BAB II TINJAUAN PUSTAKA. bertekanan. Saluran pipa terdiri dari pipa utama, sub-utama, dan lateral. Saluran

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Saluran pipa pada sistem irigasi sprinkle dan trickle secara normal adalah bertekanan. Saluran pipa terdiri dari pipa utama, sub-utama, dan lateral. Saluran utama membawa air dari sumbernya ke saluran sub-utama, kemudian dibawa ke saluran lateral dan air disemburkan melalui noozle. Beberapa sistem tidak memiliki saluran sub-utama, dalam hal ini, air dari saluran utama langsung dibawa ke saluran lateral. Saluran pipa harus memasok air pada tekanan yang diinginkan kepada setiap nozzle, juga cukup kuat untuk menahan tekanan kerja dan tekanan gelombang (surge pressure) yang diperkirakan, dan memiliki sebuah perkiraan umur pakai yang sama atau melebihi komponen sistem yang lainnya. Pipa yang tertanam harus bisa menahan beban dari permukaan baik yang dinamis ataupun overburden, sedangkan pipa lateral yang portable harus ringan dan tahan remuk. Material pipa dan pembebanan dari pipa yang tertanam adalah faktor-faktor yang penting yang mempengaruhi disain dan operasional dari saluran pipa untuk sistem irigasi bertekanan. 2.1 Material Pipa Kondisi-kondisi yang dapat mempengaruhi pemilihan material pipa meliputi komposisi kimia dari tanah, jumlah bebatuan dalam tanah, dan jenis dari sistem irigasi. Pipa aluminium umumnya digunakan untuk sistem portable, dan pipa baja biasanya digunakan pada pipa lateral sistem center-pivot. Pipa asbes-semen, PVC 6

2 (polyvinyl chloride), pipa baja merupakan pilihan yang khas untuk pipa utama dan lateral yang ditanam Pipa PVC (polyvinyl chloride) Pipa PVC merupakan pipa yang paling luas digunakan karena ketahanannya terhadap korosi, bobotnya yang ringan, memiliki permukaan yang halus sehingga kehilangan energi akibat gesekan relatif kecil, memiliki perkiraan umur pakai yang lama jika diberi perlindungan terhadap tekanan gelombang (surge), dan pemasangan yang mudah. Perletakan pipa PVC di dalam tanah sebaiknya di atas tanah yang stabil dan bebas dari bebatuan, hal ini untuk mencegah kerusakan pada pipa akibat sudut dari batu yang tajam akan mengoyak pipa. PVC merupakan polymer yang diperpanjang dalam tekanan dan pemanasan menjadi termoplastik yang lemah jika bersentuhan dengan bensin, kebanyakan asam, dan alkalis Pipa asbes-semen Pipa asbes-semen dibuat dengan mencampurkan semen dengan tekanan dan pemanasan. Serat asbes berguna untuk meningkatkan tegangan tarik dari beton. Pipa ini biasanya digunakan untuk saluran pipa yang tertanam. Pipa ini mengkombinasikan kekuatan dengan bobot yang ringan, dan ketahanan terhadap korosi. Ada tiga tipe pipa asbes-semen yang dibuat. Tipe I adalah untuk penggunaan dimana air yang bersifat agresif sedang dan tanah dengan kadar sulfat sedang diperkirakan bersentuhan dengan pipa. Tipe II adalah untuk penggunaan dimana air yang bersifat agresif tinggi dan tanah atau air yang mengandung sulfat dengan kadar 7

3 yang tinggi diperkirakan bersentuhan dengan air. Tipe III adalah untuk penggunaan dimana kontak dengan air yang bersifat agresif sedang dan sulfat tidak diperkirakan. Asbes-semen merupakan bahan yang sangat rapuh, karena itu kehati-hatian sangat dibutuhkan pada saat pemasangan. Perletakan harus dilakukan diatas tanah yang stabil beserta timbunan yang bebas dari bebatuan untuk menghindari keretakan pada pipa. Keretakan dapat dihindari dengan meletakkan pipa di atas lapisan kerikil halus Pipa aluminium Pipa aluminium digunakan untuk kebanyakan saluran utama dan lateral yang portable karena bobotnya yang ringan dan ketahanannya. Pembukaan terhadap keadaan bergaram atau asam dapat menyebabkan korosi pada aluminium. Korosi pada aluminium dapat diproteksi dengan penyalutan, yaitu pengikatan secara metalurgi lapisan logam campuran pada permukaan bagian luar dan dalam pipa. Cathodic protection atau perlindungan dengan menggunakan sinar katoda yang mana merupakan sebuah aliran dari arus listrik langsung yang dibangkitkan dari elektroda yang tertanam ke pipa juga digunakan untuk mengontrol korosi pada pipa aluminium dan pipa baja yang ditanam Pipa baja Pipa baja merupakan bahan yang kuat, elastis, dan tahan patah, tetapi lemah terhadap karat, baik di bagian dalam maupun di bagian luar permukaan pipa. Serpihan karat yang lepas dari bagian dalam pipa dapat memberikan efek merugikan bagi katup maupun sprinkler. Pelapisan pada permukaan luar dan dalam dengan pelapis yang tidak tembus air sebaiknya dilakukan. 8

4 2.2 Tekanan pada Pipa Pada kebanyakan situasi, sistem irigasi harus dapat memasok air secara merata ke seluruh lahan. Karena kinerja dari kebanyakan sprinkler berhubungan dengan tekanan, keseragaman yang tinggi dari aplikasi dibutuhkan penyediaan tekanan yang optimal bagi sprinkler. Friction loss atau kehilangan energi akibat gesekan pada pipa dan sambungan, dan perbedaan elevasi menyebabkan tekanan bervariasi di lapangan. Friction loss menyebabkan tekanan menurun pada arah hilir, sedangkan perbedaan elevasi menyebabkan tekanan meningkat atau menurun tergantung arah perubahan elevasi. Persamaan 2.1 dapat digunakan untuk mengukur perbedaan tekanan di antara lokasi-lokasi sepanjang saluran. ( h ± Z ) P d = P u K l (2.1) dimana : P d, P u = tekanan pada posisi hulu dan hilir (kpa) h l = kehilangan energi dalam pipa antara posisi hulu dan hilir (m) ΔZ = perbedaan elevasi antara posisi hulu dan hilir (m) K = konstanta yang bergantung kepada unit yang digunakan (K = 9,81 untuk P d dan P u dalam kpa, h 1 dan ΔZ dalam meter) (K = 0,43 untuk P d dan P u dalam psi, h 1 dan ΔZ dalam ft) Ketika perubahan pada elevasi ketika posisi hulu dan hilir menanjak, tanda didepan ΔZ adalah positif (+), sebaliknya jika elevasi hulu lebih tinggi daripada hilir didepan ΔZ adalah negatif ( ). energi h l. Persamaan 2.2 dapat digunakan untuk memperkirakan istilah kehilangan h l = FH l + M l (2.2) dimana : F = konstanta yang bergantung kepada jumlah saluran keluar 9

