Pemodelan Sistem Kendali Irigasi Drip Untuk Budidaya Tanaman Kedelai Berbasis Analisis Evapotranspirasi Penman Monteith

Transkripsi

1 Pemodelan Sistem Kendali Irigasi Drip Untuk Budidaya Tanaman Kedelai Berbasis Analisis Evapotranspirasi Penman Monteith Susilo Adi Widyanto 1,a *, Achmad Hidayatno 2,a, Sahid 3,c, Romansyah 1,d 1 Jurusan Teknik Mesin, Universitas Diponegoro 2 Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro 3 Jurusan Konversi Energi, Politeknik Negeri Semarang Jln. Prof. Sudarto, SH, Tembalang, Semarang, Indonesia a susilo70@yahoo.com, b achmadhidayatno@undip.ac.id, c sahid@gmail.com, romansyah@gmail.com Abstrak Perubahan iklim yang semakin ekstrim ditandai dengan kenaikan temperatur bumi dan ketidak-teraturan musim yang berdampak pada penurunan produktivitas sektor pertanian. Pada sisi yang lain, beban demografi terus bertambah sedangkan lahan pertanian semakin menyusut. Oleh karena itu pemanfaatan teknologi dalam sektor pertanian merupakan hal yang segera dilakukan untuk meningkatkan kualitas dan produktivitas bahan pangan. Paper ini mengusulkan suatu metode penghitungan kebutuhan air irigasi pada satu musim panen untuk tanaman kedelai yang dimodelkan dalam bentuk sistem kendali irigasi sehingga dapat menghemat penggunaan air irigasi. Model yang dikembangkan didasarkan pada persamaan Penman Monteith untuk menghitung evapotranspirasi referensi dengan menggunakan parameter temperatur, kelembaban, kecepatan angin dan radiasi netto. Sebagai tahap awal, perhitungan kebutuhan air dilakukan secara manual untuk menentukan pengaruh setiap parameter masukan terhadap proses evapotranspirasi. Selanjutnya hasil perhitungan tersebut akan digunakan untuk memvalidasi pemodelan sistem kendali yang menggunakan Matlab-Simulink. Dengan menggunakan data hasil pengukuran cuaca selama 24 jam, model yang dikembangkan akan digunakan untuk mengestimasi kondisi evapotranspirasi lokasi yang akan digunakan sebagai pilot project budidaya tanaman kedelai sehingga dapat ditentukan kebutuhan air irigasinya pada satu musim panen. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa pada tempratur 22 o C dan kelembaban 83%, evapotranspirasi menurun pada kenaikan kecepatan angin, sedangkan pada temperatur 39 kelembaban 45%, kecepatan angin mendorong terjadinya proses evapotranspirasi. Dari hasil pemodelan menunjukkan bahwa proses evapotranspirasi maksimum terjadi pada siang hari antara pukul s/d WIB pada harga 2,2 mm/jam dan evapotranspirasi minimum terjadi pada pukul s/d pada harga 0,1 mm/jam. Kata Kunci: PENMAN MONTEITH, EVAPOTRANSPIRASI, BUDIDAYA TANAMAN, KEDELAI, RADIASI NETTO. Pendahuluan Pangan merupakan kebutuhan dasar bagi kehidupan sehingga ketersediannya mutlak diperlukan sepanjang masa. Kebutuhan akan pangan juga terus meningkat seiring dengan pertumbuhan jumlah penduduk. Namun pada sisi yang lain, daya dukung alam semakin menurun akibat eksploitasi yang semakin tidak terkendali. Perubahan iklim juga menunjukkan pola yang semakin ekstrim yang berdampak pada pola ketidakteraturan musim, kenaikan temperatur bumi dan ketidak-seimbangan daya dukung alam. Sementara, lahan pertanian terus menyusut, akibat alih fungsi lahan. Berdasarkan data dari Badan Pusat Statistik (BPS) pada tahun 2010 saja penyusutan lahan panen padi

