APLIKASI GELOMBANG KINEMATIS DAN DINAMIS PADA MODEL HUJAN LIMPASAN STUDI KASUS DAS CITARUM HULU TESIS

Transkripsi

1 APLIKASI GELOMBANG KINEMATIS DAN DINAMIS PADA MODEL HUJAN LIMPASAN STUDI KASUS DAS CITARUM HULU TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh: HARSIGIT LOKANTARA NIM : Program Studi Teknik Sumberdaya Air INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 APLIKASI GELOMBANG KINEMATIS DAN DINAMIS PADA MODEL HUJAN LIMPASAN STUDI KASUS DAS CITARUM HULU Oleh: Harsigit Lokantara NIM : Program Studi Teknik Sumberdaya Air Institut Teknologi Bandung Menyetujui, Tanggal... Pembimbing I, Pembimbing II, Ir. Iwan K. Hadihardaja, Ph.D. NIP : Ir. Mulyana Wangsadipoera, M.Eng. NIP :

3 ABSTRAK APLIKASI GELOMBANG KINEMATIS DAN DINAMIS PADA MODEL HUJAN LIMPASAN STUDI KASUS DAS CITARUM HULU Oleh Harsigit Lokantara NIM : Sebuah model hujan-limpasan konseptual terdistribusi diaplikasikan pada 13 sub das dalam das Citarum Hulu untuk memodelkan efek dari gelombang kinematik dan dinamis pada distribuasi limpasan. Pendekatan untuk kalibrasinya dilakukan dengan menghubungkan nilai-nilai parameter tertentu dalam model dengan karakter fisik dari sub das. Tataguna lahan, ukuran grid dalam sub das, dan struktur topografinya digunakan untuk penentuan dari nilai-nilai parameter model. Propagasi gelombang kinematis digunakan untuk mendisribusikan aliran overland flow dan channel flow di anak-anak sungai. Hasilnya, didapat sebuah hidrograf di masing-masing outlet anak sungai. Ketigabelas hidrograf outlet kemudian didistribusikan sepanjang sungai utama (Sungai Citarum) menggunakan propagasi gelombang dinamis dan skema Abbott-Ioneschu untuk menghasilkan hidrograf akhir di outlet Nanjung. Hidrograf outlet di Nanjung hasil dari model kemudian diverifikasikan dengan data debit observasi di titik tersebut. Hasilnya, propagasi gelombang kinematis tidak memuaskan untuk mendistribusikan aliran dengan kemiringan lahan/saluran yang landai. Metoda ini tidak memiliki mekanisme hidrolis untuk menggambarkan propagasi ke arah hulu dengan diabaikannya suku-suku dinamis dalam aliran. Kata kunci : model terdistribusi, hujan-limpasan, DAS Citarum Hulu, overland flow, channel flow, gelombang kinematis, gelombang dinamis, Abbott-Ioneschu. i

4 ABSTRACT KINEMATIC AND DYNAMIC WAVE APPLICATION ON RAINFALL RUNOFF MODEL CASE STUDY UPPER CITARUM WATERSHED By Harsigit Lokantara NIM : A distributed conceptual rainfall-runoff model applied to 13 catchments in the Upper Citarum Watershed for the purpose of kinematic and dynamic wave effect modeling on the runoff distribution. An approach to calibrate the model by associating the model parameters with the physical catchments characteristics was implemented. Land uses, catchments grid size, and topographic structures were used as the bases for regionalization of the model parameters. Parameter values were initially associated with these catchments characteristics and were finally transferred into their catchments grid scale values. Kinematic wave propagation was performed to distribute runoff as overland flow and channel flow along the tributaries. As the result, an outlet hydrograph obtained for each tributary. Thirteen tributary outlet hydrographs continually distributed along the main river (Citarum River) by dynamic wave propagation using Abbott-Ioneschu scheme and yield the final hydrograph at Nanjung outlet. Nanjung outlet hydrograph obtained from model finally verified with the Nanjung observe discharge. As the result, kinematic wave propagation was not satisfying for distributing runoff at a particular point in the land or channel with a mild slope. This method has no hydraulic mechanisms to describe upstream propagation as kinematic wave neglecting the dynamic terms. Keywords : distributed model, rainfall-runoff, Upper Citarum Watershed, overland flow, channel flow, kinematic wave, dynamic wave, Abbott-Ioneschu. ii

