TUGAS 2
ANALISIS PENENTUAN DEBIT (CURAH HUJAN)
OLEH :
ANDRIYANI SUBEKTI
(D12113704)
PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN
JURUSAN TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS HASANUDDIN
2014
ANALISIS PENENTUAN DEBIT (CURAH HUJAN)
Daerah aliran sungai adalah suatu wilayah daratan yang merupakan satu kesatuan dengan sungai dan anak-anak sungainya, yang berfungsi menampung, menyimpan dan mengalirkan air yang berasal dari curah hujan ke danau atau ke laut secara alami, yang batas di darat merupakan pemisah topografis dan batas di laut sampai dengan daerah perairan yang masih terpengaruh aktivitas daratan (Bappeda Jabar).
DEBIT ANDALAN
Debit andalan pada umunya dianalisis sebagai debit rata-rata untuk periode 10 harian, tengah bulanan atau bulanan. Kemungkinan tak terpenuhi ditetapkan 20% (kering) untuk menilai tersedianya air berkenaan dengan kebutuhan pengambilan (diversion requirement) Debit andalan (dependable flow)adalah debit minimum (terkecil) sungai yang masih dimungkinkan untuk keamanan operasional suatu bangunan air. Definisi lainnya mengenai debit andalan adalah debit minimum sungai untuk kemungkinan terpenuhi yang sudah ditentukan dan dapat dipakai untuk irigasi. Untuk penentuan debit andalan ada 3 metode analisis yang dapat dipakai yaitu :
Analisis frekuensi data debit
Neraca air
pengamatan
Menurut Soemarto (1987), pengamatan besarnya keandalan yang diambil untuk penyelesaian optimum penggunaan air di beberapa macam kegiatan dapat dilihat pada tabel 2.6.
Tabel 2.6 Nilai Debit Andalan Untuk Berbagai Macam Kegiatan
Kegiatan
Keandalan
Penyediaan Air Minum
99%
Penyediaan Air Industry
95%-98%
Penyediaan Air Irigasi
Daerah Beriklim Setengah Lembab
70%-85%
Daerah Beriklim Kering
80%-95%
Pembangkit Listrik Tenaga Air
85%-90%
Sumber : Soemarto (1987)
ANALISIS NERACA AIR
Pengertian dan Definisi dari Neraca air adalah air yang diterima dikurangi air yang hilang, sama dengan air yang tersimpan. Nilai neraca air dapat menjadi positif (+) atau negative (-).
Air yang diterima misalnya curah hujan, dan adanya irigasi sedangkan air yang hilang misalnya evaporasi dan transpirasi, intersepsi, dan air yang mengalir di sungai, dan akhirnya ke laut.
Air merupakan komponen yang penting dalam kehidupan. Namun air yang melimpah pada saat turun hujan dapat mengakibatkan banjir yang membawa bencana.
Soedarsono (1987:2) mengatakan bahwa. "Neraca air adalah hubungan antara aliran ke dalam (inflow) dan aliran ke luar (outflow) di suatu daerah untuk suatu periode tertentu". Penafsiran kuantitatif dari daur hidrologi dapat dicapai dengan suatu persamaan umum yang disebut persamaan neraca air.
Persamaan yang menggambarkan prinsip bahwa selang waktu tertentu, masukan air total suatu ruang tertentu harus sama dengan keluaran total ditambah perubahan bersih dalam cadangan.
Dalam siklus hidrologi, penjelasan mengenai hubungan anatara aliran ke dalam (inflow) dan aliran keluar (outflow) di suatu daerah untuk suatu periode tertentu disebut neraca air atau keseimbangan air (water balance). Bentuk persamaan water balance adalah :
P = Ea + ΔGS + TRO …………………………………………………………(7)
Dengan :
P = presipitasi
Ea = evapotranspirasi
ΔGS = perubahan groundwater storage
TRO = total run off
Dengan menggunakan model neraca air (water balance) harga-harga debit bulanan dapat dihitung dari curah hujan bulanan, evapotranspirasi, kelembaban tanah dan tampungan air tanah.
