Prediksi Sebaran Suhu dari Air Buangan Sistem Air Pendingin PT. Badak NGL di Perairan Bontang Menggunakan Model Numerik

Transkripsi

1 ILMU KELAUTAN Desember 010 Vl. 15 (4) ISSN Prediksi Sebaran Suhu dari Air Buangan Sistem Air Pendingin PT. Badak NGL di Perairan Bntang Menggunakan Mdel Numerik 1*) ) ) ) ) Kasman, I Wayan Nurjaya, Ari Damar, Ismudi Muchsin, dan Zaenal Arifin 1* Prgram Dktr PS. Pengellaan Sumberdaya Pesisir dan Lautan Seklah Pascasarjana Institut Pertanian Bgr, Cp ; mandary4@yah.cm Prgram Studi Pengellaan Sumberdaya Pesisir dan Lautan Seklah Pascasarjana Institut Pertanian Bgr Abstrak Tingginya suhu buangan air pendingin PT. Badak NGL yang dilepas ke Perairan Bntang menyebabkan terganggunya berbagai sumberdaya pesisir yang ada disekitarnya. Karena itu perlu diketahui pla sebaran suhu agar dampak yang mungkin timbul dapat diminimalkan. Penelitian ini bertujuan untuk memprediksi pla sebaran suhu dari buangan air pendingin PT. Badak NGL di Perairan Bntang, Kalimantan Timur. Prediksi dilakukan dengan menggunakan mdel hidrdinamika dan transpr suhu 3-D yang dimdifikasi dari mdel POM (Princetn Ocean Mdel). Gaya pembangkit yang digunakan dalam mdel adalah pasang surut, debit buangan air pendingin dan debit sungai. Pemilihan langkah waktu (t)=0,5 detik, dengan 118 grid (barat-timur) dan 187 grid (utara-selatan), ukuran grid Δx=Δy=30 m. Nilai awal : u=v=ζ=0, T 0 = 8 C dan S 0 = 3. Verifikasi elevasi dan suhu antara hasil mdel dengan hasil pengukuran menunjukkan kesesuaian yang baik dengan nilai krelasi 0,97 dan Kesalahan Relatif Rata-rata (Mean Relative Errr/MRE) 1,31% untuk verifikasi elevasi, krelasi 0,90 dan MRE 5,17% untuk verifikasi suhu permukaan pada saat bulan purnama serta krelasi 0,87 dan MRE 7,1% saat bulan perbani. Hasil simulasi menunjukkan perbedaan pla sebaran suhu permukaan paling ekstrim ditemukan pada saat purnama untuk kndisi cuplik pasang maksimum dan surut maksimum. Perbedaan terutama terlihat pada Stasiun 8 (Muara Kanal Pendingin) yakni 41 C saat surut maksimum dan 35 C saat pasang maksimum (ΔT=6 C). Adapun perbedaan suhu antara lapisan atas dan lapisan bawah yang cukup besar ditemukan di Stasiun C yakni sekitar,54 C untuk skenari musim kemarau dan,3 C untuk skenari musim hujan. Kata kunci : POM, buangan air pendingin, sebaran suhu, debit sungai, mdel numerik, Perairan Bntang Abstract High temperature f cling water discharge f PT. Badak NGL that released t Bntang waters caused disturbances t the castal resurces in its surrunding. Therefre, it is urgent t understand the pattern f thermal dispersin in rder t minimize the pssible impacts ccurred. This research was aimed t predict the pattern f thermal dispersin frm cling water discharge f PT. Badak NGL in Bntang waters, East Kalimantan. Predictin was dne using hydrdynamic mdel and 3-D thermal transprt mdified frm POM (Princetn Ocean Mdel). Driving frces used in this mdel were tides, flws f cling water discharge and rivers discharge. Chice f time step (t)=0.5 secnd, with 118 grids (west-east) and 187 grids (nrth-suth), grid size Δx=Δy=30 m. Initial value : u=v=ζ=0, T 0 = 8 C and S 0 = 3. Verificatin f elevatin and temperature between results f mdels and direct measurement shwed a gd suitability with crrelatin