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

6 KATA PENGANTAR Puji dan syukur saya panjatkan kehadirat Allah SWT, yang atas berkat rahmat dan karunia-nya, laporan tesis berjudul Aplikasi Gelombang Kinematis dan Dinamis pada Model Hujan-Limpasan Studi Kasus DAS Citarum Hulu ini dapat selesai juga. Terima kasih saya ucapkan kepada kedua orang tua, Bapakku Supratopo Haryo Alm. dan Ibuku Siti Kustarmi, Masku Gaso Laskmandito, Mbakku Petra Hanggaristi, dan Adikku Fajar Pratopo, yang senantiasa mendoakan, memberikan kasih sayang, semangat, dan nasehatnya yang sangat berarti selama pengerjaan tesis ini. Terima saya ucapkan kepada istriku Miranda, ST., MT., yang senantiasa meluangkan waktu, memberi dukungan, dan semangat dalam pengerjaan tesis ini. Terima kasih saya ucapkan kepada Bpk Ir. Iwan Kridasantausa, Ph.D. dan Bpk. Ir.Mulyana M.Eng., sebagai pembimbing, atas segala saran, bimbingan, dan nasehatnya selama penelitian berlangsung dan selama penulisan tesis ini. Terima kasih ucapkan kepada Bpk. Dr.Ir. Sri Legowo, sebagai penguji tesis atas segala saran, bimbingan, dan nasehatnya selama penelitian berlangsung dan selama penulisan tesis ini. Terima kasih saya ucapkan kepada Bpk. Dr.Ir. Ilyas Suratman, sebagai sekretaris program Magister Teknik Sipil ITB, atas segala saran dan nasehatnya. Terima kasih saya ucapkan kepada Bpk. Dr. Ir. Yadi Suryadi dan Mas Agus, ST., atas data-data yang diperlukan dalam penulisan tesis ini. Terima kasih saya ucapkan kepada temanku Mas Ir. Sarwan dan Mas Herujoko, ST., atas waktu dan bantuannya yang sangat bermanfaat bagi penulisan tesis ini. Terima kasih juga saya ucapkan kepada keluarga dan rekan-rekan kuliah angkatan 2005 yang senantiasa mendukung dan memberikan semangat dalam pengerjaan tesis ini. Penulis menyadari, tesis ini masih jauh dari sempurna dan masih banyak terdapat kekurangan. Penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun sehingga dapat menambah serta memperbaiki kekurangan yang ada. Harapan penulis semoga tesis ini sedikit banyak dapat memberikan manfaat dan pengetahuan bagi semua pihak. iv

7 Daftar Isi Abstrak... i Abstract... ii Pedoman Penggunaan Tesis... iii Kata Pengantar... iv Daftar Isi... v Daftar Gambar... vii Daftar Tabel... ix Daftar Lampiran... x Bab I Pendahuluan... I-1 I.1 Latar Belakang... I-1 I.2 Maksud dan Tujuan Penelitian... I-2 I.3 Ruang Lingkup Penelitian... I-3 I.4 Sistematika Penulisan... I-3 Bab II Tinjauan Pustaka... II-1 II.1 Siklus Hidrologi... II-1 II.2 Daerah Aliran Sungai... II-3 II.3 Curah Hujan Wilayah... II-5 II.4 Infiltrasi dan Curah Hujan Efektif... II-6 II.5 Hidrograf Satuan Observasi... II-7 II.6 Hidrograf Satuan Sintetik... II-8 II.6.1 Hidrograf Satuan Sintetik Snyder-Alexejev... II-10 II.6.2 Hidrograf Satuan Sintetik Nakayasu... II-13 II.6.3 Hidrograf Satuan Sintetik SCS... II-15 II.7 Klasifikasi Model DAS... II-16 II.7.1 Klasifikasi Model DAS berdasarkan Deskripsi Proses... II-16 II.7.2 Klasifikasi Model DAS berdasarkan Variabilitas Ruang dan Waktu... II-18 II.7.3 Model yang dibangun... II-18 II.8 Penurunan Rumus... II-19 II.8.1 Overland Flow... II-19 II.8.2 Channel Flow... II-27 II.9 Routing Debit... II-32 II.9.1 Routing Overland Flow... II-32 II.9.2 Routing Channel Flow... II-34 v

