Aplikasi Potensial Air Tanah. Oleh. Kemala Sari Lubis,SP,MP. Fakultas Pertanian Ubiversitas Sumatera Utara M e d a n

Transkripsi

1 Aplikasi Potensial Air Tanah Oleh Kemala Sari Lubis,SP,MP Fakultas Pertanian Ubiversitas Sumatera Utara M e d a n

2 Kata Pengantar Syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Subhana Wata ala yang telah memberikan kemudahan dan kelapangan pikiran maupun waktu kepada penulis dalam menyelesaikan tulisan ini. Tulisan ini berjudul Aplikasi Potensial Air Tanah yang berisikan tentang konsep-konsep potensial air, potensial matrik, potensial pelarut, potensial gravitasi dan perumusan masing-masing berikut beberapa contoh soal. Rumusan-rumusan yang diuraikan dapat diaplikasikan untuk meyelesaikan masalah-masalah yang berkaitan potensial air tanah pada kondisi tertentu yang ditemukan di lapangan. Penulis mengucapkan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada Mr.Hanks dan Mr. Ashcroft yang telah menyumbangkan ilmu pengetahuannya kepada penulis. Semoga tulisan ini bermanfaat bagi para pembaca terutama yang berminat pada ilmu-ilmu tanah. Medan, April 2007 Penulis i

3 Daftar Isi Halaman KataPengantar..i DaftarIsi.ii Daftar Tabel iii Pendahuluan..1 Suhu Tanah. 2 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Suhu Tanah....2 Faktor Lingkungan...2 Faktor Tanah 3 Panas Tanah....4 Kandungan Panas....4 Kapasitas Panas...4 Keterhantaran Panas....6 Contoh Soal.6 Aliran Panas Tanah.7 Aliran Panas pada Kondisi Tetap 7 Aliran Panas pada Kondisi Tidak Tetap...10 Beberapa Contoh Soal..11 Penutup.12 Daftar Pustaka...13 ii

4 Daftar Tabel No. Tabel Halaman 1. Rata-rata suhu tanah yang diukur di Manhattan, Kansas pada periode Juni 2 iii

5 Daftar Tabel No. Tabel Halaman 1. Nilai Potensial Matrik pada Empat Kondisi Tanah.4 iii

6 Daftar Gambar No. Gambar Halaman 1. Pipa keramik dalam tanah yang dihubungkan dengan manometer air membentuk suatu tensiometer. Potensial matrik berat air tanah pada pipa berjarak vertikal dari pipa ke level air dalam manometer (ψm = -15 cm) Tensiometer dibuat dengan menguhungkan pipa keramik ke manometer merkuri melalui tabung yang diisi air. Simbol berhubungan dengan persamaan 4 dan Tabung piezometer yang digunakan untuk menentukan level muka air dalam tanah dan dapat digunakan untuk menentukan potensial tekanan air tanah. Potensial tekanan pada titik dalam tanah adalah jarak antara titik dan level air pada tabung piezometer.. 3 iv