value was 0.97 and Mean Relative Errr (MRE) 1.31% fr elevatin verificatin, crrelatin 0.90 MRE 5.17% and crrelatin 0.87 MRE 7.1% fr thermal verificatin during spring and neap tides, respectively. Results f simulatin revealed the mst extreme difference in pattern f surface thermal dispersin that fund during spring tide fr sampling cnditin f maximum tide and ebb. Distinct difference was especially fund at statin 8 (Mixing Pint) i.e. 41 C during maximum ebb and 35 C during maximum high tide. Whereas, significantly high thermal difference between upper layer and bttm layer was fund at statin C i.e. arund.54 C fr dry seasn scenari and.3 C fr wet seasn scenari. Key wrds: POM, cling-water discharge, thermal dispersin, rivers discharge, numerical mdel, Bntang waters *) Crrespnding authr Ilmu Kelautan, UNDIP Diterima/Received: Disetujui/Accepted:

2 ILMU KELAUTAN Desember 010 Vl. 15 (4) Pendahuluan Studi tentang buangan air pendingin (cling water discharge) dari sistem air pendingin industri dengan menggunakan integrasi mdel hidrdinamika dan mdel dispersi thermal 3-dimensi telah mampu mensimulasi keadaan stratifikasi perairan dan menjelaskan distribusi kenaikan suhu secara tempral dan spasial (Maderich et al., 008; Shahidi et al., 010) serta telah digunakan untuk menilai dampak eknmi yang ditimbulkan leh meningkatnya suhu perairan akibat aktifitas industri (Abbaspur et al., 005). Mdel juga dapat menjelaskan prses dinamik selama peride bservasi lapangan dengan simulasi dan dapat memprediksi dampak berdasarkan berbagai skenari hiptetis kndisi alam (Hamrick & Mills, 000; Wu et al., 001). Karena itu mdel adalah suatu alat yang wajib bagi perusahaan untuk mendapatkan surat izin perasinal perusahaan melalui studi penilaian dampak buangan limbah air pendingin yang berhubungan dengan dibebaskannya panas ke lingkungan terutama pada air permukaan (Maderich et al., 008; Yu & Li, 009). Buangan air pendingin untuk beberapa train (kilang) yang berperasi di PT. Badak NGL menunjukkan debit yang cukup besar dengan suhu 3 yang tinggi yakni train A-F sebesar m /jam, 3 train G sekitar m /jam, train H sebesar m /jam dengan perbedaan suhu mencapai 15 C di atas suhu alami (Pertamina, 003). Tingginya suhu buangan air pendingin tersebut telah mengganggu keberlangsungan hidup, pertumbuhan dan reprduksi rganisme akuatik seperti terumbu karang, lamun, mangrve dan ikan (Pertamina, 003) akibat meningkatnya laju metablisme rganisme dan berkurangnya knsentrasi ksigen terlarut (Prnima et al., 005; Saravanan et al., 008; Chuang et al., 009). Terkait dengan permasalahan yang timbul, penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pla sebaran suhu di sekitar buangan (utfall) air pendingin PT. Badak NGL. Studi ini mengikuti prinsip Numerical Ocean Mdel yang dikembangkan leh Mellr (003) yaitu penyelesaian numerik dengan menggunakan persamaan primitif 3 dimensi mdel POM atau dikenal sebagai Princetn Ocean Mdel. Mdel ini telah digunakan secara luas dalam mempelajari daerah pesisir dan laut karena akurat dan efisien (Aki & Isbe, 007). 1 PT. BADAK NGL Kalimantan Timur Lintang Utara (derajat) D A R A T A N s1 s Selat Makassar s3 s5 s4 Bujur Timur (derajat) Gambar 1. Lkasi penelitian Keterangan : 1. Stasiun pengukuran suhu permukaan (Stasiun 1-15), suhu kedalaman (Stasiun 8) dan pasang surut laut (Stasiun 1).. Titik utfall (Stasiun 1 dan ), muara sungai (s1-s5). 195

