Oleh: Bos Ariadi Muis I.
Latar Belakang
Perkembangan pembangunan dibidang pemukiman, pertanian, perkebunan, industri, ekploitasi
sumber
daya
alam
berupa
penambangan,
dan
ekploitasi
hutan
menyebabkan menyebabkan penurunan kondisi hidrologis suatu daerah aliran sungai (DAS). Gejala penurunan fungsi hidrologis DAS ini dapat dijumpai di beberapa wilayah Indonesia, seperti di Pulau Jawa, Pulau Sumatera, dan Pulau Kalimantan, terutama sejak tahun dimulainya Pelita I yaitu pada tahun 1972. Penurunan fungsi hidrologis tersebut menyebabkan kemampuan DAS untuk berfungsi sebagai “storage” air pada musim kemarau dan kemudian dipergunakan melepas air sebagai “base flow” pada musim kemarau, telah menurun. Ketika air hujan turun pada musim penghujan air akan langsung mengalir menjadi aliran permukaan yang kadang-kadang menyebabkan banjir dan sebaliknya pada musim kemarau aliran “base flow” sangat kecil bahkan pada beberapa sungai tidak ada aliran sehingga ribuan hektar sawah dan tambak ikan tidak mendapat suplai air tawar. Besarnya aliran permukaan yang terjadi pada musim penghujan dan berkurangnya luas kawasan hutan serta semakin luasnya bagian permukaan lahan DAS yang terbuka menyebabkan erosi permukaan menjadi semakin besar sehingga angkutan sedimen aliran permukaan bertambah besar pula. Angkutan sedimen yang terbawa aliran air akan mengendap di alur sungai bagian sebelah hilir dan pada bangunan pengairan, seperti bendung, dan saluran irigasi. Walaupun masih banyak parameter lain yang dapat dijadikan ukuran kondisi suatu daerah aliran sungai, seperti parameter kelembagaan, kelembagaan, parameter peraturan perundangundangan, parameter sumber daya manusia, parameter letak geografis, parameter iklim, dan parameter teknologi, akan tetapi parameter air masih merupakan salah satu input yang paling relevan dalam model DAS untuk mengetahui tingkat kinerja DAS tersebut, khususnya apabila dikaitkan dengan fungsi hidrologis DAS. Sinukaban (2011) mengatakan bahwa pembenaran ilmu tidak hanya dibuktikan dengan logika (rasional) tapi juga harus melalui pembuktian (empiris), sehingga apabila satu kesimpulan yang ditarik berdasarkan salah satu alasan saja maka kebenaran ilmu masih
1
diragukan. Akan tetapi sebaliknya apabila dalam pembuktian suatu hipotesis yang berdasarkan satu parameter saja ditemukan kesalahan maka dapat disimpulkan bahwa hipotesis tersebut salah. Teori yang demikian berdasarkan teori “inductive logic” yaitu menarik suatu kesimpulan umum berdasarkan berdasarkan suatu hal yang spesifik. Dengan demikian maka apabila berdasarkan analisa hidrograf aliran ternyata perbedaan besar debit pada musim penghujan dan musim kemarau cukup besar dan apabila berdasarkan analisa angkutan sedimen sungai ternyata besar angkutan sedimen melebihi batas yang dapat ditoleransi maka dapat disimpulkan bahwa kondisi DAS dalam keadaan rusak. Pada model pengelolaan DAS dibawah input hidrograf aliran air sungai dan input angkutan sedimen dijadikan sebagai dasar apakah cukup signifikan hipotesis yang menyebutkan bahwa kerusakan DAS yang ditunjukkan oleh kedua parameter tersebut. Apabila hasil analisa menunjukkan tidak cukup signifikan maka kondisi DAS disimpulkan dalam keadaan baik, sebaliknya apabila cukup signifikan maka penelitian dilanjutkan dengan memasukkan input yang lain seperti input institusi, input sumber daya manusia, input sumber daya alam dan input sosial ekonomi. Hasil analisa dengan masukan masing-masing input tersebut dipergunakan untuk menentukan kebijakan, strategi dan perencanaan daerah aliran sungai yang paling tepat dan selanjutnya dituangkan dam program pelaksanaan pengelolaan DAS. Berdasarkan pertimbangan hal tersebut, maka makalah ini akan membahas tentang kondisi DAS dalam lingkup analisis hidrograf sebagai ukuran tingkat kinerja DAS dan untuk menjawab tugas mata kuliah pengelolaan daerah aliran sungai yang dibimbing oleh Prof. Dr. Ir. Naik Sinukaban, M.Sc.
