PENGARUH LAMA DAN DISTRIBUSI HUJAN TERHADAP HIDROGRAF BANJIR

Transkripsi

1 Konferensi Nasional Teknik Sipil 12 Batam, September 2018 PENGARUH LAMA DAN DISTRIBUSI HUJAN TERHADAP HIDROGRAF BANJIR Ratih Nurmal Saridewi 1, Joko Sujono 2 dan Rachmad Jayadi 3 1 Prodi S2 Teknik Sipil, Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan, Fakultas Teknik, UGM, Jl. Grafika 2, Yogyakarta ratihnurmala.saridewi@gmail.com 2 Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan, Fakultas Teknik, UGM, Jl. Grafika 2 Yogyakarta jsujono@ugm.ac.id 3 Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan, Fakultas Teknik, UGM, Jl. Grafika 2 Yogyakarta rjayadi@ugm.ac.id ABSTRAK Dalam hitungan transformasi hujan-aliran, faktor lama dan distribusi hujan sangat berpengaruh terhadap hidrograf banjir yang dihasilkan. Penetapan distribusi hujan DAS tidak mudah karena kejadian hujan bersifat random dan memerlukan data hujan durasi pendek yang panjang dengan kualitas yang memadai. Analisis karakteristik hujan yang tidak akurat akan menghasilkan banjir rancangan yang over estimated atau under estimated. Untuk itu perlu kajian pengaruh lama dan distribusi hujan terhadap hidrograf banjir. Pada penelitian ini durasi hujan dengan interval menit, menit, dan 60 menit digunakan untuk menganalisis hidrograf satuan dan hidrogaf banjir pada DAS Code dan DAS Gajahwong. Pola distibusi hujan rancangan untuk ketiga interval durasi hujan tersebut ditetapkan dengan bantuan perangkat lunak WRPLOT Views. Hasil analisis menunjukkan bahwa hidrograf satuan dengan durasi hujan semakin pendek akan memberikan debit puncak yang semakin besar. Selain itu, pengaruh variabilitas interval waktu hujan rancangan terhadap debit puncak banjir rancangan menunjukkan kecenderungan yang sama antara DAS Code dan DAS Gajahwong. Kata kunci: hujan durasi pendek, pola distribusi hujan, hidrograf banjir 1. PENDAHULUAN Transformasi hujan menjadi aliran sangat bergantung dari masukan dan karakteristik hidrologi Daerah Aliran Sungai (DAS). Dalam transformasi hujan menjadi aliran, selain kedalaman, faktor lama dan distribusi hujan mempunyai peran yang penting karena sangat berpengaruh terhadap hidrograf banjir yang dihasilkan. Distribusi hujan tidak mudah di tentukan karena keterbatasan data hujan berdurasi pendek. Analisis karakteristik hujan yang tidak akurat akan menghasilkan banjir rancangan yang over estimated atau under estimated. Pada umumnya pola distribusi hujan yang digunakan didasarkan pada unit interval waktu jam-jaman. Akhir-akhir ini banyak kejadian banjir yang diakibatkan oleh hujan deras dengan durasi hujan yang relatif pendek, sehingga pola distribusi hujan jam-jaman kurang mencerminkan kondisi kejadian sebenarnya. Durasi dan distribusi hujan tidak mudah ditentukan karena keterbatasan data hujan berdurasi pendek. Durasi hujan dominan dapat dilakukan dengan analisis rain rose dengan bantuan perangkat lunak WRPLOT (Lake Environmental, 20), sedangkan distribusi hujan untuk hujan dominan mengikuti rerata pola distribusi hujan dominan tersebut. Transformasi hujan-aliran untuk analisis banjir rancangan pada umumnya menggunakan metode hidrograf satuan. Metode hidrograf satuan adalah metode yang relatif sederhana, tidak memerlukan data yang kompleks dan memberikan hasil yang cukup teliti. Namun, untuk mendapatkan hidrograf satuan terukur yang mewakili suatu DAS diperlukan data hujan durasi pendek baik kedalaman dan distribusinya serta pasangan hidrografnya. Untuk itu kajian tentang pengaruh hujan durasi pendek baik terhadap hidrograf satuan dan banjir rancangan perlu dilakukan. 2. TINJAUAN PUSTAKA Pola Distribusi Hujan Data hujan durasi pendek dari stasiun hujan otomatis yang diperlukan untuk penerapan teori hidrograf satuan pada umumnya tidak banyak tersedia. Distribusi hujan yang akan digunakan untuk analisis perancangan tidak diketahui. Banyak model yang telah dikembangkan seperti model uniform, segitiga, Alternating Block Method (ABM) (Chow et. al., 199), Tadashi Tanimoto (Putri, 2011), maupun ECI (Sri Harto, 2000) AR - 203