Faktor Faktor Yang Mempengaruhi Neraca Air
Secara umum analisis hidrologi merupakan satu bagian analisis awal dalam perancangan bangunan-bangunan hidrolik. Pengertian yang terkandung didalamnya adalah informasi dan besaran-besaran yang diperoleh dalam analisis hidrologi merupakan masukan penting dalam analisis selanjutnya. Bangunan hidrolik dalam bidang teknik sipil dapat berupa gorong-gorong,saluran, sipon, bendung, waduk, bendungan, dsb. Bangunan-bangunan tersebut sangat tergantung dari tujuan pembangunan dan informasi yang diperoleh dari analisis hidrologi. Sebelum informasi yang jelas tentang sifat-sifat dan besaran hidroliknya. Demikian pula, pada dasarnya bangunan-bangunan tersebut di atas dirancang berdasar suatu patokan perancangan yang benar, yang diharapkan akan dapat menghasilkan rancangan yang merumuskan. Pengertian memuaskan dalam hal ini adalah bahwa bangunan hidrolik tersebut harus dapat berfungsi baik struktural maupun fungsional dalam jangka waktu yang ditetapkan.
Beberapa contoh di bawah ini memberikan gambaran lebih lanjut mengenai pentingnya pengetahuan hidrologi dan khususnya pengertian akan pengetahuan keseimbangan air waduk, irigasi jembatan dll.
METODE MOCK
Perhitungan debit andalan dengan cara empiris di Indonesia umumnya menggunakan beberapa metode, yaitu metode Mock, NRECA dan Tank Model. Secara umum analisis debit menggunakan metodeempiris dari Dr. FJ. Mock (1973) merupakan analisis keseimbangan air untuk menghitung harga debit bulanan berdasarkantranformasi data curah hujan bulanan dan data klimatologi. Berikut ini adalah tabel notasi dan satuan yang dipakai untuk data iklim.
Tabel 2.7 Notasi dan Satuan Parameter Iklim
Data Meteorologi
Notasi
Satuan
Presipitasi
P
Milimeter (mm)
Temperatur
T
Derajat Celcius (ºC)
Penyinaran Matahari
S
Persen (%)
Kelembaban Relatif
H
Persen (%)
Kecepatan Angin
W
mile per hari (mile/hr)
Sumber : Sudirman (2002)
Prinsip metode Mock menyatakan bahwa hujan yang jatuhpada daerah tangkapan air, sebagian akan hilang akibatevapotranspirasi, sebagian akan langsung menjadi direct runoff dan sebagian lagi akan masuk ke dalam tanah atau terjadi infiltrasi. Infiltrasi ini mula-mula akan menjenuhkan permukaan tanah, kemudian terjadi perkolasi ke air tanah danakan keluar sebagai base flow. Hal ini terdapat keseimbangan antara air hujan yang jatuh dengan evapotranspirasi, direct runoff dan infiltrasi, dimana infiltrasi ini kemudian berupa soil moisture dan ground water discharge. Aliran dalam sungai adalah jumlah aliran yang langsung di permukaan tanah dan base flow.
Curah hujan rata-rata bulanan di daerah pengaliran sungai dihitung berdasarkan data pengukuran curah hujan dan evapotranspirasi yang sebenarnya dari data meteorologi dengan menggunakan metode Penman dan karakteristik vegetasi. Perbedaan antara curah hujan dan evapotranspirasi mengakibatkan limpasan air hujan langsung (direct runoff) aliran dasar/air tanah dan limpasan air hujan lebat (storm runoff) .
Berikut ini adalah parameter-parameter yang harus dicari dalam melakukan perhitungan debit andalan dengan menggunakan metode FJ. Mock.
