PENGEMBANGAN MODEL NUMERIK 2 DIMENSI INTERAKSI ARUS, GELOMBANG, ANGKUTAN SEDIMEN DAN MORFOLOGI UNTUK PANTAI DENGAN MATERIAL NON KOHESIF TESIS

Transkripsi

1 PENGEMBANGAN MODEL NUMERIK 2 DIMENSI INTERAKSI ARUS, GELOMBANG, ANGKUTAN SEDIMEN DAN MORFOLOGI UNTUK PANTAI DENGAN MATERIAL NON KOHESIF TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh DWIYOGA NUGROHO NIM : (Program Studi Teknik Kelautan) INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009

2 ABSTRAK PENGEMBANGAN MODEL NUMERIK 2 DIMENSI INTERAKSI ARUS, GELOMBANG, ANGKUTAN SEDIMEN DAN MORFOLOGI UNTUK PANTAI DENGAN MATERIAL NON KOHESIF Oleh Dwiyoga Nugroho NIM : Studi tentang hidrodinamika di daerah gelombang pecah dan interaksinya terhadap pergerakan sedimen dasar diterapkan dalam model numerik dua dimensi. Penerapan ini dilakukan dengan mengembangkan interaksi model numerik antara perangkat lunak ADCIRC-2DTR (Advanced 2D Circulation Transport) dengan perangkat lunak perambatan gelombang Refdif (Refraction Diffraction). Model hidrodinamika ADCIRC-2DTR menggunakan teknik elemen hingga metode galerkin pada penyelesaian formulasi persamaan momentum dan persamaan kontinuitas gelombang pada fungsi bentuk segitiga linier. Algoritma transport dibuat untuk sedimen jenis non kohesif dan menjadi perhitungan interaksi dua arah dengan perhitungan hidrodinamika. Model perambatan gelombang Refdif menggunakan teknik beda hingga pada penyelesaian persamaan Mild Slope Equation tipe eliptik. Persamaan stress radiasi dihitung dari pemisahan antara suku momentum dan tekanan dari persamaan gelombang dan dijadikan satu kesatuan perhitungan pada Refdif. Hasil perbandingan antara arus sejajar pantai model numerik dengan perhitungan analitis menunjukkan perbandingan bentuk grafik yang hampir sama. Model juga digunakan untuk melihat adanya daerah deposisi sedimen pada lokasi di belakang bangunan pemecah gelombang lepas pantai. Kata kunci : Elemen hingga, ADCIRC, Refdif, transpor sedimen, morfologi. i

3 ABSTRACT DEVELOPMENT OF TWO DIMENSIONAL COUPLED WAVE, CURRENTS, SEDIMENT TRANSPORT AND MORPHOLOGY NUMERICAL MODEL IN NON COHESIVE MATERIAL BEACHES By Dwiyoga Nugroho NIM : Study of nearshore hydrodynamics and sediment transport is presented in two dimensional numerical model. The two-way-coupled Advanced 2D Circulation And Transport Model (ADCIRC-2DTR) was applied as a one way coupled scheme to include wave refraction and diffraction model (Refdif) The ADCIRC-2DTR model based on Galerkin finite element method that solves three dimensional momentum equation and generalized wave continuity equation (GWCE) on a linear triangle shape function. The algorithm of non-cohesive sediment transport and morphology is included as two way coupled between hydrodynamics and transport calculation. Refdif model is based on finite difference techniques to solve the modified elliptic mild slope equations (EMSE). The radiation stresses calculated in Refdif are based on separation between momentum and pressure part in wave equation. Comparison results on analytical and numerical models in longshore current shows a good agreement in a graphical plot. The offshore breakwater simulation shows the deposition pattern of sediment and bathymetric change behind the structure as well. Keywords : Finite Element, ADCIRC, Refdif, GWCE, EMSE, Sediment Transport, Morphology. ii

4 PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung. iii

5 Alhamdulillahirabbilalamin, Segala puja dan puji hanya kepada ALLAH SWT, Shalawat dan salam ditujukan kepada Nabi Muhammad SAW. Sesungguhnya tidak ada satupun kejadian di alam ini kecuali tanpa seijinnya. Thesis ini dipersembahkan : Untuk Istriku Munky dan kedua putriku yang mengagumkan Azkanayra dan Azraina atas segala kesabaran, dukungan dan cinta tulus. Untuk kedua orang tua Ir.H. Rachmat Musa dan Hj. Titiek Lasmiyati Untuk kedua mertua Nash Andi Kasim dan Drg.Jenny Loenggana iv