2 AR Untuk mendapatkan pola distribusi hujan yang mewakili DAS dapat menggunakan pola distribusi hujan terukur. Pola distribusi hujan terukur didasarkan pada hasil pengamatan kejadian hujan yang pernah tercatat oleh alat ukur hujan otomatis. Untuk memudahkan dalam analisis pola distribusi hujan tersebut, khususnya penentuan durasi hujan yang dianggap mewakili kejadian hujan DAS atau sering disebut sebagai hujan dominan dapat dilakukan dengan analisis rain rose. Analisis tersebut analog dengan analisis wind rose yaitu dengan pendekatan circular data analysis dan dapat dengan mudah dilakukan dengan perangkat lunak WRPLOT (Sujono, 2011; Lydia, 2012; Sujono, 20). Hidrograf Satuan Konsep hidrograf satuan pertama kali dikemukakan oleh Sherman pada tahun 1932 yang ditakrifkan sebagai hidrograf limpasan langsung (direct runoff hydrograph) yang dihasilkan oleh hujan efektif yang terjadi merata di seluruh DAS dengan intensitas tetap dalam satu satuan waktu tertentu. Teori tersebut merupakan salah satu model yang banyak digunakan untuk melakukan transformasi dari hujan menjadi debit aliran dan banyak dipakai dalam perancangan bangunan hidraulik (Sujono, 1998). Snyder (1932) dalam Sri Harto (2000) mengembangkan teori hidrograf satuan (unit hydrograph) dengan andaian berikut. a. Hujan terjadi merata di seluruh DAS (evenly distributed) dengan intensitas tetap pada setiap interval waktu (constant intensity). b. Hujan terjadi kapan pun, tidak berpengaruh terhadap proses transformasi hujan menjadi debit/hidrograf (time invariant). c. Waktu resesi (waktu dari akhir hujan sampai akhir limpasan-langsung) selalu tetap. Teori hidrograf-satuan ini mendasarkan pada andaian sistem DAS yang linear time invariant, maka hidrograf-satuan yang diturunkan dari kasus-kasus yang berbeda, akan memperoleh hidrograf-satuan yang berbeda pula. Oleh sebab itu untuk memperoleh hidrograf-satuan yang dapat dianggap mewakili (representative unit hydrograph), maka hidrograf-satuan-hidrograf-satuan tersebut perlu dirata-ratakan. Hidrograf satuan suatu DAS diperoleh dengan suatu analisis hitungan berdasarkan data hujan jam-jaman dan data debit (hidrograf) yang ditimbulkan oleh hujan tersebut. Untuk menurunkan hidrograf-satuan, hidrograf yang dipilih adalah hidrograf-tunggal, agar penyelesaiannya lebih mudah. Cara yang banyak digunakan dalam analisis ada dua, yaitu dengan penyelesaian persamaan polinomial dan dengan cara Collins (Sri Harto, 2000). Banjir Rancangan Banjir rancangan adalah besarnya debit banjir yang ditetapkan sebagai dasar penentuan kapasitas bangunan dan dimensi bangunan-bangunan hidraulik (termasuk bangunan di sungai), sehingga kerusakan yang dapat ditimbulkan baik langsung maupun tidak langsung oleh banjir tidak boleh terjadi selama besaran banjir tidak terlampaui (Sri Harto, 1993). Besarnya banjir rancangan dinyatakan dalam debit puncak ataupun hidrograf banjir. Banjir rancangan dapat ditentukan berdasarkan analisis statistik data banjir yang ada, ataupun dengan transformasi hujan-aliran dengan anngapan bahwa hujan rancangan dengan kala ulang tertentu akan menghasilkan banjir dengan kala ulang yang sama. Software WRPLOT Views WRPLOT (Wind Rose Plot/Lakes Environmental) adalah program windows yang digunakan umumnya untuk data angin. WRPLOT views memberikan visual plot Wind Rose, analisa frekuensi dan plot untuk beberapa format data meteorologi. Wind Rose menggambarkan frekuensi terjadinya angin dimasing-masing sektor arah angin dan kelas tertentu kecepatan angin untuk lokasi tertentu dan periode waktu. Biasanya digunakan untuk menunjukkan pengelompokan persentase dari arah dan kecepatan angin. Analog dengan data angin, data hujan juga dapat dianggap sebagai besaran vektor dimana kedalaman hujan dianalogikan dengan kecepatan angin sedang durasi hujan dianalogikan dengan arang angin. Contoh terapan analisis data hujan dengan WRPLOT disajikan pada gambar berikut.