A. Evapotranspirasi
Evapotranspirasi merupakan faktor penting dalam memprediksi debit dari data curah hujan dan klimatologi dengan menggunakan metode Mock. Alasannya adalah karena evapotranspirasi ini memberikan nilai yang besar untuk terjadinya debit dari suatu daerah aliran sungai. Rumus evapotranspirasi yang digunakan pada metode Mock menggunakan metode Penman. Data terukur yang dibutuhkan yaitu Letak lintang (LL),Suhu udara (T),Kecerahan matahari (n/N),Kecepatan angin (u),Kelembaban relatif (RH),Rumusnya adalah sebagai berikut :
ETo = c × ETo*
ETo* = W(0,75 × Rs – Rn1) + (1 – W) × (f(u)) × (ea – ed)………….……(8)
Dimana :
c = factor koreksi penman
W = factor penimbangan untuk suhu dan elevasi daerah
Rs = jumlah radiasi gelombang pendek
Rs = (0,25 + 0,54 n/N) × Ra ……………………………………………(9)
Ra = radiasi gelombang pendek yang memenuhi batas luar atmosfer (mm/hari)
n = rata-rata cahaya matahari sebenarnya dalam satu hari (jam)
N = lama cahaya matahari maksimum yang mungkin dalam satu hari (jam)
Rn = radiasi bersih gelombang panjang (mm/hari)
Rn = f(t) × f(ed) × f(n/N)………………………………………………(10)
f(t) = fungsi suhu
f(ed) = fungsi tekanan uap
f(n/N) = fungsi kecerahan matahari
f(u) = 0,27 (1 + u × 0,864)………………………………..…………….(11)
f(u) = fungsi kecepatan angin
f(n/N) = 0,1 + 0,9 n/N…………………………………………..…………(12)
ea – ed = defisit tekanan uap yaitu selisish antara tekanan uap jenuh (ea) pada T rata-rata dalam (mbar) dan tekanan uap sebenarnya (ed) dalam (mbar)
ea=ed = ea × RH/100………………………………………………………(13)
Formulasi inilah yang dipakai dalam Metode Mock untuk menghitung besarnya evapotranspirasi potensial. Besarnya evapotranspirasi potensial ini dinyatakan dalam mm/hari.
B. Kelebihan Air (Water Surplus)
Besarnya air lebih dapat mengikuti formula sebagai berikut :
WS = ΔS – tampungan air ………………………………………………(14)
Dimana :
WS = water surplus
S = R – Ea
Tampungan Tanah = Perbedaan kelembaban tanah
C. Limpasan total
Air hujan yang telah mengalami evapotranspirasi dan disimpan dalam tanah lembab selanjutnya melimpas di permukaan (surface run off) dan mengalami perkolasi. Berikutnya, menurut Mock besarnya infiltrasi adalah water surplus (WS) dikalikan dengan koefisien infiltrasi (if), atau :
Infiltrasi (I) = WS × if …………………………………………………………..(15)
Koefisien infiltrasi ditentukan oleh kondisi porositas dan kemiringan daerah pengaliran. Lahan yang bersifat porous umumnya memiliki koefisien yang cenderung besar. Namun jika kemiringan tanahnya terjal dimana air tidak sempat mengalami infiltrasi dan perkolasi ke dalam tanah, maka koefisien infiltrasinya bernilai kecil.
Infiltrasi terus terjadi sampai mencapai zona tampungan air tanah (ground water storage, disingkat GS). keadaan perjalanan air di permukaan tanah dan di dalam tanah diperlihatkan dalam gambar
Dalam metode ini, besarnya groundwater storage (GS) dipengaruhi oleh Infiltrasi (I). Semakin besar infiltrasi maka groundwater storage semakin besar pula, dan begitu sebaliknya.
Konstanta resesi aliran bulanan (K). Konstanta resesi aliran bulanan (montly flow recession constan) disimbolkan dengan K adalah proporsi dari air tanah bulan lalu yang masih ada bulan sekarang. Nilai K ini cenderung lebih besar pada bulan basah. Nilai k diambil antara 0 – 1,0.
