MODUL PERHITUNGAN NERACA AIR STUDI KASUS KOTA CIREBON

Transkripsi

1 STUDI KASUS KOTA CIREBON ARIS RINALDI Program Magister Teknik Airtanah Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian (FITB) Institut Teknologi Bandung

2 DAFTAR ISI BAB I Pendahuluan Latar Belakang Maksud dan Tujuan Lokasi Studi Sistematika Penulisan Laporan Deskripsi Daerah Studi Data Klimatologi Data Pendukung Lainnya Metode Pengolahan Data Diagram Alir Perhitungan dan Analisa Evapotranspirasi Data Klimatologi Potensial Evapotranspirasi Perhitungan dan Analisa Neraca Air Limited Evapotranspiration Neraca Air Storm Run Off (in mm/month) Aris Rinaldi

3 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Air merupakan kebutuhan utama manusia, hampir segala aktifitas kehidupan manusia membutuhkan air, sehingga dibutuhkan informasi mengenai potensi air baik air permukaan maupun airtanah yang dapat dimanfaatkan untuk aktifitas sehari-hari seperti air minum, pertanian, perkebunan, perikanan, industri dan lainnya. Informasi tersebut juga bermanfaat untuk meminimalisasi potensi bahaya seperti banjir ataupun longsor. Untuk itu dibutuhkan sebuah analisa mengenai potensi air tersebut yang merupakan bagian dari ilmu hidrogeometeorologi. Hidrogeometeorologi merupakan cabang ilmu meteorlogi yang berhubungan dengan penggunaannya dalam hidrologi. Neraca air atau water balance merupakan bagian dari keilmuan hidrogeometeorologi yang menggambarkan hubungan antara inflow (aliran masuk) dengan outflow (aliran keluar) pada suatu wilayah selama periode tertentu. Dalam perhitungannya, neraca air dapat menggambarkan curah hujan yang tertampung dalam daerah recharge, penguapan kembali sebagai evapotranspirasi, air yang megalir di permukaan sebagai surface direct run off maupun infiltrasi air tanah. Neraca air memegang peranan sangat penting dalam ilmu kerekayasaan terutama rekayasa teknik sipil bidang infrastruktur air seperti irigasi. 1.2 Maksud dan Tujuan Modul ini disusun sebagai pedoman perhitungan neraca air dengan studi kasus neraca air Kota Cirebon, Jawa Barat. Aris Rinaldi

4 1.3 Lokasi Studi Lokasi studi neraca air dalam modul perhitungan ini adalah Kota Cirebon, Jawa Barat. Gambar 1.1 Lokasi Geografis Kota Cirebon Sumber gambar : Google Maps 1.4 Sistematika Penulisan Laporan Sistematika penulisan laopran ini adalah sebagai berikut : Bab I. Pendahuluan Pada bab ini berisi latar belakang, maksud dan tujuan, lokasi studi, dan sistematika penulisan laporan. Bab II. Data Daerah Lokasi Bab ini berisi data daerah lokasi berupa letak geografis, klimatologi dan data lain terkait dengan studi. Bab III. Metode Pengolahan Data Bab ini berisi metoda pengolahan data yang digunakan dalam pengerjaan laporan ini. Aris Rinaldi

5 Bab IV. Perhitungan dan Analisa Hidrogeometeorologi Bab ini berisi representasi perhitungan dan analisa data seperti evapotranspirasi, water surplus, base flow, direct run off dan strorm run off. Bab V. Kesimpulan Bab ini berisikan kesimpulan. Aris Rinaldi

6 BAB II DATA DAERAH LOKASI 2.1 Deskripsi Daerah Studi Secara administratif, Kota Cirebon adalah salah satu kota yang berada di Provinsi Jawa Barat. Secara geografis, Kota Cirebon merupakan salah satu kota yang terletak di pesisir Pulau Jawa dengan koordinat 6 41 S E. Gambar 2.1 Lokasi Geografis Kota Cirebon Sumber gambar : Google Earth Aris Rinaldi