II. Morfometri dan Pergerakan Air dalam DAS
Daerah aliran sungai (DAS) merupakan daerah yang dibatasi oleh topografi secara alami sehingga semua air hujan yang jatuh diatas DAS tersebut akan mengalir melalui titik pembuangan pembuangan (outlet) yang sama. Dalam suatu sistem DAS terdapat suatu sifat khas yang menunjukkan sifat tangkapan DAS terhadap suatu masukan tertentu yaitu air hujan yang jatuh di DAS. Sifat yang khas dari suatu DAS dapat dilihat dari morfometri DASnya. Morfometri DAS adalah pengukuran bentuk dan pola DAS yang dapat dilihat dari suatu peta. Gordon (1992) menjelaskan bahwa parameter dalam morfometri DAS berhubungan satu sama lain, sehingga seringkali salah satu 2
parameter dapat dijadikan perwakilan parameter lainnya. Parameter morfometri DAS terpilih yang saling berhubungan tersebut dapat digunakan untuk menduga respon hidrologi dari suatu DAS terhadap masukan curah hujan di kawasan tersebut. Respon hidrologi dari suatu DAS terhadap masukan curah hujan dijelaskan pula oleh Asdak (2001) yang menyatakan bahwa beberapa parameter morfometri DAS seperti luas, kemiringan lereng, bentuk, kerapatan drainase dapat berpengaruh terhadap besaran dan ti ming dari hidrograf aliran yang dihasilkannya. Pengaruh luasan DAS terhadap bentuk hidrograf aliran adalah pada waktu konsentrasi aliran air di daerah dimana semakin besar luas DAS maka semakin banyak pula curah hujan yang diterima namun semakin lama waktu konsentrasi aliran air untuk mencapai debit puncaknya. Sehingga bentuk hidrograf dari DAS yang mempunyai luasan yang besar cenderung menjadi lebih l ebih panjang. Kemiringan lereng DAS mempengaruhi cepat lambatnya laju run-off yang kemudian dapat mempercepat respon DAS terhadap curah hujan yang terjadi. DAS yang memiliki topografi relatif datar akan menghasilkan run-off yang lebih kecil dibandingkan dengan DAS yang memiliki topografi yang miring. Bentuk DAS mempengaruhi laju run-off dan waktu konsentrasi aliran di daerah outlet, sehingga dari faktor bentuk DAS ini dapat menghasilkan bentuk hidrograf yang berbeda antara DAS yang mempunyai bentuk yang memanjang dan sempit dengan DAS yang berbentuk cenderung membulat dan lebar. DAS yang memanjang dan sempit cenderung menurunkan laju run-off sehingga waktu konsentrasi untuk mencapai debit puncak di daerah outlet cenderung lebih lama dari pada DAS yang membulat dan lebar. Kerapatan drainase sangat berpengaruh dalam menentukan kecepatan run-off di DAS. Hubungannya adalah semakin tinggi kerapatan drainase maka semakin besar kecepatan runoff untuk curah hujan yang sama di DAS. Oleh karena itu, DAS dengan kerapatan drainase
tinggi, maka debit puncaknya akan tercapai dalam waktu yang lebih cepat dibandingkan dengan DAS dengan kerapatan drainase rendah. Perjalanan air di dalam DAS dapat diasumsikan sebagai limpasan total ( total runoff ), ), yang terdiri dari limpasan langsung ( direct runoff ) dan aliran dasar ( base flow). Limpasan langsung sendiri terdiri dari aliran permukaan ( surface runoff ) dan aliran bawah permukaan yang mengalir langsung ( prompt sub surface flow) serta hujan yang jatuh langsung di permukaan sungai ( channel precipitation). Sedangkan aliran dasar terdiri dari aliran bumi (ground water flow) yang masuk melalui perkolasi dan aliran bawah tanah permukaan kemudian (delayed sub surface flow) yang tidak masuk ke saluran, tetapi bergabung dengan 3
air perkolasi dan memperbesar aliran dasar. Aliran dasar dan limpasan langsung akhirnya bersatu menuju ke sungai.
