INFILTRASI. Infiltrasi adalah.

Transkripsi

1 INFILTRASI REKAYASA HIDROLOGI Universitas Indo Global Mandiri Infiltrasi adalah. Infiltrasi adalah proses air masuk (penetrating) ke dalam tanah. Laju infiltrasi dipengaruhi oleh kondisi permukaan tanah, tanaman penutup, dan karakteristik tanah termasuk porositas, konduktivitas hidraulik, dan kejenuhan tanah. Aliran tak jenuh (aliran bawah permukaan) merupakan aliran yang melalui pori tanah ketika pori tanah sebagian terisi oleh udara. Aliran jenuh (aliran air tanah) merupakan aliran yang melalui pori tanah ketika pori tanah seluruhnya terisi oleh air. Water table (muka air tanah) adalah bidang batas antara aliran tak jenuh dan aliran jenuh dimana tekanan atmosfer terjadi. Aliran jenuh terjadi di bawah water table, sedangkan aliran tak jenuh terjadi di atas water table. 1

2 Air Bawah Permukaan Gambar 2. Zona air bawah permukaan dan prosesnya Gambar 1. Komponen air bawah permukaan Aliran Bawah Permukaan Penampang melintang dari pori tanah tak jenuh digunakan untuk mendefinisikan porositas (η): volume pori volume total.. (1) Gambar 3. Penampang melintang tanah tak jenuh 2

3 Aliran Bawah Permukaan Pada kondisi 0,25 < η < 0,40, soil moisture content (kelembaban tanah), θ: Pada kondisi 0 θ η, untuk kondisi tanah kering: untuk kondisi jenuh: volume air volume total 0. (2) Aliran Bawah Permukaan Gambar 4. Volume kontrol untuk mengembangkan persamaan kontinuitas 3

4 Aliran Bawah Permukaan Dari Gambar 4, diperoleh persamaan kontinuitas untuk aliran tak mantap satu dimensi dalam aliran tak jenuh, yaitu: q 0 t. (3) Hukum Darcy mengacu pada Darcy flux (q), yaitu laju kehilangan tenaga per satuan panjang. Untuk aliran dengan arah vertikal, kehilangan tenaga per satuan panjang adalah perubahan total tenaga h terhadap jarak tertentu, misalnya h/, dimana tanda negatif menandakan penurunan total tenaga (akibat friksi) di sepanjang arah aliran. Sehingga: h q K Dimana: q : Darcy flux K : konduktivitas hidraulik h : total tenaga : jarak volume kontrol Aliran Bawah Permukaan Untuk aliran tak jenuh, gaya-gaya yang bekerja adalah gaya gravitasi, friksi, dan gaya hisap (suction force). Dalam aliran tak jenuh, ruang pori hanya sebagian diisi oleh air, sehingga air ditarik oleh permukaan partikel melalui gaya elektrostatik antara molekul air dan permukaan partikel. Energi karena gaya hisap tanah didefinisikan sebagai suction head (ψ) dalam aliran tak jenuh, yang nilainya berbeda tergantung dari kelembaban tanah. Total tenaga merupakan jumlah suction head dan gravity head: h. (5) Substitusikan pers (5) ke pers (4) sehingga Darcy flux (q) menjadi:. (6) q K 4

5 5 Aliran Bawah Permukaan Dimana: Sehingga pers (6) menjadi: Soil water diffusivity (D) didefinisikan sebagai: Substitusikan persamaan di atas ke pers (8) menjadi: Menggunakan pers. kontinuitas, diperoleh: d d K d d K d d K K q 1. (7). (8) d d D K K D q K D q t. (9). (10). (11) Aliran Bawah Permukaan Gambar 5. Ilustrasi hub ungan antara suction head dengan konduktivitas hidraulik dan kelembaban tanah