3 ILMU KELAUTAN Desember 010 Vl. 15 (4) Materi dan Metde Penelitian ini dilakukan di Perairan Bntang, Kta Bntang, Prvinsi Kalimantan Timur, dengan batas wilayah administrasi berada pada psisi antara 0º01'1-0º14' LU dan 117º3'-117º38' BT. Pengukuran dan pengumpulan data yang diperlukan dilakukan sejak tanggal 13 September 11 Oktber 008. Pasang surut diukur dengan mistar pasut selama 9 hari dan dicatat setiap jam, suhu kedalaman diukur selama hari dengan CTD SBE19, sementara suhu permukaan dengan SCT meter. Adapun data batimetri, debit buangan air pendingin dan debit air sungai diperleh dari data primer dan data sekunder. Stasiun pengukuran pasut, suhu permukaan dan suhu kedalaman serta psisi sungai dan buangan air pendingin dapat dilihat pada Gambar 1 dan. Batas lintang dan bujur daerah mdel adalah ' LU ' LU dan 117 ' BT ' BT. Peta batimetri dan daerah mdel dapat dilihat pada Gambar 1b. Luas wilayah studi adalah sekitar 1800 ha, di mana untuk arah utara-selatan sekitar 6 km dan arah barattimur sekitar 3 km. Persamaan-persamaan dasar Di dalam mdel POM dilakukan transfrmasi persamaan pengatur dalam arah vertikal dari sistem krdinat kartesian ke krdinat- untuk mendapatkan hasil simulasi yang lebih baik dengan mengikuti bentuk tpgrafi dasar perairan (Mellr, 1998). Transfrmasi yang digunakan adalah: z -h x * = x; y* = y; s =, t* = t H + h Di mana x, y, z adalah krdinat kartesian; D = H + h adalah kedalaman ttal dengan H (x,y) adalah tpgrafi dasar dan (x,y,t) adalah elevasi permukaan air. Persamaan kntinuitas : VD UVD V D Vw fud + t x y s r g h gd gd + y r = 0 Persamaan transpr suhu : TD TUD TVD Tw é K H T ù R = + FT - t x y s s ê ë D s ú û z Dimana U dan V adalah kmpnen kecepatan arus untuk arah x dan y; w kecepatan vertikal dalam krdinat- ; t waktu; f parameter Crilis; g percepatan gravitasi; h elevasi permukaan air; r densitas referensi air; r nilai fluktuasi dari densitas air; K M visksitas eddy vertikal; F x dan F y suku difusi dan visksitas hrisntal dalam arah x dan y; T suhu; S salinitas; K kefisien difusivitas eddy vertikal untuk H temperatur dan salinitas; F T dan FS suku difusi dan visksitas hrisntal untuk suhu dan salinitas. Desain seimulasi Mdel 0 P - z ò s é r s D r ù é K M V ù ê - d = + Fy y D y ú s ê D ú ë s û s ë s û Pe n e l i t i a n i n i m e n g g u n a k a n m d e l hidrdinamika dan transpr suhu 3-dimensi untuk melihat sebaran suhu baik hrizntal maupun vertikal. Lintang Utara (derajat) Daratan PT. BADAK NGL A B C D E F Selat Makassar DU x DV + y w + s h + t = 0 Persamaan gerak dalam arah x,y, dan z : UD U D UVD Uw fvd + t x y s h gd gd + x r 0 0 ò s é r s D r ù é K M ê - d = x D x ú s ê ë s û s ë D U ù ú + Fx s û Bujur Timur (derajat) Gambar. Kntur batimetri (meter) dan titik cuplik hasil mdel untuk struktur vertikal suhu 196

