengalirkan air. Secara hidrodinamik di alam ada 3 (tiga) tipe akifer, yaitu : 1. Confined Aquifer (akifer tertekan) Merupakan suatu akifer yang bagian atas dan bawahnya dibatasi oleh lapisan bersifat akifug atau akiklud (Gambar 1). Gambar 1. Konfigurasi akifer tertekan dan muka airtanah pada sumur (Kruseman, 1994) Gambar 2. Konfigurasi akifer tak tertekan dan muka airtanah (Kruseman, 1994) 2. Unconfined aquifer (akifer tidak tertekan) Akifer yang dibatasi oleh 1 lapisan impermeabel di bagian bawahnya (dan pada bagian atasnya tidak ada lapisan penutup/impermeabel layer)(Gambar2). 3. Leaky aquifer ( semi confined atau akifer bocor) Akifer yang dibatasi oleh lapisan semi permiabel / lapisan akitard (di atas dan atau di bawahnya)(Gambar 3). Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-2 Gambar 3. Konfigurasi akifer bocoran dan muka airtanah pada sumur (Kruseman, 1994)
II. SIFAT HETEROGENITAS SUATU AKIFER DAN KEIS OTROPIKANNYA Suatu akifer dapat dikelompokkan pula berdasarkan karakteristik kehomogenan batuan dan sifat isotropiknya ( Kruseman G.P & de Ridder, 1994 ).
�� Kondisi Akifer Homogen Gambar 4a merupakan ilustrasi suatu akifer yang homogen dan isotropik yang tersusun atas litologi yang sama. Masing-masing memiliki besar butir yang sama (homogen) dan aliran airtanah memiliki kecepatan aliran yang sama ke segala arah. Besaran vektor konduktifitas hirolik horizontal sama dengan vektor berarah vertikal (Kh=Kv) atau disebut isotropik. Contoh : batupasir, dll. Gambar 4a. Akifer Homogen & Isotropik Gambar 4b. Akifer Homogen & Anisotropik Gambar 4b merupakan ilustrasi akifer yang homogen dan Anisotropik. Akifer tersebut dicirikan dengan litologi yang sama dengan besar butir relatif sama (homogen). Namun demikian aliran airtanah pada akifer tersebut mempunyai kecepatan aliran yang tidak sama ke berbagai arah. Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-3
�� Kondisi Akifer Heterogen Gambar 4c merupakan ilustrasi akifer yang bersifat heterogen/anisotropik dengan litologi campuran serta memiliki besar butir yang tak seragam. Aliran airtanah pada akifer tersebut memiliki kecepatan aliran yang tidak seragam dimana Kh tidak sama de ngan Kv (ansotropik). Contoh Batupasir dengan struktur sedimen graded bedding. Gambar 4c. Akifer Heterogen & Anisotropik Gambar 4d. Akifer He terogen & Terkekarkan Gambar 4d merupakan ilustrasi akifer dengan litologi yang terkekarkan dimana perhitungan kecepatan aliran berbeda dengan kondisi aliran pada media pori (Porus Media). Contoh batu gamping, lava, dll. III. REKONSTRUKSI ALIRAN AIRTANAH Kondisi airtanah di dalam akifer dapat digambarkan menjadi suatu peta isofreatik dan suatu jaring aliran airtanah. 1. Peta Isofreatik
Peta isofreatik adalah peta kesamaan muka airtanah yang dibuat berdasarkan pengamatan ketinggian muka airtanah. Peta isofreatik ini dapat dibagi menjadi dua: • Watertable map : Peta kesamaan muka airtanah untuk akifer bebas • Piezometric map : Peta kesamaan muka airtanah untuk akifer tertekan Guna peta isofreatik adalah: • Untuk menentukan kedalaman sumur • Untuk menentukan arah aliran airtanah • Untuk menentukan gradien hidrolik • Untuk memperkirakan debit suatu akifer • Untuk eksplorasi airtanah lebih lanjut Syarat batas pembuatan peta isofreatik adalah: • Penentuan ketinggian muka airtanah harus pada lapisan akifer yang sama dan menerus • Akifer bersifat homogen isotropik (akifer