Groundwater storage bulan sebelumnya (GSom). Nilai ini diasumsikan sebagi konstanta awal, dengan anggapan bahwa water balance merupakan siklus tertutup yang ditinjau selama rentang waktu menerus tahunan tertentu. Dengan demikian maka nilai asumsi awal bulan pertama tahun pertama harus dibuat sama dengan nilai bulan terakhit tahun terakhir.
Dari ketiga faktor diatas, mock merumuskan sebagai berikut :
GS = {0,5 × (1 + K) × I} + {K × GSom}………………………………(16)
Seperti telah dijelaskan, metode Mock adalah metode memprediksi debit didasarkan pada water balance. Oleh sebab itu, batasan-batasan water balance ini harus dipenuhi. Salah satunya adalah bahwa perubahan groundwater storage (ΔGS) selama rentang waktu tahunan tertentu adalah nol, atau (misalnya untuk 1 tahun) :
Perubahan groundwater storage (ΔGS) adalah selisih antara groundwater storage bulan yang ditinjau dengan groundwater storage bulan sebelumnya. Perubahan groundwater storage ini penting bagi terbentuknya aliran dasar sungai (base flow, disingkat BF). Dalam hal ini base flow merupakan selisih antara infiltrasi dengan perubahan groundwater storage, dalam bentuk persamaan :
BF = I – ΔGS…………………………………………………………………..(17)
Jika pada suatu bulan ΔGS bernilai negatif (terjadi karena GS bulan yang ditinjau lebih kecil dari bulan sebelumnya), maka base flow akan lebih besar dari nilai infiltrasinya. Karena water balance merupakan siklus tertutup dengan periode tahunan tertentu (misalnya 1 tahun) maka perubahan groundwater storage (ΔGS) selama 1 tahun adalah nol. Dari persamaan di atas maka dalam 1 tahun jumlah base flow akan sama dengan jumlah infiltrasi.
Selain base flow, komponen debit yang lain adalah direct run off (limpasan langsung) atau surface fun off (limpasan permukaan). Limpasan permukaan berasal dari water surplus yang telah mengalami infiltrasi. Jadi direct run off dihitung dengan persamaan :
DRO = WS – I……………………………………………………………(18)
Setelah base flow dan direct run off komponen pembentuk debit yang lain adalah storm run off, yaitu limpasan langsung ke sungai yang terjadi selama hujan deras. Storm run off ini hanya beberapa persen saja dari hujan.. storm run off hanya dimasukkan ke dalam total run off, bila presipitasi kurang dari nilai maksimum soil moisture capacity. Menurut Mock storm run off dipengaruhi oleh percentage factor, disimbolkan dengan PF. Percentage factor adalah persen hujan yang menjadi limpasan. Besarnya PF oleh Mock disarankan 5% – 10%, namun tidak menutup kemungkinan untuk meningkat secara tidak beraturan hingga mencapai 37,3%. Dalam perhitungan debit ini, Mock menetapkan bahwa :
Jika presipitasi (P) > maksimum soil moisture capacity maka nilai storm run off = 0. Jika P < maksimum soil moisture capacity maka storm run off adalah jumlah curah hujan dalam satu bulan yang bersangkutan dikali percentage factor, atau : SRO = P × PF
Dengan demikian maka total run off (TRO) yang merupakan komponen-komponen pembentuk debit sungai (stream flow) adalah jumlah antara base flow, direct run off dan storm run off, atau :
TRO = BF + DRO + SRO……………………………………………….……(19)
Total run off ini dinyatan dalam mm/bulan. Maka jika TRO ini dikalikan dengan catchment area (luas daerah tangkapan air) dalam km2 dengan suatu angka konversi tertentu didapatkan besaran debit dalam m3/det.