5 H l = kehilangan energi atau headloss akibat gesekan pada pipa (meter) M l = minor losses melalui sambungan pipa (meter) Minor losses yang diakibatkan oleh pipa penyembur adalah sangat kecil dan biasanya diabaikan. Rumus Hazen-Williams, Darcy-Weisbach, atau Chezy-Manning dapat digunakan untuk menghitung H l. Persamaaan-persamaan tersebut antara lain: Hazen-Williams 1,852 φ LQ H l = (2.3) 1,852 4,871 C D dimana : L = panjang dari pipa (m) Q = debit aliran (m 3 /det) D = diameter pipa (m) C = faktor gesekan yang bergantung kepada material pipa φ = 10,66 (SI unit) ; φ = 4,727 (Inggris Unit) Chezy-Manning 2 2 n V L H l = 4/3 β R = n β R 2 L A 4 / 3 2 Q 2 = KQ 2 (2.4) dimana : n = faktor kekasaran Manning R = jari-jari hidrolis (m) L = panjang dari pipa (m) β = 1 (SI unit) ; β = 2,21 (Inggris Unit) Persamaan Chezy-Manning berlaku untuk aliran turbulen sepenuhnya. Nilai K dapat juga diperoleh dengan Persamaan (2.5) : 2 = n L K 5, (2.5) Φ D 33 10

6 Faktor kekasaran Manning (n) dan faktor gesekan Hazen-Williams C diperoleh pada tabel berikut : Tabel 2.1 Koefisien dari Gesekan Pipa Untuk Perencanaan Material Hazen-Williams Manning (C) (n) Pipa baru atau baru dilapis Plastik atau kaca halus 150 0,009 Lapisan mortar-semen yang diputar sentrifugal 145 0,009 Lapisan mortar-semen yang dikulir di tempat 140 0,009 Besi tempa 140 0,009 Besi berlapis seng (galvanized iron) 135 0,010 Besi tuang, tidak dilapis 130 0,010 Asbes-semen, dilapis 145 0,009 Asbes-semen, tidak dilapis 140 0,009 Pipa tekanan beton yang dituang sentrifugal 135 0,010 Ten-State Standards (1978) Lapisan mortar-semen atau plastik 120 0,011 Baja atau besi daktail yang tidak dilapis 100 0,011 Pipa lama atau sudah lama dilapis [dalam perawatan biasa (20 tahun atau lebih), air yang tidak agresif] Plastik atau kaca halus Lapisan mortar-semen yang diputar sentrifugal 130 0,010 Lapisan mortar-semen yang dikulir di tempat 125 0,010 Asbes-semen, dilapis 130 0,010 Asbes-semen, tidak dilapis 125 0,010 Baja atau besi daktail yang tidak dilapis 100 0,013 Pipa tekanan beton yang dituang sentrifugal 130 0,010 Kayu susun 110 0,012 Besi terpancang (riveted steel) 80 0,016 Beton yang dibentuk 80 0,016 Tanah liat (tidak diberi tekanan) 100 0,013 11

7 Besi tempa 100 0,013 Besi yang dilapis seng (galvanized iron) 90 0,014 Sumber : Sanks (1998) Darcy-Weisbach 2 L V H l = f (2.6) D 2g dimana : L = panjang dari pipa (m) Q = debit aliran (m 3 /det) D = diameter pipa (m) g = percepatan gravitasi (9,81 m/det 2 atau 32,2 ft/det 2 ) f = faktor gesekan faktor gesekan adalah fungsi dari bilangan Reynold (R e ) dan kekasaran relatif k s /D, dimana k s adalah kekasaran tak seragam rata-rata dari pipa. Untuk aliran laminer (R e < 2000) faktor gesekan adalah : f 64 = (2.7) R e dimana : VD R e = (2.8) v v = viskositas kinematis Untuk aliran turbulen, faktor gesekan pada 1 Pipa halus : = 2Log ( R f ) 0, 8 f e untuk R e > 3000 (2.9) 10 1 D Pipa kasar : = 2Log10 + 1, 14 f ( ) k s = (k s ),14 2Log (2.10) D 1 10 Persamaan (2.7) dan (2.8) diajukan oleh von Karman dan Prandtl berdasarkan atas experimen oleh Nikuradse (1932). 12

8 Colebrook dan White (1939) mengajukan formula semi-empiris berikut : 1 f ks / D 2, 51 = 2Log + 10 (2.11) 3,7 Re f Faktor gesekan dapat juga diperoleh dengan menggunakan diagram Moody, yang dikembangkan oleh Moody (1944), menggunakan data-data eksperimen dari pipa-pipa komersial, persamaan Colebrook-White, dan data-data eksperimen dari Prandtl-Karman. Ada friction loss yang lebih sedikit sepanjang pipa dengan beberapa outlet yang dispasikan secara sama seperti pipa sub-utama dan lateral daripada sepanjang pipa dengan diameter, panjang, dan material yang sama dengan debit yang konstan. Ini terjadi karena banyaknya air dalam pipa sub-utama atau pipa lateral berkurang di arah hilir karena debit dari outlet. Istilah F pada Pers. 2.2 sama dengan 1 ketika tidak ada outlet antara lokasi hulu dan hilir sepanjang pipa. Persamaan 2.12a dan 2.12b dan Tabel 2.3 dan 2.4 dapat digunakan untuk menentukan F ketika ada lebih dari satu outlet dengan spasi yang sama, masing-masing memindahkan kurang lebih sama dengan jumlah air dalam pipa. Persamaan 2.12a dan 2.12b adalah : F 1 1 m 1 = + + (2.12a) 2 m + 1 2N 6N N = + 1 F 1 2 m ( N i) m 2N 1 (2N 1) N i= 1 (2.12b) dimana : m = 2.0 (Darcy-Weisbach); m = 1,85 (Hazen-Williams) N = banyak nozzle/sprinkler 13

9 Baik Persamaan 2.12a atau Tabel 2.2 digunakan ketika jarak dari dari saluran pipa ke outlet pertama sama dengan jarak spasi outlet. Ketika jarak ke outlet pertama setengah dari jarak spasi outlet, digunakan Persamaan 2.12b atau Tabel 2.4. Tabel 2.2 Nilai F (Pers. 2.12a) digunakan ketika jarak dari dari saluran pipa ke outlet pertama sama dengan jarak spasi outlet Banyak Outlet m = 1,85 m = 1,90 m = 2,00 1 1,0 1,0 1,0 2 0,639 0,634 0, ,535 0,528 0, ,486 0,480 0, ,457 0,451 0, ,435 0,433 0, ,425 0,419 0, ,415 0,410 0, ,409 0,402 0, ,402 0,396 0, ,397 0,392 0, ,394 0,388 0, ,391 0,381 0, ,387 0,381 0, ,384 0,379 0, ,382 0,377 0, ,380 0,375 0, ,379 0,373 0, ,377 0,372 0, ,376 0,370 0, ,374 0,368 0, ,372 0,366 0, ,370 0,364 0, ,369 0,363 0,351 14