ideal) Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-4 2. Cara pembuatan peta isofreatik Secara umum pembuatan peta isofreatik hampir sama dengan pembuatan peta topografi yaitu dengan membuat kontur (menghubungkan titik-titik ketinggian yang sama). Namun di sini titik-titik itu adalah titik ketinggian muka airtanah yang didapat dari sumur galian ataupun sumur bor pada akifer yang sama. Titik ikat yang lain adalah mataair. Contoh cara penentuan muka airtanah pada sumur galian: t = tinggi pagar sumur D = kedalaman muka airtanah dari bibir pagar) d = D – t (kedalaman muka airtanah dari muka tanah) T = topografi s = T – d (ketinggian muka airtanah) Gambar 5. Penentuan tinggi m.a.t
3. Penentuan gradien hidrolik dan arah aliran Penentuan gradien hidrolik dapat dilakukan dengan metoda ‘Tiga Titik’ pada jenis titik ikat yang sama yaitu: - Tiga titik sumur bor/galian atau - Tiga titik mataair Dari metoda tiga titik ini akan didapat nilai gradien hidrolik (i) : Contoh pada Gambar (6) i = Δh/L i = (40-30)m/L i = 10 m/L Sedangkan L = panjang tegak lurus t erukur garis head x skala peta Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-5 Gambar 6. Penentuan Gradien Hidraulik Metoda Tiga Titik. Sedangkan arah aliran diambil dari gradien head yang tinggi ke rendah. 4. Jaring aliran airtanah Jaring airtanah terdiri dari dua jenis garis. Gar is pertama adalah garis ekipotensial ( equipotential lines) yang menghubungkan titik-titik dengan head (tekanan hidrostatik) yang sama. Garis kedua adalah garis aliran ( flow lines) yang menunjukkan pola aliran ideal air di dalam akifer. Karena air akan selalu mengalir ke titik dengan selisih head yang paling besar, maka garis aliran akan selalu membentuk sudut tegak lurus dengan garis ekipotensial. Gambar 7. Peta kontur aliran airtanah bebas dan j aring airtanah Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-6 Gambar 8. Penampang aliran airtanah bebas dan jaring airtanah 5. Kecepatan aliran airtanah Kecepatan aliran airtanah dapat dihitung dengan menggunakan hukum Darcy dan persamaan kecepatan hidrolik: Q = KA (dh/dl) (hukum Darcy)
Q = Av (persamaan kecepatan) Sehingga dihasilkan persamaan : v = K.(dh/dl).1/n dengan, v = kecepatan aliran dh/dl = gradien hdraulik K = konduktivitas hidraulik n = porositas IV. ALIRAN TUNAK DAN TIDAK TUNAK Jika suatu akifer di pompa, maka aliran air pada akifer itu dapat berupa aliran tunak (steady flow) atau aliran tidak tunak (unsteady flow/transient)
�� Aliran Tunak ( Steady-state Flow) Pada aliran ini muka airtanah dalam sumur pompa dan piezometer (water level) tidak berubah terhadap waktu.
�� Aliran Tidak Tunak ( Unsteady-state Flow /Transient) Dimana muka airtanah dalam sumur pompa dan sekeliling pieozometer (Water Level) berubah terhadap waktu Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-7 V. METODA PEMBORAN UNTUK PENGUJIAN DAN EKSPLOITASI AIRTANAH Jenis metoda pemboran dibedakan berdasarkan
�� Mekanisme Pemboran �� Sirkulasi fluida Bor �� Jenis Fluida bor yang digunakan Berdasarkan mekanisme pemboran, metode pemboran dapat dibagi lagi, yaitu : 1. Pemboran Tumbuk ( Percussive Drilling) Dioperasikan dengan cara mengangkat dan menjatuhkan alat bor berat secara berulangulang kedalam lubang bor sehingga lubang bor terbentuk akibat mekanisme tumbukan dan beban rangkaian bor (Gambar 9). 2. Pemboran Putar ( Rotary Drlling) Lubang bor dibentuk dari pemboran dengan mekanisme putar dan disertai pembebanan (Gambar 10).