4 rata - rata ( ) ILMU KELAUTAN Desember 010 Vl. 15 (4) Gaya pembangkit yang digunakan adalah elevasi muka laut, debit buangan air pendingin dan debit air sungai, dengan langkah waktu t = 0,5 detik, dibagi dalam 4 lapisan (layer) arah vertikal, 118 grid (barat-timur), 187 grid (utara-selatan), ukuran grid Δx=Δy=30 m dengan sistem kisi Arakawa C pada kisi hrizntal untuk meningkatkan stabilitas. Nilai awal : u=v=ζ=0, T 0 (T alami) = 8 C dan S 0 = 3. Pada batas darat digunakan syarat batas tertutup dimana kecepatan yang datang tegak lurus pantai sama dengan nl, sedangkan pada batas terbuka digunakan syarat batas radiasi Smmerfeld berdasarkan teknik penjalaran gelmbang yang dapat direpresentasikan leh persamaan adveksi berikut, dimana merupakan kecepatan arus atau elevasi permukaan air, dan c adalah kecepatan adveksi dan kecepatan fasa. Adapun skenari mdel sebagai berikut : pertama, simulasi dengan inputan data pasut, dilakukan selama 30 hari dengan menggunakan input pasut yang diperleh dari ramalan pasut ORI TIDE. Selanjutnya utput mdel diverifikasi dengan data hasil bservasi. Kedua, simulasi selama 30 hari dilakukan dengan input pasut ORI TIDE bulan Oktber 008, debit buangan air pendingin dan limpasan air sungai dengan pendekatan debit sungai pada musim hujan. Ketiga, skenari dibuat sama dengan skenari kedua dengan pendekatan debit sungai pada musim kemarau dan input pasut ORI TIDE bulan Maret 009. Data debit sungai dan debit buangan air pendingin (utfall) yang digunakan sebagai gaya pembangkit mdel diberikan dalam Tabel 1. Hasil dan Pembahasan Verifikasi elevasi pasang surut Hasil verifikasi untuk elevasi pasang surut menunjukkan bahwa elevasi hasil simulasi mempunyai kesesuaian yang baik dengan elevasi hasil pengukuran, di mana nilai krelasi 0,97 dan Kesalahan Relatif Rata-rata (Mean Relative Errr/MRE) 1.3% dengan persamaan regresi y = 0.9x Perbedaan antara hasil simulasi dan hasil bservasi kemungkinan disebabkan leh keterbatasan data batimetri, tidak dimasukkannya angin sebagai gaya pembangkit (driving frce) dalam mdel, atau karena keterbatasan mdel yang digunakan. Hasil verifikasi elevasi pasang surut antara hasil mdel dan data lapangan disajikan dalam Gambar di bawah. Verifikasi suhu arah hrizntal Verifikasi suhu permukaan hasil mdel dengan hasil pengamatan untuk kndisi pasut purnama dan perbani menunjukkan kedekatan yang baik, di mana nilai krelasi sebesar 0,90 dan MRE 5,17% serta 0,87 dan MRE 7,1% dengan persamaan regresi y = 0,851x+5,170 dan y = 1,391x 15, masing-masing untuk pasut purnama dan perbani. Gambar 3 menunjukkan verifikasi suhu permukaan untuk kndisi pasut purnama pada beberapa stasiun pengamatan. Perbedaan antara hasil simulasi dan hasil bservasi disebabkan leh faktr teknis yakni sulitnya menyamakan antara waktu cuplik mdel dengan pangambilan data lapangan. Verifikasi suhu arah vertikal Verifikasi hasil simulasi suhu arah vertikal dilakukan terhadap data hasil pengukuran selama hari (48 jam) di stasiun 8 (Gambar 4) pada kedalaman 6 m. Hasil verifikasi menunjukkan adanya kesesuaian yang baik antara suhu hasil simulasi dan suhu hasil bservasi baik pada lapisan permukaan maupun pada lapisan bawah, di mana untuk layer-1 krelasi 0,83, MRE 1,56%; layer- krelasi 0,79, MRE,08; layer-3 krelasi 0,73, MRE,36; dan layer-4 krelasi 0,71, MRE,94%. Persamaan regresi untuk layer-1,, 3 dan 4 masing-masing adalah y = 1,007x 0,613, y = 0,70x + 10,68, y = 0,877x+4,568 dan y = 0,666x+11,68. Perbedaan nilai krelasi untuk tiap kedalaman kemungkinan disebabkan leh Tabel 1. Suhu, salinitas dan debit buangan air pendingin dan beberapa sungai pada musim hujan dan musim kemarau Musim Hujan Musim Kemarau Stasiun 1 s1 s s3 s4 s5 Muara Sungai Outfall 1 Outfall Sekangat Muara Sekambing Baltim Nyerakat Selangan Suhu ( C) Salinitas Debit (m 3 /det) Suhu ( C) Salinitas ( ) Debit (m 3 /det)