6 Aliran Bawah Permukaan Contoh 1: Tentukan nilai Darc y flux untuk tanah dengan konduktivitas hidraulik yang merupakan fungsi dari suction head sebagai K = 250(-ψ) -2,11 dalam cm/det pada kedalaman 1 = 80 cm, h 1 = -145 cm, dan ψ 1 = -65 cm, pada kedalaman 2 = 100 cm, h 2 = -160 cm, dan ψ 2 = -60 cm. Penyelesaian: Average suction head (ψ r ): ψ r = (ψ 1 + ψ 2 )/2 = (-65+(-60))/2 = -62,5 cm Konduktivitas hidraulik (K): K = 250(-ψ) -2,11 = 250(62,5) -2,11 = 0,041 cm/det Sehingga: h h q K ( 160) 0, ( 100) 1 2 0,03 cm/det Proses Infiltrasi Gambar 6 mengilustrasikan distribusi kelembaban tanah pada profil tanah selama pergerakan air ke bawah. Zona kelembaban ini adalah ona jenuh (saturated one), ona transmisi (transmission one), dan ona basah (wetting one). Profil ini berubah menurut fungsi waktu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. 6

7 Proses Infiltrasi Gambar 6. Zona kelembaban selama infiltrasigamb ar 7. Profil kelembaban sebagai fungsi waktu Proses Infiltrasi Gamb ar 8. Pengaruh jenis tanah terhadap infiltrasi 7

8 Proses Infiltrasi Faktor-faktor yang mempengaruhi infiltrasi: 1. Curah hujan 2. Jenis tanah 3. Kelembaban tanah 4. Tanaman penutup (vegetation cover) 5. Kelandaian tanah (ground slope) Laju infiltrasi adalah laju pada saat air masuk ke dalam permukaan tanah, yang biasanya dinyatakan dalam satuan inch/jam atau cm/jam atau mm/jam. Laju infiltrasi potensial adalah laju pada saat air menggenangi permukaan tanah, jadi jika tidak terjadi genangan laju aktual lebih kecil dari laju potensial. Terdapat beberapa metode (persamaan) untuk memperkirakan besarnya laju infiltrasi, diantaranya adalah metode: 1.Horton 2.Φ-indeks (phi-indeks) 3.Green - Ampt 4.SCS 8

9 1. Persamaan Horton (1940) Gambar 9. Ilustrasi pengembangan persamaan Horton Persamaan Horton: Dimana: f kt f f e t fc 0 c. (12) f t : kapasitas infiltrasi pada waktu t (mm/jam) f 0 : kapasitas infiltrasi awal (mm/jam) f c : kapasitas infiltrasi akhir (mm/jam) K : konstanta emipiris (jam -1 ) Total infiltrasi (infiltrasi kumulatif) selama waktu T dirumuskan sebagai berikut: F F T kt ftdt fc f0 fc e dt 0 0 kt T kt f t f f e / k f T f f e / k f f c 1 F fct k T 0 c kt f f 1 e 0 c 0 c 0 c 0 c / k 9

10 Gambar 10. Perbedaan kapasitas infiltrasi akibat perbedaan kelembaban tanah Contoh 2: Diketahui kapasitas infiltrasi awal f 0 dari suatu luas tangkapan hujan adalah 4,5 mm/jam, konstanta waktu K adalah 0,35/jam, dan kapasitas infiltrasi akhir f c sebesar 0,4 mm/jam. Gunakan persamaan Horton untuk menentukan kapasitas infiltrasi pada t = 10 menit, 30 menit, 1 jam, 2 jam, dan 6 jam. Tentukan pula infiltrasi total selama selang waktu 6 jam tsb. Diasumsikan kondisi permukaan tanah tergenang secara kontinyu. Penyelesaian: Dari persamaan Horton: f f t t f c 0,4 kt f0 fc e 0,35t 4,5 0,4e Dengan demikian, kapasitas infiltrasi untuk setiap waktu t adalah: t (jam) 1/6 1/ f t (mm/jam) 4,27 3,84 3,29 2,44 0,90 10

11 f 0 = 4,50 mm/jam Pers. Horton : f t = 0,40 + (4,50 0,40) e -0,35t f c = 0,40 mm/jam Penyelesaian: Infiltrasi total selama selang waktu T = 6 jam adalah: 1 F fct k F 0,4x6 F 12,7 mm kt f f 1 e 1 0,35 2. Metode Φ-indeks 0 c 0,35x6 4,5 0,41 e Pada metode Φ-indeks diasumsikan nilai f t tidak bervariasi terhadap waktu. Gamb ar 11. ilustrasi pengembanganmetode Φ-indeks 11