7 Pendahuluan Air tanah berhubungan dengan aspek-aspek beragam dari kandungan air tanah. Beberapa penyelidikan meyakinkan kita bahwa adanya keharusan untuk mendefenisikan sifa-sifat yang berhubungan dengan air tanah berdasarkan keadaan-keadaan berikut.. Pertama, tanah yang diperlakukan sama memiliki kandungan air yang berbeda. Kedua, tanah selalu tumbuh pada tanah yang berbeda meskipun memiliki kandungan air yang sama. Ketiga, jika tanah dengan kandungan air yang sama tetapi dengan tekstur yang berbeda di tempatkan dalam kondisi berhubungan satu dengan lainnya, air biasnya akan mengalir dari satu tanah ke tanah lain. Secara umum akan mengalir dari tanah bertekstur kasar ke tanah bertekstur halus. Ada dua metoda dalam mencirikan atau mengukur air dalam tanah. Pertama, mengukur jumlah air dalam tanah. Pendekatan ini berdasarkan kondisi kandungan air tanah. Kedua, mengukur jumlah air dalam tanah dengan mengukur keadaan energi air. Pendekatan ini berdasarkan kondisi potensial air tanah. Air, seperti semua bahan dapat melibatkan dua energi, yakni energi kinetik dan energi potensial. Potensial air mencirikan energi potensial air dalam tanah. Energi potensial didefenisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja. Energi potensial absolut suatu objek tidak dapat diukur. Namun, perbedaan atau perubahan energi potensial dapat diukur. Perbedaan dan perubahan dalam energi potensial dapat diukur dalam istilah kerja. Perbedaan energi potensial antara dua objek secara numeric sama dengan kerja yang dibutuhkan untuk memindahkan objek-objek ke kondisi atau lokasi yang sama. Kerja, dan perubahanenergi potensial dapat positif atau negatif. Potensial Air Tanah Potensial air secara didefenisikan sebagai jumlah kerja sejumlah air pada suatu keseimbangan sistem air - tanah (air - tanaman) yang mampu bekerja jika bergerak menuju simpanan air dalam keadaan tetap dan suhu yang sama. Potensial air tanah dapat didefenisikan dalam dua pengertian berikut : 1. Kerja yang dilakukan per satuan jumlah air, melalui air tanah yang berpindah secara isothermal, dan dapat balik dari tanah ke keadaan tertentu; 2. Perbedaan energi potensial per satuan jumlah air antara air tanah dan air pada keadaan tertentu. Suatu keadaan tetap harus dikhususkan. Keadaan yang tetap air tanah yakni air bebas (bebas gaya adsorptif), murni (bukan melarutkan), air pada suhu tertentu dan kemiringan tertentu ditunjukkan oleh tekanan atmosfir. Faktor-faktor yang mempengaruhi energi potensial air tanah yakni adsorpsi air oleh partikel tanah, pelarut yang melarutkan dalam air tanah, elevasi air tanah pada lahan gravitasi bumi, tekanan yang dibuat (positif dan negatif). Perlu dicatat bahwa perpindahan air untuk keadaan

8 tetap harus terjadi melalui membrane semipermeabel. Potensial air lebih mudah dipahami jika kita memecahnya menjadi komponen potensial. Untuk potensial air, ψw, dapat ditulis sebagai berikut : ψ w = ψ p + ψ s + ψ m pers.1 dimana ψ p adalah potensial tekanan, ψ s adalah potensial larutan dan ψ m adalah potensial matrik. Juga dapat didefenisikan potensial gravitasi, ψ z, yang jika digabung dengan potensial air, ψ w, menghasilkan potensial total air,ψ t, yakni : ψ t = ψ w + ψ z.pers.2 Semua potensial didefenisikan dengan hubungannya terhadap satuan jumlah air; satuan potensial akan bergantung pada cara mengkhususkan satuan jumlah air. Satuan potensial berhubungan erat dengan 3 metoda pengelompokan suatu jumlah air yang didasarkan pada sistem SI. 1. Jika jumlah air ditunjukkan sebagai suatu massa, satuan potensial adalah ergs/g. 2. Jika jumlah air ditunjukkan sebagai suatu volume, satuan potensial adalah dynes/cm Jika jumlah yang ditunjukkan sebagai berat, satuan potensial adalah cm air. Mengubah dari satu pasang satuan ke satuan lain dengan cara mengkalikan atau membagi dengan faktor pengubah yang sesuai. Potensial Gravitasi (ψz) Berat adalah salah satu dari metoda paling sering digunakan dalam mengelompokkan satuan air. Dalam hal ini,ψ z, adalah kemiringan yang berbeda antara titik yang ditanyakan dan titik yang telah ditetapkan. Jika titik yang ditanyakan di atas titik yang ditetapkan, ψ z adalah positif; jikan titik yang ditanyakan di bawah titik yang ditetapkan, ψ z adalah negatif. Potensial gravitasi tidak bergantung pada sifat-sifat tanah, hanya bergantung pada jarak vertikal antara titik yang ditanyakan dan titik yang ditetapkan. Potensial gravitasi adalah energi potensial dalam pengaruh gaya gravitasi di lapangan. Biasanya betanda nol pada muka air. Peningkatan 1 bar untuk tiap 1,020 cm di atas muka air. Potensial Matrik (ψm) Potensial matriks,ψ, disebut kekuatan adsorptif matrik tanah (dalam hal ini potensial matriks). Potensial matrik terjadi karena adhesi terhadap matrik tanah (permukaan polar). Pada pori-pori jenuh bernilai nol, sedangkan pori-pori tidak jenuh negatif. Lebih negative bila pori-pori dikeringkan dan lapisan air lebih tertutup ke permukaan. Gaya adhesi/kohesi molekul air lebih rendah. Untuk kandungan air yang sama (% volume),