10 30 0,368 0,362 0, ,365 0,359 0, ,364 0,357 0, ,361 0,355 0, ,356 0,350 0,338 Lebih dari 100 0,351 0,345 0,333 Sumber : James (1988) Tabel 2.3 Nilai F (Pers. 2.12b) digunakan ketika jarak dari dari saluran pipa ke outlet pertama setengah dari jarak spasi outlet Banyak Nozzle/Sprinkler pada Pipa Lateral m = 1,85 m = 1,90 m = 2,00 1 1,000 1,000 1, ,518 0,512 0, ,441 0,434 0, ,412 0,405 0, ,397 0,390 0, ,387 0,381 0, ,381 0,375 0, ,377 0,370 0, ,374 0,367 0, ,371 0,365 0, ,369 0,363 0, ,367 0,361 0, ,366 0,360 0, ,365 0,358 0, ,364 0,357 0, ,363 0,357 0, ,362 0,356 0, ,361 0,355 0, ,361 0,355 0, ,360 0,354 0,342 15

11 22 0,359 0,353 0, ,359 0,352 0, ,358 0,351 0, ,357 0,351 0, ,357 0,350 0, ,356 0,350 0, ,355 0,349 0, ,354 0,348 0, ,353 0,347 0,335 Sumber : James (1988) 2.3 Tekanan Gelombang Tekanan gelombang atau surge pressure merupakan tekanan bolak-balik yang terjadi di dalam pipa diatas atau dibawah tekanan operasi normal yang diakibatkan oleh perubahan kecepatan aliran. Pada saluran pipa, perubahan seketika pada kecepatan aliran dapat terjadi sebagai hasil dari pengoperasian pompa dan katup, keruntuhan kantong uap air, atau pengaruh dari air menyusul pengeluaran secara udara cepat keluar sebuah lubang udara atau katup yang terbuka sebagian. Hal ini sangat penting karena dapat menimbulkan efek merugikan yang cukup signifikan bagi disain saluran pipa, antara lain: keruntuhan pipa dan selubung pompa, pipa kolaps, getaran, perpindahan pipa yang berlebihan, deformasi atau keruntuhan dari fitting dan penopang saluran pipa. Desain dinding pipa yang lebih tebal, diameter pipa yang lebih besar, katup tekanan pembantu, dan atau surge tank mungkin dibutuhkan untuk melindungi saluran pipa. Penyebab khas dari perubahan kecepatan dalam pipa meliputi penyalaan dan penghentian pompa, perubahan pengaturan katup, dan operasi pompa yang tidak stabil. 16

12 Sistem pada Gambar 2.1 digunakan untuk menggambarkan fenomena water hammer. Sistem adalah pipa tunggal yang dipasok oleh reservoir. Head elevasi, H, menyebabakan air mengalir di dalam pipa dengan sebuah kecepatan, V, melaui sebuah katup yang berjarak L arah hulu reservoir. Gambar 2.1 Penggambaran fenomena water hammer Ketika pada suatu waktu t = 0 katup ditutup secara tiba-tiba, lapisan cairan terdekat dari katup terkompresi dan terhempas ke katup. Kompresi ini mengakibatkan pipa memuai dibawah tekanan yang bertambah, ΔH. Setelah lapisan pertama dari cairan terkompresi, proses berulang kepada lapisan selanjutnya. akibat rentetan lapisan air yang terhenti dan terkompresi, sebuah gelombang tekanan 17

13 muncul dan menyebar ke arah hulu. Cairan di hulu dari gelombang mengalir dengan kecepatan V. Ketika gelombang mencapai reservoir, waktu yang telah berlalu sama dengan L dibagi dengan kecepatan gelombang, a, t = L/a. Pada waktu ini semua cairan dalam pipa dalam tekanan H + ΔH dan dalam keadaan diam (V = 0). Pada reservoir, perbedaan tekanan (ΔH) antara pipa dan reservoir menyebabkan aliran ke arah reservoir dan pembentukan tekanan H dalam pipa. Sebagaimana gelombang ini bergerak ke arah katup, head tekanan tekanan dari gelombang adalah H + ΔH, dan tekanan di belakang gelombang sama dengan H. Pada saat t = 2L/a gelombang tekanan mencapai mencapai katup tekanan sama dengan H, sepanjang pipa. Sejak katup tetap tertutup dan tidak ada cairan yang ditambahkan ke pipa, aliran ke arah reservoir mengurangi tekanan di dalam lapisan cairan tepat di hulu katup menjadi H ΔH. Sebuah gelombang tekanan berjalan mengarah ke reservoir pada kecepatan a, sebagaimana tekanan pada lapisan yang berurut berkurang. Kondisi yang sangat tidak stabil, seperti pemisahan gumpalan cairan dapat terjadi jika tekanan di dalam pipa menurun di bawah tekanan uap dari cairan. Ketika gelombang tekanan rendah mencapai reservoir, gelombang tersebut dipantulkan kembali ke arah katup. Pada waktu ini tekanan dan kecepatan kembali ke keadaan semula, dan gelombang mencapai katup pada waktu t = 4L/a. Daur ini berulang setiap t = 4L/a detik sampai fluktuasi tekanan terhenti oleh gesekan dan elastisitas pipa. Persamaan 2.13 digunakan untuk menghitung besaran tekanan water hammer, ΔH. Pers didasarkan oleh prinsip momentum dan dapat ditemukan pada Streeter dan Wylie (1967). 18

14 a H = V (2.13) g dimana : ΔH = tekanan water hammer (m) a = kecepatan dari gelombang tekanan (m/det) g = percepatan gravitasi (9,81 m/det 2 ) ΔH = perubahan kecepatan dari cairan (m/det) Streeter dan Wylie (1967) menggunakan prinsip kontinuitas untuk menghasilkan Persamaan a = K B / ρ B D 1+ C E t 1 (2.14) dimana : B = bulk modulus elastisitas dari air (kn/m 2 ) ρ = kerapatan air (kg/m 3 ) K = konstanta unit (K = 1,0 untuk B dalam kn/m 2 dan ρ dalam kg/m 3 ) (K = 12 untuk B dalam psi dan ρ dalam slug/ft 3 ) D = diameter dalam dari pipa (m) t = ketebalan dinding pipa (m) E = modulus elastisitas dari material pipa (kn/m 2 ) C 1 = konstanta yang bergantung kepada bagaimana pipa terdesak. Persamaan 2.15a dapat digunakan untuk menghitung C 1 ketika pipa ditambatkan pada setiap ujung sehingga tidak ada pergerakan aksial. C 1 = 1 μ 2 (2.15a) Dimana μ merupakan ratio Poisson untuk material pipa. Nilai μ untuk material pipa yang umum dipakai disusun pada Tabel

15 Ketika pipa ditambatkan pada kedua ujung tetapi memiliki pengembangan sambungan, C 1 = 1. Persamaan 2.16b digunakan ketika pipa hanya ditambatkan pada satu ujung saja. C 1 = 5 / 4 μ (2.16b) Tabel 2.4 Modulus Elastisitas dan Rasio Poisson dari Beberapa Material Pipa Modulus Elastisitas Rasio Poisson Material (kn/m 2 ) (psi) (μ) Asbes-semen 20, ,20 Besi tuang 10, ,29 Besi daktail 16, ,29 PVC 27, ,46 Polythelene 69, ,40 Baja 20, ,30 Sumber : James (1988) Besaran dari tekanan water hammer dapat direduksi dengan mengurangi ΔV pada Pers Ketika tekanan water hammer hasil dari perubahan pengaturan katup, ΔV dapat direduksi dengan memperlambat laju dari penyesuaian katup. Untuk mengurangi besaran tekanan water hammer yang dihitung menggunakan Pers. 2.13, waktu setelan katup harus melebihi 2L/a (agar tekanan maksimum berkurang oleh gelombang yang dipantulkan). Untuk kebanyakan disain katup, aliran yang melalui katup tidak berhubungan secara linier terhadap lintasan tangkai katup. Ini ditunjukkan pada Gambar 2.2 untuk sebuah katup gerbang (gate). Sejak sebagian besar aliran terpotong, bagian terakhir dari lintasan tangkai adalah bagian yang paling efektif dari penutupan. Karena itu, sangat penting bahwa waktu penutupan katup didasarkan kepada waktu penutupan efektif katup daripada waktu penutupan aktual. Walaupun tidak ada variasi antara 20

16 tipe katup, waktu efektif biasanya diasumsikan menjadi setengah waktu penutupan katup aktual. Gambar 2.2 Lintasan tangkai katup versus penghentian pada sebuah katup gerbang (gate) Gambar 2.3 dapat digunakan untuk memperkirakan tekanan water hammer ketika waktu efektif dari penutupan katup melebihi 2L/a. Baik waktu efektif penutupan dibutuhkan untuk membatasi tekanan water hammer kepada sebuah level tertentu ataupun tekanan water hammer yang dihasilkan dari sebuah waktu penutupan efektif tertentu dapat ditentukan dengan menggunakan Gambar

17 C = 0,517 untuk area yang telah berkurang Globe Valve C = 0,486 untuk area penuh Cone Valve C = 0,392 untuk area penuh Gate Valve Gambar 2.3 Perhitungan dari waktu penutupan katup, T c, untuk membatasi tekanan gelombang (surge pressure) Dinding pipa yang lebih tebal, diameter pipa yang lebih besar, katup tekanan pembantu, dan surge tank dapat digunakan untuk memproteksi pipa dari tekanan water hammer. Dalam situasi dimana perlu perubahan yang cepat dalam perubahan kecepatan aliran, katup tekanan pembantu atau pressure relief valve seperti diilustrasikan pada Gambar 2.4, biasanya merupakan cara yang paling ekonomis untuk memproteksi pipa dari tekanan water hammer. Pressure relief valve didisain untuk membuka pada tekanan tertentu dan mengalirkan cairan untuk mengurangi gelombang. 22

18 (a) (b) Gambar 2.4 Pressure relief valve (a) Katup yang tetap tertutup selama tekanan masih dibawah tekanan maksimum yang diperbolehkan. (b) Katup yang terbuka ketika tekanan menurun dibawah tekanan yang diinginkan. Surge tank merupakan tangki terbuka yang dihubungkan dengan saluran pipa dan digunakan sebagai perlindungan terhadap tekanan gelombang. Sebuah surge tank yang sederhana biasanya dibuat sehingga level air di dalam tangki tidak berfluktuasi dalam resonansi dengan pengatur katup dan sehingga air tidak habis atau berlebihan oleh aliaran dari dan ke pipa. Beberapa surge tank memiliki orifice atau mulut yang membatasi aliran masuk dan keluar untuk menaikkan pemborosan energi dan melembabkan penggelombangan tekanan. Sering kali aliran masuk dibatasi lebih dari aliran keluar untuk mengurangi bahaya pemisahan gumpalan. Differential surge tank merupakan kombinasi antara orifice surge tank dengan surge tank sederhana pada daerah potongan melintang. 2.4 Perangkap Udara Kehadiran udara dalam saluran pipa mempengaruhi pengoperasian dengan mengurangi daerah melintang dari linasan aliran. Hal ini dapat menambah biaya pemompaan karena peningkatan head loss dan/atau mengurangi kapasitas pipa. Sebagai tambahan, pergerakan kantong-kantong udara di dalam pipa dan 23

19 pengurungan secara tiba-tiba pada titik-titik yang tinggi tinggi sepanjang saluran dapat menyebabkan water hammer dan flukutasi pada aliran. Udara mungkin memasuki pipa selama pengisian, dimana air memasuki saluran, atau melalui katup pelepas udara, penghilang kehampaan (vacuum breaker), dan sambungan yang bocor. Perubahan pada suhu dan tekanan dapat menyebabkan udara yang terlarut di dalam aliran terakumulasi di dalam saluran. Udara harus dicegah memasuki saluran. Ini dapat terpenuhi oleh perancangan pompa atau pintu masuk gaya berat (gravity inlet) yang hati-hati, menjaga kecepatan air rata-rata air dari antara 0,3 sampai 0,6 m/det selama pengisian saluran dan meletakkan pipa ke sebuah galian yang menghasilkan titik-titik tinggi yang minimum. Untuk tujuan memindahkan udara yang memasuki saluran, katup pelepas udara dan kehampaan (vacuum) yang berukuran layak sebaiknya dipasang pada semua titik-titik tinggi dan lokasi-lokasi lain yang memungkinkan udara untuk berakumulasi. Katup pelepas udara didisain untuk membuang udara dalam kondisi tekanan yang bervariasi selama operasi saluran normal ketika membatasi aliran keluar cairan. Port pembuang untuk katup demikian berdiameter sekitar 1,6 sampai 6,4 mm. Katup pelepas udara yang memiliki mulut berukuran diameter sekitar 25 sampai 200 mm didisain untuk volume besar udara selama pengisian saluran dan menutup ketika proses pengisian selesai. Baik katup pelepas udara maupun katup pelepas kehampaan akan tertutup karena tumbukan air terhadap elemen penutup katup atau karena sebuah pelampung. 24

20 2.5 Katup Katup merupakan bagian pelengkap dari saluran pipa bertekanan yag dimanfaatkan pada sistem irigasi. Katup disediakan untuk berbagai keperluan seperti surge control, throttling, pengaturan tekanan, on-off service, pelepasan udara, pressure relief, vacuum relief, dan backflow prevention Katup Isolasi Katup isolasi atau isolation valve digunakan untuk berbagai macam kegunaan. Ketika ditempatkan pada ujung hulu pipa utama, sub-utama dan lateral katup ini berfungsi sebagai on-off pada pipa. Katup ini dapat digunakan untuk sistem yang memerlukan operasi yang bergantian yang memungkinkan pengaturan peredaran air dari satu bagian ke bagian lainnya. Katup ini juga dapat digunakan untuk mengisolasi bagian dari sistem untuk keperluan perawatan atau perbaikan dimana bagian yang lain tetap beroperasi. Katup on-off otomatis pada ujung hulu dari katup memungkinkan sebuah sisitem irigasi bekerja secara otomatis. Sebuah pengontrol elektronik atau elektromekanikal yang ditempatkan di kantor, dapat diprogram untuk mengendalikan pengoperasian beberapa katup on-off otomatis. Sekali diprogramkan, pengatur atau kontroller membuka dan menutup katup sesuai dengan program yang dibuat. Komunikasi antar konteroller dengan katup adalah via kabel listrik, pipa pneumatik atau hidrolik, atau radio telemetri. Katup isolasi juga ditempatkan pada ujung hulu dari pipa permanen untuk menyediakan pembilasan sedimen. Throttle atau katup penghambat digunakan untuk menghambat mengurangi laju aliran. Proses penghambatan pada katup manual dapat dicapai dengan dengan 25