5 ILMU KELAUTAN Desember 010 Vl. 15 (4) keterbatasan data input batimetri atau input data debit buangan air pendingin. Dalam tulisan ini hanya ditunjukkan hasil verifikasi layer- mdel (kedalaman m) sebagaimana terlihat dalam Gambar 4. Hasil pengukuran menunjukkan adanya perbedaan suhu sampai 6 C pada Stasiun 8. Hal ini disebabkan leh pengaruh pasang surut, di mana ketika air surut maka massa air panas bergerak ke stasiun ini yang menyebabkan suhu perairan tinggi, sebaliknya jika air pasang, massa air dari laut akan dminan mempengaruhi suhu di stasiun ini. Struktur vertikal suhu untuk kndisi pasut perbani Musim kemarau. Hasil simulasi menunjukkan adanya perbedaan suhu permukaan dengan suhu lapisan bawah. Pada Stasiun A dan B terbentuk lapisan hmgen dengan suhu sebesar 44 C pada Stasiun A dan 41,57 C pada Stasiun B. Stasiun C sampai F menunjukkan terbentuknya lapisan terstratifikasi dengan suhu lapisan atas lebih tinggi daripada lapisan bawah. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan leh Wu et al. (001). Perbedaan suhu secara vertikal di muara kanal (Stasiun C) menunjukkan adanya variasi suhu yang cukup besar yakni sekitar,54 C di mana suhu permukaan adalah 37,95 C dan pada lapisan bawah 35,41 C. Perbedaan suhu antara lapisan atas dan lapisan bawah semakin kecil dengan bertambahnya jarak stasiun tersebut dari utfall, yakni 1,6 C, 1,9 C dan 0,6 C berturut-turut untuk Stasiun D, E dan F (Gambar 5). Musim hujan. Sama dengan musim kemarau, pada Stasiun A dan B juga menunjukkan lapisan hmgen dengan suhu sebesar 44 C pada Stasiun A (=musim kemarau) dan 41,48 C pada Stasiun B (<musim kemarau). Perbedaan suhu secara vertikal di muara kanal (Stasiun C) sampai Stasiun F menunjukkan variasi suhu berturut-turut sebesar,3 C (<musim kemarau), 1,44 C (<musim kemarau), 1, C (<musim kemarau), 0.8 C (>musim kemarau) (Gambar 6). Pla sebaran suhu permukaan Untuk mengetahui pla sebaran suhu sepanjang tahun, maka dilakukan simulasi untuk musim hujan dan musim kemarau masing-masing pada saat perbani dan purnama. Selanjutnya hasil simulasi dari keempat kndisi tersebut masing-masing dicuplik pada saat air menuju pasang, pasang maksimum, menuju surut dan surut maksimum. Dengan demikian akan diketahui jika ada perbedaan ekstrim untuk kndisi tersebut. Hasil simulasi menunjukkan adanya perbedaan untuk masing-masing kndisi cuplik terutama pada saat purnama. Hal ini disebabkan adanya perbedaan elevasi muka laut yang cukup besar untuk keempat kndisi cuplik tersebut pada saat purnama. Perbedaan suhu paling ekstrim ditemukan di Muara Kanal Pendingin (mixing pint). Gambar 7a dan b menunjukkan adanya perbedaan pla sebaran suhu untuk kedua kndisi tersebut. Perbedaan ini disebabkan leh pengaruh arus pasut, di mana pada saat air menuju surut, massa air panas dari utfall terbawa leh arus yang bergerak ke laut lepas (Gambar 7a), sedangkan pada saat air pasang massa air dari laut lepas bergerak memasuki klam pendingin (Gambar 7b). Hal simulasi ini sesuai dengan lapran PT. Badak NGL, 008. Kndisi ini menyebabkan sebaran suhu yang tinggi lebih luas pada saat air surut dibanding saat air pasang Gambar. Verifikasi elevasi pasang surut antara hasil mdel dan data hasil pengukuran 198