D. Kebutuhan Air Irigasi
Kebutuhan air irigasi merupakan jumlah air irigasi yang digunakan oleh lahan dan tanaman pada selang waktu dan jumlah tertentu. Kebutuhan air untuk padi meliputi kebutuhan air untuk pengolahan tanah, pembibitan, penggenangan dan untuk pertumbuhan sampai saat panen. Sedangkan untuk tanaman bukan padi (palawija) hanya untuk pertumbuhannya saja.
Kebutuhan air irigasi adalah jumlah air yang diperlukan tanaman untuk memenuhi kebutuhan air tanaman dengan luasan tertentu. Kebutuhan air ini meliputi kebutuhan untuk evapotranspirasi, perkolasi dan perembesan saluran. Kebutuhan air untuk palawija hanya untuk pertumbuhannya saja yang dinyatakan dengan evapotranspirasi tanaman. Akan tetapi untuk tanaman padi kebutuhan air meliputi kebutuhan untuk evapotranspirasi, pengolahan lahan, pertumbuhan sampai saat panen, serta kebutuhan air untuk mengganti air yang hilang karena adanya perkolasi serta penggenangan dilahan (Linsley dan Franzini, 1979).
Kebutuhan air irigasi dipengaruhi oleh beberapa faktor :
-Kebutuhan untuk penyiapan lahan
-Kebutuhan air konsumtif untuk tanaman
-Kebutuhan air untuk penggantian lapisan air
-Perkolasi
-Efisiensi air irigasi
-Luas areal irigasi
-Curah hujan efektif
Kebutuhan total air di sawah mencakup faktor diatas, Persamaan untuk menghitung kebutuhan bersih air irigasi di sawah :
IG = × A ………………………………………..…………….(20)
Dengan :
IG = kebutuhan air (m3)
IR = kebutuhan air untuk penyiapan lahan (mm/hari)
ETc = kebutuhan air konsumtif (mm/hari)
RW = kebutuhan air untuk penggantian lapisan air (mm/hari)
P = perkolasi (mm/hari)
ER = hujan efektif (mm/hari)
EI = efisiensi irigasi
A = luas areal irigasi (m2)
1. Kebutuhan Air Untuk Penyiapan Lahan (IR)
Kebutuhan air untuk penyiapan lahan umumnya sangat menentukan kebutuhan maksimum air irigasi. Bertujuan untuk mempermudah pembajakan dan menyiapkan kelembaban tanah guna pertumbuhan tanaman. Metode ini didasarkan pada kebutuhan air untuk mengganti kehilangan air akibat evaporasi dan perkolasi di sawah yang sudah dijenuhkan selama periode penyiapan lahan. Faktor-faktor penting yang menentukan besarnya kebutuhan air untuk penyiapan lahan adalah lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan penyiapan lahan dan jumlah air yang diperlukan untuk penyiapan lahan. Untuk perhitungan kebutuhan air irigasi untuki penyiapan lahan dapat digunakan metode yang dikembangkan Van De Goor dan Zijlstra (1968). Persamaannya ditulis sebagai berikut.
IR = M ……………………………………………………….(21)
Dengan :
IR = kebutuhan air irigasi di tingkat persawahan (mm/hari)
M = kebutuhan air untuk mengganti kehilangan air akibat evaporasi dan perkolasi di sawah yang telah dijenuhkan
= Eo + P ……………………………………………………………………(22)
Eo = 1,1 x Eto ………………………………………………………………….(23)
P = perkolasi (mm/hari)
k = (M x T)/S ………………………………………………………………..(24)
T = jangka waktu penyiapan lahan (hari)
S = kebutuhan air untuk penjenuhan ditambah dengan lapisan air 50 mm
Perhitungan kebutuhan air untuk penyiapan lahan digunakan T = 30 hari dan S = 250 mm untuk penyiapan lahan padi pertama S = 200 mm untuk penyiapan lahan padi kedua. Ini sudah termasuk banyaknya air untuk penggenangan setelah transplantasi, yaitu sebesar sebesar 50 mm serta kebutuhan untuk persemaian.