3. Bor putar Hidraulik ( Hidraulik Rotary) Dimana lubang bor dibentuk dari kombinasi antara mekanisme putar, tekanan hidraulik, dan beban setang bor (Gambar 11). Kelebihan atau kekurangan mesin bor tumbuk dibandingkan mesin bor putar antara lain seperti pada Tabel 1 berikut : Tabel 1. Kelebihan dan kekurangan mesin bor tumbuk Kelebihan Kekurangan ♦ Ekonomis
(murah, biaya operasi rendah, biaya
transportasi murah, persiapan rig cepat) ♦ Menghasilkan contoh pemboran yang ♦ Lebih
lebih baik
mempermudah pengenalan lokasi
♦ Tanpa sistem sirkulasi ♦ Kemungkinan ♦ Kecepatan
kontaminasi karena pemboran relatif kecil
laju pemboran
rendah ♦ Sering
terjadi putusnya sling
Berdasarkan sirkulasi fluida, metode pemboran dapat dibagi lagi, yaitu : 1. Sirkulasi Langsung ( Direct Circulation) Fluida bor dipompakan dari mudpit ke mata bor melalui bagian dalam stang bor kemudian kembali lagi ke permukaan akibat tekanan pompa melalui rongga anulus. 2. Sirkulasi Terbalik ( Reverse Circulation) Fluida bor dari mudpit bergerak melalui rongga anulus, kemudian kembali lagi kepermukaan akibat gaya hisap pompa melalui bagian dalam stang bor. Berdasarkan jenis fluida yang digunakan, metode pemboran dapat dibagi lagi, yaitu : 1. Pemboran menggunakan cairan / lumpur ( Mud Flush). 2. Pemboran menggunakan udara Jika menggunakan udara sebagai fluida bor ( Air Flush) Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-8
Gambar 9. Bor Tumbuk Gambar 10. Bor Putar Gambar 11. Bor Hidraulik Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-9 Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam pem buatan suatu sumur bor. a. Diameter Sumur
�� Besaran diameter casing pipa yang digunakan sesuai dengan keperluan �� Jenis casing yang digunakan biasanya PVC atau Low Carbon yang disesuaikan dengan kualitas airtanah. b. Kedalaman Sumur
�� Tergantung pada berapa lapisan akifer yang akan digunakan dan jenis akifernya �� Penentuan Jenis Akifer (Tertekan atau tidak) berdasarkan data log bor c. Screen
�� Merupakan tempat masuknya air pada lubang bor berfungsi juga sebagai filter supaya material dari formasi tidak ikut terbawa oleh pompa d. Gravel Pack
�� Material kasar buatan yang ditempatkan disekitar screen yang ber guna untuk mempermudah air dipompa karena material-material pada akifer akan tertahan pada gravel pack tidak menutupi lubang-lubang screen (sand Bridge)
�� Mencegah agar lubang bor stabil atau tidak mudah runtuh �� Berfungsi sebagai filter alami e. Pompa
�� Alat untuk menghisap air dari lubang bor ke atas permukaan tanah. Pada pemboran airtanah dalam pompa yang lazim digunakan adalah pompa selam ( submersible pump) Gambar 12. Konstruksi Sumur Bor (Kruseman G.P & de Ridder, 1994) Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-10 Gambar 13. Skema Pompa Submersible
f. Piezometer
�� Adalah sebuah alat pengukur muka airtanah yang ditempatkan di dalam sumur pantau. Sumur pantau ditempatkan disekitar sumur pemompaan. Gambar 14. Skema Alat Piezometer (Kruseman G.P & de Ridder, 1994) Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-11 TES PEMOMPAAN UJI AKIFER AQUIFER TEST Time draw-down test UJI SUMUR BOR WELL TEST/PUMPING TEST Recovery test g. Grouting
�� Suatu lapisan buatan (berupa lapisan semen) yang berfungsi untuk menahan konstruksi lubang bor. Gambar 15. Konstruksi Sumur Bor Airtanah VI. PUMPING TEST Uji pemompaan merupakan suatu tahapan untuk menguji kapasitas debit dan parameter-parameter fisik akifer sebelum dilakukan tahapan ekspolitasi pada sumur bor tersebut. Secara umum uji pemompaan atau Pumping Test ter diri dari dua metoda yaitu uji akfer dan uji pompa. Diagram suatu test pemompaan Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-12 a. Uji Akifer Merupakan suatu test pemompaan yang dilakukan hanya pada 1 akifer dengan pengamatan pada beberapa sumur pantau (Observation Well) atau piezometer disekitar sumur uji.