7 2.2 Data Klimatologi Pada tabel 1.1 terlampir data klimatologi Kota Cirebon Tahun 2007 sebagai berikut : Tabel 1.1 Data Klimatologi Cirebon 2007 Bulan RH(%) S(%) t( C) W(km/hari) W(mile/hari) CH(mm) n(hari) Januari 63,710 40,861 28,18 44,839 27, Februari 67,643 26,254 27,54 42,179 26, Maret 66,629 32,731 27,73 37,323 23, April 65,183 43,510 28,35 15,067 9, Mei 61,387 59,777 28,57 56,400 35, Juni 59,533 60,980 28,16 36,433 22, Juli 57,823 77,410 27,65 44,613 27, Agustus 51,790 76,697 28,26 85,419 53, September 50,517 64,388 29,42 84,933 52, Oktober 55,100 58,472 29,85 38,903 24, November 60,567 42,067 28,90 25,633 15, Desember 66,323 38,500 28,20 23,400 14, Tabel 1.2 Koefisien Refleksi, r No Permukaan Koefisien Refleksi [r] 1 Rata-rata permukaan bumi 40% 2 Cairan salju yang jatuh diakhir musim- masih segar 40-85% 3 Spesies tumbuhan padang pasir dengan daun berbulu 30-40% 4 Rumput, tinggi dan kering 31-33% 5 Permukaan padang pasir 24-28% 6 Tumbuhan hijau yang membayangi seluruh tanah 24-27% 7 Tumbuhan muda yang membayangi sebagian tanah 15-24% 8 Hutan musiman 15-20% 9 Hutan yang mengahasilkan buah 10-15% 10 Tanah gundul kering 12-16% 11 Tanah gundul lembab 10-12% 12 Tanah gundul basah 8-10% 13 Pasir, basah - kering 9-18% 14 Air bersih, elevasi matahari 45 5% 15 Air bersih, elevasi matahari 20 14% Aris Rinaldi

8 2.3 Data Pendukung Lainnya Adapun data-data pendukung studi lainnya adalah sebagai berikut : Tabel 1.3 Hubungan Temperature Rata-Rata vs Parameter Evapotranspirasi A,B, dan ea Temperature (ºC) A (mmhg/ F) 0,304 0,342 0,385 0,432 0,484 0,541 0,603 0,671 0,746 0,828 0,917 1,013 B (mmh 2 O/hari) 12,600 12,900 13,300 13,700 14,800 14,500 14,900 15,400 15,800 16,200 16,700 17,1 e a (mmhg) 8,050 9,210 10,500 12,000 13,600 15,500 17,500 19,800 22,400 25,200 28,300 31,8 Tabel 1.4 Nilai Radiasi Matahari pada Permukaan Horizontal Luar Atmosfir (mm/hari) Bulan Jan Peb Mar Apr Mei Jun Jul Agu Sep Okt Nop Des Tahun 5 LU 13,7 14, ,5 14,1 14,2 14,6 14,9 14,6 13,9 13,4 14, , ,2 14,7 13,9 13,4 13,5 14,2 14, ,6 14,3 14,43 5 LS 15,2 15,4 15,2 14,3 13,2 12,5 12,7 13,6 14,7 15,2 15,2 15,1 14,36 10 LS 15,8 15,7 15,1 13,8 12,4 11,6 11, ,4 15,3 15,7 15,8 14,21 Tabel 1.5 Exposed Surface,m No m Daerah 1 0% Hutan primer, sekunder % Daerah tererosi % Daerah ladang pertanian Aris Rinaldi