21 menutup katup secara sebagian. Katup otomatis yang menyuplai aliran konstan tanpa memperhatikan perubahan tekanan terkadang juga digunakan dengan jaringan pipa yang bertekanan. Seperti katup manual, laju aliran dapat disesuaikan dengan mengubah bukaan. Katup penghambat ditempatkan pada ujung hulu dari pipa utama, sub-utama, dan lateral. Katup isolasi terdiri beberapa tipe dari katup antara lain gate valve, butterfy valve, hydrant valve dan lainnya. Dari berbagai tipe katup isolasi yang paling umum digunakan adalah katup gerbang atau gate valve dan katup kupu-kupu atau butterfy valve. Katup gerbang memiliki satu atau dua cakram yang berfungsi sebagai penutup pada bonet yang tegak lurus terhadap arah aliran air. Cakram digerakkan membuka atau menutup oleh pemutar yang terhubung pada sebuah tangkai atau stem. Pada katup kupu-kupu cakram bergerak memutar seperempat lingkaran, sehingga posisi cakram akan sejajar arah arua aliran ketika dalam posisi membuka. Gambar 2.5 menunjukkan bentuk dari jenis-jenis katup isolasi. (a) 26

22 Gambar 2.5 Macam-macam isolation valve (a) Gate valve, (b) Butterfly valve, (c) Hydrant Valve, (d) Solenoid activated on-off valve Katup Kontrol Katup kontrol atau control valve digunakan untuk mengontrol aliran atau tekanan air dengan mengoperasikan posisi sebagian terbuka, membuat headloss atau perbedaaan tekanan antara lokasi hulu dan hilir. Jenis-jenis katup kontrol yang umum digunakan antara lain katup pengatur tekanan, katup pengatur aliran, katup ketinggian, katup pemulih tekanan. Katup pengatur tekanan atau pressure regulating valve merupakan katup otomatis yang menahan sebuah tekanan konstan ke arah hulu dengan mengabaikan perubahan aliran dan/atau tekanan hulu. Katup ini digunakan dimana fluktuasi tekanan dari sistem membuat sulit untuk menggunakan air secara seragam seperti di 27

23 lahan dimana tekanan yang tersedia bergantung pada yang lahan lain yang diairi. Dalam situasi yang sedemikian, katup pengatur tekanan menyuplai sebuah tekanan yang konstan ke lahan dengan mengabaikan lahan lain yang mana yang akan diairi. Sering kali, katup pengatur tekanan menyediakan pengontrolan gelombang (surge) dengan mempoteksi pipa arah hilir dari penggelombangan dari hulu. Gambar 2.6 Pressure Regulating Valve Katup pengatur aliran atau flow-control valve digunakan untuk mengatur karakteristik aliran pada daerah hulu dengan mempertahankan aliran yang telah diset. Katup ketinggian atau altitude valve digunakan pada reservoir atau tangki untuk penambahan air dan untuk pengontrolan gelombang pada satu arah. katup pemulih tekanan atau pressure-relief valve digunakan untuk melepaskan cairan dalam sebuah sistem tekanan sebelum tekanana yang tinggi dapat terbentuk memberi tekanan yang berlebihan pada pipa dan katup Katup kendali Katup kendali atau check valve digunakan untuk mengontrol aliran balik (backflow) pada saluran pipa. Perlindungan terhadap backflow adalah penting ketika pupuk dan/atau bahan-kimia agrikultur disuntik ke dalam sistem irigasi untuk mencegah pencemaran dari sumber air selama kegagalan pompa. 28

24 2.5.8 Katup Pengontrol Gelombang Katup pengontrol gelombang atau surge control valve merupakan katup yang berfungsi sebagai pengendali gelombang. Penggelombangan dikendalikan selama pengisian dan pengosongan saluran dengan katup yang otomatis yang dipasang di hilir pompa. Untuk pompa sentrifugal, suatu katup otomatis yang menutup secara normal membuka pelan-pelan selama pipa pengisian. Katup ini mengendalikan penggelombangan dengan membiarkan tekanan sistem penuh untuk berkembang secara berangsur-angsur. Ketika sistem sedang menutup, katup otomatis menutup secara pelan dan berangsur-angsur mengurangi aliran ketika pompa terus berjalan. Untuk pompa turbin, suatu katup otomatis yang terbuka secara normal dipasang pada suatu pipa yang pendek yang bermula dari saluran pipa utama. Suatu katup kendali dipasang ke arah hilir dari tempat permulaan. Ketika pompa dimulai, katup yang terbuka secara normal mulai menutup secara perlahan. Pada awalnya, seluruh udara dan air pada kolom pompa dialirkan ke dalam atmosfer melalui katup yang terbuka secara normal. Semakin banyak aliran keluar pompa dialihkan melalui katup kendali dan ke dalam sistem irigasi ketika katup yang otomatis menutup. Ini menyediakan kendali terhadap penggelombangan dengan membiarkan tekanan sistem untuk berkembang perlahan. Selama penutupan katup otomatis secara perlahan membuka pengalihan sebuah peningkatan nilai output pompa ke atmosfer. ini mengendalikan tekanan gelombang dengan membiarkan tekanan sistem secara bertahap menurun ketika pengosongan saluran. 2.6 Sprinkler Sprinkler atau penyembur merupakan salah satu komponen dari sistem irigasi sprinkle yang berfungsi untuk menyebarkan partikel-partikel atau butir-butir air dari 29

25 saluran pipa atau selang ke atas lahan secara merata tanpa runoff (aliran permukaan) dan atau tanpa perkolasi yang berlebihan dari daerah akar. Sprinkler telah mengalami perkembangan dari segi bentuk, kapasitas maupun nozzle menjadi beberapa tipe atau jenis sesuai dengan keperluan Jenis-Jenis Sprinkler Impact Sprinkler Impact sprinkler merupakan sprinkler yang memanfaatkan impact atau tumbukan dari semburan air sebagai gaya untuk memutar atau merubah arah dari sprinkle. Contoh impact sprinkler adalah revolving sprinkler. Revolving sprinkler dioperasikan oleh sebuah pemukul atau hammer yang mana bekerja secara horizontal di sekeliling sumbu vertikal dan diatur oleh sebuah pegas. Perputaran dari sprinkler dimulai ketika pancaran meninggalkan mulut pipa dan menubruk driving head atau kepala pengendali dari hammer. Tumbukan ini menghasilkan komponen gaya horizontal yang tegak lurus terhadap kepada kepala pengendali. Kemudian hammer yang telah diberi gaya akan berputar sampai pegas memberikan gaya momen lawan yang mengembalikan hammer pada posisi semula. Revolving sprinkler diperlihatkan pada Gambar

