APLIKASI HEC-HMS UNTUK PERKIRAAN HIDROGRAF ALIRAN DI DAS CILIWUNG BAGIAN HULU RISYANTO

Transkripsi

1 APLIKASI HEC-HMS UNTUK PERKIRAAN HIDROGRAF ALIRAN DI DAS CILIWUNG BAGIAN HULU RISYANTO DEPARTEMEN GEOFISIKA DAN METEOROLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007

2 ABSTRAK RISYANTO. Aplikasi HEC-HMS untuk Perkiraan Hidrograf Aliran di Daerah Aliran Sungai Ciliwung Bagian Hulu. Dibimbing oleh BAMBANG DWI DASANTO. Salah satu tujuan pengelolaan DAS adalah untuk mencapai terwujudnya kondisi tata air yang optimal. Kondisi tata air tersebut dapat dikenali dari sifat aliran sungai sebagai luaran DAS. Berbagai model simulasi hidrologi yang menerangkan proses perubahan masukan hujan menjadi luaran DAS berupa debit sungai telah banyak dikembangkan, salah satunya adalah HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modelling System). Penelitian ini antara lain bertujuan untuk: (1) mendapatkan hidrograf aliran HEC-HMS berdasarkan metode hidrograf satuan Clark, SCS dan Snyder, (2) menentukan metode yang paling sesuai diantara ketiga metode tersebut, serta (3) memperkirakan debit banjir berdasarkan perubahan penggunaan lahan dan curah hujan harian maksimum. Daerah kajian penelitian adalah DAS Ciliwung bagian hulu dengan luasan sekitar 148 km 2, yang terletak antara 06 o o 50 LS dan 106 o 40 BT 107 o 00 BT. Dalam HEC-HMS, metode bilangan kurva dipilih untuk menghitung besar curah hujan efektif, yaitu dari pengurangan curah hujan bruto dengan berbagai bentuk kehilangan air (loss). Transformasi dari curah hujan efektif menjadi hidrograf aliran langsung (direct runoff) diperoleh dengan menggunakan metode hidrograf satuan Clark, SCS dan Snyder. Hidrograf aliran HEC- HMS merupakan total dari aliran langsung ditambah dengan aliran dasar (baseflow) yang diturunkan dengan metode konstanta resesi. Hampir semua hidrograf aliran yang dihasilkan HEC-HMS memberikan nilai yang lebih besar dari hidrograf aliran pengamatan. Dari 9 kasus kejadian hujan terpilih pada tahun 2004, didapatkan nilai debit puncak (Q p ) terbesar 102,23 m 3 /s pada metode Clark, dan terkecil 16,83 m 3 /s pada metode Snyder. Nilai volume puncak (V p ) terbesar juga dihasilkan hidrograf Clark, yaitu m 3 dan terkecil m 3 pada metode Snyder. Waktu puncak (T p ) pada hidrograf aliran yang dihasilkan model berkisar antara 3 6,5 jam. Hasil uji kemiripan Nash dan Sutcliff (1970) menunjukkan bahwa kemiripan model Clark, SCS maupun Snyder dengan pengamatan adalah sedang. Dibandingkan metode lainnya, metode SCS memiliki nilai kemiripan yang tertinggi, menunjukkan bahwa dalam kasus penelitian ini, metode SCS adalah yang paling sesuai untuk DAS Ciliwung hulu. Bila laju perubahan penggunaan lahan per tahun dianggap tetap dan tidak terjadi penambahan tipe penggunaan lahan yang baru, maka pada tahun 2010, jika terjadi hujan harian maksimum periode ulang 5 tahun, debit dan volume puncak yang diperkirakan model HEC-HMS sebesar 114,6 m 3 /s dan m 3 dengan waktu puncak selama 4 jam. ii

3 APLIKASI HEC-HMS UNTUK PERKIRAAN HIDROGRAF ALIRAN DI DAS CILIWUNG BAGIAN HULU RISYANTO Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Geofisika dan Meteorologi DEPARTEMEN GEOFISIKA DAN METEOROLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007 iii

4 Judul Nama NRP : Aplikasi HEC-HMS untuk Perkiraan Hidrograf Aliran di DAS Ciliwung Bagian Hulu : Risyanto : G Menyetujui, Pembimbing Drs. Bambang Dwi Dasanto, M.Si NIP Mengetahui, Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M.Sc NIP Tanggal Disetujui: iv

5 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 3 Oktober 1982 sebagai anak kedua dari empat bersaudara. Penulis lahir dari pasangan Bapak Paliman dan Ibu Umirah. Tahun 2001 penulis lulus dari SMU Negeri 47 Jakarta dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Penulis memilih Program Studi Meteorologi, Jurusan Geofisika dan Meteorologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama perkuliahan, penulis ikut berperan aktif dalam kegiatan kemahasiswaan, diantaranya tergabung dalam organisasi HIMAGRETO (Himpunan Mahasiswa Agrometeorologi) sebagai Ketua Departemen Pengembangan Sumber Daya Manusia pada tahun 2003, dan sebagai Ketua Departemen Keilmuan dan Keprofesian pada tahun Pada tahun ajaran 2004/2005 penulis menjadi asisten mata kuliah Meteorologi Fisik untuk program Sarjana. Penulis melaksanakan Praktik Lapang di Pusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Lingkungan (P3TL), Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT) Jakarta pada bulan Juni Agustus v

6 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan hidayah- Nya, penelitian dan penulisan laporan skripisi dengan judul Aplikasi HEC-HMS untuk Perkiraan Hidrograf Aliran di DAS Ciliwung Bagian Hulu dapat terselesaikan. Laporan ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Program Studi Meteorologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Penulis menyadari pelaksanaan penelitian dan penyusunan laporan ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak. Untuk itu, ungkapan terima kasih patut penulis sampaikan kepada Bapak Drs. Bambang Dwi Dasanto, M.Si selaku pembimbing, atas arahan dan bimbingannya selama pelaksanaan penelitian sampai pada penyusunan laporan. Ungkapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Bapak Teguh dan Bapak Marwan (PPBPP Ciliwung-Cisadane), Bapak Fakhrudin (LIPI), Kak Iman, Tenike, Benny, Jonsen dan Tari yang telah membantu dalam penyediaan data, Sasat, Fikri, Adi, Rico, Utian, Haries, Maidi, Yasa, rekan-rekan Meteorologi 38, rekan-rekan LabKlim, rekan-rekan CER Indonesia, dan rekan-rekan lainnya, atas saran, dukungan, dan kebersamaannya, serta semua pihak dan instansi yang telah membantu selama penulis menyelesaikan penelitian. Tak lupa penghargaan khusus penulis sampaikan kepada keluarga penulis, Ibu, Bapak, Kak Wanti, Dede dan Ayu, serta keluarga Bapak Syarif Hidayat atas segala doa, motivasi dan kasih sayangnya. Akhirnya penulis berharap semoga karya kecil ini dapat memberikan informasi dan manfaat bagi semua pihak. Bogor, Mei 2007 Risyanto vi

7 DAFTAR ISI Halaman I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tujuan Penelitian... 1 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Siklus Hidrologi Daerah Aliran Sungai (DAS) Presipitasi Analisis Presipitasi Limpasan Hidrograf Satuan Hidrograf Satuan Sintetik Aliran Dasar Penelusuran Banjir Model HEC-HMS... 4 III. METODOLOGI 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Metode Penelitian Analisis Presipitasi Penentuan Bilangan Kurva dan Impervious Area Penyusunan Basin Model Kalibrasi IV. KEADAAN UMUM DAS CILIWUNG BAGIAN HULU 4.1 Letak dan Luas Daerah Iklim Topografi Tanah dan Penggunaan Lahan Morfometri DAS V. HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1 Analisis Presipitasi Bilangan Kurva dan Impervious Area Penyusunan Basin Model Hidrograf Aliran Pengamatan Hidrograf Aliran HEC-HMS Pengujian Model Kepekaan HEC-HMS terhadap Parameter Bilangan Kurva Simulasi Hidrograf Aliran VI. KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA vii

8 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1 Kelompok hidrologi tanah menurut SCS dan sifat-sifatnya... 7 Tabel 3.2 Hubungan laju infiltrasi minimum dengan kelompok tanah menurut SCS... 7 Tabel 3.3 Batasan jumlah curah hujan pada setiap kondisi KAT sebelumnya... 8 Tabel 3.4 Faktor imperviousness berdasarkan tipe penggunaan lahan... 8 Tabel 3.5 Metode perhitungan objective function Tabel 4.1 Curah hujan rata-rata bulanan tiap stasiun dan curah hujan wilayah DAS Ciliwung bagian hulu Tabel 4.2 Luas DAS Ciliwung bagian hulu berdasarkan kemiringan Tabel 4.3 Jenis tanah DAS Ciliwung bagian hulu Tabel 4.4 Tipe penggunaan lahan DAS Ciliwung bagian hulu tahun Tabel 4.5 Parameter morfometri DAS Ciliwung bagian hulu Tabel 5.1 Bobot poligon Thiessen pada masing-masing subdas di DAS Ciliwung bagian hulu Tabel 5.2 Total curah hujan 5 hari sebelum kejadian hujan terpilih di DAS Ciliwung bagian Hulu Tabel 5.3 Nilai bilangan kurva dan imperviousness tiap SubDAS di DAS Ciliwung bagian hulu tahun Tabel 5.4 Metode dan parameter masukan HEC-HMS Tabel 5.5 Nilai parameter direct runoff model pada masing-masing subdas Tabel 5.6 Parameter hidrograf pengamatan Katulampa pada kasus kejadian hujan terpilih Tabel 5.7 Nilai F hasil pengujian model Clark, SCS dan Snyder Tabel 5.8 Rasio selisih nilai Q p, V p dan T p yang dihasilkan HEC-HMS pada KAT hujan terpilih dengan KAT kondisi II terhadap Q p, V p dan T p pengamatan Tabel 5.9 Penggunaan lahan DAS Ciliwung Hulu tahun 1996 dan 2004 serta prediksi tahun Tabel 5.10 Curah hujan harian maksimum wilayah DAS Ciliwung bagian hulu Tabel 5.11 Rata-rata persentase distribusi hujan harian durasi 2, 3 dan 4 jam di Stasiun Gadog dan Gunung Mas Tabel 5.12 Perkiraan debit puncak, volume puncak dan waktu puncak hidrograf model HEC- HMS pada tahun viii

9 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Siklus hidrologi... 1 Gambar 2.2 Hidrograf satuan segitiga model SCS... 3 Gambar 2.3 Komponan hujan-limpasan yang direpresentasikan mdel HEC-HMS... 5 Gambar 3.1 Diagram alir metode penelitian... 6 Gambar 3.2 Konstruksi curah hujan wilayah metode poligon Thiessen... 7 Gambar 4.1 Peta lokasi daerah penelitian Gambar 5.1 Konfigurasi DAS Ciliwung bagian hulu dalam basin model HEC-HMS Gambar 5.2 Grafik 1:1 antara parameter debit puncak hidrograf aliran HEC-HMS dengan pengamatan Gambar 5.3 Grafik 1:1 antara parameter volume puncak hidrograf aliran HEC-HMS dengan pengamatan Gambar 5.4 Grafik 1:1 antara parameter waktu puncak hidrograf aliran HEC-HMS dengan pengamatan ix

10 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Tabel Bilangan Kurva (CN) aliran permukaan untuk berbagai kompleks penutupan tanah Lampiran 2. Peta jaringan sungai, batas DAS dan subdas, dan peta jenis tanah DAS Ciliwung bagian hulu Lampiran 3. Peta kelompok hidrologi tanah dan peta penggunaan lahan 2004 DAS Ciliwung bagian hulu Lampiran 4. Curah hujan kumulatif per 30 menit pada Stasiun Gadog dan Gunung Mas dan curah hujan kumulatif harian pada Stasiun Cilember dan Citeko tahun Lampiran 5. Debit aliran (m 3 /det) pengamatan dari Stasiun Pengamat Arus Sungai Katulampa Lampiran 6. Nilai parameter loss model dalam HEC-HMS untuk setiap tanggal kejadian hujan terpilih Lampiran 7. Hidrograf aliran yang dihasilkan HEC-HMS metode Snyder, SCS dan Clark, serta hidrograf pengamatannya pada kejadian hujan terpilih berdasarkan parameter masukan awal Lampiran 8. Nilai rata-rata parameter hasil kalibrasi menggunakan kriteria peak weighted RMS error objective function dengan algoritma univariate gradient Lampiran 9. Hidrograf aliran yang dihasilkan HEC-HMS metode Snyder, SCS dan Clark, serta hidrograf pengamatannya pada kejadian hujan terpilih berdasarkan parameter masukan terkalibrasi Lampiran 10. Parameter debit puncak, Q p, Volume puncak, V p dan Waktu puncak, T p dari hidrograf HEC-HMS berdasarkan parameter masukan awal dan parameter hasil kalibrasi (kal), dengan nilai pengamatannya (obs) Lampiran 11. Langkah-langkah pengerjaan HEC-HMS x

11 I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang DAS Ciliwung merupakan salah satu DAS penting bagi wilayah Jawa Barat terutama daerah Bogor dan DKI Jakarta. Kejadian banjir di DKI Jakarta seringkali disebabkan oleh melimpahnya hujan yang jatuh di kawasan DAS tersebut terutama di daerah hulu. DAS Ciliwung mempunyai karakteristik menarik, bentuk aliran menyempit di bagian hilir dan melebar di bagian hulu. Aliran air berasal dari arah selatan ke utara Jakarta. Bagian hulu DAS ini berada pada ketinggian m dpl, dengan luas wilayah sekitar 148 km 2. Salah satu tujuan pengelolaan DAS adalah untuk mencapai terwujudnya kondisi tata air yang optimal. Kondisi tata air tersebut dapat dikenali dari sifat aliran sungai sebagai luaran DAS. Aliran sungai sangat dipengaruhi oleh sifat-sifat masukan DAS yang berupa hujan dan karakteristik fisik daerah pengaliran. Informasi dan data masukan maupun luaran DAS dapat diperoleh dengan cara pengamatan dan pengukuran kejadian hujan dan debit sungai pada suatu tempat dengan jangka waktu pengukuran yang cukup memadai. Karakteristik fisik DAS juga dapat diketahui berdasarkan deskripsi kondisi permukaan lahan. Berbagai model simulasi hidrologi yang menerangkan proses perubahan masukan hujan menjadi luaran DAS berupa debit sungai telah banyak dikembangkan, salah satunya adalah HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center- Hydrologic Modelling System). HEC-HMS adalah program yang dirancang untuk mensimulasikan respon hidrologi dalam bentuk aliran limpasan permukaan dari suatu DAS dengan curah hujan sebagai komponen masukannya. HEC-HMS merupakan pengembangan dari model HEC-1. Hasil keluaran program adalah perhitungan hidrograf aliran sungai pada lokasi yang dikehendaki dalam DAS. 1.2 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk : 1. Menetapkan hidrograf aliran HEC-HMS serta menentukan metode yang paling sesuai untuk DAS Ciliwung bagian hulu diantara metode hidrograf satuan sintetik Snyder, SCS dan Clark. 2. Memperkirakan debit banjir berdasarkan pola perubahan penggunaan lahan dan curah hujan harian maksimum. II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Siklus Hidrologi Konsep siklus hidrologi merupakan sesuatu yang berguna sebagai titik awal untuk mempelajari hidrologi secara akademis (Linsley et al 1982). Siklus hidrologi (hydrologic cycle) adalah proses perpindahan air secara kontinu dari samudera ke atmosfer, ke tanah dan kembali lagi ke laut (Viessman et al 1977). Secara sederhana, siklus ini dimulai dengan penguapan air dari laut. Dalam kondisi tertentu, uap tersebut terkondensasi membentuk awan yang pada akhirnya dapat menghasilkan presipitasi. Sebagian besar presipitasi yang jatuh ke bumi untuk sementara waktu akan tertahan pada tanah di dekat tempat ia jatuh, dan pada akhirnya dikembalikan lagi ke atmosfer oleh penguapan (evaporasi) dan transpirasi oleh tanaman. Sebagian air mencari jalannya sendiri melalui permukaan dan bagian atas tanah menuju sungai, sementara lainnya menembus masuk lebih jauh ke dalam tanah dan menjadi bagian dari airbumi (groundwater). Di bawah pengaruh gaya gravitasi, baik aliran permukaan (surface streamflow) maupun aliran airbumi (baseflow) bergerak menuju tempat yang lebih rendah, mengisi aliran sungai dan pada akhirnya dapat mengalir ke laut. Gambar 2.1 Siklus Hidrologi (Bedient & Huber 1988). 2.2 Daerah Aliran Sungai (DAS) Daerah aliran sungai (DAS) adalah daerah yang dibatasi punggung-punggung gunung dimana air hujan yang jatuh pada daerah tersebut akan ditampung oleh punggung gunung tersebut dan dialirkan melalui sungaisungai kecil ke sungai utama (Asdak 1995). Dalam Peraturan Pemerintah No.33 Tahun 1977 tentang DAS, dibataskan sebagai suatu daerah tertentu yang bentuk dan sifat alamnya sedemikian rupa sehingga merupakan suatu 1

12 kesatuan dengan sungai dan anak sungainya yang melalui daerah tersebut dalam fungsi untuk menampung air yang berasal dari curah hujan dan sumber lainnya. Bentuk dan ukuran DAS, kemiringan permukaan tanah dan sungai/saluran air, dan kerapatan sungai adalah karakteristik DAS yang relatif berhubungan. Masing-masing karakteristik DAS tersebut, secara bersamasama akan mempengaruhi respon DAS terhadap terjadinya suatu hujan tertentu. Sementara, sistem tanam dan keadaan tanah adalah komponen DAS yang bersifat dinamik dan apabila vegetasi diubah dalam batas tertentu dapat mempengaruhi respon aliran air dalam DAS terhadap curah hujan tertentu (Asdak, 1995). 2.3 Presipitasi Presipitasi adalah masukan utama bagi siklus hidrologi. Bentuk utamanya adalah hujan, salju dan hujan es dan beberapa variasi bentuk lain seperti gerimis dan hujan yang bercampur dengan salju (sleet). Presipitasi diperoleh dari atmosfer, bentuk dan kuantitasnya dipengaruhi oleh faktor-faktor iklim yang lain seperti angin, suhu dan tekanan atmosfer (Viessman et al 1977). Curah hujan yang dibutuhkan untuk penyusunan suatu rancangan pemanfaatan air dan pengendalian banjir adalah curah hujan rata-rata seluruh daerah yang bersangkutan, bukan curah hujan pada titik tertentu. Curah hujan ini disebut curah hujan wilayah yang diperkirakan dari beberapa titik pengamatan curah hujan (Sosrodarsono dan Takeda 2003). Terdapat beberapa teknik perhitungan curah hujan wilayah dari pengamatan di beberapa titik, yaitu metode rata-rata aljabar, metode poligon Thiessen, dan metode isohyet. Jika titik-titik pengamatan di dalam suatu daerah tidak tersebar merata, maka cara perhitungan curah hujan wilayah dilakukan dengan memperhitungkan daerah pengaruh tiap titik pengamatan. Curah hujan wilayah metode Thiessen dihitung dengan rumus : R n i = 1 = n i = 1 A R i A i i dimana, R = curah hujan wilayah (mm), A i = luas wilayah yang mewakili tiap titik pengamatan i, R i = curah hujan di tiap titik pengamatan i (mm). Perhitungan luas wilayah metode Thiessen didasarkan atas luas poligon yang digambar dari garis bagi tegak lurus pada sisisisi segitiga yang menghubungkan titik-titik pengamatan. 2.4 Analisis Frekuensi Periode ulang sering dipakai sebagai pengganti probabilitas untuk melukiskan suatu kejadian rencana. Periode ulang diartikan sebagai selang waktu rata-rata (sejumlah tahun) suatu kejadian akan disamai atau dilampaui (Seyhan 1990). Jika suatu kejadian ekstrim rata-rata terjadi setiap 25 tahun sekali, maka probabilitas atau peluang kejadian tersebut sebesar 1/25 = 0,04 atau 4 persen. Hubungan antara periode ulang T, dengan probabilitas P, adalah T = 1/P. Hubungan ini merupakan definisi dasar dalam hidrologi statistik (Haan 1977). Analisis frekuensi digunakan untuk menentukan periode ulang kejadian hujan harian maksimum. Persamaan umum analisis frekuensi menurut Chow (1964) dapat dibuat dalam bentuk : X T = X + SK T dimana, X T adalah besar atau nilai suatu kejadian X dengan periode ulang T tahun, X adalah harga rata-rata nilai pengamatan, K T adalah faktor frekuensi, dan S adalah standar deviasi. Nilai faktor frekuensi berbeda untuk setiap tipe distribusi. Beberapa macam tipe distribusi diantaranya adalah : (1) distribusi normal, (2) distribusi log normal, (3) distribusi nilai ekstrim Gumbel tipe I, serta (4) distribusi log Pearson tipe III. Disribusi nilai ekstrim Gumbel tipe I dan log Pearson tipe III sering dipakai untuk analisis frekuensi kejadian ekstrim. 2.5 Limpasan Hujan efektif atau hujan lebih (excess precipitation) merupakan hujan yang menyebabkan terjadinya limpasan (runoff). Besarnya curah hujan efektif yang terjadi pada suatu DAS akan dipengaruhi oleh keadaan lahan setempat (landuse) dan karakteristik DAS. Secara garis besar hujan efektif diperoleh dari pengurangan curah hujan yang turun (gross precipitation) dengan besarnya infiltrasi, intersepsi, depresi dan evapotranspirasi atau disebut sebagai precipitation loss. Limpasan adalah bagian dari presipitasi yang terdiri atas gerak gravitasi air dan tampak pada saluran permukaan dari bentuk permanen maupun terputus-putus (Chow 1964). 2

13 Limpasan yang dihasilkan oleh suatu DAS merupakan hasil proses yang ada di dalam DAS. Faktor-faktor yang mempengaruhi limpasan dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu elemen meteorologi yang diwakili oleh curah hujan, serta elemen daerah pengaliran yang menyatakan sifat-sifat fisik daerah pengaliran (Sosrodarsono dan Takeda, 2003). Hasil limpasan dari DAS di suatu tempat biasanya disajikan dalam bentuk tabel maupun grafik. Grafik kontinyu yang menggambarkan fenomena aliran (tinggi muka air, debit, kecepatan dll) dengan waktu disebut hidrograf. Umumnya ada dua macam hidrograf, yaitu : hidrograf tinggi muka air (stage hydrograph) dan hidrograf aliran (discharge hydrograph). 2.6 Hidrograf Satuan Hidrograf satuan didefinisikan sebagai hidrograf limpasan langsung yang disebabkan oleh curah hujan efektif dengan intensitas seragam jatuh merata diseluruh daerah aliran sungai dengan durasi yang khas. Satuan hujan efektif biasanya 1 mm atau satuan limpasan langsung setebal 1 mm di seluruh DAS. Untuk menghitung debit banjir menggunakan metode hidrograf satuan, diperlukan curah hujan efektif sebagai masukan. Persamaan umum yang digunakan untuk merubah hietograf hujan efektif menjadi limpasan adalah : Q n = n i= 1 PU i j dimana Q n adalah ordinat limpasan ke-n, P i adalah curah hujan efektif, dan U j adalah ordinat dari hidrograf satuan (j = n i + 1). 2.7 Hidrograf Satuan Sintetik Hidrograf satuan sintetik merupakan hidrograf satuan yang dihasilkan dari parameter-parameter fisik suatu DAS. Parameter hidrograf satuan sintetik yang dikemukakan adalah waktu tenggang (time lag, t l ), waktu dasar (time base, t b ), dan debit puncak (peak discharge, Q p ). Secara garis besar ada tiga tipe hidrograf satuan sintetik, yaitu: 1) Berdasarkan hubungan karakteristik hidrograf dengan karakteristik DAS (model Snyder, 1938). 2) Berdasarkan pada model simpanan DAS (model Clark, 1945). 3) Berdasarkan pada hidrograf satuan yang tidak berdimensi (model SCS, 1972). Model Snyder pada dasarnya menentukan hidrograf satuan sintetik yang dihitung berdasarkan rumus empiris dan koefisien empiris, dengan menghubungkan komponen hidrograf satuan dan karakteristik DAS. Parameter yang menentukan bentuk hidrograf satuan adalah luas DAS, panjang sungai utama, dan panjang sungai utama yang diukur dari tempat pengamatan (outlet) sampai dengan titik pada sungai utama yang berjarak paling dekat dengan titik berat DAS (length to centroid). Clark (1945) menurunkan hidrograf satuan sintetik suatu DAS berdasarkan dua proses penting selama transformasi curah hujan efektif menjadi limpasan, yaitu: Translation atau pergerakan hujan efektif dari tempat asalnya melalui drainase sampai ke outlet, dan Attenuation atau pengurangan besarnya debit aliran akibat adanya bagian dari hujan efektif yang tersimpan dalam DAS. Proses translasi didasarkan pada kurva luas-waktu (time-area), yang mencirikan kontribusi luas simpanan DAS terhadap debit aliran sebagai fungsi dari waktu, dan waktu konsentrasi (time of concentration, t c ), sedangkan proses attenuation didasarkan pada model linear reservoir. McCuen (1982) menyebutkan bahwa model SCS menggunakan hidrograf satuan tak berdimensi berdasarkan pada analisis yang ekstensif dari data pengamatan. Model SCS dikembangkan untuk daerah dengan curah hujan seragam. Nilai debit puncak (Q p ) dan waktu mencapai puncak (t p ) diestimasi dengan menggunakan model sederhana hidrograf satuan segitiga, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2. Gambar 2.2 Hidrograf satuan segitiga model SCS. 3

14 2.8 Aliran Dasar Aliran dasar (baseflow) merupakan aliran air di sungai pada saat tidak terjadi limpasan. Aliran dasar terjadi akibat limpasan yang berasal dari kejadian presipitasi terdahulu yang tersimpan secara temporer dalam suatu DAS, ditambah dengan limpasan subpermukaan yang tertunda dari suatu kejadian hujan. Pemisahan aliran dasar dari total limpasan diperlukan untuk menghitung aliran langsung yang nantinya dipakai untuk membuat hidrograf satuan. Pemisahan aliran dasar dari total limpasan didasarkan pada analisis terhadap kurva resesi (recession curve). Pada umumnya kurva resesi diekspresikan dalam bentuk persamaan eksponensial (USACE 2000): t Q t = Qok dimana, Q t adalah debit pada periode waktu t, Q o adalah debit awal (pada t=0), dan k adalah konstanta resesi. 2.9 Penelusuran Banjir Penelusuran banjir (routing) digunakan untuk memprediksi variasi temporal dan spasial dari suatu gelombang banjir yang merambat sepanjang aliran sungai ataupun reservoir, atau bisa juga digunakan untuk memprediksi aliran outflow hidrograf dari suatu DAS berdasarkan input curah hujan. Teknik penelusuran banjir secara umum dapat diklasifikasi menjadi dua kategori: penulusuran banjir hidrologis dan penelusuran banjir hidrolik (Viessman et al 1977). Penulusuran banjir secara hidrologis dibangun berdasarkan persamaan kontinuitas dengan beberapa analisis dan asumsi mengenai hubungan antara simpanan dengan alirannya di dalam sistem. Penelusuran banjir secara hidrolik lebih kompleks dan lebih akurat dibandingkan secara hidrologis, karena menggabungkan persamaan kontinuitas dan persamaan momentum untuk aliran tak jenuh pada saluran terbuka. Bentuk persamaan diferensial dari aliran tak jenuh tersebut biasanya dipecahkan dengan metode numerik, baik secara implisit maupun eksplisit dengan bantuan program komputer. Metode yang paling umum digunakan untuk penulusuran banjir hidrologis adalah metode Muskingum yang dikembangkan oleh Mc Carthy (1938), berdasarkan persamaan kontinuitas dan hubungannya dengan simpanan yang bergantung pada inflow dan outflow. Simpanan dalam saluran pada periode waktu tertentu diekspresikan dalam bentuk persamaan (Chow 1959): b m / n m / n [ xi + ( 1 x) O ] S = m / n a Metode Muskingum mengasumsikan nilai m / n =1 dan b / a = k, sehingga menghasilkan bentuk linier: S = K xi + ( 1 x) O [ ] dimana, K adalah waktu tempuh (travel time), dan x adalah faktor pembobot, nilainya berkisar antara 0 0,5. Bentuk persamaan Muskingum adalah: dimana, O + C 2 = C0 I 2 + C1I1 C2O1 0 Kx + 0,5Δt = D Kx + 0,5Δt C1 = D C 2 K Kx 0,5Δt = D D = K Kx + 0, 5Δt Dengan mengetahui nilai parameter K, x, dan Δt, nilai-nilai koefisien C 0, C 1 dan C 2 dapat segera ditentukan Model HEC-HMS HEC-HMS merupakan salah satu program pemodelan sistem hidrologi yang dimiliki US Army Corps of Engineers (USACE) yang dibangun oleh Hydrologic Engineering Center (HEC) sebagai pengganti dari program HEC-1. Dengan beberapa kemampuan tambahan serta tampilan graphical user interface menjadikan HEC-HMS lebih memiliki keunggulan dibandingkan program terdahulunya tersebut. HEC-HMS didesain untuk mensimulasi respon limpasan permukaan dari suatu DAS akibat input curah hujan dengan merepresentasikan DAS sebagai suatu sistem hidrologi dengan komponen-komponen hidrolika yang saling berhubungan (topologic tree diagram). Setiap komponen memodelkan suatu aspek dari proses hujan-limpasan untuk suatu subdas dari keseluruhan DAS. Hasil luaran program adalah perhitungan hidrograf aliran sungai pada lokasi yang dikehendaki dalam DAS (USACE 2000). 4

15 Dalam HEC-HMS, proses hujan-limpasan yang terjadi dalam suatu DAS dibagi menjadi enam komponen utama (Gambar 2.3): Komponen meteorologi Komponen loss Komponen direct runoff (limpasan langsung) Komponen baseflow (aliran dasar) Komponen routing (penelusuran banjir) Komponen reservoir Perhitungan pertama dilakukan pada komponen meteorologi. Pada komponen ini, analisis meteorologi dilakukan terhadap data presipitasi, dimana diupayakan agar curah hujan terdistribusi ke seluruh DAS secara spasial (dengan cara interpolasi, ekstrapolasi) dan temporal (pengisian data yang tidak terukur, pembangkit data presipitasi hipotesis). Curah hujan yang terdistribusi spasial dan temporal akan jatuh baik pada pemukaan pervious maupun impervious. Sebagian hujan yang jatuh pada permukaan pervious akan hilang akibat intersepsi, infiltrasi, evaporasi dan transpirasi, yang dimodelkan dalam komponen loss. Curah hujan efektif yang berasal dari komponen loss akan berkontribusi terhadap aliran limpasan langsung dan aliran airbumi dalam akuifer. Curah hujan yang jatuh pada permukaan impervious akan langsung menjadi limpasan tanpa mengalami berbagai bentuk kehilangan (losses), yang ditransformasi menjadi aliran permukaan (overland flow) dalam komponen direct runoff. Pergerakan air dalam akuifer dimodelkan dalam komponen baseflow. Baik baselow maupun overland flow akan mengalir pada saluran sungai. Proses translation dan attenuation aliran sungai akan disimulasi pada komponen routing. Terakhir, efek dari fasilitas hidrolik (bendungan) dan cekungan alami (danau, kolam, lahan basah) akan dimodelkan dalam komponen reservoir. III. METODOLOGI 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilakukan pada bulan Desember 2005 sampai dengan Januari 2007, di Laboratorium Klimatologi, Departemen Geofisika dan Meteorologi IPB, Bogor. Daerah kajian penelitian adalah DAS Ciliwung bagian hulu dengan luasan sekitar 148 km 2, yang terletak antara 06 o o 50 LS dan 106 o o 00 BT. Secara administratif terletak di wilayah Kabupaten dan Kotamadya Bogor, Jawa Barat. Komponen Meteorologi Curah Hujan Komponen Loss Permukaan Pervious Permukaan Impervious Komponen Direct Runoff Losses Direct Runoff Komponen Baseflow Akuifer Komponen Routing Baseflow Saluran Sungai Reservoir Operator Komponen Reservoir Outlet DAS Gambar 2.3 Komponen hujan-limpasan yang direpresentasikan model HEC-HMS (Cunderlik & Simonovic 2004) 5

16 3.2 Alat dan Bahan Penelitian Bahan dan alat yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut: Data curah hujan harian sesaat (per 30 menit) tahun 2004 dari Stasiun Gadog dan Gunung Mas. Data curah hujan kumulatif harian tahun 2004 dari Stasiun Cilember dan Citeko. Data curah hujan harian tahun dari Stasiun Katulampa, Citeko dan Gunung Mas. Data tinggi muka air harian sesaat (per jam) tahun 2004 dari Stasiun Pengamat Arus Sungai (SPAS) Katulampa. Peta penggunaan lahan DAS Ciliwung bagian hulu tahun Peta digital elevation model DAS Ciliwung bagian hulu (90 x 90 m). Peta tanah semi detail DAS Ciliwung bagian hulu tahun Seperangkat komputer dengan program HEC-HMS, HEC-DSS, ArcView GIS, ER Mapper serta Microsoft Office Excel. 3.3 Metode Penelitian Secara umum, diagram alir metode penelitian ditunjukkan seperti pada Gambar 3.1. Analisis data presipitasi dan penentuan parameter fisik DAS diperlukan sebagai masukan model HEC-HMS. Selanjutnya hasil model berupa hidrograf aliran, akan disesuaikan dengan hidrograf pengamatan. Proses kalibrasi terhadap parameter-parameter model dilakukan agar hidrograf hasil model mendekati nilai pengamatannya. Untuk itu diperlukan tahap pengujian model, sehingga kemiripan hidograf hasil model dengan pengamatan dapat terukur. Analisis sensitivitas dapat berguna unuk melihat pengaruh perubahan nilai-nilai parameter masukan terhadap parameter hasil model. Pada penelitian ini, analisis sensitivitas HEC-HMS dilakukan terhadap parameter bilangan kurva, dengan pertimbangan bahwa bilangan kurva memiliki pengaruh yang cukup besar terhadap hidrograf yang dihasilkan suatu DAS. Simulasi hidrograf aliran dilakukan untuk mendapatkan perkiraan debit banjir di masa mendatang berdasarkan pola perubahan penggunaan lahan dan curah hujan maksimum. Hidrograf Tinggi Muka Air Analisis Presipitasi Parameter DAS Rating Curve HEC-HMS Hidrograf Debit Pengamatan Hidrograf Debit Model Kalibrasi Satisfactory? (Pengujian Model) No Yes - Analisis Sensitivitas - Simulasi Hidrograf Aliran Gambar 3.1 Diagram alir metode penelitian 6

17 3.3.1 Analisis Presipitasi Analisis presipitasi diperlukan sebagai salah satu masukan dalam model HEC-HMS, yaitu menentukan metode perhitungan hujan wilayah. Dalam penelitian ini, curah hujan wilayah ditentukan berdasarkan bobot setiap stasiun hujan yang dihitung menggunakan metode poligon Thiessen. Gambar 3.2 Konstruksi curah hujan wilayah metode poligon Thiessen Poligon Thiessen diperoleh dengan cara menarik garis bagi tegak lurus pada sisi-sisi segitiga yang menghubungkan titik-titik pengamatan. Gambar 3.2 menyajikan poligon Thiessen dari 4 stasiun hujan yang ada di DAS Ciliwung bagian hulu. Dalam menentukan perkiraan debit banjir, analisis frekuensi berguna untuk meghitung hujan harian maksimum pada berbagai periode ulang (T). Persamaan analisis frekuensi yang dikemukakan Chow (1964) memerlukan faktor frekuensi (K T ) yang nilainya tergantung tipe distribusi. Pada penelitian ini hujan harian maksimum dianggap mengikuti distribusi nilai ekstrim Gumbel tipe I, dengan persamaan faktor frekuensi sebagai berikut (Haan 1977): K T T = 0,7797 0, ln ln T Penentuan Bilangan Kurva dan Impervious Area Besarnya bilangan kurva ditentukan berdasarkan metode yang telah dikembangkan oleh Soil Consrvation Service (SCS). McCuen (1982) menyebutkan bahwa bilangan kurva menyatakan pengaruh hidrologi bersama antara tanah, penggunaan lahan, keadaan hidrologi, dan kandungan air tanah sebelumnya. SCS telah mengembangkan sistem klasifikasi tanah menjadi empat kelompok hidrologi tanah (Hydrologic Soil Group = HSG). Sifat-sifat tanah berdasarkan pengelompokan HSG tertera pada Tabel 3.1. Kelompok tanah tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan salah satu dari ketiga cara berikut: (a) berdasarkan sifat-sifat tanah, (b) peta tanah detail, (c) laju infiltrasi minimum. Tabel 3.2 menyajikan hubungan laju infiltrasi minimum dengan masing-masing kelompok tanah. Tabel 3.1 Kelompok hidrologi tanah menurut SCS dan sifat-sifatnya. HSG A B C D Richard H McCuen (1982) Sifat-Sifat Tanah Pasir dalam, loess dalam, debu yang beragregat Loess dangkal, lempung berpasir Lempung berliat, lempung berpasir dangkal, tanah berkadar bahan organik rendah dan tanah berkadar liat tinggi Tanah- tanah yang mengembang secara nyata jika basah, liat berat, plastis dan tanah-tanah tertentu Tabel 3.2 Hubungan laju infiltrasi minimum dengan kelompok tanah menurut SCS Kelompok Laju Infiltrasi Minimum Tanah (mm/ jam) A 203,2 304,8 B 101,6 203,2 C 25,4 101,6 D 0,0 25,4 Richard H McCuen (1982) Dalam menentukan keadaan kandungan air tanah (KAT) sebelumnya seringkali dipergunakan keadaan rata-rata daerah aliran pada keadaan tempat dan waktu tertentu (McCuen 1982). SCS menyusun tiga keadaan KAT sebelumnya sebagai berikut: Kondisi I : Tanah dalam keadaan kering tetapi tidak sampai pada titik layu, telah pernah ditanami dengan hasil memuaskan. Kondisi II : Keadaan rata-rata. Kondisi III : Hujan lebat atau ringan dan temperatur rendah telah terjadi dalam lima hari terakhir, tanah jenuh air. 7

18 SCS memberikan batas jumlah curah hujan untuk setiap kondisi KAT sebelumnya seperti pada Tabel 3.3. Pada penelitian ini, perhitungan proses hujan-limpasan dianggap berlangsung pada musim tumbuh. Tabel 3.3 Batasan jumlah curah hujan pada setiap kondisi KAT sebelumnya. Total curah hujan lima hari Kondisi sebelumnya (mm) Musim Dorman Musim Tumbuh I < 13 < 35 II III > 28 > 53 Richard H McCuen (1982) Nilai bilangan kurva untuk keadaan KAT sebelumnya pada kondisi II mengikuti tabel yang disajikan SCS (Lampiran 1). Nilai bilangan kurva untuk keadaan KAT sebelumnya pada kondisi I dan III dihitung menggunakan persamaan yang dikemukakan oleh Chow dkk (1988), sebagai berikut: 4,2CN( II) CN( I) = 10 0,058CN( II) dan, 23CN( II) CN( III) = ,13CN( II) Untuk DAS yang terdiri dari beberapa macam tipe tanah dan penggunaan lahan, nilai bilangan kurva ditetapkan sebagai nilai composite (gabungan). Bilangan kurva composite ditentukan berdasarkan bobot luas bentuk penggunaan lahan yang ada di dalam DAS (USACE 2001). CN i i= 1 composite = n n A CN i= 1 A dimana, CN composite ialah bilangan kurva gabungan untuk seluruh DAS, i menyatakan indeks untuk subdivisi dari DAS dengan tipe penggunaan dan jenis tanah yang sama, dan A i adalah luas subdivisi ke-i. Selain bilangan kurva, parameter yang juga berpengaruh terhadap volume limpasan suatu DAS adalah luas daerah impervious. Impervious area dari suatu DAS adalah luasan dari DAS dimana semua kontribusi dari presipitasi akan menjadi limpasan langsung tanpa mengalami infiltrasi, evaporasi ataupun bentuk kehilangan air lainnya (USACE 2001). i i Penentuan impervious area diperkirakan berdasarkan tipe penggunaan lahan dan faktor imperviousness (Tabel 3.4). Tabel 3.4 Faktor imperviousness berdasarkan tipe penggunaan lahan. Penggunaan Lahan Faktor Imperviousness (%) Hutan 0 Tanah Terbuka 5 Agrikultur 5 Residensial 30 Komersial 80 USACE (2000) Penyusunan Basin Model Representasi dari kondisi fisik suatu DAS dikonfigurasi dalam basin model. Sistem yang terdiri dari elemen-elemen hidrologi dihubungkan dalam suatu jaringan untuk mensimulasi proses limpasan. Terdapat tujuh elemen hidrologi yang tersedia dalam HEC- HMS, dimana masing-masing elemen mewakili bagian dari total respon suatu DAS terhadap presipitasi dengan menggunakan sebuah model matematika, yaitu: Subbasin Subbasin atau subdas merupakan elemen yang hanya memiliki satu outflow yang diperoleh berdasarkan data meteorologi (curah hujan dan evaporasi) dengan memperhitungkan loss, curah hujan efektif, serta aliran dasar. Reach Elemen reach yang memiliki satu atau lebih inflow dan hanya satu outflow, merupakan elemen dimana proses routing terjadi. Outflow dihitung menggunakan salah satu dari beberapa metode yang tersedia dalam model saluran terbuka (open channel flow model). Reservoir Reservoir memiliki satu atau lebih inflow dan satu outflow terhitung. Elemen ini dapat digunakan pada model reservoir, danau dan kolam. Source Source merupakan elemen yang tidak memiliki inflow dan hanya memiliki satu outflow. Source digunakan untuk merepresentasikan kondisi batas terhadap basin model, misalnya outflow terukur dari reservoir atau tinggi muka air tanah regional yang tidak termodelkan. 8

19 Junction Junction dapat memiliki lebih dari satu inflow dan lebih dari satu outflow. Biasanya digunakan untuk merepresentasikan sebuah pertemuan sungai atau aliran. Diversion Diversion memiliki dua outflow dengan satu atau lebih inflow. Elemen ini dapat digunakan untuk merepresentasikan bendungan yang mengalihkan aliran kedalam kanal-kanal atau saluran. Sink Sink dapat memiliki lebih dari satu inflow, tetapi tidak ada outflow. Sinks digunakan untuk merepresentasikan titik terendah dari suatu area drainase atau outlet dari suatu basin model. Penyusunan basin model juga mencakup perhitungan pada 4 submodel utama: 1) Loss Model Bagian dari presipitasi yang hilang akibat infiltrasi, intersepsi, evaporasi dan bentuk kehilangan lainnya sebelum menjadi limpasan (precipitation loss) dianalisis dalam loss model. Pada dasarnya perhitungan loss model bertujuan untuk mencari curah hujan efektif, yaitu curah hujan yang menyebabkan terjadinya limpasan. Pada penelitian ini, perhitungan dilakukan menggunakan metode SCS curve number. Perhitungan curah hujan efektif dengan metode SCS mempertimbangkan faktor penggunaan dan penutupan lahan. Curah hujan efektif Pe, dihitung menggunakan persamaan: ( P Ia) Pe = P Ia + S 2 dimana P adalah volum total curah hujan, Ia adalah kehilangan air awal atau initial abstraction (initial loss), dan S merupakan potential maximum retention. Nilai Ia dapat ditentukan berdasarkan persamaan: Ia = 0,2 S Potential maximum retention ditentukan berdasarkan parameter bilangan kurva (CN) yang ditentukan berdasarkan tabel bilangan kurva yang disusun oleh SCS untuk berbagai tipe penggunaan dan penutupan lahan. Persamaan empiris untuk menentukan nilai S adalah: CN S = CN (SI) 2) Direct Runoff Model Perhitungan limpasan langsung yang berasal dari curah hujan efektif dianalisis dalam direct runoff model. Dalam penelitian ini, analisis limpasan langsung dilakukan menggunakan tiga metode hidrograf satuan sintetik, yaitu: Snyder, SCS, dan Clark. Hidrograf Satuan Snyder Snyder (1938) mengembangkan hidrograf satuan sintetik berdasarkan studinya di daerah pengaliran Appalachian Highlands. Parameter masukan yang diperlukan untuk metode Snyder meliputi time lag dan koefisien puncak. Persamaan time lag yang diperoleh Snyder untuk DAS yang berukuran mil 2 adalah: t = C l t ( L L ) 0, 3 ms c dimana, t l = time lag (jam), merupakan interval waktu antara saat terjadi curah hujan maksimum sampai dengan saat terjadinya debit puncak, C t = koefisien yang menggambarkan variasi kemiringan dan simpanan DAS, L ms = panjang sungai utama (km), L c = panjang saluran utama dari titik terdekat ke pusat DAS (km). Koefisien C t memiliki nilai yang bervariasi menurut topografi, dari daerah dataran sampai pegunungan. Nilai C t hasil penelitian Snyder diperoleh berkisar antara 1,8 2,2 dengan ratarata 2. Semakin curam kemiringan DAS maka akan semakin kecil nilai C t yang dihasilkan. (Viessman et al 1977). Debit puncak, Q p (cfs), ditentukan berdasarkan fungsi dari time lag, koefisien simpanan C p, dan luas daerah pengaliran A (mil 2 ), sebagai berikut: 640C p A Qp = t l Nilai koefisien simpanan C p bervariasi antara 0,4 sampai 0,8. Nilai C p yang besar menunjukkan time lag yang kecil dan berkorelasi dengan nilai C t yang kecil pula. Hidrograf Satuan SCS Metode yang dikembangkan oleh Soil Conservation Service untuk pembuatan hidrograf satuan sintetik didasarkan atas hidrograf tak berdimensi (dimensionless), yang 9

20 merupakan hasil analisis pada sejumlah besar hidrograf satuan alami dari berbagai DAS dengan luas dan kondisi geografis yang beragam. Metode SCS hanya memerlukan penentuan nilai waktu puncak (time to peak atau time of rise, t p ) dan debit puncak, Q p. Persamaannya adalah sebagai berikut: D t p = + t l 2 dimana, t p = waktu puncak (jam), merupakan selang waktu antara mulai terjadinya hujan sampai debit puncak, D = durasi hujan (jam), ditentukan dengan persamaan D = 0,133 t c, dengan t c adalah waktu konsentrasi, t l = time lag (jam). Dan persamaan debit puncak: A Q p = C t p dimana, C merupakan konstanta konversi, bernilai 2,08 dalam SI, atau 484 dalam footpound system, dan A merupakan luas DAS. Persamaan empiris yang digunakan SCS untuk menentukan parameter time lag, adalah: 0,8 ms L ( S + 1) tl = 0,5 1900aws 0,7 dimana, L ms = panjang sungai utama (ft), aws = kemiringan rata-rata DAS (%), S = potential maximum retention (in.) = 1000/CN -10, CN = Bilangan kurva untuk berbagai tipe penggunaan lahan. Hidrograf Satuan Clark Bentuk hidrograf satuan sintetik model Clark pada dasarnya ditentukan berdasarkan parameter waktu konsentrasi (t c ), koefisien simpanan DAS (R) dan diagram luas-waktu. Johnstone and Cross (1949, dalam USACE 2000) mengenalkan salah satu persamaan untuk mencari waktu konsentrasi (jam): 0,5 Lms t c = 5,0 ars dengan L ms adalah panjang sungai utama (mil), dan ars adalah kemiringan saluran atau slope channel (ft/mil). Clark menunjukkan bahwa nilai parameter koefisien simpanan (storage coefficient, R). dapat dihitung sebagai aliran di titik inflection point pada sisi menurun (falling limb) dari suatu hidrograf dibagi dengan fungsi waktu terhadap aliran (dt/dq). Diagram luas-waktu menentukan jumlah luasan simpanan DAS yang memberikan kontribusi pada debit luaran DAS sebagai fungsi waktu yang dinyatakan sebagai bagian dari waktu konsentrasi (USACE 2000). Persamaan yang digunakan HEC-HMS untuk kurva luas-waktu adalah: 1,5 t t c 1,414, untuk : t A t 2 t c = 1,5 A t t 1 1,414 1 c, untuk : t tc 2 dimana, A t adalah luas kumulatif yang terkontribusi pada waktu t, dan A adalah luas total DAS. 3) Baseflow Model Aliran dasar terjadi akibat limpasan yang berasal dari kejadian presipitasi terdahulu yang tersimpan secara temporer dalam suatu DAS, ditambah dengan limpasan subpermukaan yang tertunda dari suatu kejadian hujan. Pada penelitian ini, metode perhitungan aliran dasar yang digunakan adalah exponential recession model. Hubungan antara aliran dasar pada periode t (Q t ) dan aliran dasar awal/pada t=0 (Q o ) adalah (USACE 2000): Q = Q t o k t dengan k merupakan konstanta resesi. Parameter baseflow model yang diperlukan HEC-HMS sebagai masukan meliputi aliran dasar awal, konstanta resesi dan aliran threshold (aliran saat dimulainya kurva resesi pada sisi yang menurun dari sebuah hidrograf). Ketiga parameter tersebut ditetapkan berdasarkan analisis terhadap hidrograf pengamatan. 4) Routing Model Routing model didasarkan atas konsep penelusuran banjir yang digunakan untuk mensimulasi rambatan gelombang aliran air melalui sungai dan waduk. Penelitian ini menggunakan metode Muskingum yang didasarkan pada persamaan kontinuitas dan hubungannya dengan simpanan yang bergantung pada inflow dan outflow. 10

21 Parameter yang diperlukan adalah travel time (k) dan faktor pembobot (x). Travel time atau waktu tempuh aliran dari titik inlet sampai outlet, ditentukan melalui hubungan antara kecepatan aliran (Vw) dengan panjang sungai (L) melalui persamaan: K = L V w Berdasarkan Hukum Seldon, kecepatan gelombang banjir ditetapkan sebagai berikut: 1 dq V w = B dy dimana B adalah lebar atas permukaan saluran, dan dq/dy adalah slope rating curve pada titik representatif saluran. Faktor pembobot (x) dalam metode Muskingum berkisar antara 0 sampai 0,5 dengan rata-rata 0,2 untuk aliran alami. Pada penelitian, penentuan nilai x diperoleh dari hasil trial-error pada saat kalibrasi, dengan menggunakan nilai rata-rata sebagai nilai masukan awal Kalibrasi Kalibrasi model merupakan proses penyesuaian nilai-nilai parameter model sampai didapat hasil model yang sama atau mendekati hasil pengamatan. Metode yang digunakan dalam HEC-HMS adalah objective functions dan search methods. Tabel 3.5 Metode perhitungan objective function Kriteria Persamaan *) Sum of absolute errors Sum of squared residuals Z = Z = NQ i= 1 NQ q0 ( i) q s ( i) 2 [ q0 ( i) q s ( i) ] i= 1 Percent error qs ( peak) q0( peak) in peak Z = 100 q ( peak) Peak weighted root mean square error objective function USACE (2000) NQ q0( i) + q ( mean) Z = ( q0( i) q ( )) ( ) s i NQ i= q mean *) Z = objective function; NQ = jumlah ordinat hidrograf hasil perhitungan; q O (i) = debit observasi; q S (i) = debit hasil perhitungan; q O (peak) = debit puncak observasi; q O (mean) = rata-rata debit observasi; dan q S (peak) = debit puncak hasil perhitungan. 1/ Objective functions merupakan ukuran kuantitatif bagi goodnes-of-fit yang menunjukkan derajat keragaman antara hidrograf hasil perhitungan dengan data pengamatan (Tabel 3.5). Search methods digunakan untuk meminimalkan objective function dan mendapatkan nilai parameter yang paling sesuai. Pencarian nilai parameter dilakukan dengan cara iterasi melaui proses trial and error. Dua algoritma search methods yang tersedia dalam HEC-HMS adalah univariate-gradient search algorithm dan Nelder and Mead simplex search algorithm. IV. KEADAAN UMUM DAS CILIWUNG BAGIAN HULU 4.1 Letak dan Luas Daerah Secara umum sungai Ciliwung mengalir dari arah Selatan ke Utara, melalui wilayah Kabupaten Bogor, Kotamadya Bogor, Kotip Depok dan DKI Jakarta. DAS Ciliwung di sebelah Barat dibatasi oleh DAS Cisadane dan di sebelah Timur dibatasi DAS Citarum, dengan hulunya di sebelah Selatan yaitu berada di Gunung Gede Pangrango dan bermuara di Teluk Jakarta. DAS Ciliwung dapat dibagi menjadi tiga bagian, yaitu hulu, tengah dan hilir. Pada Penelitian ini akan dibahas mengenai DAS Ciliwung bagian hulu, meliputi wilayah Kecamatan Cisarua, Ciawi dan Kedunghalang, mulai dari Desa Tugu sampai SPAS Katulampa, yaitu di sekitar Desa Katulampa, Ciawi, Bogor. Secara geografis DAS Ciliwung bagian Hulu terletak di daerah antara 06 o 02 sampai 06 o 55 LS dan 106 o 35 sampai 107 o 00 BT dengan luas wilayah sekitar 148 km Iklim Iklim di Daerah Aliran Sungai Ciliwung pada umumnya adalah iklim tropis, dengan suhu udara rata-rata berkisar antara o C. Menurut sistem klasifikasi Schmidt Ferguson, berdasarkan perbandingan jumlah rata-rata bulan basah dengan bulan kering, DAS Ciliwung bagian hulu termasuk ke dalam tipe iklim A. Rata-rata curah hujan wilayah di DAS Ciliwung bagian hulu berkisar antara mm/bulan. Bulan basah terjadi selama 8-10 bulan (Agustus Mei) dengan bulan terbasah Januari, dan bulan lembab 2-4 bulan (Juni September) dengan bulan terkering adalah Agustus. 11

22 Gambar 4.1 Peta lokasi daerah penelitian Tabel 4.1 Curah hujan rata-rata bulanan tiap stasiun dan curah hujan wilayah DAS Ciliwung bagian hulu Bulan CH Rata-rata Tiap Stasiun CH (mm/bln) Wilayah Katu Gunung Citeko (mm/bln) lampa Mas Jan Feb Mar Apr Mei Jun Jul Agu Sep Okt Nov Des Hasil perhitungan, data dari BMG 4.3 Topografi DAS Ciliwung bagian hulu yang berada pada ketinggian m, mempunyai bentuk topografi yang bervariasi mulai dari dataran sampai berupa perbukitan dengan bentuk lereng mulai dari datar, landai, agak curam sampai curam. Daerah dengan topografi datar sampai landai atau daerah dengan kemiringan lereng 0-8% mempunyai persentase terbesar yaitu sekitar 36% dari luas seluruh DAS. Sedangkan wilayah dengan kemiringan lereng 8-15%, memiliki persentase yang paling kecil yaitu sekitar 11% atau seluas 1625,5 Ha. Keadaan DAS Ciliwung bagian hulu yang agak terjal dikarenakan oleh wilayah ini dibentuk oleh beberapa pegunungan diantaranya Gn. Gede-Pangrango, Gn. Mandalawangi, dan Gn. Kencong. Secara rinci kemiringan DAS Ciliwung bagian hulu dapat dilihat pada Tabel 4.2 berikut. Tabel 4.2 Luas DAS Ciliwung bagian hulu berdasarkan kemiringan. No Kelas Lereng (%) Luas (Ha) , , , ,5 5 > ,5 Hasil perhitungan berdasarkan peta kemiringan DAS Ciliwung Hulu 12

23 4.4 Tanah dan Penggunaan Lahan Sekitar 28% jenis tanah di DAS Ciliwung bagian hulu merupakan jenis tanah konsosiasi typic hapludent. Jenis tanah dengan luasan terkecil adalah jenis kompleks aluvial yaitu sekitar 0,2% sedangkan untuk jenis tanah yang lain dapat dilihat pada Tabel 4.3. Tabel 4.3 Jenis tanah DAS Ciliwung bagian hulu Jenis Tanah Asosiasi typic hapludants-typic troposament Luas (Ha) 3424 Assosiasi andic humitropepts 2734 Konsosiasi typic hapludent 4223 Konsosiasi typic eutropepts 2403 Asosiasi typic humitripepts 75 Kompleks aluvial 33 Latosol coklat kemerahan 49 Konsosiasi typic distropepts 1865 Kompleks typic troporthent-typic fluvaquent 304 Hasil perhitungan berdasarkan Peta Tanah Semi Detail 1992, Skala 1: Berdasarkan jenis tanah yang terdapat di DAS Ciliwung bagian hulu maka Fakhrudin (2003) mengelompokkan sebagai berikut: 1. Asosiasi typic hapludants-typic troposament mempunyai sifat drainase cepat dan tekstur kasar, diklasifikasikan ke dalam kelompok hidrologi tanah A. 2. Asosiasi typic humitripepts dan kompleks typic troporthent-typic fluvaquent mempunyai sifat drainase baik dan tekstur sedang sampai kasar, diklasifikasikan ke dalam kelompok hidrologi tanah B. 3. Latosol coklat kemerahan, konsosiasi typic hapludent, konsosiasi typic eutropepts, assosiasi andic humitropepts dan kompleks aluvial mempunyai sifat drainase yang baik dan tekstur sedang sampai halus, dan diklasifikasikan ke dalam kelompok hidrologi tanah C. 4. Konsosiasi typic distropepts mempunyai tekstur yang halus dan diklasifikasikan ke dalam kelompok hidrologi tanah D. Dengan menggunakan pengelompokan diatas maka didapatkan peta kelompok hidrologi tanah. Penggunaan lahan DAS Ciliwung Hulu diturunkan berdasarkan peta Landsat tahun 2004 menggunakan software ER Mapper 6.4. Dengan metode klasifikasi tak terbimbing (unsupervised classification), DAS Ciliwung bagian hulu terbagi menjadi 5 tipe penggunaan lahan, yaitu hutan, kebun, tegalan, sawah dan pemukiman. Tabel 4.4 Tipe penggunaan lahan DAS Ciliwung bagian hulu tahun Penggunaan Lahan Luas (Ha) % Hutan 34028,2 23,4 Kebun 22354,0 15,4 Sawah 30855,6 21,2 Pemukiman 38696,3 26,6 Tegalan 19488,9 13,4 Hasil perhitungan berdasarkan peta Landsat 2004 dengan klasifikasi tak terbimbing. 4.5 Morfometri DAS Bentuk DAS Ciliwung bagian hulu secara keseluruhan adalah menyerupai kipas, dengan anak-anak sungai yang mengalir ke sungai utama dan terkonsentrasi ke satu titik di sekitar Katulampa, dengan bentuk outlet menyerupai leher botol. Jaringan sungai dan batas DAS Ciliwung bagian hulu diturunkan berdasarkan peta digital elevation model (dem) Ciliwung menggunakan software ArcView GIS 3.3. DAS Ciliwung bagian hulu terdiri atas 6 subdas, yaitu Cibogo, Ciesek, Cisarua, Cisukabirus, Ciseuseupan dan Tugu. Penentuan banyaknya subdas berdasarkan ordo jaringan sungai yang dihitung dengan metode Strahler. Setiap subdas minimal memiliki satu sungai yang berordo dua. Parameter morfometri DAS yang diukur pada masing-masing subdas diantaranya adalah panjang sungai utama (L ms = length of main stream), panjang sungai dari outlet sampai titik terdekat dengan pusat DAS (L c = length to centroid), kemiringan DAS rata-rata (aws = average watershed slope) serta kemiringan sungai rata-rata (ars = average river slope). Kemiringan subdas rata-rata dihitung menggunakan metode rata-rata timbang (weight mean method), yaitu menghitung perkalian dari kemiringan antara dua garis kontur dengan luas areal antara dua garis kontur tersebut dibagi dengan luas subdas (Seyhan 1977). Persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut: aws n S A a ( n 1) n ( n 1) n i= = 1 13