Kata kunci : model, numerik, 2 dimensi, genangan banjir, saluran

Transkripsi

1 Pengembangan Moel Erosi Bantaran Sungai Untuk Memoelkan Genangan Banjir Dengan Menggunakan Metoe Numerik Dimensi (Stui Kasus : Banjir Banang 006 Di Kabupaten Jember) Peneliti : Januar Fery Irawan 1, Syamsul Arifin Mahasiswa Terlibat : - Sumber Dana Kontak Diseminasi : DIPA UNEJ : januar_ir@yahoo.com : belum aa 1 Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Universitas Jember Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Universitas Jember ABSTRAK Bencana banjir yang terjai tahun 006 i aerah aliran sungai Dinoyo Kabupaten Jember masih membawa ancaman yang serius karena aanya korban jiwa an kerugian material yang sangat besar. Guna mengantisipasi kerugian yang sama i masa menatang iperlukan peningkatan kemampuan manajemen sungai melalui pembuatan moel pengenalian ebit i bangunan-bangunan infrastruktur pengenali banjir. Tujuan penelitian ini aalah (1) menghasilkan moel untuk meningkatkan kemampuan bangunan pengenali banjir melalui strategi pengenalian ebit banjir yang mungkin terjai meningkatnya curah hujan, () Menguji perilaku kealaman an kecepatan aliran sesuai moel yang itentukan untuk mengetahui genangan banjir yang sesuai engan konisi banjir i lapangan. Penelitian ilakukan i wilayah aliran sungai Dinoyo untuk mengevaluasi moel aliran imensi an membuat simulasi yang menekati engan hasil i lapangan. Hasil komputasi memperlihatkan bahwa paa saat banjir banang terjai paa lokasi pengamatan memiliki kealaman,5 m. Seangkan, kecepatan aliran banjir paa yang terjai paa saat aalah 7,53 m/s. Hasil ini menunjukkan kesesuaian engan hasil pengamatan morfologi yang terjai setelah banjir banang i wilayah stui. Kata kunci : moel, numerik, imensi, genangan banjir, saluran 1

2 PENGEMBANGAN MODEL EROSI BANTARAN SUNGAI UNTUK MEMODELKAN GENANGAN BANJIR DENGAN MENGGUNAKAN METODE NUMERIK DIMENSI (STUDI KASUS : BANJIR BANDANG 006 DI KABUPATEN JEMBER) LATAR BELAKANG DAN TUJUAN PENELITIAN Inonesia merupakan negara tropis yang memiliki curah hujan yang tinggi. Seringkali curah hujan tinggi menjai penyebab meluapnya air sungai sehingga mengakibatkan terjainya bencana banjir. Namun curah hujan tinggi bukanlah satusatunya pelaku penyebab banjir. Berasarkan fakta i lokasi sampel an hasil kajian, apat iientifikasi beberapa penyebab banjir secara biofisik yaitu: curah hujan tinggi, karakteristik DAS yang responsif terhaap banjir, penyempitan saluran rainase, an perubahan penutupan lahan (Banjir, Penyebab, an Solusinya. Tim Peneliti BTP DAS Surakarta. 00). Seangkan secara sosial, ekonomi, an buaya, banjir isebabkan karena tiga hal, yaitu: tiak tegasnya penegakan hukum, perilaku masyarakat yang kurang saar akan lingkungan, an timpangnya pembangunan (Banjir, Penyebab, an Solusinya. Tim Peneliti BTP DAS Surakarta. 00). Beberapa banjir besar yang terjai i Inonesia telah menimbulkan banyak korban jiwa an kerugian material sangat besar bagi pemerintah aerah maupun pusat. Sejak tahun 005, banjir besar yang tercatat terjai i Inonesia iantaranya aalah: (1) Banjir i Jakarta tahun 005 yang membanjiri 17 kelurahan engan kerugian yang mencapai 13 miliar (Tempo Interaktif, 005); () Banjir Banang i Panti, Jember, tahun 006 yang merusakkan 400 rumah, 6 jembatan, an menyebabkan 87 korban jiwa (WALHI, 006); (3) Banjir i Jakarta paa Februari 007 yang menyebabkan korban jiwa 80 orang an kerugian 5, T (BAPPENAS, 007); (4) Banjir i Bonowoso paa 8-9 Februari 008 an i Situbono paa tahun 008 yang menghanyutkan 639 rumah an 6 jembatan rusak (Departemen PU, 009). Berasarkan fakta iatas bahwa kerusakan an kerugian yang iakibatkan oleh bencana banjir ari tahun ke tahun cukup besar, maka ipanang perlu untuk melakukan