9 tanah lebih halus memiliki potensial matrik lebih rendah. Jika sejumlah air ditunjukkan dalam satuan berat, lalu ψm pada satu titik adalah ukuran vertikal antara titik ini dalam tanah dan permukaan air dari suatu manometer yang diisi air dan dihubungkan dengan suatu titik sembarang di dalam tanah melalui pipa keramik (lihat Gambar 1). Gambar 1. Pipa keramik dimasukkan dalam tanah yang dihubungkan dengan manometer air membentuk suatu tensiometer. Potensial matrik berat dari air tanah pada pipa adalah berjarak vertikal dari pipa ke level air dalam manometer (ψm = = -15 cm) Gambar 2. Tensiometer yang dibangun dengan menghubungkan suatu pipa keramik dengan manometer merkuri melalui tabung yang diisi air. Simbol yang digambarkan berhubungan dengan persamaan 4 dan 7 yang dapat digunakan untuk menghitung potensial matrik. Gambar 3. Tabung piezometer yang digunakan untuk menentukan level muka air dalam tanah dan juga digunakan untuk menentukan potensial tekanan air tanah. Potensial tekanan pada suatu titik dalam tanah adalah jarak antara titik dan level air dalam tabung piezometer. Lalu potensial tekanan pada titik A adalah 10 cm. Potensial matrik adalah sifat dinamik dari tanah. Pada tanah jenuh, ψ m adalah nol. Pada Tabel 1 dapat dilihat nilaipotensial matrik yang mewakili untuk beberapa kondisi air tanah.

10 Tabel 1. Nilai Potensial Matrik pada Empat Kondisi Air Tanah Kondisi air tanah Satuan Potensial Matrik Cm Ergs/g Joule/kg Dynes/cm 2 Bars Atm pf a Jenuh , ,8x10 4-1x Kapasitas lapang ,8x ,8-9,8x10 4-0,098-0,1 2,0 Titik layu beberapa Tanaman -1,5x10 4-1,47x ,47x ,7-14,9 4,2 Kering udara (kelembaban relatif -2,2x10 5-2,16x10 8-2,16x10 4-2,16x ,4 = 0,85) a Istilah pf adalah logaritma tekanan matrik jika tekanan matrik ditunjukkan dalam cm air Secara teori potensial air apat diukur dengan tensiometer seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. Secara praktis, tidak diperoleh pembacaan dari jenis tensiometer ini. Seca ra komersial alat-alat yang tersediaselajutnya dimodifikasi sehingga manometer air diganti dengan manometer merkuri atau dengan suatu gage vakum. Manometer Merkuri Suatu jarak, z (Gambar 2) disebut sebagai jarak dari kolom merkuri ke pusat pipa keramik. Suatu jarak kedua,z Hg, disebut jaraj dari permukaan kolom merkuri ke permukaan merkuri dalam pembuangan (reservoir). Untuk kondisi ini, potensial berat matrik,ψm, disebut oleh Taylor and Ashcroft (1972) dalam Hanks and Ashcroft (1986) sebagai berikut : ψ m = -z Hg ρ Hg /ψ w + z pers.3 Dimana ρ Hg adalah kerapatan merkuri (13,6 g/cm 3 ) dan ρw adalah kerapatan air (1,0 g/cm 3 ). Lalu dapat ditulis sebagai berikut : ψ m = 13,6 z Hg + z..pers.4 Jarak (z) beragam seperti tinggi kolom merkuri,z Hg, berubah-ubah. Namun demikian, jarak dari permukaan pembuangan merkuri ke pusat pipa,zo, harus konstan untuk setiap tensiometer yang ditentukan. Memasukan z = z 0 + z Hg ke persamaan 3 sehingga : Dan dapat ditulis sebagai berikut : ψ m = - z Hg ρ Hg /ρ w + z Hg + z o.pers.5 ψ m = -z Hg [ρ Hg /ρ w 1] + z o..pers.6