2 nasional mencapai 12,63 ribu hektar atau sekitar 0,1% total luas lahan [1]. Perluasan lahan budidaya memiliki kendala yang besar, sekalipun kekurangan bahan pangan dalam negeri terus menghantui yang secara langsung berdampak pada kenaikan harganya. Seperti halnya bahan pangan kedelai, jumlah lahan kedelai yang dimiliki Indonesia hingga akhir tahun 2013 hanya sekitar hektar dengan jumlah produksi per tahunnya hanya mencapai ribu ton. Hal tersebut sangatlah kurang dibandingkan dengan kebutuhan kedelai per tahunnya yang mencapai 2,2 juta hingga 2,3 juta ton. Sehingga sisanya sebanyak 1,4 juta hingga 1,5 juta ton kedelai harus dipasok dari impor yang sebagian besar berasal dari Amerika Serikat dan Brasil [2]. Selain diperlukan perbaikan tata aturan penggunaan lahan, tindakan nyata untuk meningkatkan kualitas dan produktivitas produk pertanian mendesak diperlukan. Untuk mengatasi persoalan tersebut, penerapan sistem otomasi pertanian merupakan salah satu usaha yang sangat penting untuk dipertimbangkan. Penerapan sistem irigasi terotomasi yang mampu menghemat air dan melipat-gandakan produktivitas panen merupakan usaha awal yang dapat segera dilakukan. Dengan teknologi ini lahan-lahan tidak produktif yang ada dapat dimanfaatkan dan keberhasilan panen tidak lagi tergantung pada musim yang semakin acak. Dari pengembangan sistem irigasi terotomasi, berbagai prosedur lanjutan untuk pengelolaan budidaya tanaman produksi dapat diintegrasikan ke dalamnya sehingga penelitian ini merupakan awal dalam pengembangan sistem pertanian terotomasi. Mempertimbangkan kondisi tersebut, penelitian ini mengusulkan pengembangan sistem kendali irigasi terotomasi berdasarkan analisis evapotranspirasi, dimana sistem irigasi tersebut mengacu pada analisis kesetimbangan air dalam tanah daerah akar[3] yang secara dominan ditentukan oleh proses evaporasi oleh tanah dan transpirasi oleh tanaman. Proses evapotranspirasi berkaitan erat dengan kondisi cuaca yang mencakup temperatur udara, kelembaban udara, net radiation dan kecepatan angin. Beberapa Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) parameter lainnya yang juga digunakan untuk pengendalian air irigasi adalah karakterisk tanah, karakteristik tanaman dan kondisi hujan. Dari berbagai metode, irigasi drip merupakan cara yang paling efisien dimana air dialirkan secara lambat kedalam tanah yang berlokasi didekat tanaman. Hanya daerah sekitar akar tanaman yang dibasahi oleh metode irigasi drip [4]. Penerapan sistem irigasi terotomasi harus mempertimbangkan topografi dan sumber air. Pengembangan sistem irigasi cerdas yang diterapkan pada pertanian pasir telah dilakukan oleh Michael dkk. Faktor penting metode ini adalah proses penjadwalan yang didasarkan pada perhitungan kesetimbangan air tanaman [3]. Secara teoritis, konsusi air dari suatu areal pertanian adalah proporsional dengan kandungan air yang hilang yang disebabkan oleh evaporasi tanah dan transpirasi tanaman yang umum disebut dengan evapotranspirasi[5]. Evapotranspirasi referensi (ETo) didefinisikan sebagai air yang diperlukan untuk mencukupi kebutuhan tanaman rumput dengan ketinggian 3-6 inch yang tumbuh menutupi tanah. ETo dapat dihitung dengan persamaan Penman Monteith seperti dinyatakan dalam Persamaan 1 berikut ini [6],[7]. = 0,404 ( ) + ( ) / [ + (1 + 0,34 )]...(1) dimana : ET 0 = evapotranspirasi referensi [mm/hari], = net radiation [MJ /(m 2 hari)], G = soil heat flux density [MJ /(m 2 hari)], T = tmpratur rata-rata harian pada ketinggian 2m [ C], = kecepatan angin pada ketinggian 2m [m/det], = tekanan upa jenuh [kpa], = tekanan uap aktual [kpa], = (T)= saturation vapor pressure deficit [kpa], D = slope kurva tekanan uap [kpa C-1], g = konstanta psikosometrik [kpa/ C ], P = tekanan [kpa], z = elevasi dari permukaan laut [m], e (T) = tekanan uap jenuh pada T [kpa], λ = kalor laten penguapan, 2.45 [MJ/ kg], Cp = kalor spesifik, 1,013x10-3 [MJ/ kg C], ε =