b. Uji Pompa Merupakan suatu uji pemompaan yang dilakukan pada beberapa akifer dalam satu sumur bor dengan pengamatan pada beberapa sumur pantau (observasi well) atau piezometer disekitar sumur uji. Dari kedua tahapan tersebut akan dicari besaran dari parameter hidrolik akifer atau sumur bor. Gambar 16. Uji Akifer Gambar 17. Uji Pompa. Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-13 VII. PARAMETER HIDROLIK AKIFER Ada beberapa parameter hidrolik yang penting yaitu Debit air (Q), Koefisien Transimifitas (T), Konduktifitas Hidrolik (K), dan Koefisien Isian (S). a. Q (Debit Air) dengan satuan m3/s. Q = (V).A = (K.i).A = K(i).A = K(dh/dl).A Q ini dapat merupakan volume air yang dikeluarkan per satuan waktu. b. T (Koefisien Transimissivitas) dengan satuan m2/s. Satuan yang menunjukan kecepatan aliran dibawah satu unit gradien hidrolik melalui sebuah penampang pada seluruh tebal jenuh suatu akifer. c. K (Konduktifitas Hidraulik) dengan satuan m/s. Dapat didefinisikan sebagai sebuah koefisien yang secara proporsional mengambarkan kecepatan air yang dapat melaju melalui media permeable dalam unit waktu dan unit gradien hidrolik. Densitas dan Viskositas air harus diperhatikan dalam mendeterminasi Hydraulic Conductivity (dapat dilihat pada modul II). K = T/b (b sebagai ketebalan kumulatif dari akifer) d. S (Koefisien Isian) tanpa satuan
Merupakan nilai yang menyatakan volume air yang dapat dikeluarkan/dimasukan dari/ke akifer pada unit luas dan per unit perubahan paras muka air VIII. METODA-METODA DALAM UJI POMPA Dalam tahapan uji pompa / akifer, maka pertama-tama harus dipahami jenis akifer yang akan diuji. Dengan memahami jenis akifer, maka dapat digunakan metoda yang akurat dalam tahapan pumping test. Jenis jenis metoda yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 2 di bawah ini (Kruseman G.P & de Ridder, 1 994). Tabel 2. Metoda-metoda dalam uji pompa Tipe Akifer Unconfined Aquifer Confined aquifer Leaky Aquifer Jenis Aliran Steady Unsteady Steady Unsteady Steady Unsteady Metoda Thiemsdupuit Neuman`s Wive-fitling Thiems 1. Theis 2. Jacob 1. De-Glees 2. HantusJacob 1. Walton 2.Hantus`Wir ve-Fitling Dalam praktikum ini hanya akan dibahas mengenai uji pompa untuk confined akifer yang memiliki sifat aliran Unsteady atau Transient.