III. Hidrograf
Hidrograf adalah gambaran suatu aliran sungai (aliran permukaan) secara kontinyu dari waktu ke waktu. Gambaran tersebut berupa fluktuasi aliran sungai sepanjang waktu (harian, bulanan, tahunan) atau satu kejadian hujan. Hidrograf menggambarkan grafik 3
hubungan antara besar aliran persatuan waktu (m /detik), yang biasa disebut debit aliran (Q) dengan waktu (t). Hasil yang diperoleh dari grafik tersebut nantinya adalah sebuah lengkung hidrograf. Hidrograf yang menggambarkan suatu DAS yang baik adalah hidrograf yang menggambarkan hubungan yang tidak terlalu berbeda besar debit aliran pada saat musim penghujan dan musim kemarau. Bentuk hidrograf dipengaruhi oleh sifat-sifat watershed seperti topografi, vegetasi, panjang, bentuk dan ukuran, jenis tanah, perkembangan (bangunan/konstruksi), depression storage, antecedant moisture condition dan distribution of water courses. Juga dipengaruhi oleh sifat-sifat hujan seperti antecedant moisture condition, rainfall intensitas, volume of rainfall, time dan spatial distribution serta arah hujan. Suatu hidrograf mempunyai 4 unsur unsur penyusun yaitu yaitu : 1.
Aliran permukaan (direct surface runoff )
2.
Rembesan bawah permukaan ( interflow)
3.
Aliran bawah tanah ( ground water atau base-flow)
4.
Hujan yang langsung turun di sungai ( channel presipitation)
Air sungai pada hidrograf berasal dari empat sumber, yaitu: 1.
Air yang berasal langsung dari hujan (porsinya kecil)
2.
Limpasan atas permukaan ( direct runoff, DRO) yang mencapai sungai setelah melelui suatu proses penguapan, infiltrasi dan tampungan di cekungan.
3.
Aliran antara (interflow) yang merupakan bagian air hujan yang terinfiltrasi dan mengalir di lapisan tanah atau di lapisan yang tidak jenuh air.
4.
Limpasan bawah permukaan, aliran ini mencapai sungai setelah melalui proses perkolasi dan tampungan air tanah.
4
Berdasarkan sumber air diatas dapat disimpulkan bahwa limpasan atas permukaan terdiri dari hujan langsung, limpasan DRO dan interflow, sedangkan limpasan bawah permukaan sebagai sebagai aliran dasar ( baseflow). Hidrograf terdiri dari 3 (tiga) bagian yaitu : 1.
Kurva naik (rising limb)
2.
Puncak (crest )
3.
Kurva turun (recesion limb)
Tiga sifat pokok yang menandai bentuk hidrograf antara lain : 1.
Waktu naik (time of rise atau time to peak ) / (TR) Waktu yang diukur dari saat hidrograf mulai naik sampai waktu terjadinya debit puncak.
2.
Debit puncak ( peak discharge) / (Qp) Debit maksimum yang terjadi dalam kasus tertentu.
3.
Waktu dasar ( base time) / (TB) Waktu yang diukur dari saat hidrograf mulai naik sampai saat debit kembali pada suatu besaran yang ditetapkan sebagai aliran dasar.
) t d / 3 m (
Qp
Q
TR TB
T (jam)
Gambar 1. Hidrograf Debit ( discharge hydrograph)
Untuk menentukan besarnya banjir di dalam sungai, perlu diketahui besarnya aliran langsung ( direct runoff ) yang disebabkan oleh hujan. Hidrograf tersebut dipisah menjadi dua bagian, yaitu :
5
1.
Aliran langsung ( direct runoff ) atau aliran hujan yaitu aliran permukaan sungai ( channel precipitation), dan aliran bawah tanah ( interflow).
2.