3 rasio berat molekul uap air/udara kering = 0,622 Dalam aplikasi proses pengendalian, untuk menghasilkan kondisi tumbuh optimal, respon sistem kendali yang berupa volume air irigasi tidak mungkin dilakukan dalam periode harian. Oleh karena itu modifikasi persamaan Penman Monteith perlu dilakukan, sehingga kondisi evapotranspirasi dapat diestimasi dalam periode yang dibutuhkan. Karena pertimbangan pendistribusian air irigasi, maka modifikasi persamaan Penman Monteith dilakukan untuk menentukan kondisi evapotranspirasi tiap jam, sehingga Persamaan tersebut menjadi [6]: =, ( ) ( ( ) )...(2) (, ) Secara praktis, untuk menentukan volume air yang harus diberikan ke lokasi budidaya, harga ETo hasil perhitungan harus dikalikan dengan Koefisien Tanaman ( crop coefficient- Kc) dan metode irigasi yang diterapkan (untuk irigasi drip, fw = 0,4) seperti dinyatakan dalam Persamaan 3 [6]. ETc = ETo. Kc. fw....(3) Pada suatu tanaman budidaya, nilai Kc brvariasi tergantung pada tahapan pertumbuhannya. Secara umum tahapan tersebut dibedakan kedalam tahap awal (Kc ini), tahapan pertumbuhan tengah (Kc mid) dan tahap pertumbuhan akhir (Kc end). Berdasarkan data literatur, tanaman kedelai memiliki harga Kc ini, Kc mid dan Kc end adalah sebesar 1,65; 1,15 dan 0,65[6]. Metode Penelitian Pemodelan proses evapotranspirasi Penman Monteith per jam dilakukan dengan menggunakan Matlab-Simulink. Sebelum dimodelkan evapotranspirasi Penman Monteith dihitung dengan menggunakan Excel. Dengan prosedur yang dibuat, pengaruh masing-masing parameter masukan terhadap kondisi evapotranspirasi ditentukan. Hal ini penting diketahui dalam proses desain sistem pengukuran maupun sistem pengendalian. Hasil yang diperoleh juga Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) digunakan untuk memverifikasi hasil pemodelan. Pada Pemodelan tahap awal, nilai masukan yang diberikan berupa harga yang konstan dan hasilnya dibandingkan dengan hasil perhitungan Excel. Pada pemodelan berikutnya, parameter masukan yang berupa temperatur, kelembaban dan kecepatan angin menggunakan sinyal kontinyu. Dengan menggunakan data hasil pengukuran cuaca selama 24 jam, pemodelan tersebut akan digunakan untuk menentukan pola evapotranspirasi di lokasi yang nantinya akan digunakan sebagai pilot project penerapan sistem irigasi terotomasi. Hasil dan Pembahasan Persamaan Penman Monteith merupakan suatu persamaan untuk menghitung proses evapotranspirasi referensi (ETo) suatu tanaman. Mengacu pada Persamaan 1 di atas, perhitungan ETo mengikuti prosedur perhitungan sebagai berikut: o Data parameter masukan (temp maks (T max), temp min (T min), kelembaban maks (RH max), kelembaban min (RH min), kec angin rata-rata (u 2), lama penyinaran matahari aktual (n)) o Perhitungan tekanan udara sebagai fungsi ketinggian lokasi dari permukaan laut (P fungsi dari elevasi) o Psychrometric constant (Ϫ). o Menghitung slope of saturation vapour pressure curve pada temperature T (Δ) o Menghitung vapour pressure deficit (es-ea) o Menghitung net radiation (Rn) o Menentukan nilai soil heat flux (G) o Menghitung Grass reference evapotranspiration (ETo) Dengan menggunakan harga-harga parameter masukan seperti dinyatakan dalam Tabel 1, maka harga ETo yang terjadi adalah 4,72 mm/hari. Volume air yang diuapkan melalui proses evaporasi dan transpirasi sama dengan harga ETo dikalikan dengan luas lahan yang ditinjau.