3 pengenalian an peringatan ini terhaap bencana banjir. Dalam konsep pengenalian banjir an peringatan ini, peramalan banjir melalui penelusuran banjir merupakan teknik yang paling penting untuk menapatkan penyelesaian lengkap masalah tersebut. Agar apat memenuhi keperluan tersebut, maka pemoelan banjir ipanang sebagai proseur yang ibutuhkan alam penelusuran banjir untuk menentukan hirograf suatu titik i hilir ari hirograf yang iketahui ari suatu titik i hulu. Salah satu cara yang apat menyelesaikan masalah banjir aalah engan menggunakan metoe hirolika. Metoe hirolika numerik memiliki kelebihan ibaningkan engan metoe hirologi karena apat mengetahui gerakan gelombang banjir yang terjai apabila aa perubahan hirolika aliran. (E.V. Nensi R an Ven Te Chow, 1997). Dalam menghaapi kemungkinan kerusakan parah akibat gelombang banjir yang sangat besar paa bantaran sungai saat banjir serta keruntuhan bangunan infrastruktur akibat arus turbulensi, iperlukan penelitian mengenai strategi pengelolaan manajemen sungai melalui simulasi moel aliran banjir sehingga apat iketahui aerah yang rawan engan banjir. Dengan simulasi numerik imensi yang menekati keaaan sebenarnya, iharapkan banjir apat iantisipasi lebih awal. LANDASAN TEORI Persamaan hiroinamika imensi aliran merupakan vektor aliran fluia an seimen. Dengan persamaan kontinuitas aliran fluia inyatakan sebagai berikut : h hu hv t x y 0.(4) Persamaan 4 iturunkan ari penggunaan hukum kekekalan massa paa fluia an aliran seimen. Hukum kekekalan momentum aalah hukum keua Newton yang menghasilkan persamaan vektor juga an ikenal engan hukum momentum.dengan menggunakan asumsi aliran tiak tertekan an koefisien viskositas konstan, Persamaan momentum imensi apat inyatakan menjai: 3

4 hu hu huv H bx u u gh hv...(6) t t x y x x y hv huv hv H by v v gh hv...(7) t t x y y x y imana u an v aalah komponen kecapatan kealaman rata-rata paa arah x an y, h aalah kealaman air, x an y aalah notasi koorinat koortogonal, t aalah waktu, g aalah percepatan gravitasi, H aalah elevasi permukaan air, aalah ensitas air, bx an by aalah be shear stress paa arah x an y, vt aalah koefisien viskositas. Karena perhitungan kealaman rata-rata an apat ipergunakan untuk saluran yang relatif lebar an angkal, maka persamaan ini isebut engan persamaan aliran angkal. Shear Stress i bagian asar imoel berasarkan paa jenis asar sungai. Shear stress i asar saluran inyatakan engan persamaan sebagai berikut: bx imana bx u v an C v u v.....(8) C aalah koefisien gesekan an inyatakan engan resultan kecepatan u C kealaman rata-rata atau u v. Dengan menggunakan asumsi tersebut ke alam profil istribusi logaritma ari kecepatan horisontal ke seluruh kealaman aliran, maka sebagai berikut: C ihitung engan persamaan a. Jika konisi asar saluran secara hirolik halus, maka 3 C = engan Re (9) Re 1 C A s 1 1 ln Re C engan Re (10) b. Jika konisi asar saluran secara hirolik kasar, maka 1 1 h A s 1 ln...(11) C ks Dimana = konstanta Von Karman, A s =5.5 untuk konisi asar saluran yang halus an 8.5 untuk asar yang kasar, u v Re h aalah bilangan Reynols, h aalah v k 4