Aliran air tanah atau aliran dasar ( base flow)
Ada beberapa cara yang dapat digunakan untuk pemisahan aliran air tanah ( base flow) antara lain straight line method , fixed base length method , dan variable slope method . Cara manapun yang dipakai tidak ada patokan yang jelas, karena ditinjau dari segi ketelitian tidak banyak berpengaruh jika dibandingkan terhadap debit puncak. Dengan demikian cara mana pun dapat dipergunakan. Yang perlu diperhatikan adalah bahwa hidrograf aliran langsung berhubungan dengan hujan efektif atau kehilangan air dan penurunan hidrograf banjir pengamatan menjadi hidrograf satuan pengamatan. Berikut beberapa cara yang dapat digunakan untuk pemisahan aliran air tanah ( base flow) sebagai berikut :
1.
Straight Line Method Straight line method dilakukan dengan menghubungkan titik saat limpasan mulai (pada titik belok atau inflection point ) dengan titik pemisahan aliran dasar (pada titik belok atau inflection point ). ).
2. Fixed Base Length Length Method Method
Fixed base length method dimulai dari garis singgung pada saat limpasan (titik belok P atau inflection point ), ), berpotongan dengan garis vertikal yang melalui puncak dan sejajar sumbu Q, di titik M, kemudian dihubungkan dengan perpotongan antara garis vertikal sejauh T dari puncak dan sejajar sumbu Q dengan akhir hidrograf di titik N. 3.
Variable Slope Method Pada variable slope method, aliran dasar dimulai dari garis singgung pada awal periode limpasan (titik belok awal T, inflection point ) hingga memotong garis vertikal yang melalui puncak hidrograf dan sejajar dengan sumbu Q (vertikal), yaitu titik U. Kemudian dibuat garis singgung pada akhir resesi (M, titik belok diakhir hidrograf yang memotong garis yang melalui titik belok (titik P) di bagian kurva turun sejajar sumbu Q di titik M.
6
Q
Q T
K P
N
Aliran Dasar
t
t
Fixed Base Length Method
Straight Line Method Q
P
b N
a
M U t
Variable Slope Method
Gambar 2. Hidrograf Aliran Dasar
Hidrograf aliran sungai selalu berubah tergantung pada sifat masukan hujannya. Hal tersebut terjadi karena sistem DAS yang sebenarnya adalah sistem nonlinier yang berubah terhadap waktu ( nonlinier time variant ). ). Namun demikian, dengan andaian DAS sebagai sistem linier yang tidak berubah terhadap waktu ( nonlinier time variant ), ), maka pengalihragaman hujan menjadi aliran sederhana. Dengan anggapan tersebut, maka masukan yang terjadi setiap saat akan mengakibatkan aliran yang sama atau bahwa suatu DAS tertentu mempunyai tanggapan khas terhadap masukan hujan tertentu. Hidrograf satuan adalah hidrograf limpasan langsung yang dihasilkan oleh hujan efektif merata di DAS dengan intensitas tetap (diambil 1 mm/jam) dalam satu satuan waktu yang ditetapkan (diambil 1 jam). Hidrograf satuan ini dianggap tetap selama faktor fisik DAS tidak mengalami perubahan. Upaya ini bisa digunakan untuk menghitung debit sungai. Daerah aliran sungai dengan ukuran yang sangat lebar, pusat hujan dapat berbedabeda dari hujan yang satu dengan hujan yang lain, dan masing-masing dapat menyebabkan limpasan yang berbeda untuk berbagai keadaan. Ukuran DAS menentukan patokan maksimum penggunaan hidrograf satuan. Hidrograf satuan yang dihitung dari suatu kasus banjir belum merupakan hidrograf yang mewakili DAS yang bersangkutan. Oleh sebab itu diperlukan hidrograf satuan yang diturunkan dari banyak kasus banjir, kemudian dirata-rata. 7
Namun tidak ada petunjuk tentang berapa jumlah kasus banjir yang diperlukan untuk memperoleh hidrograf satuan ini. Hidrograf satuan pengamatan merupakan hidrograf yang menggambarkan rangkaian kejadian curah hujan yang hanya menghasilkan satu curah hujan efektif dalam satuan waktu, yang dapat diturunkan dari data hujan terpisah dengan intensitas merata atau hujan periode tunggal. Namun demikian, hal tersebut sangat jarang terjadi, yang banyak terjadi adalah hujan dengan periode kompleks, yaitu curah hujan yang dihasilkan lebih dari satu periode (Subarkah, 1980). Konsep dasar hidrograf satuan dicirikan dengan adanya input (hujan efektif) yang merupakan input pada suatu sistem (proses), kemudian akan menghasilkan output (hidrograf limpasan).