26 Gambar 2.7 Elemen-elemen utama dari revolving sprinkler tipe regular Ada dua macam hammer yang biasa digunakan yaitu regular atau biasa dan wedge atau baji. Hammer jenis biasa hanya dapat bergerak secara horizontal sedangkan jenis wedge dapat juga bergerak arah horizontal dengan sudut tertentu Gear-Driven Sprinkler Gear-driven sprinkler merupakan sprinkler dengan penggerak berupa turbin air kecil yang terdapat pada dasar sprinkler. Seperti impact sprinkler, gear-driven sprinkler memilki satu atau lebih pancaran yang berputar sekeliling sumbu vertikal dari sprinkler. Tidak seperti impact sprinkler yang memiliki rotasi yang dapat berhenti kemudian berganti arah, gear-driven sprinkler berputar secara halus dalam satu arah tanpa percikan yang terjadi setiap kali semburan menubruk hammer pada impact sprinkler Reaction Sprinkler Reaction sprinkler merupakan tipe sprinkler yang berputar, dan gaya perputarannya dikarenakan oleh torsi yang dihasilkan oleh reaksi dari air yang 31

27 meninggalkan sprinkler, sprinkler ini tersusun secara sederhana dan kokoh. Contoh dari reaction sprinkler adalah whirling sprinkler. Whirling sprinkler umumnya memiliki dua atau tiga lengan panjang pada ujung nozzle. Sprinkler ini biasanya dioperasikan dalam tekanan yang rendah yaitu antara 70 sampai 210 kpa dan memiliki daerah jangkauan yang relatif kecil. Perputaran dari sprinkler ini mencapai sekitar 60 rpm dan debit yang dikeluarkan mencapai 1 m³/jam. Whirling sprinkler ditunjukkan pada Gambar 2.8. Gambar 2.8 Whirling sprinkler Fixed-Head Sprinkler Fixed-head sprinkler merupakan tipe sprinkler yang beroperasi tanpa ada bagian yang bergerak. Sprinkler ini dibuat untuk menghasilkan semburan yang berbentuk lingkaran atau mendekati lingkaran. Sprinkler ini biasanya digunakan untuk irigasi tipe permanen. Sprinkler ini dioperasikan dengan tekanan yang rendah dan jarak yang berdekatan. Fixed-head sprinkler diilustrasikan pada Gambar 2.9. Gambar 2.9 Fixed-head Sprinkler 32

28 Sprinkler Tembak Sprinkle tembak atau gun sprinkler merupakan jenis sprinkle yang beroperasi pada tekanan yang tinggi, yaitu antara 480 sampai 896 kpa. Sprinkle ini menghasilkan debit yang mencapai 4700 liter per menit, dengan diameter area yang dibasahi sekitar 180 meter. Tekanan yang tinggi dalam pengoperasian sprinkler jenis ini sering mengharuskan penggunaan pompa, dimana akan menambah nilai investasi awal dan biaya perawatan. Sprinkler ini umumnya digunakan untuk lahan persegi yang luas. Sprinkler tembak diilustrasikan pada Gambar Gambar 2.10 Sprinkler tembak Kinerja Sprikler Debit Sprinkler Debit dari sprinkler merupakan volume air per unit waktu yang keluar dari mulut sprinkler. Unit yang digunakan biasanya liter per menit (l/m) dan gallon per menit (gpm). Persamaan 2.17 dapat digunakan untuk menghubungkan debit kepada tekanan. 33

29 Q = n i= 1 KC A P i i xi i (2.17) dimana : Q = debit sprinkler n = jumlah nozzle atau mulut sprinkler K = konstanta yang bergantung kepada unit yang digunakan C = koefisien yang bergantung kepada bentuk dan kekasaran dari pembukaan pada nozzle i A = penampang melintang area dari pembukaan pada nozzle i P = tekanan yang bekerja pada nozzle x = eksponen untuk nozzle Jadi, debit untuk sprikler yang memiliki lebih dari satu nozzle adalah penjumlahan debit dari nozzle. Nilai C dan x untuk setiap nozzle secara normal ditentukan secara empiris. Ketika x adalah sekitar 0,5 untuk kebanyakan sprinkler, tekanan yang lebih besar dan/atau pembukaan nozzle yang lebih besar akan meningkatkan debit dari sprinkler. Pabrikan sprikler biasanya menerbitkan data debit dan tekanan untuk diameter nozzle yang berbeda Jarak Semburan Jarak atau spasi antara sprinkler bergantung kepada jarak dari air yang disemburkan oleh sprinkler. Tekanan yang bekerja dan ukuran, bentuk, dan sudut bukaan nozzle menentukan jarak semburan air oleh sprinkler. Jarak semburan dapat meningkat seiring dengan meningkatnya tekanan yang bekerja, bertambahnya ukuran nozzle dan juga bertambahnya kemiringan sudut dari nozzle. 34

30 Pola Distribusi Volume dan tingkat aplikasi air di bawah suatu sprinkler secara normal adalah bervariasi dengan jarak dari sprinkler. Pola dari variasi ini dinamakan pola distribusi, yang secara normal konsisten untuk sebuah tekanan, bentuk nozzle, dan angin yang diberikan. Ciri khas dari pola-pola disribusi di bawah sebuah impact sprinkler konvensional dengan bentuk nozzle yang tetap dan tekanan yang bervariasi diilustrasikan pada Gambar Gambar 2.11 Pola-pola pengaplikasian individual sprinkle untuk tekanan yang berbeda. (a) Tekanan terlalu rendah (b) Tekanan baik (c) Tekanan terlalu tinggi Nozzle yang beroperasi pada tekanan yang rendah yang memancarkan ukuran butiran air yang pada dasarnya sama sering memiliki pola distribusi yang berbentuk donat. Ukuran butiran air yang lebih bemacam yang dikarenakan oleh tekanan nozzle yang lebih tinggi secara normal akan menghasilkan pola distribusi yang berbentuk segitiga. Tekanan yang sangat tinggi meningkatkan persentasi dari butirbutir air yang kecil. 35