4 Tabel 1. Prosedur Perhitungan ETo harian PARAMETER NILAI SATUAN Temperatur maks (Tmax) 40 C Temperatur min (Tmin) 21,83 C Kelembaban maks (RHmax) 84,5 % Kelembaban min (RHmin) 43 % Waktu penyinaran matahari (n) 9,250 jam Kecepatan angin 2,780 m/det Tekanan udara 98,958 kpa ETo harian 4,7168 mm/hari Mengacu pada Persamaan Penman Monteith yang dimodifikasi, perhitungan ETo per jam dapat dihitung dengan prosedur yang sama dengan perhitungan ETo harian Hasil yang diperoleh seperti ditunjukkan dalam Tabel 2. Dari hasil perhitungan ETo harian dengan menggunakan formula Penman Monteith standar, harga ETo = 4,716 mm/hari. Bila dibandingkan dengan hasil penjumlahan harga ETo perjam selama 24 jam, harga ETo harian sangatlah kecil. Penjumlahan harga ETo per jam tersebut mencapai 15,14 mm/hari. Perbedaan nilai yang begitu besar diakibatkan oleh berfluktuasinya kecepatan angin, sedangkan pada temperatur tinggi pengaruh kecepatan angin dominan terhadap harga ETo. Kondisi fluktuasi kecepatan angin tersebut tidak dapat diwakili dengan kecepatan angin rata-rata harian yang nilainya sangat kecil dibandingkan kondisi riilnya. Dari hasil perhitungan ini dapat ditarik kesimpulan bahwa error dapat diminimalkan dengan memperkecil waktu sampling pengambilan data cuaca sekaligus digunakan untuk menghitung ETo. Dengan mensimulasikan parameter masukkannya yang berupa variasi temperaturkelembaban dan kecepatan angin, maka pengaruh masing-masing parameter masukan dapat ditentukan. Gambar 1menunjukkan pengaruh kecepatan angin terhadap kondisi evapotranspirasi. Kurva tersebut menunjukkan bahwa pada temperatur tinggi (siang hari) peningkatan kecepatan angin berkonstribusi positif pada evapotranspirasi, dan sebaliknya pada temperatur rendah (tengah malam hari), kenaikan kecepatan angin berkonstribusi negatif pada evapotranspirasi. Tabel 2. Prosedur Perhitungan ETo per Jam PARAMETER NILAI SATUAN Tekanan udara (P) 98,958 kpa Elevasi 200 m Temperatur (T) 22 o C Kelembaban (RH) 82 % Kecepatan angin (u2) 0 m/det ETo per jam 0,22 mm/jam Gambar 1. Pengaruh kecepatan angin pada kondisi evapotranspirasi referensi (ETo). Dengan memvariasikan temperaturkelembaban, kondisi evapotranspirasi pada berbagai kecepatan angin ditunjukkan dalam Gambar 2. Pada temperatur sekitar 21 o C, evapotranspirasi maksimum terjadi pada berbagai kecepatan angin. Evapotranspirasi terus turun dan bernilai minimum pada temperatur 24 o C, dan terus mingkat sebanding dengan kenaikan temperatur (turunnya kelembaban). Gambar 2. Pengaruh temperatur-kelembaban pada kondisi evapotranspirasi.