3 AR Gambar 1. Dstribusi frekuensi hujan dan rain rose 3. METODE PENELITIAN Lokasi Daerah Studi Penelitian dilakukan pada 2 DAS di Provinsi Daerah Istimewa Yogyakarta, yaitu DAS Code di Pogung dan DAS Gajahwong di Papringan (Gambar 2). DAS Code yang berhulu di Gunung Merapi dan bermuara di Kali Opak. DAS Gajahwong merupakan Sub DAS Opak. Secara administratif DAS Code dan DAS Gajahwong meliputi daerah Kabupaten Sleman (bagian hulu), Kota Yogyakarta (bagian tengah), dan Kabupaten Bantul (bagian hilir). Luas DAS Code di Pogung adalah 29.5 km 2, dan luas DAS Gajahwong di Papringan 24.9 km 2. Tabel 1. Keterangan DAS Nama DAS Luas Sub Stasiun Stasiun ARR DAS (km 2 ) AWLR Code 29,5 Pogung GE (Kaliadem), KU-D (Ngipiksari), Gajahwong 24,9 Papringan BO (Turgo), BE-D4, WO (Sukorini)

4 AR Ketersediaaan Data dan Tahapan Penelitian Gambar 2. Lokasi penelitian Langkah-langkah penelitian yang dilakukan yaitu sebagai berikut a. Pengumpulan data sekunder yaitu mengumpulkan data hujan otomatis (menitan), data ketinggian muka air (AWLR), data rating curve, data debit harian, dan data karakteristik DAS. b. Pemilihan data kejadian banjir dari data AWLR dipilih dengan puncak tunggal (single peak) dan dengan debit aliran yang relatif besar. Selanjutnya dari data ketinggian muka air, didapatkan besarya debit dengan rumus rating curve atau grafik hubungan antara tinggi muka air dengan debit. Data terpilih disajikan [ada table berikut ini. Tabel 2. Kejadian banjir terpilih Sub DAS Code No. Tanggal Kejadian Debit Puncak (m 3 /s) Debit Spesifik (m 3 /s/km 2 ) 1 24 Maret Juni November

5 AR Tabel 3. Kejadian banjir terpilih Sub DAS Gajahwong No. Tanggal Kejadian Debit Puncak (m 3 /s) Debit Spesifik (m 3 /s/km 2 ) 1 05 Maret Maret November Terbatasnya kasus banjir pada data di atas, karena dalam banyak kasus banjir yang ada, data hujan durasi pendek tidak tersedia yang disebabkan karena keterbatasan stasiun hujan, alat rusak, atau sebab yang lain. c. Pemilihan data hujan otomatis dengan durasi hujan menit, menit, dan 60 menit. Pemilihan stasiun hujan yang terjadi relatif merata di DAS agar asumsi hujan merata, dipilih dengan hujan yang lebih dari mm. Terdapat 6 stasiun hujan yang mempengaruhi DAS yaitu stasiun PU-D2, BE-D4, BO-Turgo, GE-Kaliadem, KU-D Ngipiksari, WO-Sukorini. d. Dari data hidrograf aliran dan distribusi hujan yang mewakili DAS tersebut selanjutnya dilakukan perhitungan hidrograf satuan dengan menggunakan metode polinomial dan/ metode Collins pada setiap kejadian hujan. Hasil hidrograf satuan dari beberapa kejadian hujan di rata-ratakan untuk mendapatkan hidrograf satuan yang dianggap mewakili/representatif DAS. e. Perhitungan distribusi rancangan didapatkan dari penerapan pola distribusi hujan dengan interval menit, menit, dan 60 menit yang mewakili DAS dan hasil analisis hujan rancangan tiap kala ulang. Pola distribusi hujan didasarkan pada hasil analisis sebelumnya (Lydia, 2012). f. Perhitungan debit banjir rancangan tiap kala ulang dengan menggunakan data hidrograf satuan representatif dan hasil perhitungan distribusi hujan rancangan. g. Debit puncak banjir rancangan acuan diperoleh dengan analisis frekuensi data debit maksimum tahunan dari tahun h. Hasil yang diperoleh dari perhitungan debit banjir racangan dengan transformasi hujan-aliran selanjutnya dibandingkan dengan debit banjir rancangan hasil analisis frekuensi untuk mengetahui besarnya kesalahan atau penyimpangan elatif yang terjadi. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Pola Distribusi Hujan Pola distribusi hujan untuk DAS Code dan DAS Gajahwong berdasarkan hujan otomatis yang tersedia diperoleh hasil yang diaggap mewakili DAS, dengan kedalaman hujan diatas 20 mm dengan interval hujan menit terjadi selama 1,5 jam, interval hujan menit terjadi selama 1,5 jam, dan interval 1 jam terjadi selama 2 jam. Distribusi hujan rerata DAS dapat dilihat pada Tabel 4, Tabel 5, dan Tabel 6 di bawah ini. Tabel 4. Distribusi Hujan DAS Code dan DAS Gajahwong Interval Hujan No. DAS 1 Code 2 Gajahwong Presentase Hujan (%) Jam Ke Tabel 5. Distribusi Hujan DAS Code dan DAS Gajahwong Interval Hujan No. DAS 1 Code 2 Gajahwong Presentase Hujan (%) Jam Ke Tabel 6. Distribusi Hujan DAS Code dan DAS Gajahwong Interval Hujan No. DAS 1 Code 2 Gajahwong Presentase Hujan (%) Jam Ke

6 Debit (m 3 /s) Debit (m 3 /s) AR Hidrograf Satuan Hidrograf satuan rerata untuk DAS Code dan DAS Gajahwong disajikan pada Tabel 5 dan Gambar 5. Hasil tersebut menunjukkan bahwa parameter hidrograf satuan dipengaruhi oleh unit waktu atau durasi hujan yang digunakan. Semakin lama unit waktu yang digunakan maka debit puncaknya akan semakin kecil. Hal tersebut dimungkinkan karena anggapan intensitas hujan konstan untuk unit interval waktu yang semakin panjang (misal 60 menit) akan jauh lebit sulit dipenuhi dibandingkan unit waktu yang lebih pendek (missal menit). Selain itu, nilai Φ untuk durasi yang panjang nampaknya kurang realistis karena memberikan nilai yang sangat besar. Dalam kasus ini, nilai Φ lebih dari mm/jam. Tabel 7. Parameter hidrograf satuan rerata dan Φ indeks Parameter Tp (jam) Tb (jam) Qp (m 3 /s) ϕ Index Interval DAS (menit) Code di Pogung Gajahwong di Papringan HST Jam 10Ke Me 0 5 Jam Ke-10 Gambar 5. Hidrograf satuan terukur: a. DAS Code di Pogung dan b. DAS Gajahwong di Papringan Hidrograf Banjir Rancangan Untuk mendapatkan hidrograf banjir rancangan diperlukan masukan berupa distribusi hujan rancangan, metode hitungan volume limpasan (Φ-indeks), metode transformasi yaitu hidrograf satuan dan aliran dasar (baseflow). Hujan rancangan dan pola distribusi hujan didapatkan hujan dominan interval hujan menit dengan durasi 1,5 jam, interval hujan menit dengan durasi 1,5 jam dan interval hujan 60 menit durasi 2 jam, nilai Φ-indeks menggunakan nilai Φ- indeks dari hasil analisis hidrograf satuan dengan durasi menit karena lebih realistis dibandingkan dengan interval waktu yang lain, hidrograf satuan merupakan hidrograf satuan rerata, sedangkan aliran dasar merupakan nilai rerata dari beberapa aliran dasar dari kasus banjir yang digunakan. Contoh hasil hidrograf banjir rancangan untuk kala ulang 20 tahun disajikan pada Gambar 6. Dengan unit interval waktu yang pendek, maka total hujan efektif akan semakin kecil karena total kehilangan air akibat pengurangan dengan Φ-indeks semakin besar.

7 Debit (m 3 /s) AR Me nit 0 5 Jam 10Ke- 20 Kesalahan Relatif Gambar 6. Hidrograf banjir rancangan 20 tahuan DAS Gajahwong di Papringan Untuk mengetahui ketelitian debit banjir rancangan dengan metode hidrograf satuan pada penelitian ini, maka debit banjir rancangan yang telah dihasilkan dengan penerapan hidrograf satuan dan pola distribusi hujan dibandingkan dengan debit banjir rancangan yang dihasilkan dengan analisis frekuensi data debit terukur. Besar debit puncak banjir rancangan dan kesalahan relatif terhadap hasil debit puncak analisis statistuk (analisis frekuensi) data debit disajikan pada tabel berikut. No Kala Ulang (tahun) Tabel 8. Debit banjir bancangan DAS Code dan kesalahan relatif Debit Rencana (statistik) (m 3 /s) Debit Banjir (m 3 /s) Kesalahan Relatif (%) No Kala Ulang (tahun) Tabel 9. Debit banjir bancangan DAS Gajahwong dan kesalahan relatif Debit Rencana (statistik) (m 3 /s) Debit Banjir (m 3 /s) Kesalahan Relatif (%) Tabel di atas memperlihatkan bahwa kesalahan relatif debit puncak banjir lebih kecil untuk DAS Code sedangkan untuk DAS Gajahwong lebih besar. Hasil ini diduga karena data dasar debit maksimum harian DAS Gajahwong adalah bukan debit tertinggi, namun debit rerata harian, sehingga diperoleh debit banjir rancangan acuan yang relatif rendah. Selain itu, debit banjir dengan durasi hujan interval menit memiliki debit lebih besar dibandingkan dengan debit banjir durasi hujan interval menit dan menit. Kemungkinan diakibatkan dari nilai Φ-indeks yang semakin besar maka hujan efektif semaki kecil, serta berpengaruh pada hasil hidrograf banjirnya.

8 AR KESIMPULAN Berdasarkan hasil kajian di atas, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut. a. Interval waktu data hujan dan debit berpengaruh terhadap parameter pokok hidrograf satuan yang dihasilkan. Semakin panjang unit interval waktu yang digunakan akan memberikan debit puncak banjir yang semakin kecil. b. Pola distribusi hujan dengan interval menit, menit, dan 60 menit menghasilkan pola debit banjir yang sama dari masing-masing DAS. c. Banjir rancangan berdasarkan hidrograf satuan yang diturunkan dengan unit interval waktu yang makin panjang menghasilkan debit puncak yang semakin besar. Hal tersebut dimungkinkan karena volume limpasan/hujan efektif menjadi lebih besar dibandingkan dengan unit interval waktu hidrograf satuan yang pendek. d. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, perlu analisis dengan pasangan data hujan dan aliran yang lebih panjang dan dilakukan untuk DAS yang lebih banyak. DAFTAR PUSTAKA Chow, V.T., Maidment, M.R., and Mays, L. W. (1998). Applied Hydrology. McGraw-Hill, New York Lakes Environmental (20), WRPLOT View-Freeware: Wind Rose Plots diakses tanggal September 20. Lydia, E.N. (2012). Pola Agihan Hujan dan Pengaruhnya Terhadap Banjir Rancangan. Tesis, Program Pascasarjana, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta Putri, M.P.C. 2011, Agihan Hujan dan Pengaruhnya Terhadap Banjir Rancangan, Tesis, Program Pascasarjana, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Sri Harto Br., 1993, Analisis Hidrologi, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta. Sri Harto Br., 2000, Hidrologi : Teori, Masalah dan Penyelesaian, Nafiri Offset, Yogyakarta. Sujono J., (1998). Pengaruh Pola Agihan Hujan Terhadap Hidrograf Satuan. Jurnal Media Teknik No.3 Tahun XXI Edisi Agustus, hal 19-23, Yogyakarta Sujono, J. (2011). Bahan Kuliah Hidrologi Terapan, Magister Pengelolaan Bencana Alam, Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.sr Sujono, J., (20). Circular data approach: analisis karakteristik hujan durasi pendek di sekitar Gunung Merapi. Prosiding KoNTekS 9, Konferensi Nasional Teknik Sipil 9, Makasar 7-8 Oktober 20, hal