31 Application Rate Application rate atau laju penggunaan adalah paramater yang sangat penting yang digunakan untuk mencocokkan sprinkler dengan tanah, tanaman, dan medan dimana sprinkler-sprinkler tadi akan beroperasi. Ketika laju application rate terlalu besar, dapat terjadi runoff dan erosi. Application rate memiliki dimensi panjang per unit waktu. Application rate rata-rata dari sprinkle tunggal dapat dihitung menggunakan Persamaan Q A = K (2.18) a dimana : A = application rate (mm/jam) Q = debit sprinkler (l/menit) a = area basah dari sprinkler (m 2 ) K = konstanta yang bergantung kepada unit yang digunakan (K = 60 untuk A dalam mm/jam, Q dalam l/menit, dan a dalam m 2 ) (K = 96,3 untuk A dalam in/jam, Q dalam gpm, dan a dalam ft 2 ) Ketika beberapa sprinkler yang identik berjarak L, dengan grid S, Persamaan 2.19 dapat digunakan untuk menghitung application rate rata-rata. KQ A = (2.19) LS dimana : A = application rate (mm/jam) Q = debit sprinkler (l/menit) L = jarak antara sprinkler sepanjang pipa lateral (m) L = jarak antara garis sprinkler yang berdekatan (m) K = sama dengan Persamaan

32 Application rate rata-rata dibawah sebuah pipa lateral dari sebuah sprinkler dapat dihitung mengunakan Persamaan KQl A = (2.20) L S l dimana : Q l = debit aliran total kedalam ujung hulu pipa lateral (l/menit) L l = panjang pipa lateral (m) K = sama dengan Persamaan 2.18 Bagi kebanyakan sprinkler, variasi tekanan dalam pengoperasian kecil, kalaupun ada, berpangaruh kepada application rate rata-rata dari sebuah sprinkle tunggal. Sebagai contoh, saat tekanan bertambah, peningkatan Q cenderung diimbangi dengan peningkatan area basah. Application rate rata-rata dari beberapa sprinkler identik yang yang berjejer bagaimanapun cenderung untuk berhubungan secara langsung kepada tekanan sejak L dan S tetap dan Q bertambah. Application rate rata-rata untuk sebuah sprinkler tunggal bervariasi secara luas bergantung pada bentuk nozzle. Sprinkler yang memiliki plat pembelok sebagai contoh, memiliki application rate rata-rata yang relatif tinggi karena membasahi area yang relatif kecil. Sebaliknya, impact sprinkler konvensional secara normal dirancang untuk mendapatkan area basah yang maksimum dan application rate ratarata yang terendah. Application rate rata-rata biasanya akan meningkat seiring dengan meningkatnya kemiringan sudut dari nozzle. Peningkatan diameter nozzle biasanya meningkatkan application rate rata-rata sejak Q meningkat secara cepat daripada area yang dibasahi. 37

33 Ukuran Butiran Ukuran butiran merupakan faktor yang penting yang mempengaruhi pembentukan lapisan air awal pada tanah kering. Ukuran butiran yang kecil memiliki power yang kurang ketika menumbuk permukaan tanah, infiltrasi yang terjadi akan lebih lambat daripada ukuran butiran yang lebih besar. Untuk alasan tersebut, penkonversian dari sprinkler yang menghasilkan ukuran butiran yang besar ke yang lebih kecil memungkinkan untuk mengurangi runoff dan erosi. Ukuran butiran juga penting pada pengoperasian dalam keadaan berangin. Pola distribusi dari sprinkler yang memancarkan ukuran butiran yang kecil berpengaruh terhadap gangguan angin dan keseragaman Karakteristik Kinerja dari Tipe-Tipe Sprinkler Karakterstik kinerja dari beberapa tipe sprinkler diperbandingkan pada Tabel Pemilihan Sprinkler Pemilihan Sprinkler pada umumnya didasarkan kepada biaya, tekanan yang dibutuhkan, dan kemampuan untuk menyediakan disain kebutuhan irigasi harian atau design daily irrigation requirement (DDIR) dengan keseragaman yang dapat diterima dan tanpa runoff Kapasitas Debit Sprinkler Sprinkler harus memiliki kapasitas yang cukup untuk menyuplai DDIR ditambah tiupan angin dan kehilangan akibat penguapan yang terjadi setelah air meninggalkan sprinkle dan sebelum mencapai tanaman atau permukaan tanah. 38

34 Tabel 2.5 Karakterstik Kinerja dari Beberapa Tipe sprinkler Tipe Sprinkler Tingkat Tekanan (kpa) (psi) Tingkat Debit (l/mnt) (gpm) Jarak Sembur (m) (ft) Application rate Relatif Ukuran Butir Relatif Impact Tekanan rendah Nozzle tunggal , Kecil Besar Nozzle ganda Sedang Besar Tekanan menengah Nozzle tunggal Kecil-Sedang Sedang Nozzle ganda Sedang Sedang Tekanan tinggi Nozzle tunggal Sedang Kecil Nozzle ganda Sedang-Tinggi Kecil Nozzle debit konstan Kecil-Sedang Sedang Nozzle jet menyebar Sedang Kecil Tipe tembak Sedang-Tinggi Kecil Sprinkler semprot 180º nozzle semprot , a Sangat Tinggi Halus b Sangat Tinggi Halus 360º nozzle semprot dengan plat , a Tinggi-Sangat tinggi Halus pembelok rata, halus b Tinggi-Sangat tinggi Halus 360º nozzle semprot dengan plat pembelok rata, bergerigi Sumber : James (1988) , a Tinggi Kecil b Sedang-Tinggi Kecil 39

35 Persamaan 2.21 dapat digunakan untuk memperkirakan debit sprinkler yang dibutuhkan. Q s ( K)( Da )( L)( S) = (2.21) ( H T )( E ) m a dimana : Q s = kapasitas sprinkler (l/menit) D a = kedalaman (mm) L = jarak antara pipa lateral (m) S = jarak antara sprinkler pada pipa lateral (m) H = interval waktu antara pemulaan dari pengairan yang berurutan (jam) T m = waktu yang dibutuhkan untuk menggerakkan perlengkapan (jam) E a = efisiensi (%) K = konstanta yang bergantung kepada unit yang digunakan (K = 1,67 untuk Q s dalam l/menit, D dalam mm, L dan S dalam m) (K = 1,04 untuk Q s dalam gpm, D dalam mm, L dan S dalam ft) Interval H pada Persamaan 2.21 dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan H ( 0,24)( Pf )( D) (2.22) DDIR dimana : P f = persentase total dari lahan yang diairi ketika sistem beroperasi D = kedalaman yang diinginkan (mm) DDIR = disain kebutuhan irigasi harian (mm/hari) Kedalaman yang digunakan, D a, pada Persamaan 2.21 dihitung dengan menggunakan Persamaan ( H )( DDIR) D a = (2.23) (0,24)( P ) f 40

36 Nilai P f pada Persamaan 2.22 dan 2.23 adalah 100 % untuk sistem sprinkle gerak menerus (continous-move sprinkle system) atau ketika seluruh sprinkler beroperasi pada waktu yang bersamaan pada sistem sprinkle solid. Persamaan 2.24 dapat digunakan untuk menentukan nilai P f untuk sistem berpindah dan untuk sistem solid yang beroperasi secara tidak serentak. ( Ll )( L)( Nl ) P f = (2.24) ( K)( A ) f dimana : L l = panjang pipa lateral (m) N l = jumlah pipa lateral yang beroperasi secara serentak A f = total area (ha) K = konstanta yang bergantung kepada unit yang digunakan (K = 100 untuk L l dan L dalam meter, dan A f dalam ha) (K = 435,6 untuk L l dan L dalam ft, dan A f dalam ac) Nilai L dan S dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan 2.25 dan L K l D (2.25) S K s D (2.26) dimana : L = jarak antara pipa lateral (m) S = jarak antara sprinkler pada pipa lateral (m) K l, K s = konstanta yang tergantung kepada pola spasi sprinkler dan angin (Tabel 2.6) D = diameter dari area yang dibasahi (m) Penggunaan nilai K l dan K s pada Tabel 2.6 menjamin keseragaman dari aplikasi yang dapat diterima untuk angin yang berbeda dan pola spasi yang beragam. 41