8 Bab III Studi Kasus... III-1 III.1 Daerah Aliran Sungai Citarum... III-1 III.2 Sekilas Waduk Kaskade Citarum... III-5 III.3 Tata Guna Lahan... III-8 III.4 Curah Hujan... III-9 III.5 Debit Sungai... III-9 Bab IV Metodologi dan Konsep Pemodelan... IV-1 IV.1 Bagan Alir Metodologi Penelitian... IV-1 IV.2 Pengumpulan Data Penelitian... IV-3 IV.3 Pemodelan... IV-3 IV.3.1 Pengolahan Data Topografi... IV-3 IV.3.2 Pengolahan Data Hujan... IV-8 IV.3.3 Pengolahan Land Cover... IV-9 IV.3.4 Skema Model yag dibangun... IV-13 IV.3.5 Routing Overland... IV-14 IV.3.6 Routing Channel... IV-14 IV.4 Simulasi... IV-15 IV.5 Kesimpulan... IV-15 Bab V Analisa dan Diskusi... V-1 V.1 Pemilihan data... V-1 V.2 Analisa Topografi... V-2 V.2.1 Pendekatan DEM... V-2 V.2.2 Analisa Outlet, dan Pit... V-3 V.2.3 Karakteristik Sub Das/Pengaruh Parameter DAS... V-7 V.3 Kalibrasi dan Verifikasi Model... V-23 V.4 Kalibrasi dan Verifikasi I... V-23 V.5 Kalibrasi dan Verifikasi II... V-27 Bab VI Penutup... VI-1 VI.1 Kesimpulan... VI-1 VI.2 Saran... VI-2 Daftar Pustaka Lampiran vi

9 Daftar Gambar Gambar II.1. Siklus Hidrologi... II-2 Gambar II.2. Mengukur tinggi curah hujan dengan Poligon Thiessen (Soemarto, C.D., 1995)... II-5 Gambar II.3. Metoda S-Curve hydrograph (Bedient dan Huber, 1992)... II-8 Gambar II.4. Hidrograph satuan sintetis menurut Snyder (Soemarto, C. D., 1995)... II-11 Gambar II.5. Hidrograph Satuan Sintetis menurut Nakayasu (Soemarto, C. D., 1995)... II-13 Gambar II.6. (a) UH SCS Dimensionless dan (b) SCS Triangular (Chow, V. T., 1998)... II-16 Gambar II.7. Dimensionless hidrograf dari aliran permukaan... II-20 Gambar II.8. Control volume sepanjang ruas Δx untuk overland flow... II-22 Gambar II.9. Control volume dan gaya-gaya yang bekerja... II-24 Gambar II.10. Control volume sepanjang ruas Δx untuk channel flow... II-27 Gambar II.11. Ilustrasi solusi numerik untuk kinematic wave overland flow.. II-33 Gambar II.12. Ilustrasi solusi numerik untuk kinematic wave channel flow... II-35 Gambar II.13. Kisi-kisi pembaganan Abbott-Ioneschu... II-36 Gambar II.14. Tridiagonal matrik... II-40 Gambar III.1. DAS Citarum Hulu... III-2 Gambar III.2. DAS Citarum... III-3 Gambar III.3. Visualisasi 3-D Das Citarum... III-3 Gambar III.4. Mata air Sungai Citarum di Gunung Wayang... III-4 Gambar III.5. Sungai Citarum Hulu... III-5 Gambar III.6. Sistem Kaskade Citarum... III-6 Gambar III.7. Skema pengembangan DAS Citarum (potongan melintang)... III-7 Gambar III.8. Peta tata guna lahan Citarum tahun III-8 Gambar III.9. Pos Hujan DAS Citarum... III-9 Gambar IV.2. Visualisasi pengolahan data topografi... IV-5 Gambar IV.3. Visualisasi arah aliran... IV-7 Gambar IV.4. Arah aliran... IV-7 Gambar IV.5. Hujan wilayah tanggal 1 Maret IV-8 Gambar IV.6. Hidrograf observasi di Nanjung (Miranda, 2007)... IV-9 Gambar IV.7. Visualisasi peta land cover gridding... IV-12 Gambar IV.8. Skema model... IV-13 Gambar IV.9. Lokasi muara anak sungai di sungai utama... IV-13 Gambar V.1. Kondisi Topografi DAS Citarum... V-2 Gambar V.2. Arah aliran hasil analisa DEM... V-4 Gambar V.3. Arah aliran, outlet, pit, dan batas sub das Cimahi (grid 1000 m x 1000 m)... V-5 Gambar V.4. Ilustrasi penyesuaian data DEM (i=2, j=12) dan (i=1, j=14)... V-6 vii

10 Gambar V.5. Kondisi 3-D Sub Das Cimahi... V-10 Gambar V.6. Kondisi 2-D Sub Das Cimahi... V-10 Gambar V.7. Arah aliran di Sub Das Cimahi... V-10 Gambar V.8. Kondisi 3-D Sub Das Cibeureum... V-11 Gambar V.9. Kondisi 2-D Sub Das Cibeureum... V-11 Gambar V.10. Arah aliran di Sub Das Cibeureum... V-11 Gambar V.11. Kondisi 3-D Sub Das Citepus... V-12 Gambar V.12. Kondisi 2-D Sub Das Citepus... V-12 Gambar V.13. Arah aliran di Sub Das Citepus... V-12 Gambar V.14. Kondisi 3-D Sub Das Cikapundung... V-13 Gambar V.15. Kondisi 2-D Sub Das Cikapundung... V-13 Gambar V.16. Arah aliran di Sub Das Cikapundung... V-13 Gambar V.17. Kondisi 3-D Sub Das Cicadas... V-14 Gambar V.18. Kondisi 2-D Sub Das Cicadas... V-14 Gambar V.19. Arah aliran di Sub Das Cicadas... V-14 Gambar V.20. Kondisi 3-D Sub Das Cidurian... V-15 Gambar V.21. Kondisi 2-D Sub Das Cidurian... V-15 Gambar V.22. Arah aliran di Sub Das Cidurian... V-15 Gambar V.23. Kondisi 3-D Sub Das Cipamokolan... V-16 Gambar V.24. Kondisi 2-D Sub Das Cipamokolan... V-16 Gambar V.25. Arah aliran di Sub Das Cipamokolan... V-16 Gambar V.26. Kondisi 3-D Sub Das Cikeruh... V-17 Gambar V.27. Kondisi 2-D Sub Das Cikeruh... V-17 Gambar V.28. Arah aliran di Sub Das Cikeruh... V-17 Gambar V.29. Kondisi 3-D Sub Das Ciwidey... V-18 Gambar V.30. Kondisi 2-D Sub Das Ciwidey... V-18 Gambar V.31. Arah aliran di Sub Das Ciwidey... V-18 Gambar V.32. Kondisi 3-D Sub Das Cibolerang... V-19 Gambar V.33. Kondisi 2-D Sub Das Cibolerang... V-19 Gambar V.34. Arah aliran di Sub Das Cibolerang... V-19 Gambar V.35. Kondisi 3-D Sub Das Cisangkuy... V-20 Gambar V.36. Kondisi 2-D Sub Das Cisangkuy... V-20 Gambar V.37. Arah aliran di Sub Das Cisangkuy... V-20 Gambar V.38. Kondisi 3-D Sub Das Citarum Hulu... V-21 Gambar V.39. Kondisi 2-D Sub Das Citarum Hulu... V-21 Gambar V.40. Arah aliran di Sub Das Citarum Hulu... V-21 Gambar V.41. Kondisi 3-D Sub Das Citarik... V-22 Gambar V.42. Kondisi 2-D Sub Das Citarik... V-22 Gambar V.43. Arah aliran di Sub Das Citarik... V-22 Gambar V.44. Inflow lateral dari masing-masing sub das hasil verifikasi... V-24 Gambar V.45. Debit pada Sungai Citarum hasil verifikasi I... V-25 Gambar V.46. Efek nilai k pada hidrograf naik (Woolhiser dan Liggett, 1967)... V-26 Gambar V.47. Debit pada Sungai Citarum hasil verifikasi II... V-27 viii

11 Daftar Tabel Tabel II.1. Koefisien kekasaran c untuk overland flow Izzard... II-21 Tabel III.1. Luas masing-masing sub das... III-2 Tabel IV.1. Koefisien kekasaran overland flow untuk model sheet flow (USACE, 1998)... IV-10 Tabel IV.2. Koefisien pengaliran, C (Takeda, Sosrodarsono, 1978)... IV-10 Tabel IV.3. Koefisien pengaliran, C (Bernard, 1932)... IV-10 Tabel IV.4. Koefisien pengaliran, C (Das, 2000)... IV-11 Tabel IV.5. Koefisien pengaliran, C (Chow, 1964)... IV-11 Tabel IV.6. Koefisien kekasaran saluran, n Manning untuk saluran kecil (Chow, 1959)... IV-14 Tabel IV.7. Koefisien kekasaran saluran, n Manning untuk saluran besar (Chow, 1959)... IV-14 Tabel V.1. Perbandingan luas sub das existing dan pemodelan... V-23 Tabel V.2. Nilai-nilai koefisien lahan yang dipakai... V-24 ix

12 Daftar Lampiran LAMPIRAN A LAMPIRAN B LAMPIRAN C LAMPIRAN D Contoh Program Topografi dan Arah Aliran (Untuk Sub Das Cimahi) Contoh Program Saving Data Program Perhitungan Debit Nanjung Kalibrasi dan Verifikasi I Program Perhitungan Debit Nanjung Kalibrasi dan Verifikasi II x