�� Metoda Theis Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-14 Metoda ini dapat dipakai jika memenuhi syarat-syarat
�� Akifer tertekan dan tidak tunak �� Akifer Homogen dan Isotropik �� Debit Pemompaan (Q) konstan
�� Digunakan kertas grafik log-log �� Digunakan bila μ > 0,01 Cara Kerja
�� Gambarkan grafik hubungan antara s atau nilai penurunan (drawing down) terhadap nilai t pada kertas grafik log-log . Grafik hubungan penurunan muka air (s) dengan t ini akan sama dengan hubungan W(u) dengan 1/u grafik baku (telampir)
�� Tempatkan data uji pemompaan diatas grafik baku . atau hingga kedua gr afik (data uji pemompaan dan grafik baku) saling sejajar dan berimpit
�� Pilhlah sembarang titik temu (match point) A pada kedua grafik yang saling berimpit dan tentukan nilai W(u) , 1/u, s. dan t untuk titik A tersebut
�� Masukan nilai-nilai tersebut kedalam persamaan T= Q W(u)/4πs ……………………………..(1)
�� Hitunglah nilai koefisien Isian (S) dengan mengunakan rumus S = 4Tμt/r2 ………………………………..(2) Ket : T = Koefisien Transimibilitas S = koefisien Isian T = Waktu pemompaan r = Jarak sumur uji dengan sumur obsevasi μ = 1/(1/μ) Gambar 18. Grafik Uji Coba Metoda Theis Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-15
�� Metoda Jacob Metoda ini dapat dipakai jika memenuhi syarat-syarat
�� Akifer tertekan dan tidak tunak �� Akifer homogen dan isotropik �� Debit pemompaan (Q) konstan
�� Digunakan kertas grafik semi log �� Digunakan bila μ < 0,01 Cara kerja
�� Gambarkan grafik hubungan antara s atau nilai penurunan (drawing down) terhadap nilai t pada kertas garfik semi log . - t pada skala logaritma - s pada skala linier Tarik garis lurus yang merupakan regresi linier dari titik pengukuran tersebut
�� Perpanjang garis lurus tersebut hingga memotong sumbu horizontal t pada s = 0 dan baca nilai t
�� Tentukan harga selisih draw down (s) pada 1 (satu) log cy cle ( misal 100-101 atau 101 102) atau disebut Δs untuk nilai regresi te rsebut
�� Hitung T dan S dengan persamaan berikut T = 2,3 Q/(4πΔs).................................(3) S = 2,246T to/(r2)................................(4) Harga μ μ = r2S/(4Tt) ……………..................(5) Gambar 19. Grafik Uji Pompa (Metoda Jacob) Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-16 Keterangan : pada tahap perhitungan sebaiknya dilakukan metoda Jacob terlebih dahulu, jika μ > 0,01 maka digunakan metoda Theiss. Catatan Pada tahapan interpretasi : • Jika harga koefisien Transmibilitas (T) lebih kecil dari 12,4 m2/hari maka kemampuan sumur yang diuji tersebut hanya untuk keperluan rumah tangga, sebaliknya jika harga T lebih besar dari 12,4 m2/hari maka c ukup untuk keperluan industri, perkampungan dll. Untuk akifer tidak tertekan harga S bervariasi antara 0,02-0,35 dan untuk tertekan 10-5 – 10-3
• Jika pada data hasil uji pompa terdapat beberapa nilai Q yang debitnya berbeda-beda (Q1,Q2,..Qn) maka perhitungan dilakukan pada tiap debit yang konstan. Kemudian berdasarkan hasil perhitungan tsb dibuat rata-rata parameter hidraulik sumur tersebut Contoh suatu pengujian mempunyai nilai Q Terdiri dari Q1, Q2, Q3 ….Qn maka a. Pada metoda Theiss s = (s1 + s2 +s3 + …..+ sn)/n T = (t1 + t2 +t3 + ……..+ tn)/n W(u)r = (W(u)1 + W(u)2 + W(u)3 + …….+ W(u)n)/n μ = (μ1 + μ2 + μ3 + …….+ μn)/n Q = (Q1 + Q2 + Q3 + …….+ Qn)/n T = QW(u)/4πs S = 4Tut/R2 b. Pada metoda Jacob Δs = (Δs1 + Δs 2 + Δs 3 + …….+ Δs n)/n to = (to 1 + to 2 + to 3 + …….+ to n)/n Q = (Q1 + Q2 + Q3 + …….+ Qn)/n T = 2,3Q/4πΔs S= 2,246Tto/r2
�� Uji Sumur Tunggal (Single Well Test) Kenyataan di lapangan menunjukkan seringkali tidak terdapat suatu sumur pantau. Mengatasi hal ini maka dilakukan uji sumurbor tunggal. Uji ini memiliki kelemahan. Pengujian sumur ini, seperti juga pada uji pompa dapat diketahui koefisien well loss, faktor development sumurbor, efisiensi pemompaan dan perkiraan debit aman pemompaan. Tahapan pengujian sumur tunggal dapat dilihat pada Tabel 3 berikut : Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-17 Tabel 3. Tabel perhitungan uji sumur tunggal Uji Bertahap Parameter Simbol
I II, ….. n Uji Menerus Kambuh Penurunan (m) Ds Debit pemompaan Q Waktu pemompaan T Penurunan maksimal (m) sw (m/day) Q/sw (d/m2) sw/Q Koefisien loss linier (d/m2) B Δ sw/Q a ΔQb Koefisien loss linier (d2/m5) C = a/b Koefisien loss linier (min2/m5) C = a/b Akifer loss (m) BQ Well loss (m) CQ2 % %CQ2 Pada posisi pompa tertentu Penurunan, Sw = BQ + CQ2 (m) Sw Penurunan maks = B2/4C (m) Sw maks Q pompa maks = B/2C (m3/d) Qp maks Debit aman pompa tersebut Qps Penurunan aman yang terjadi Swp Keterusan (transmisibility) T Keterusan rata-rata Tr Efisiensi pemompaan = %Pe Pe = (BQ/(BQ+CQ2))x100% %Pe
Faktor development = %Fd %Fd = C/B x 100% %Fd Spesific Capacity = Sc = Q/Sw (debit jenis) = m3/d/m Sc Catatan : < 0,5 Sumur telah didesain dan didevelopment dengan baik dan benar Koefisien well loss (min2/m5) = 0,5 – 1,0 Sumur agak buruk atau mengalami sedikit penyumbatan 1,0 – 4,0 Sumur buruk atau mengalami penyumbatan di beberapa Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-18 tempat > 4 Sumur sulit diperbaiki menjadi semestinya Transmisibility = > 12,4 Sumur dapat dikembangkan untuk kebutuhan industri < 12,4 Sumur hanya dapat dikembangkan untuk kebutuhan rumah tangga Faktor development = < 5 Sumur tidak mengalami penyumbatan 5 – 10 Sumur mengalami sedikit penyumbatan dan mudah diperbaiki 10 – 15 Sumur mengalami banyak penyumbatan namun masih dapat diperbaiki > 15 Sumur mengalami penyumbatan yang sulit diperbaiki 100 – 95 % Sumur telah didevelopment dengan baik Efisiensi pemompaan (%) = 95 – 80 % Sumur kurang baik didevelopment 80 – 65 % Sumur harus didevelopment kembali
< 65 % Sumur harus didevelopment kembali namun sulit mencapai hasil sempurna Daftar Pustaka 1. Australian Drilling Industry, 1997, Drilling The Manual of Methods, Application and Management, Lewis Publisher New York. 2. Fetter, C.W, 1980, Applied Hidrogeologi, 3rd Edition, Merrill Pubs.co. Colombus Ohio Uniterd States of America. 3. Freeze R.A. & Cherry, 1979, Groundwater, Prentice Hall, Inc. United State of America. 4. Karen J. Dawson & Jonathan D. Istok, Aquifer Testing, Design, and Analysis of Pumping and Slug Tests, 1991, Lewis Publishers New York. 5. Kruseman, G.P. , & M.A de Ridder, 1994, Analysis & Evaluation of Pumping Test Data, Publication 47, Wegeningen, The Netherlands