37 Tabel 2.6 Nilai K l dan K s Tingkatan Kecepatan Angin (m/det) (mph) 0-1, ,8-3, ,6-5, Segitiga Bujur Sangkar Persegi Panjang b K l K s K l K s K l K s a a a 0,60 0,55 0,55 0,60 0,50 0,55 0,50 0,50 0,60 0,45 0,50 0,45 0,45 0,60 0,40 a Konstan K l = 0,86 K s b Diasumsikan pipa lateral tegak lurus untuk mengatasi arah angin Sumber : Davis (1976) Persegi panjang, bujur sangkar, dan segitiga merupakan tiga bentuk dasar dari pola spasi sprinkler untuk sistem bergerak dan sistem solid. Tiga pola ini diilustrasikan pada Gambar (a) (c) L = jarak antara pipa lateral S = jarak antara sprinkler pada pipa lateral (b) Gambar 2.12 Pola-pola spasi sprinkler (a) Segitiga sama sisi (b) Bujur sangkar (c) Persegi panjang Application Rate yang Diperkenankan Secara normal, sistem irigasi sprinkle didisain sehingga tidak terjadi runoff. Kemudian, application rate pada tingkat dimana sebuah sistem sprinkle didisain 42

38 untuk memakai air kurang dari kapasitas infiltrasi dari tanah atau pengaplikasian diakhiri sebelum seluruh permukaan tanah yang dangkal terisi dengan air dan kedalaman air yang cukup untuk menyebabkan runoff di atas permukaan tanah terakumulasi. Gambar 2.13 mengilustrasikan konsep-konsep ini. Gambar 2.13 Hubungan antara kapasitas infiltrasi dari tanah dan dua application rate yang konstan Kurva A pada Gambar 2.13 menunjukkan bahwa kapasitas infiltrasi dari tanah yang paling tinggi adalah pada waktu awai infiltrasi dan kemudian berkurang secara terus-menerus dengan waktu ke arah sebuah asimtot yang sering disebut tingkat infiltrasi dasar dari tanah. Dalam sebuah tanah homogen yang sangat dalam, tingkat infiltrasi dasar sama dengan konduktivitas hidrolik jenuh dari air. Mengingat application rate yang ditunjukkan sebagai garis horizontal B pada Gambar Pada awalnya semua air yang diaplikasikan oleh sistem sprinkle memasuki tanah, karena application rate lebih besar dari kapasitas infiltrasi tanah. Runoff tidak terjadi sampai gais B melintasi garis A dan application rate melebihi kapasitas infiltrasi dari tanah. Runoff mulai terjadi jika turunan-turunan pada permukaan tanah terisi oleh air dan kedalaman air yang cukup untuk menyebabkan aliran terakumulasi pada permukaan tanah. Jumlah air yang dapat terakumulasi bergantung kepada kondisi seperti jumlah vegatasi atau kedalaman turunan. Garis C menunjukkan sebuah sistem yang memiliki application rate yang tidak pernah melebihi kapasitas infiltrasi dari tanah. 43

39 Tabel 2.7 menunjukkan tingkat infiltrasi dasar dari lima tekstur tanah untuk tanah kosong tanpa vegetasi. Appplication rate di bawah pipa lateral pada suatu titik tertentu pada irigasi sistem center-pivot meningkat sampai puncak ketika pipa lateral mendekat dan menurun sampai nol ketika pipa lateral menjauh. Sering kali application rate puncak melebihi nilai yang dianjurkan pada Tabel 2.3, terutama pada ujung hilir dai pipa lateral. Tabel 2.7 Tingkat Infiltrasi Dasar untuk Dua Keadaan Tanah Kosong Tingkat Infiltrasi Dasar Kondisi A Kondisi B Tanah (mm/jam) (Inci/jam) (mm/jam) (Inci/jam) Pasir kasar ,75-1,0 8,9 0,35 Pasir halus ,5-0,75 6,4 0,25 Pasir halus liat 8,9-13 0,35-0,50 5,1 0,20 Lanau 6,4-10,2 0,25-0,40 3,8 0,15 Lempung 2,5-7,6 0,10-0,30 2,5 0,10 Catatan : Kondisi A untuk tanah bergradasi baik, kadar bahan organik yang tinggi, struktur butiran terbuka, dan tidak ada lapisan pelindung permukaan. Kondisi B untuk tanah bergradasi buruk, kadar bahan organik yang rendah, dan lapisan pelindung permukaan yang tipis Sumber : Pair, Hinz, Frost, Sneed, Schiltz (1983) Gambar 2.14 menunjukkan application rate dari dua tititk yang berbeda sepanjang pipa lateral dari sistem center-pivot. Kurva A merupakan titik ujung hulu dari pipa lateral dimana tidak terjadi runoff, sedangkan kurva B merupakan titik ujung hilir pipa lateral dimana terjadi runoff ketika application rate melebihi tingkat infiltrasi dari tanah. 44

40 Gambar 2.14 Kedalaman air maksimum yang dapat digunakan dengan sistem center-pivot dan sistem gerak lurus per pengairan untuk SCS intake families 0.1, 0.3, 0.5, 1.0. Gilley (1984) telah mengembangkan rangkaian hubungan antara kedalaman air yang dapat diaplikasikan pada tiap-tiap pengairan tanpa runoff untuk jumlah penyimpanan permukaan 0, 0,25, 7,6, dan 12,7 mm, application rate puncak berkisar antara mm/jam dan empat tipe tanah. Empat tipe tanah tersebut adalah yang memiliki SCS (Soil Conservation Service) intake families 0.1, 0.3, 0.5, 1.0. Hubungan-hubungan ini mengasumsikan sebuah hubungan elips antara application rate dengan waktu dan variasi tingkat infiltrasi dengan waktu. Persamaan 2.26 menjabarkan tentang tingkat infiltrasi tanah. b f = at (2.26) dimana : f = tingkat infiltrasi dari tanah (mm/jam) t = waktu sejak infiltrasi dimulai (jam) a, b = konstanta (nilai a, dan b terdapat pada Tabel 2.8) 45

41 Tabel 2.8 Nilai a, dan b SCS Intake Family Sumber : Davis (1998) a untuk f dalam mm/jam a untuk f dalam inci/jam 0.1 6,83 0,269-0, ,16 0,597-0, ,77 0,857-0, ,59 1,441-0, ,90 1,886-0,290 b 46