5 kealaman air an v k aalah viskositas kinematik molekular. Seangkan, engan menggunakan bilangan Manning alam moel ini menjai: C iestimasi gn C...(1) 1/ 3 h Bilangan Manning apat ihitung ari ukuran butir an gravitasi engan hubungan sebagai berikut : 1/ 6 n...(13) 8.9 g imana aalah iameter butir an g aalah percepatan gravitasi. Persamaan kontinuitas pengangkutan engan be loa alam sistem koorinat general imensi ituliskan engan persamaan sebagai berikut: t zb J 1 1 q J q J 0...(4) imana z b aalah elevasi asar saluran; aalah porositas material i asar saluran; q an q masing-masing aalah komponen kontra variant kecepatan pengangkutan be loa per unit with paa arah an. Tapi, persamaan pengangkutan seimen inyatakan paa arah gerakan seimen paa arah sumbu sungai, s tegak lurus engan arah sumbu sungai n. Kecepatan pengangkutan be loa ihitung engan formula Ashia an Michiue's (197), sebagai berikut: b 3 / * c * c 3 q 17 * 1 1 sg g...(5) * * imana * aalah shear stress tiak berimensi; * c aalah shear stress kritis tiak berimensi yang iturunkan ari formula Iwasaki; aalah iameter ukuran butir. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ilaksanakan engan menggunakan moel simulasi komputasi D. Tahap komputasi ilakukan engan teknik numeris yang iterapkan sebagai penekatan utama i seluruh pemoelan kecepatan aliran an elevasi permukaan air akibat 5

6 kelengkungan saluran. Keakuratan teknik numerik akan ibaningkan engan ata survey i lapangan. Moel aliran yang igunakan mengikuti kerangka metoologi sebagaimana itunjukkan paa gambar 1. Moel matematis iformulasikan alam biang horisontal engan menggunakan sistem koorinat kurvilinear an non orthogonal. Sumbu aalah sumbu i sepanjang the saluran paa bentuk saluran awal yang iketahui engan bentuk biang an sumbu aalah igambar memotong sumbu axis. Jai, biang (, ) ibagi menjai bagian-bagian untuk membentuk gri awal untuk komputasi simulasi. Perbaningan kealaman an lebar saluran iesain sama engan 1, sehingga kealaman saluran aalah 0,3 meter. Gambar 1. Diagram Alir Metoologi Dalam moel genangan, gri sungai yang ikomputasi akan iubah menjai ata kealaman. Data tersebut akan ibaca sebagai ata genangan banjir. Komputasi moel D genangan banjir yang igunakan mengikuti urutan sebagai berikut : 1. Komputasi aliran, Kecepatan an Kealaman aliran. Komputasi Laju Angkutan Seimen 6