12 Menentukan nilai Φ-indeks Persamaan yang digunakan: Vol. limpasan langsung = Vol. hujan efektif VLL = P ef. A Contoh 3: Sebuah daerah tangkapan hujan dengan luas (A) 0,25 km 2 terjadi hujan denganprofil sebagai berikut: Waktu (jam) Curah hujan (mm) Jika volume limpasan langsung (VLL) adalah m 3, tentukan nilai Φ-indeks. Penyelesaian: Tinggi limpasan langsung ( P ef ) dalam mm: VLL/A = 8.250/0,25x10 6 = 0,033 m = 33 mm Nilai Φ-indeks ditentukan dengan cara coba-banding. Pemisalan 1: Misal 3 mm/jam < Φ-indeks < 7 mm/jam Φ-indeks=[( )-33]/5=7,8 mm/jam Anggapan tidak benar, Φ-indeks > 7 mm/jam 12

13 Pemisalan 2: Misal 7 mm/jam < Φ-indeks < 10 mm/jam Φ-indeks = [( )-33]/4 = 8 mm/jam Anggapan benar, 7 mm/jam < Φ-indeks < 10 mm/jam Φ-indeks = 8 mm/jam Gamb ar ilustrasi perb edaan metode Horton dengan phi-indeks 3. Metode Green Ampt (1911) Gambar 12. Laju infiltrasi dan infiltrasi kumulatif 13

14 Gambar 13. Variab el dan potongan melintang media tanah dalam model Green-Amp Persamaan laju infiltrasi f: f t K 1 F t Dimana infiltrasi kumulatif dirumuskan sebagai: t F Ft Kt ln1. (14). (15) Nilai F pada pers (15) diperoleh dengan cara coba-banding. Pertama, dari nilai K, t, ψ, dan Δθ, dimisalkan nilai F pada sisi kanan persamaan (nilai awal yg baik adalah F = Kt) sehingga diperoleh nilai F pada sisi kiri. Kedua, nilai F baru yg diperoleh pada tahap pertama digunakan sebagai pemisalan kedua pada sisi kanan persamaan. Langkah-langkah tsb diulangi sampai nilai F konstan. 14

15 Perubahan kelembaban (Δθ) ditulis sebagai: 1 s e e. (16) Dimana: s e r r. (17) Dengan: s e θ e θ-θ r η-θ r = Kejenuhan efektif = Porositas efektif = available moisture = maximum possible available moisture Tabel 1. Parameter infiltrasi Green-Ampt untuk b erbagai kelas tanah 15

16 Contoh 4: Menggunakan metode Green-Ampt, tentukan besarnya laju infiltrasi dan infiltrasi kumulatif untuk tanah lempung berlanau (silty clay soil) setiap selang waktu 0,1 jam selama 3 jam dimulai pada saat awal infiltrasi. Diasumsikan nilai kejenuhan efektif s e adalah 20 persen dan terjadi genangan secara kontinyu. Penyelesaian: Dari Tabel 1 untuk tanah lempung berlanau diperoleh parameter: θ e = 0,423; ψ = 29,22 cm; dan K = 0,05 cm/jam. 1 s 1 0,200,423 0, 338 e e Infiltrasi kumulatif dihitung dengan pers (15): F t Kt ln1 Ft t F 0,05t 9,89 ln1 9,89 Untuk t = 0,1 jam, diperoleh dengan cara coba-banding F(0,1) = 0,29 cm Laju infiltrasi dihitung dengan pers (14) f t K 1 F 9,89 1 0,05 t Ft Untuk t = 0,1 jam, dimana F(0,1) = 0,29 cm, diperoleh f(0,1): 9,89 9,89 f 0,1 0,05 1 0,05 1 1,78 cm/jam 0,1 0,29 F Dengan cara yg sama diperoleh laju infiltrasi dan infiltrasi kumulatif untuk selang waktu yang lain. Waktu (jam) f t (cm/jam) F t (cm) Waktu (jam) f t (cm/jam) F t (cm) Waktu (jam) f t (cm/jam) F t (cm)

17 17