9 BAB III METODE PENGOLAHAN DATA 3.1 Metode Pengolahan Data Perhitungan neraca air pada laporan ini menggunakan metode F.J Mock(1973). Metode ini menyatakan bahwa air hujan yang mengisi daerah tangkapan sebagian menguap akibat evapotranspirasi, sebagian yang jatuh ke permukaan tanah menjadi surface direct run off dan masuk ke dalam tanah sebagai infiltasi. Kondisi tanah yang jenuh air menyebabkan terjadinya perkolasi dan air keluar sebagai base flow. Data yang diinput pada perhitungan neraca air berupa data klimatologi beserta data tabel pendukung berupa temperatur rata-rata, parameter evapotranspirasi, nilai radiasi matahari, exposure surface dan data lainnya. Dengan menggunakan metode Penman, data-data yang ada digunakan untuk mencari evapotranspirasi potensial. Adapun output dari perhitungan dari neraca air berupa informasi water surplus, base flow, direct run off dan strom run off. Aris Rinaldi

10 3.2 Diagram Alir Data Klimatologi dan Data Pendukung Perhitungan Evapotranspirasi Potensial Perhitungan Evapotranspirasi Aktual Perhitungan Water Balance : Water Surplus Perhitungan Base Flow, Direct Run Off, Strom Run Off Kesimpulan Aris Rinaldi

11 BAB IV PERHITUNGAN DAN ANALISA 4.1 Perhitungan dan Analisa Evapotranspirasi Evapotranoirasi adalah jumlah kehilangan air dari suatu daerah yang meliputi evaporasi dan transpirasi melalui permukaan tanah, permukaan daun pepohonan, permukaan air bebas dan lainnya. Pada perhitungan evapotranspirasi modul perhitunngan ini digunakan metode Penmann. Adapun perhitungan dan analisanya sebagai berikut : Data Klimatologi Baris 1 Data presipitasi (p) dalam satuan mm, terlampir pada tabel 1.1 Baris 2 Data presipitasi (n) dalam satuan days, terlampir pada tabel 1.1 Baris 3 Data Tempature (T) a. Dalam satuan C b. Dalam satuan K terlampir pada tabel 1.1 Baris 4 Data rata-rata presentasi penyinaran matahari bulanan (S), dalam persen (%),terlampir pada tabel 1.1 Baris 5 Data kelembapan relatif rata-rata bulanan (h atau Rh), dalam persen (%),terlampir pada tabel 1.1 Baris 6 Data kecepatan angin rata-rata bulanan (w) a. Dalam ml/ day b. Dalam m/s terlampir pada tabel Potensial Evapotranspirasi Data-data yag digunakan untuk menghitung besarnya evapotranspirasi dengan metode Penmann adalah : 1. Temperatur (T) 2. Kelembapan udara relatif (S) Aris Rinaldi

12 3. Kecepatan angin (w) 4. Lama penyinaran matahari (R) Rumus-rumus yang digunakan untuk menghitung besarnya evapotranspirasi potensial dengan metode Penman adalah : (4.1) Dengan H = energy budget H = R(1-r)(0,18+0,55S)-B(0,56-0,092*(ed^0,5))(0,1+0,9S) (4.2) D = panas yang digunakan untuk evapotranspirasi, dan D = 0,35(e a -e d )(k+0,01w) (4.3) Dimana: A = slope vapour pressure curve pada temperatur rata-rata, dalam mmhg/ F B = radiasi benda hitam pada temperatu rata-rata, dalam H 2 O/hari e a = tekanan uap air jenuh (saturated vapour pressure) pada temperatu rata-rata, dalam mmhg Dengan melakukan subtitusi persamaan di atas, maka menghasilkan : (4.4) Dalam bentuk lain : E = A (R(1- r)(0,18+0,55s) - AB(0,56-0,092*(ed^0,5))(0,1+0,9S)) + A + 0,27 A + 0,27 A + 0,27 0,27 (0,35(eaed)(k+0,01w)) (4.5) Aris Rinaldi

13 Jika : F 1 (T ; S) = A(0,18+0,55S) (4.6) A + 0,27 F 2 (T ; h) = AB(0,5-0,092*(ed^0,5)) (4.7) A + 0,27 F 3 (T ; h) = 0,27 (0,35(ea-ed)) (4.8) A + 0,27 Maka : E = F 1 * R(1-r) - F 2 * (0,1+0,9S) + F 3 * (k+0,01w) (4.9) Dan jika : E 1 = F 1 * R(1-r) (4.10) E 2 = F 2 * (0,1+0,9S) (4.11) E 3 = F 3 * (k+0,01w) (4.12) Maka bentuk sederhana dari persamaan evapotranspirasi potensial menurut Penman adalah E = E 1 - E 2 + E 3 (4.13) Perhitungan dan analisa evapotranspirasi potensial dengan metode Penman disajikan dalam tabel baris sebagai berikut : Baris 7 Menggunakan persamaan 4.6 Baris 8 Menggunakan persamaan 4.7 Baris 9 Menggunakan persamaan 4.8 Baris 10 Interpolasi koordinat Cirebon (6 43 S) dengan menggunakan tabel 1.4 Baris 11 Menggunakan persamaan 4.10, dimana nilai r didapat dengan menggunakan tabel 1.2. Asumsi permukaan studi merupakan rata-rata permukaan bumi, r = 40% Baris 12 Menggunakan persamaan 4.11 Aris Rinaldi

14 Baris 13 Menggunakan persamaan Asumsi k=1 Untuk permukaan air k = 0,5 Untuk permukaan vegetasi k = 1 Baris 14 Menggunakan persamaan 4.13 dalam satuan mm/day Baris 15 Menggunakan persamaan 4.13 dalam satuan mm/month 4.2 Perhitungan dan Analisa Neraca Air Perhitungan dan analisa neraca air dengan metode Mock disajikan dengan tabel baris. Adapun penggunaan setiap barisnya adalah sebagai berikut : Limited Evapotranspiration Baris 16 Menggunakan tabel 1.5. Asumsi daerah studi merupakan daerah ladang pertanian dengan nilai m minimum, m =30% Baris 17 E/Ep = (m/20)(18-n) E/Ep = (baris(16)/20)(18-baris(2)), satuan dalam % Baris 18 E, dalam satuan mm/bulan Baris 19 Evapotranspirasi aktual = baris(15) baris(18) Neraca Air Baris 20 Baris 21 P-Ea = baris(1)-baris(19) (a)sms = Soil moisture storage SMS = ISMS + (P-Ea) Dimana: ISMS = initial soil moisture storage (mm/bulan), merupakan moisture capacity (SMC) bulan sebelumnya. Dalam satuan (mm/bulan) (b)smc = Soil moisture capacity (kapasitas kelembapan tanah) SMC = 200 mm/bulan jika P-Ea > 0 SMC = SMC bulan sebelumnya + (P-Ea) jika <0 Dalam satuan (mm/bulan) soil Aris Rinaldi

15 Baris 22 SS = Soil Storage, kemampuan tanah untuk menyimpan air Jika pada bulan yang ditinjau nilai P-Ea bernilai positif atau SMC bernilai 200mm/bulan (maksimum) maka soil storage bernilai 0 Jika P-Ea bulan yang ditinjau bernilai negatif maka soil storage sama dengan P-Ea ini (mm/bulan) Baris 23 WS = Water Surplus, WS = (P-Ea) + SS, (mm/bulan) Baris 24 I = Infiltasi, i = 0,4 x baris(23), dimana 0,4 merupakan koefisien infiltrasi (lihat tabel porositas pada batuan endapan atau koefisien limpasan) Baris 25 ½ x (1+K) x i, dimana K adalah nilai konstanta potensial ground water storage/resesi aliran, nilai K = 0,6 Baris 26 K x (V n-1 ), dimana V n-1 adalah ground water storage bulan sebelumnya, nilai ini diasumsikan sebagai konstanta awal, dengan anggapan bahwa water balance merupakan siklus tertutup yang ditinjau selama satu tahun Baris 27 Vn = Storage Volume = baris(25) + baris(26), dalam satuan (mm/bulan) Baris 28 Perubahan Storage Volume Vn = -V n-1 + V n, dalam satuan (mm/bulan) Baris 29 Base Flow = I - V n = baris(24) baris(28), dalam satuan (mm/bulan) Baris 30 Direct Run Off = baris(23) baris(24), dalam satuan (mm/bulan) Baris 31 Run Off = baris(29) + baris(30), dalam satuan (mm/bulan) Storm Run Off (in mm/month) Baris 32 SRO = Strom run off Jika hujan (P) > 200 mm (sesuai asumsi bahwa Max SMC = 200 mm) maka nilai strom run off = 0 Jika P < 200 mm maka strom run off adalah jumlah curah hujan dalam satu bulan yang bersangkutan dikali faktor persentasi PF, 0,5 x (P) Dalam satuan (mm/bulan) Aris Rinaldi

16 Baris 33 Soil Mosture, lihat penjelasan baris(21) Baris 34 Lihat penjelasan baris(23), pada water surplus kondisi storm run off, nilai storm run off mempengaruhi nilai water surplus Baris 35 I = Infiltasi, i = 0,4 x baris(34), dimana 0,4 merupakan koefisien infiltrasi (lihat tabel porositas pada batuan endapan atau koefisien limpasan) Baris 36 ½ x (1+K) x i = ½ x (1+K) x baris(35), dimana K adalah nilai konstanta potensial ground water storage/resesi aliran, nilai K = 0,6 Baris 37 K x (V n-1 ), dimana V n-1 adalah ground water storage bulan sebelumnya, nilai ini diasumsikan sebagai konstanta awal, dengan anggapan bahwa water balance merupakan siklus tertutup yang ditinjau selama satu tahun Baris 38 Vn = Storage Volume = baris(36) + baris(37), dalam satuan (mm/bulan) Baris 39 Perubahan Storage Volume Vn = -V n-1 + V n, dalam satuan (mm/bulan) Baris 40 Base Flow = I - V n = baris(35) baris(39), dalam satuan (mm/bulan) Baris 41 Direct Run Off = baris(34) baris(35), dalam satuan (mm/bulan) Baris 42 Run Off = baris(32) baris(41) + baris(42), dalam satuan (mm/bulan) Aris Rinaldi

17 Hasil perhitungan dan analisa neraca air dapat disajikan dalam tabel dan kurva sebagai berikut : Tabel 4.1 Tabel Neraca Air Neraca Air Bulan Agus t Sept Okt Nov Des Jan Feb Mar Apr Mei Jun Jul N Meteorologica o l Data Catchment Precip. mm (p) 2 Catchment Rain Days days (n) ,1 27,6 28,2 29,4 29,8 28,4 28,18 27,54 27,73 28,35 28,57 28,90 28,20 3a Temperature C (T) , 300, 301, 302, 302, 301, 3b K (T) 301,2 300,5 300,7 301,4 301, ,9 301,2 4 60,9 77,4 76,7 64,3 58,4 40,86 26,25 32,73 43,51 59,78 4 Sunshine % (S) ,07 38,50 (h or 59,5 57,8 51,7 50,5 55,1 726, 63,71 67,64 66,63 65,18 61,39 60,57 66,32 5 Rel. Humidity % RH) ,6 27,7 53,0 52,7 24,1 27,7 27,86 26,21 23,19 9,36 35,05 15,93 14,54 6a Wind ml/day (w) b m/s 0,52 0,49 0,43 0,17 0,65 0,42 0,52 0,99 0,98 0,45 0,30 0,27 0,52 Tah un Aris Rinaldi

18 Potensial Evapotranspiration 7 F 1 (T : S) 0,31 0,25 0,28 0,33 0,40 0,40 0,47 0,47 0,42 0,40 0,32 0,30-8 F 2 (T : h) 1,39 1,31 1,33 1,31 1,44 1,56 1,68 1,88 1,83 1,57 1,43 1,28-9 F 3 (T : h) 0,82 0,72 0,75 0,79 0,88 0,91 0,94 1,09 1,15 1,05 0,90 0,76-10 R (at 6 43' S) 15,4 15,5 15,2 14,1 12,9 12,2 12,4 13,4 14,6 15,2 15,4 15,3 14,3 11 F 1 * R(1-r) r=40% E 1 2,90 2,32 2,52 2,76 3,07 2,92 3,48 3,75 3,67 3,61 2,96 2,79-12 F 2 * (0,1+0,9S) E 2 0,65 0,44 0,52 0,64 0,92 1,01 1,34 1,49 1,24 0,98 0,69 0,57-13 F 3 * (k+0,01w) k=1 E 3 1,05 0,91 0,92 0,86 1,19 1,12 1,21 1,67 1,75 1,30 1,05 0,87-14 E1 - E2 + E3 mm/day E p 3,95 3,23 3,45 3,62 4,26 4,04 4,68 5,42 5,42 4,92 4,01 3, mm/month Limited Evapo Transpiration 16 Exposed Surf % (m) E/E p = (m/20)(18-n) % -7, ,5 4, , ,5 3-1,5-18 E mm Ea = E p - E mm E a Aris Rinaldi

19 Water Balance 20 P - E a mm a Soil Moisture Storage mm SMS b Soil Moisture Capacity mm SMC Soil Storage mm SS Water Surplus mm WS SURP SURP SURP SURP SURP DEFI DEFI DEFI DEFI DEFI SURP SURP LUS LUS LUS LUS LUS SIT SIT SIT SIT SIT LUS LUS Run off and Groundwater Storage (in mm/month) i = 0,4 of 24 Infiltration (23) (i) /2(1+K)i K=0, K(V n-1 ) Storage Vol (25) + (26) (Vn) Vn = -V n V n Base Flow = I - V n (24) - (28) Direct Run Off (23) - (24) Run off (29) + (30) Aris Rinaldi

20 Storm Run Off (in mm/month) 32 Storm Run Off 5% of (p) Soil Moisture Water Surplus Infiltration i = 0,4 of (34) (i) /2(1+K)i K=0, K(V n-1 ) Storage Vol (36) + (37) (Vn) Vn = -V n-1 + V n (35) - 40 Base Flow (39) Direct Run Off (34) - (35) Run Off (32) + (41) + (42) Aris Rinaldi

21 Water Surplus (m) MODUL PERHITUNGAN NERACA AIR 600 Kurva Neraca Air Water Surplus Month Month Gambar 4.1 : Kurva Neraca Air Aris Rinaldi

22 BAB V KESIMPULAN Dari hasil perhitungan dan analisa neraca air Kota Cirebon tahun 2007 dapat disimpulkan bahwa : 1. Pada bulan januari, februari, maret, april, mei, november dan desember terjadi surplus air di Kota Cirebon 2. Pada bulan juni, juli, agustus, september dan oktober terjadi defisit air di Kota Cirebon Aris Rinaldi

23 DAFTAR PUSTAKA Ensiklopedia Kota Cirebon. Tersedia dari Diakses pada Desember Irawan, D. E. and Puradimaja, D. J Hidrogeologi Umum. Yogyakarta: Penerbit Ombak. Mock, F. J Water Availability Appraisal: Report Prepared for the Land Capability Appraisal Project Bogor/Indonesia. Bogor: Food and Agriculture Organization of The United Nations. Penman, H.L Natural Evaporation from Open Water, Bare Soil and Grass. Proc. Roy. Soc. London A(194), S Rinaldi, Aris (2015). Ujian Tengah Semester SB 5014 Hidrogeometeorologi [unpublished], Bandung. Aris Rinaldi