11 Memasukkan untuk kerapatan menjadi sebagai berikut : ψ m = - 12,6 z Hg + z o.pers.7 Potensial Tekanan (ψp) Pada kondisi lapangan potensial tekanan (ψ p ), dipakai kebanyakan untuk tanahtanah jenuh. Dikenal juga sebagai potensial submergence (potensial jenuh). Jika jumlah air ditunjukkan sebagai berat, ψ p disebut jarak vertikal dari titik yang ditanyakan dalam tanah hingga permukaan air dari suatu piezometer yang dihubungkan dengan titik yang ditanyakan (Gambar 3). Di lapangan, ψ p adalah di atas nol dan pada tingkat di dalam piezometer. Di bawah tingkat ini,ψ p selalu positif. Potensial tekanan akan meningkat dengan meningkatnya kedalaman di bawah level air ini meskipun kandungan air tanah tidak berubah. Komponen potensial tekanan ini, hanya komponen biasa yang ada pada kondisi lapangan, disebut potensial submergence (ψ u ). Di lapangan,ψ p diukur dengan piezometer yang mengukur potensial submergence. Potensial Air 1.Potensial Air pada Kondisi Seimbang Pada kondisi isotermal, air mengalir dari lokasi yang berpotensial air tinggi ke lokasi yang berpotensial air rendah. Jika potensial air total pada titik A dalam tanah adalah 100 cm dan potenaial total air pada titik B adalah -120 cm, maka air akan mengalir dari titik A ke titik B. Jika kita beranggapan bahwa hanya cairan yang mengalir dalam tanah, komponen larutan umumnya nol. Sehingga, untuk ψ t = ψ z + ψ m + ψ p. Kombinasi potensial ini sering digunakan sehingga diberi istilah potensial hidrolik. Karenanya potensial hidrolik, yakni : ψ h = ψ z + ψ m + ψ p pers.8 Jika tidak ada membran semipermeabel, ψ s = 0 dan ψ h = ψ t. Untuk kondisi seimbang, potensial hidrolik adalah konstan.