5 3.3 Pemodelan Pengandalian Dengan Matlab-Simulink Pemodelan kondisi evapotranspirasi Penman Monteith dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Matlab- data Simulink. Dengan menggunakan masukan berupa data hasil pengukuran cuaca dalam siklus 24 jam, pola ETo dapat dilihat. Data hasil pengukuran dimasukkan kedalam Table lookup seperti ditunjukkan dalam Gambar 3, sedangkan Gambar 4 menunjukkan diagram blok pemodelan evapotranspirasi Penman Monteith dengan Matlab-Simulink. Gambar 4. Diagram pemodelan proses evapotranspirasi referensi (ETo) dengan Matlab-Simulink. Contoh data hasil pengukuran cuaca yang digunakan sebagai dataa masukan pemodelan seperti ditunjukkan dalam Gambar 5. Sedangkan Pola ETo yang dihitung dengan Excel dan hasil pemodelan ditunjukkan dalam Gambar 6a dan 6b. Keduanya menunjukkan hasil yang identik. ETo maksimum dan minimum terjadi pada pukul dengan nilai 2,2 mm/jam dan pukul dengan nilai 0,23 mm/jam. (a) Gambar 3. Data hasil pengukuran cuaca dimasukkan ke dalam table lookup untuk memodelkan proses evapotranspirasi referensi (ETo). (b) (c) Gambar 5. Hasil pengukuran cuaca tanggal Juni 2015, a. Temperatur, b. Kelembaban, c. Kecepatan angin.

6 pyranometer Input parameter masukan POWER BANK DRIVER SOLENOID VALVE (a) Gambar 7. Desain sistem kendali irigasi berbasis analisis evapotranspiirasi Penman Monteith. Ucapan Terima Kasih Ucapan terima kasih ditujukan kepada Program Riset Insentif Sinas 2015 dari Kementrian Riset dan Teknologi yang telah mendukung penelitiann ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Vighornes atas bantuannya dalam melakukan penelitian di Lavoratorium Proses Produksi dan Otomasi UNDIP. (b) Gambar 6 a. Pola ETo hasil perhitungan dengan Excel dalam siklus 24 jam hasil pengukuran, b. Pola evapotranspirasi dalam siklus 24 jam berdasarkan dataa pengukuran cuaca tanggal Juni 2015 hasil pemodelan dengan Matlab-Simulink. Hasil pemodelan ini selanjutnya akan digunakan sebagai dasar untuk proses desain sistem kendali mandiri berbasis mikrokontroler. Parameter masukan akan digantikan dengan sinyal yang dihasilkan oleh sensor, sedangkan prosedur perhitungan yang telah dimodelkan akan dimasukkan kedalam sistem program tertanam ( embeded programming). Diagram blok sistem kendali mandiri seperti ditunjukkan dalam Gambar 7. Kesimpulan Hasil penelitian menunjukkan pada kondisi panas (temperatur tinggi -kelembaban rendah) kecepatan angin mempercepat proses evapotranspirasi, sedangkan pada kondisi dingin (temperatur rendah-kelembaban tinggi) kecepatan angin berkontribusi pada penurunan proses evapotranspirasi. Karena kondisi kecepatan angin yang berfluktuasi, analisis proses evapotranspirasi dengan persamaan Penman Monteith harian jauh lebih rendah dibandingkan dengan analisis evapotranspirasi per jam. Oleh karena itu untuk meminimalisir error, analisis evapotranspirasi per jam cenderung dipilih dengan waktu sampling pengambilan data cuaca yang diperpendek. Referensi [1] Media Indonesia, 2 Juli 2010 [2] Detik finance, 04/03/2014 [3] D. Michael, L. Mary, Shedd, S.L. Davis, Smart Irrigation Controllers: Operation of Evapotranspiration-Based Controllers, University of Florida, Report number: AE

7 [4] C. Brouwer, K. Prins, M. Kay. M. Heibloem, Irrigation Water Management: Irrigation Methods, FAO - Food and Agriculture Organization of The United Nations, [5] P. Brown, Turf Irrigation Management Series I, The University of Arizona College of Agriculture, [6] R.G. Allen, L.S. Pereira, D. Raes, M. Smith Crop Evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements, FAO Irrigation and Drainage Paper 56, Rome, [7] L. Zotarelli, M.D. Dukes, C.C. Romero, K.W. Migliaccio and K.T. Morgan, Step by Step Calculation of the Penman- Monteith Evapotranspiration (FAO-56 Method), University of Florida, Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)