6 KATA PENGANTAR Alhamdulillahirabbilalamin, puji syukur yang terus menerus dipanjatkan atas segala limpahan rahmat, hidayah, berkah sehingga penulis bisa menyelesaikan seluruh program Magister Teknik Kelautan, Institut Teknologi Bandung dengan tepat waktu. Thesis yang dibuat dengan judul Pengembangan Model Numerik 2 Dimensi Interaksi Arus, Gelombang, Angkutan Sedimen Dan Morfologi Untuk Pantai Dengan Material Non Kohesif diharapkan dapat menjadi sumbangan pemikiran yang berguna bagi dunia kelautan Indonesia. Ucapan terima kasih diberikan kepada semua pihak yang telah membantu memberi masukan, kritik, saran, sampai dengan bantuan finansial selama proses pengerjaan thesis ini antara lain yaitu : 1. Badan Riset Kelautan dan Perikanan, Departemen Kelautan dan Perikanan yang telah memberikan beasiswa penuh selama menjalankan tugas belajar di Institut Teknologi Bandung. 2. Dr. Farid Widodo Ma ruf (ex Kepala Pusat Riset Teknologi Kelautan), Dr. Aryo Hanggono (Kepala Pusat Riset Teknologi Kelautan) dan Ir. Berny Subki, DiplOC (Kepala Balai Riset dan Observasi Kelautan) atas segala bantuannya sehingga penulis bisa mendapatkan beasiswa dan menyelesaikannya dengan baik 3. Ir. Harman Ajiwibowo, PhD selaku dosen pembimbing I yang telah memberikan pencerahan pemikiran, semangat, masukan yang berharga dalam pengerjaan thesis ini sampai dengan bantuan finansial selama kuliah 4. Ir. Wahyu Widodo Pandoe, PhD selaku dosen pembimbing II atas waktu dan kesediannya untuk memberikan masukan, diskusi dan pemikiran yang berharga pada pengembangan model yang dilakukan sampai dengan kehadirannya pada sidang akhir. 5. Ir. Andojo Wurjanto, PhD, selaku dosen penguji atas segala kritikan, saran dan masukan yang bermanfaat. v

7 6. Ir. Irsan Sumantri Brodjonegoro, PhD, selaku dosen penguji dan manager program studi teknik kelautan atas segala saran, masukan, kritik sampai dengan bantuan administrasi dan konsultasi selama kuliah. 7. Seluruh dosen Teknik Kelautan yang telah meletakkan pondasi yang kuat dalam diri penulis tentang Ilmu Teknik Kelautan dan juga Ir. Dantje Kardana., PhD atas diskusi yang sangat berharga tentang model numerik. 8. Seluruh teman-teman magister Teknik Kelautan atas segala bantuan akademis dan telah membuat kegiatan kuliah di ITB menjadi lebih menyenangkan. 9. Seluruh rekan kerja di Balai Riset Observasi Kelautan, dan Pusat Riset Teknologi Kelautan atas segala dukungan dan bantuannya. 10. Seluruh staf tata usaha Program Studi Teknik Kelautan atas bantuan administrasinya. Terima kasih kepada istri dan kedua putri, kedua orang tua, kedua mertua, keluarga besar Loenggana di Bandung yang dengan tulus dan ikhlas memberikan bantuan baik moral maupun materiil dan kepada semua pihak yang membantu terwujudnya thesis ini. vi

8 DAFTAR ISI Abstrak...i Abstract...ii Pedoman Penggunaan Thesis...iii Kata Pengantar...v Daftar Isi...vii Daftar Gambar...ix Daftar Notasi...xi BAB I Pendahuluan... 1 I.1 Latar Belakang... 1 I.2 Tujuan... 2 I.3 Luaran... 2 I.4 Hipotesa... 3 I.5 Metodologi... 3 I.6 Ruang Lingkup Penelitian...6 I.7 Sistematika Penulisan...7 BAB II II.1 II.2 TINJAUAN PUSTAKA...8 Model ADCIRC...8 Model Interaksi Arus, Gelombang dan Transpor Sedimen...10 BAB III MODEL INTERAKSI ARUS-GELOMBANG, ANGKUTAN SEDIMEN DAN MORFOLOGI...14 III.1 Dasar Teori...14 III.1.1 Hidrodinamika...14 III.1.2 Angkutan Sedimen Non Kohesif...17 III.1.3 Morfologi...22 III.1.4 Model Penjalaran Gelombang...23 III.1.5 Model Elemen Hingga ADCIRC-2DTR...27 vii

9 III Penyelesaian Metode Elemen Hingga Persamaan Kontinuitas GWCE...28 III Penyelesaian Metode Elemen Hingga Persamaan Momentum...29 III Penyelesaian Metode Elemen Hingga Persamaan Transpor...31 III.2 Validasi dan Verifikasi Model...33 III.2.1 Validasi Profil kecepatan Rata-rata Arus Sejajar Pantai...33 III.2.1 Validasi Profil kecepatan Rata-rata Arus Sejajar Pantai...34 BAB IV STUDI KASUS...35 IV.1 Desain Pemodelan...35 IV.1.1 Pantai Lurus Ideal...36 IV.1.1 Pantai dengan Bangunan Pemecah Gelombang Lepas Pantai...38 IV.2 Transformasi Grid...42 IV.2 Metode Pengerjaan Model...43 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN...44 V.1 Pantai Lurus Ideal...44 V.2 Pantai Dengan Struktur Bangunan Pemecah Gelombang Lepas Pantai...45 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN...47 VI.1 Kesimpulan...47 VI.2 Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN viii

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Gambaran Hipotesa...3 Gambar 1.2 Bagan Alir Pengerjaan Tesis...5 Gambar 2.1 Fleksibilitas Grid Pada ADCIRC Contoh Simulasi Badai Betsy Pada Teluk Meksiko, USA...8 Gambar 2.2 Model Badai Betsy (1965), pada wilayah sekitar Teluk Meksiko...9 Gambar 2.3 Hasil Uji Model ADCIRC-3DTR pada studi kasus cekungan...10 Gambar 2.3 Hasil model interaksi gelombang,hidrodinamika dan sedimen dasar...11 Gambar 2.5 Hasil validasi model ADCIRC dan Refdif pada percobaan Delilah...13 Gambar 3.1 Referensi kedalaman dan elevasi muka air model ADCIRC...17 Gambar 3.2 Proses transport sedimen material non kohesif di laut...18 Gambar 3.3 Kondisi batas dan variable yang digunakan dalam Refdif dalam arah-x (tegak lurus pantai)...24 Gambar 3.4 Gambaran kondisi alam akibat penempatan pemecah gelombang lepas pantai pada berbagai lokasi untuk verifikasi hidrodinamika dan angkutan sedimen...34 Gambar 4.1 Grid elemen hingga ADCIRC...36 Gambar 4.2 Grid model Refdif dan sudut gelombang...37 Gambar 4.3 Kontur kedalaman perairan Gambar 4.4 Layout penempatan breakwater Gambar 4.5 Grid elemen hingga ADCIRC...40 Gambar 4.6 Grid model Refdif dan sudut datang gelombang...41 Gambar 4.7 Pembesaran lokasi bangunan pemecah gelombang...41 Gambar 4.8 Kontur kedalaman perairan (relative ke MSL) Gambar 4.9 Grid gabungan beda hingga dan elemen hingga...43 Gambar B.1 Kontur Kedalaman perairan ( x 5m)...B-1 ix

11 Gambar B.2 Kontur muka gelombang, Arah datang = 30 0, H=1m, T=10 dtk...b-2 Gambar B.3 Kontur tinggi gelombang (m), Arah datang = 30 0, H=1m, T=10 dtk...b-3 Gambar B.4 Lokasi gelombang pecah...b-4 Gambar B.5 Vektor gaya radiation stress...b-5 Gambar B.6 Potongan A-A untuk tegangan radiasi...b-6 Gambar B.7 Potongan A-A untuk gaya tegangan radiasi...b-7 Gambar B.8 Potongan A-A untuk kedalaman, tinggi gelombang dan gaya tegangan radiasi...b-8 Gambar C.1. Domain model tanpa vektor arus sejajar pantai, kondisi surut...c-1 Gambar C.2 Domain model dengan vektor arus sejajar pantai...c-2 Gambar C.3 Plot kecepatan arus potongan A-A...C-3 Gambar D.1. Kontur Kedalaman perairan (m)...d-1 Gambar D.2 Kontur muka gelombang, Arah datang = 30 0, H=1m, T=10 dtk...d-2 Gambar D.3 Kontur tinggi gelombang (m), Arah datang = 30 0, H=1m, T=10 dtk...d-3 Gambar D.4 Lokasi gelombang pecah...d-4 Gambar D.5 Vektor gaya radiation stress...d-5 Gambar E.1 Domain model dengan vektor arus sejajar pantai...e-1 Gambar E.2 Pembesaran vektor kecepatan arus di sekitar bangunan offshore breakwater...e-2 Gambar E.3 Pola deposisi sedimen (m)...e-3 Gambar E.4 Perubahan batimetri pantai akibat arus sejajar pantai...e-4 x

12 DAFTAR NOTASI = kecepatan dari integrasi kedalaman U(x,y,t) = depth integrated x-horizontal velocity (m/s) V(x,y,t) = depth integrated x-horizontal velocity (m/s) D = Total kedalaman = h + ζ (meter) δ x, δ y = dispersi depth integrated horizontal (m 2 /s). ψ x, ψ y = difusi momentum depth integrated horizontal (m 2 /s). f parameter koriolis Ω = Putaran sudut bumi Ф = posisi geografis di bumi (radian) ρ 0 = densitas air (kg/m 3 ) p s = tekanan atmosfir permukaan (pa) g = gravitasi (m/s 2 ) = elevasi muka air (m) α = effective earth elasticity factor (N-D) Y = Konstanta pasang surut newton (N-D) τ sx = τ sx = tegangan gesek permukaan horizontal (m/s 2 ) τ bx = τ bx = tegangan gesek dasar horizontal (m/s 2 ) R x = R y = Gaya tegangan radiasi (m 2 /s 2 ) C(z) = konsentrasi sedimen pada level ketinggian z a (volume/volume) C(z w ) = konsentrasi sedimen pada boundary gelombang (volume/volume) b max = angka maksimum Rouse atau parameter suspensi b m = angka rata-rata Rouse atau parameter suspensi xi

13 ws kecepatan jatuh butiran (m/s) viskositas kinematik (m 2 /s) u*max Kecepatan friksi/geser maksimum setiap waktu dari tegangan geser dasar akibat arus dan gelombang (m/s) u*m Kecepatan friksi/geser rata-rata setiap waktu dari tegangan geser dasar akibat arus dan gelombang. (m/s). к = konstanta von Karman = 0.4 zw didefinisikan sebagai ketebalan boundary gelombang (m) zw Ketebalan boundary gelombang (wave boundary layer) z a = level referensi ketinggian dekat dasar yang diekspresikan dengan nilai minimum sebesar 0.01h. (m) h z = kedalaman perairan relatif ke geoid (m) = ketinggian diatas dasar laut (m) Masukan karakteristik sedimen non kohesif ialah : D* ukuran butiran non dimensi d50 = ukuran median sebaran sedimen (pasir) pantai (mm) massa jenis (kg/m 3 ), berat jenis sedimen (kg/m 3 ) w = tegangan geser dasar akibat gelombang. (N/m 2 ) c = tegangan geser dasar akibat arus (N/m 2 ) m = tegangan geser rata-rata dasar laut dari siklus gelombang dan arus. max = tegangan geser maksimum dasar laut dari siklus gelombang dan arus. f w = faktor friksi dasar akibat gelombang u w = Kecepatan orbital partikel akibat gelombang.(m/s) xii

14 UobT A = ekskursi semi orbital.(m) 2 H = Tinggi gelombang dominan (m) T = Periode gelombang dominan (dtk) k = bilangan gelombang = sudut datang gelombang dominan (derajat) z 0 = kekasaran dasar untuk arus yang besar.(m) C a = Konsentrasi sedimen pada level kedalaman (za) T s = Konsentrasi tererosi (gr/ltr) cr = tegangan threshold (N/m 2 ) cr = sudut geser kritis = laju volume transpor sedimen tersuspensi = laju volume transpor sedimen dasar C = Cepat rambat gelombang (m/s). Cg = Cepat rambat gelombang berkelompok (m/s) k = Bilangan gelombang yang didapatkan dari iterasi persamaan dispersi σ 2 = gk tanh kh = Persamaan dispersi (gelombang linier) 2 = Persamaan dispersi gelombang non linier (Stokes to Hedges Model ) = rata-rata bilangan gelombang sepanjang sumbu-y frekuensi intrinsik (rad/s) W = dissipasi energi (s -1 ) Suku momentum persaman gelombang Suku tekanan persamaan gelombang B 0 = Surface shape parameter xiii

15 Sxx = vektor tegangan radiasi arah sejajar pantai Sxy = vektor tegangan radiasi arah tegak lurus pantai Syy = vektor tegangan radiasi dalam sudut sejajar dan tegak lurus pantai xiv