2. Keutuhan Air Untuk Konsumtif (ETc)
Kebutuhan air konsumtif diartikan sebagai kebutuhan air untuk tanaman di lahan dengan memasukkan faktor koefisien tanaman (kc). Persamaan umum yang digunakan sebagai berikut:
Etc = Eto x kc …………………………………………………………….(25)
Dengan:
Etc = kebutuhan air konsumtif (mm/hari),
Eto = evapotranspirasi (mm/hari),
Kc = koefisien tanaman.
Kebutuhan air konsumtif ini dibutuhkan untuk mengganti air yang hilang akibat penguapan. Air dapat menguap melalui permukaan air atau tanah maupun melalui tanaman. Bila kedua proses tersebut terjadi bersama-sama, terjadilah proses evapotranspirasi, yaitu gabungan antara penguapan air bebas (evaporasi) dan penguapan melalui tanaman (transpirasi). Dengan demikian besarnya kebutuhan air konsumtif ini adalah sebesar air yang hilang akibat proses evapotranspirasi dikalikan dengan koefisien tanaman.
Evapotranspirasi dapat dihitung dengan metode Penman berdasarkan data klimatologi setempat. Nilai koefisien tanaman (kc) mengikuti cara ndeco atau prosidan seperti tercantum dalam dirjen pengairan (1985), yaitu varietas biasa dengan masa pertumbuhan tanaman padi selama 3,5 bulan.
3.Kebutuhan Air Untuk Penggantian Lapisan Air (RW)
Kebutuhan air untuk penggantian lapisan air ditetapkan berdasarkan Standar Perencanaan Irigasi (1986). Penggantian lapisan air dilakukan sebanyak dua kali dalam sebulan, masing-masing dengan ketebalan 50 mm (50 mm/bulan atau 3,3 mm/hari) dan dua bulan setelah transplantasi.
Perkolasi adalah masuknya air dari daerah tak jenuh ke dalam daerah jenuh air, pada proses ini air tidak dapat dimanfaatkan oleh tanaman. Laju perkolasi sangat tergantung pada sifat tanah daerah tinjauan yang dipengaruhi oleh karakteristik geomorfologis dan pola pemanfaatan lahannya.
4.Curah Hujan Efektif (ER)
SCurah hujan efektif diperoleh dari data hujan data stasiun pengamatan hujan terdekat. Data hujan andalan 80%, sedangkan hujan efektif harian yang dipakai adalah sebesar 70% dari hujan andalan 80% seperti diberikan pada Standar Perencanaan Irigasi (1986).
Re = 0,7 × R80
Dimana :
Re = curah hujan efektif (mm/hari)
R80 = curah hujan minimum tengah bulanan dengan kemungkinan terpenuhi 80 %.
5. Efisiensi Irigasi (EI)
Untuk tujuan-tujuan perencanaan, dianggap bahwa 1/4 sampai 1/3 dari jumlah air yang diambil akan hilang sebelum air itu sampai disawah. Kehilangan ini disebabkan oleh kegiatan eksploitasi, evaporasi dan perembesan. Kehilangan akibat evaporasi dan perembesan umumnya kecil jika dibandingkan dengan jumlah kehilangan akibat kegiatan eksploitasi. Penghitungan rembesan hanya dilakukan apabila kelulusan tanah cukup tinggi (KP-03, 1986). Pada umumnya kehilangan air dijaringan irigasi dapat dibagi-bagi, berdasarkan KP-03 adalah sebagai berikut :
- 15-22,5% dipetak tersier, antara bangunan sadap tersier dan sawah
- 7,5-12,5% disaluran sekunder
- 7,5-15,5% disaluran utama.
6.Luasan Areal Irigasi (A)
Yang dimaksud dengan luas areal irigasi disini adalah luas semua lahan pertanian yang kebutuhan airnya dilayani oleh suatu sistem irigasi tertentu. Yang termasuk dalam sistem irigasi mencakup irigasi teknis, irigasi setengah teknis, irigasi sederhana maupun irigasi desa.