7 3. Komputasi perubahan elevasi asar sungai 4. Menentukan sistem koorinat baru 5. Menentukan genangan banjir an mengupate waktu PEMAPARAN HASIL DAN PEMBAHASAN Komputasi Moel matematis alam biang horisontal menggunakan Dimensi alam sistem koorinat kurvilinear an non orthogonal. Sumbu aalah sumbu i sepanjang the saluran paa bentuk saluran awal yang iketahui engan bentuk biang an sumbu aalah igambar memotong sumbu axis. Biang (, ) ibagi menjai bagian-bagian untuk membentuk gri awal untuk komputasi simulasi. Konisi batas akan itentukan menggunakan konisi batas yang non peroik karena konisi non perioik akan merubah konisi wavelength yang akan terjai i sungai i alam. Batas non perioik ini menggunakan beberapa perturbation yang itambahkan ke alam aliran i bagian inlet saluran, sehingga konisi i bagian outlet saluran tiak mempengaruhi konisi i inlet saluran paa komputasi selanjutnya. Batas konisi non periok akan mempengaruhi lama komputasi karena memerlukan omain komputasi yang lama. Selain itu batas konisi juga itentukan paa awal komputasi menggunakan ebit aliran yang itentukan, kecepatan aliran alam arah memanjang an melintang saluran paa ujung inlet sama engan 0, kealaman aliran i bagian inlet itentukan. Moel D yang igunakan memerlukan input iantaranya aalah gri yang menggambarkan lokasi banjir i sungai Dinoyo. Dalam gri tersebut terapat ata koorinat sungai yang teriri gri bagian kiri an kanan sungai. Gri sungai meliputi bagian ataran banjir sungai sehingga hasil simulasi akan beraa paa alam gri. Bagian Sungai Dinoyo yang isimulasikan ini aalah omain yang terjai perubahan morfologi akibat banjir banang. Domain simulasi memiliki gri 800 sel an iperlihatkan paa bagian yang berwarna biru (lihat gambar ). Data penampang sungai elevasi iambil ari ata DEM ari photo citra satelit an ikoreksi engan ata sekuner. Citra satelit yang igunakan aalah citra satelit resolusi tinggi tahun 00 yaitu sebelum terjainya banjir banang. Seangkan, untuk pengkioreksian simulasi akan menggunakan citra satelit an ata lapangan. 7

8 Gambar. Domain Komputasi paa Wilayah Stui Pengamatan evolusi sungai inoyo ipergunakan ata citra resolusi tinggi yang akan iperlihatkan alam hasil simulasi. Perubahan aliran sungai an arah ailran merupakan fokus ari simulasi banjir. Dasar sungai iambil sesuai engan ata DEM (Digital Elevation Moel). Data yang isimulasikan paa bagian alur sungai akan nampak paa simulasi kecepatan banjir paa alur sungai. Disamping itu, untuk mengamati kealaman air ipergunakan ata yang iperoleh i lapangan paa saat banjir. Konisi hiraulik moel menggunakan inamika ebit yang ihitung engan rancangan ebit 10 tahuan. Hasil perhitungan apat ilihat alam gambar 3. Gambar 3. Debit Banjir 006 Seimentasi alam moel D menggunakan rumus Ashia an Michue an itambahkan pengaruh aliran sekuner yang iestimasikan Rumus Engelun. Rumus pengangkutan seiment igunakan seiment be loa karena seimen ini menominasi alam karakteristik seimen i lokasi pengamatan. Hal ini ikarenakan nampak aanya 8

9 point bar yang apat iientifikasi ari kenampakan citra satelit. Perubahan elevasi karena erosi ihitung ari persamaaan kontinuitas imana kuantitas kesetimbangan eposisi an kuatintas erosi. Simulasi banjir menggunakan ebit yang tiak tunak an iturunkan ari ebit rancangan banjir tahunan. Moel ini imaksukan untuk meramalkan konisi banjir banang tahunan. Grafik rancangan ebit apat ilihat paa gambar 3Berasarkan Grafik paa gambar 4, perhitungan rezim apat iwakili oleh hubungan tegangan geser berimensi an geometri saluran yang teriri ari engan hubungan Lebar (B), Slope (I) ari saluran an kealaman air (h).. Hal ini iharapkan bahwa hasilnya bisa mewakili seimen yang terjai i sungai seperti yang itunjukkan rezim bar alternatif paa gambar 4. Kealaman air ihitung engan Koefisien Manning engan nilai 1,15 an tegangan geser berimensi engan nilai 7,7. Gambar 4. Simulasi Kecepatan Banjir Komputasi banjir banang engan menggunakan konisi hiraulik an metoe simulasi Dimensi menunjukkan aanya perubahan aliran sungai yang memotong jalur yang panjang menjai jalur yang lebih penek. Perubahan jalur ini itunjukkan paa hasil simulasi (Gambar 4) vektor kecepatan paa etik engan kecepatan maksimum 7,53 meter per etik. 9