12 2. Potensial Air pada Kondisi Tidak Seimbang Kondisi ini berkaitan dengan potensial air melalui profil tanah dimana air sedang mengalir. Aliran cairan sebagai hasil dari suatu gradient potensial hidrolik, sehingga ψ h akan beragam melalui bagian-bagian tanah dimana aliran sedang terjadi. Potensial Pelarut Potensial pelarut muncul karena bahan-bahan terlarut, seperti garam-garam, dalam larutan tanah dan adanya membran semipermeabel dalam sistem. Suatu membran semipermeabel adalah bahan yang mengikuti air mengalir tetapi tidak mengizinkan garam-garam untuk melewatinya. Pada sistem air tanah terdapat dua membran semipermeabel yang penting yakni : 1. Dinding sel pada akar - bukan membran yang sempurna karena beberapa garam lewat ke dalam akar. 2. Interfase udara air mendekati membran yang sempurna. Dalam tanah, potensial pelarut,ψs relatif tidak penting dalam aliran cairan karena tidak membran semipermeabel. Suatu hubungan pada konsentrasi garam yang menghasilkan potensial pelarut ditunjukkan pada persamaan berikut : ψ s = - RTC s..pers.9 dimana, ψ s adalah potensial pelarut, R adalah konstanta gas umum (82 bar cm 3 /mol K), T adalah suhu absolut (K), dan C s adalah konsentrasi pelarut (mol/cm 3 ). Pengukuran Potensial Matrik 1.Di Lapangan Piezometer digunakan untuk mengukur potensial matrik. Suatu piezometer adalah tabung sederhana, terbuka pada kedua ujungnya, yang dimasukkan ke dalam tanah. Air mengalir ke bawah hingga level yang disebut muka air. Tingkatan air dalam tabung biasanya ditentukan dengan alat elektrik. Pada permukaan air da semua titik di atas, potensial matrik adalah nol. Di bawah permukaan air, potensial pelarut pada beberapa titik sama hingga kedalaman di bawah permukaan air dari titik yang diinginkan. Suatu piezometer kegunaannya untuk mengukur ψ m, karena pada kondisi jenuh air mengalir keluar tabung ke dalam tanah yang meninggalkan tabung kering. Pada fungsinya untuk kondisi jenuh, ujung yang lebih rendah pada tabung harus dihubungkan ke tanah melalui suatu pipa keramik dan ujung lebih atas harus dipasang dengan beberapa alat untuk mengukur kekosongan yang terjadi pada tabung. Selanjutnya kita gunakan suatu tensiometer (Gambar 1 dan 2.).

13 2.Di Laboratorium Jika suatu saluran dibuat, maka suatu tekanan di atas atmosfir dapat ditentukan pada suatu contoh tanah, dan jika air tanah dihubungkan dengan lapisan cairan sempurna atau kapiler hingga keluar sel tekanan melalui suatu piringan atau membrane keramik yang berpori, lalu air akan dipindahkan dari tanah sampai suatu keseimbangan yang diharapkan. Pada kondisi seimbang, potensial hidrolik harus konstan. Jika rujukan yang dipilih pada contoh tanah, kedua potensial hidrolik dan potensial gravitasi adalah nol. Sehingga persamaan menjadi : ψ m = -ψ p..pers.10 dimana potensial tekanan,ψ p, adalah potensial pneumatik, ψ n, merupakan hasil dari tekanan udara yang diaplikasi. Telah dinyatakan sebelumnya bahwa potensial tekanan terdiri dari beberapa potensial. Di lapangan potensial submergence adalah komponen utama. Dalam laboratorium tanah tidak jenuh, akibatnya komponen submergence adalah nol. Komponen pneumatik tidak nol karena tekanan udara berbeda dari yang standar. Satuan-Satuan yang Mewakili dan Istilah-Istilah Potensial Untuk perhitungan secara matematik seperti halnya masalah potensial dalam tanah, istilah-istilah potensial digunakan secara khusus. Sampai saat ini masih dikenal istilah yang telah lama seperti hisapan matrik, tegangan kelembaban tanah dan tekanan kelembaban tanah. Secara umum, hisapan matrik dan tegangan kelembaban tanah sama dengan istilah negatif potensial matrik. Tekanan kelembaban tanah kadang-kadang digunakan untuk arti yang sama dengan hisapan matrik, tetapi pada waktu lain digunakan untuk memasukkan efek garam (negatif potensial matrik ditambah potensial pelarut). Beberapa satuan adalah seperti berikut ini : 1. Bar 2. Centimeter air 3. Centimeter merkuri 4. Inci air 5. Atmosfir 6. Centibar 7. Millibar 8. Joule/kg 9. Pounds/inch2 10. Ergs/gram 11. Dyne/cm2 12. pf

14 Semua satuan dapat dirubah ke bentuk lain. Pada saat tertentu yang paling dikenal adalah bar. 1 bar = 1020 cm H 2 O 1000 cm H 2 O = 75,01 cm Hg = 401,5 inci H 2 O = 0,9869 atm 1 atm = 100 cb = 1000mb = 100 joule/kg = 14,50 lb/inch 2 = 106 erg/g = 106 dyne/cm 2 Beberapa Contoh Soal 1. Diketahui dua titik dalam tanah, masing-masing titik terletak pada lokasi khusus berjarak vertikal dari kemiringan tertentu. Hitunglah perbedaan potensial gravitasi (Δψ z antara dua titik tersebut. Jawab : ψ z A = 15 cm, ψ z B = -10 cm maka Δψ z = ψ z A ψ z B = 15 cm (-10) cm = 25 cm. 2. Jarak dari permukaan pembuangan merkuri ke pusat pipa keramik (jarak vertikal) = adalah 20 cm dan nilai z Hg adalah 14,2 cm. Hitunglah potensial matrik. Jawab : ψ m = -12,6 z Hg + z o = -12,6 x 14,2 cm + 20 cm = -179 cm + 20 cm = -159 cm. 3. Diketahui potensial matrik adalah nol dan zo adalah 20 cm. Hitunglah jarak dari permukaan pembuangan merkuri ke permukaan kolom merkuri pada manometer. Jawab : z o ψ m 20 cm 0 cm z Hg = = = 20 cm/12,6 = 1,59 cm 12,6 12,6 4. Suatu pembacaan tensiometer skala adalah 34. Jarak dari gage ke pipa keramik (jarak vertikal) yakni 100 cm. Hitunglah potensial matrik. Jawab : ψ m - z o = - 10 cm x pembacaan gage x zo = -10 cm x cm = -340 cm cm = -240 cm.

15 5. Suatu gage vakum yang tersedia dikalibrasi dalam inci merkuri- dari Pembacaan dial 25 inci merkuri dan gage adalah 30 inci di atas pipa tensiometer. Hitunglah potensial matrik (kerapatan air =13,6 inci/inci Hg) Jawab : ψ m = (-13,6 inci/inci Hg) z Hg + z = -13,6 inci/inci Hg x inci = inci + 30 inci = -310 inci inci x 2,54 = -787 cm 6. Suatu contoh tanah ditempatkan di sisi suatu piring tekan apparatus dan diletakkan ke suatu tekanan gage (tekanan berbeda antara sisi tekanan saluran piring tekan dan tekanan atmosfir) yakni 1 x 10 6 dyne/cm 2. Contoh ditinggalkan hingga keseimbangan tercapai. Hitung potensial matrik air dalam contoh tanah. Jawab : ψ m = -ψ p = -1 x 10 6 dyne/cm 2 Dalam hal ini jumlah air adalah volume, akibatnya potensial adalah potensial matrik volume. Untuk mengubah potensial matrik berat, dibagi dengan gaya grafitasi (g = 980 cm/s 2 ) dan kerapatan air (ρ w = 1 g/cm 3 ). (Ingat : dyne = g cm/detik 2 ), sehingga : 1 x 10 6 g cm/s 2 /cm 2 ψ m = - = cm 980 cm/s 2 x 1g/cm 3

16 Daftar Pustaka Departement of Agronomy and Hotriculture Introduction to Soil Water Potential. ( New Mexico State University. USA. Fuller, R Soil Water Energy. Soil Moisture. ( burgh.edu). Hanks,R.J and Ashcroft, G.L Applied Soil Physics. Soil Water and Temperature Applications. Springer Verlag, Berlin Heidelberg, New York, Tokyo. 159 Pg.