INPUT
SISTEM
OUTPUT
(Hujan Efektif)
(Proses)
(Hidrograf Limpasan Langsung)
Ada 3 (tiga) dalil linearitas yang dipakai dalam analisis hidrograf yaitu : 1.
Lebar Dasar Konstan Dalam suatu DAS, hidrograf satuan yang dihasilkan oleh hujan-hujan efektif yang sama durasinya, akan menghasilkan lebar dasar yang sama (tidak bergantung pada intensitas hujan).
2.
Prinsip Linearitas Dalam suatu DAS, besarnya limpasan langsung berbanding lurus dengan tinggi hujan efektif (berlaku bagi semua hujan dengan durasi yang sama).
3.
Prinsip Supersisi
Limpasan langsung yang dihasilkan oleh hujan efektif yang berurutan, besarnya merupakan jumlah limpasan langsung yang dihasilkan oleh masing-masing hujan efektif (dengan memperhitungkan jangka waktu terjadi).
8
Q 3 (m /dt)
Q 3 (m /dt)
Q2 Q1
t (jam)
t (jam)
Lebar Dasar
Hidrograf Lebar Dasar Konstan
Hidrograf Prinsip Linearitas
Q 3 (m /dt)
t (jam) T
b b+T
Hidrograf Prinsip Supersisi
9
IV. Analisa Hidrograf
Diketahui suatu data hidrograf pada Bulan Oktober 1984 yaitu sebagai berikut : Tanggal 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Debit 3 (m /detik) 278 265 5350 8150 6580 1540 505 280 219 195 179 167 157 147 139 131 123 117 111 105 100
Untuk menghitung konstanta resesi surface runoff (SRO), interflow (IF) dan baseflow (BF) dari data hidrograf tersebut maka harus diplotkan terlebih dahulu pada kertas grafik semi logaritma. Selanjutnya dengan melihat perubahan kemiringan garis pada begian resesi dari hidrograf tersebut baru ditentukan waktu terjadinya pemisahan aliran. Kemudian dapat ditentukan berapa konstanta resesinya. Hasil ploting data hidrograf dapat dilihat pada kertas grafik semi logaritma, untuk perhitungan konstanta resesi dan pemisahan aliran dapat dilihat pada Tabel 1.
10
Tabel 1. Perhitungan Konstanta Resesi dan Pemisahan Aliran
10
Debit 3 (m /detik) 278
11
265
260
5
325
0
12
5350
248
5102
227
4875
13
8150
236
7914
159
7755
14
6580
224
6356
111
6245
15
1540
213
1327
78
1249
16
505
203
302
54
248
17
280
193
87
38
49
18
219
184
35
27
9
19
195
175
20
19
2
20
179
166
13
0.70
13
21
167
158
9
0.75
9
22
157
150
7
0.60
7
23
147
143
4
0.75
4
24
139
136
3
0.55
3
25
131
129
2
2
26
123
0.95
123
27
117
0.95
117
28
111
0.95
111
29
105
0.95
105
30
100
100
Total
24838
3647
21191
1541
Tanggal
Kr.BF
BF (m /detik) 274
IF + DRO 3 (m /detik) 4
3
Kr. IF 3 (m /detik)
IF (m /detik) 466
DRO 3 (m /detik) 0
3
20432
Dari Tabel 1 dapat diketahui : a.
Koefisien Baseflow
= 0,95
b.
Koefisien Interflow
= 0,55. 0,60. 0,70 dan 0,75
c.
Volume BF
= 3647 m /detik
d.
Volume IF + DRO
= 21191 m /detik
e.
Volume IF
= 1541 m /detik
f.
Volume DRO
= 20432 m /detik
3
3
3
3
11