10 Gambar 5. Moel Kealaman Sungai Walapun terjai perpinahan aliran, sungai inoyo masih alam bentuk meaner. Perubahan alur sungai apat iamati engan menggunakan citra resolusi tinggi sebelum terjainya banjir an setelah terjainya banjir i lokasi stui. Hasil Genangan banjir maksimum paa saat banjir aalah,5 meter seperti paa gambar 5. KESIMPULAN Dari hasil komputasi numerik imensi yang ikembangkan ari moel erosi bantaran banjir, apat isimpulkan bahwa : 1. Moel Numerik Dimensi apat memoelkan genangan banjir yang terjai i aerah hilir sungai yang itunjukkan engan kesesuain morfologi sungai yang terjai paa citra satelit.. Moel Numerik Dimensi apat memoelkan kealaman sesuai paa saat terjainya banjir banang engan kealaman maksimum,5 meter. 3. Moel D apat igunakan untuk memoelkan kecepatan paa saat banjir engan kecepatan maksimal 7,53 m/s. DAFTAR PUSTAKA [1] Stephen H. Scott an Yafei Jia. Simulation of Seiment Transport an Channel Morphology Change in Large River System. US-China Workshop on Avance Computational Moelling in Hyroscience an Engineering, September 19-1, Oxfor, Mississippi, USA. [] Jennifer G. Duan an Pierre Y. Yulien. Numerical Simulation of the Inception of Channel meanering. Earth Surface Processes an Lanforms, 30, , Wiley Interscience,

11 [3] Surajate B.A. Computation of Turbulence an Be Morphology in Meanering River. PhD thesis, Hokkaio University, September 005. [4] Chang-Lae Jang. Stuy on the Morphological Behavior of the Channel with Eroible Banks. PhD Thesis, Hokkaio University, September 003. [5] Jennifer G. Duan. Simulation of Flow an Mass Dispersion in Meanering Channels. Journal of Hyraulic Engineering ASCE, October 004. [6] H.R.A. Jagers. Moelling Planform Changes of Braie Rivers. PhD thesis, University of Twente, January 000. [7] M.S. Yalin an A.M. Ferreira a Silva. Fluvial Processes. IAHR International Association of Hyraulic engineering an Research Monograph, Delft, The Netherlans, 001. [8] Chang-Lae Jang an Y. Shimizu. Numerical Simulation of Relatively Wie, Shallow Channels with Eroible Banks. Journal of Hyraulic Engineering, ASCE, July 005. [9] Chunming Fang, Jixin Mao an Wen Lu, D Depth-Average Seiment Transport Moel taken into Account of Ben Flows. US-China Workshop on Avance Computational Moelling in Hyroscience an Engineering, September 19-1, Oxfor, Mississippi, USA. [10] Erik Mosselman. Morphological Moelling of Rivers with Eroible Banks. Journal of Hyrologycal Processes, 1, , [11] Stephen E Darby, Anrei M. Alabyan an Marco J. Van e Wiel. Numerical Simulation of Bank Erosion an Channel Migration in Meanering Rivers. Water Resources Research, Vol. 38, No. 9, 1163,00. [1] T. Yabe an T. Ishikawa. A multiimensional cubic-interpolate pseuoparticle (CIP) metho without time splitting technique for hyperbolic equations. J. The Physical Society of Japan, 59(7), , [13] S.-U. Choi, T.B. Kim an K.D. Min. D Finite Element Moelling of Be Elevation Change in a Curve Channel. River, Coastal an Estuarine Morphoynamics (RCEM), Vol., , The Netherlans. 11