6 ILMU KELAUTAN Desember 010 Vl. 15 (4) stasiun/jam tanggal pengukuran 3 Oktber 008 simulasi bservasi Gambar 3. Verifikasi elevasi pasang surut antara hasil mdel dan data hasil pengukuran waktu (jam/tanggal) simulasi bservasi Gambar 4. Verifikasi hasil simulasi terhadap hasil bservasi pada layer- (a) (b) (c) (d) (e) (f) Gambar 5. Struktur vertikal suhu pada beberapa stasiun cuplik pada musim kemarau untuk kndisi pasut perbani 199

7 ILMU KELAUTAN Desember 010 Vl. 15 (4) (a) (b) (c) (d) (e) (f) Gambar 6. Struktur vertikal suhu pada beberapa stasiun cuplik pada musim hujan untuk kndisi pasut perbani Gambar 7a. Sebaran suhu (musim kemarau/ perbani/ surut maksimum Gambar 7b. Sebaran suhu (musim kemarau/ purnama/ pasang maksimum Kesimpulan Aplikasi mdel POM di perairan sekitar buangan air pendingin PT. Badak NGL mampu mensimulasi pla sebaran suhu secara spasial dan tempral dengan baik. Pla sebaran dan kenaikan suhu permukaan akibat buangan air pendingin di Perairan Bntang sangat dipengaruhi leh kndisi pasang surut perairan, hal ini terutama terlihat pada Stasiun 8 (Muara Kanal Pendingin) saat pasut purnama, di mana terdapat perbedaan suhu sampai 6 C antara kndisi cuplik pasang maksimum dan surut maksimum. Pla sebaran suhu, pada saat surut massa buangan air pendingin bergerak ke laut lepas, sementara pada saat pasang bergerak ke arah klam pendingin Ucapan Terima Kasih Terima kasih penulis haturkan kepada Direktur Jenderal Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasinal Republik Indnesia yang telah memberikan 00

8 ILMU KELAUTAN Desember 010 Vl. 15 (4) bantuan dana penelitian Disertasi, dan seluruh pihak yang telah membantu peneliti dalam pengumpulan dan analisis data. Terakhir, terima kasih kepada para reviewer atas saran dan masukan terhadap penyempurnaan tulisan ini. Mellr, G.L Users guide fr a three-dimensinal, primitive equatin, numerical cean mdel, Daftar Pustaka Abbaspur, M., Javid, A.H., Mghimi, P & Kayhan, K Mdeling f thermal pllutin in castal area and its ecnmical and envirnmental assessment. Int. J. Envirn. Sci. Tech., (1):13-6. Aki, K., & Isbe, A Applicatin f finite vlume castal cean mdel t hindcasting the windinduced sea-level variatin in Fukuka Bay. J. Oceang, 63: Chuang, Y., Yang, H. & Lin, H Effect f a Thermal discharge frm a nuclear pwer plant n Phytplanktn and Periphytn in Subtrpical Castal Waters. J. Sea Res, 61: Hamrick, J.M. & Mills, WB Analysis f water temperatures in Cnwing pnd as influenced by the peach bttm atmic pwer plant thermal discharge. Envirnmental Sci and Plicy, 3: Li, T., S. Liu, L. Huang, H. Huang, J. Lian, Y. Yan, & Lin, S Diatm t dinflagellate shift in the summer phytplanktn cmmunity in a bay impacted by nuclear pwer plant thermal effluent. Mar. Ecl. Prg. Ser. 44: Maderich, V., Bezhenar, R., Brvchenk, I., Heling, R., Jenner, H.,, Kshebutsky, A.K., & Terletska, K Develpment and applicatin f 3D numerical mdel THREETOX t the predictin f cling water transprt and mixing. Gephysical Res. 9: