BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Analisis Hidrologi Hidrologi didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajari sistem kejadian air di atas pada permukaan dan di dalam tanah. Definisi tersebut terbatas pada hidrologi rekayasa. Analisis hidrologi dilakukan untuk mendapatkan karakteristik hidrologi dan meteorologi daerah aliran sungai. Tujuannya adalah untuk mengetahui karakteristik hujan, debit air yang ekstrim maupun yang wajar akan digunakan sebagai dasar analisis selanjutnya dalam pelaksanaan detail desain. Gambar 2.1 : Siklus Hidrologi (Sumber : Google) Analisis hidrologi diperlukan untuk memperoleh besarnya debit banjir rencana. Debit banjir rencana merupakan debit maksimum rencana di sungai atau saluran alamiah dengan periode ulang tertentu yang dapat dialirkan tanpa membahayakan lingkungan sekitar dan stabilitas sungai itu sendiri. Untuk II - 1

2 mendapatkan debit rencana dapat dilakukan dengan cara melakukan pengamatan dan pengukuran langsung di lokasi sungai ataupun dengan menganalisis data curah hujan maksimum pada stasiun-stasiun pengukuran hujan yang berada di Daerah Aliran Sungai. 2.2 Daerah Aliran Sungai (DAS) Daerah Aliran Sungai (DAS) adalah daerah yang dibatasi oleh punggungpunggung/pegunungan dimana air hujan yang jatuh di daerah tersebut, akan mengalir menuju sungai utama pada suatu titik/stasiun yang ditinjau. DAS ditentukan dengan menggunakan peta topografi yang dilengkapi dengan garisgaris kontur. Limpasan berasal dari titik-titik tertinggi dan bergerak menuju titiktitik yang lebih rendah dalam arah tegak lurus dengan garis-garis kontur. Daerah yang dibatasi oleh garis yang menghubungkan titik-titik tertinggi tersebut adalah DAS. Gambar 2.2 : Daerah Aliran Sungai (Sumber : Google) Menurut Sosrodarsono dan Takeda (2003), berdasarkan perbedaan debit banjir yang terjadi, bentuk DAS dapat dibedakan menjadi tiga bentuk, yaitu : II - 2

3 a. Bulu burung Suatu daerah pengaliran yang mempunyai jalur daerah di kiri kanan sungai utama dimana anak-anak sungai mengalir ke sungai utama. Daerah pengaliran demikian mempunyai debit banjir yang kecil, oleh karena waktu tiba banjir dari anak-anak sungai itu berbeda-beda. Sebaliknya banjirnya berlangsung agak lama. b. Radial Daerah pengaliran yang berbentuk kipas atau lingkaran dan dimana anakanak sungainya mengkonsentrasi kesuatu titik secara radial. Daerah pengaliran semacam ini mempunyai banjir yang besar di dekat titik pertemuan anak-anak sungai. c. Pararel Daerah pengaliran seperti ini mempunyai corak dimana dua jalur daerah pengaliran yang bersatu di bagian hilir. Banjir itu terjadi di sebelah hilir titik pertemuan sungai. Gambar 2.3 : Tipe DAS (Sumber : Google) II - 3

4 2.3 Hujan Wilayah Suatu Daerah Sebelum menuju ke pembahasan tentang hidrograf terlebih dahulu kita harus memahami tentang hujan wilayah suatu daerah. Analisis data hujan untuk mendapatkan besaran curah hujan. Perlunya menghitung curah hujan wilayah adalah untuk penyusunan suatu rancangan pemanfaatan air dan rancangan pengendalian banjir (Sosrodarsono & Takeda, 1977). Beberapa metode yang biasanya digunakan dalam menghitung curah hujan wilayah pada suatu Daerah Aliran Sungai (DAS) : Cara Aljabar Cara menghitung rata-rata hujan dengan aljabar adalah cara yang paling sederhana. Metode rata-rata hitung dengan menjumlahkan curah hujan dari semua tempat selama pengukuran selama satu periode tertentu dan membaginya dengan banyaknya tempat pengukuran. Jika dirumuskan dalam suatu persamaan adalah sebagai berikut : R = (2.1) Dimana : R R 1... R 2 n : Curah hujan rata-rata : Besarnya hujan pada masing-masing stasiun hujan (mm) : Banyaknya stasiun hujan (Sumber : Sri Harto, Analisis Hidrologi, 1993) II - 4

5 2.4 Analisis Frekuensi Curah Hujan Hujan rencana adalah hujan harian maksimum yang akan digunakan untuk menghitung intensitas hujan. Untuk mendapatkan curah hujan rancangan (Rt) dilakukan melalui analisa frekuensi. Dalam analisis frekuensi data hujan atau data debit guna memperoleh nilai hujan rencana atau debit rencana, dikenal beberapa distribusi kontinu yang sering digunakan, yaitu : Gumbel, Normal, Log Normal dan Log Pearson Type III. Penentuan jenis distribusi probabilitas yang sesuai dengan data dilakukan dengan mencocokkan parameter data tersebut dengan syarat masing-masing jenis distribusi seperti pada tabel (2.1). Tabel 2.1 : Persyaratan Parameter Statistik Suatu Distribusi No. Distribusi Persyaratan 1 Gumbel 2 Normal 3 Log Normal 4 Log Pearson III C s = 1,14 C k = 5,4 C s 0 C k 3 C s = C v 3 + 3C v C k = C v 8 + 6C v C v C s 0 C k = 1,5 C s (in X) (Sumber : Bambang Triadmojo, 2008) Keterangan : Koefisien Skewness (Cs)... (2.2) II - 5

6 Koefisien Kurtosis (Ck)... (2.3) Rata-rata/mean (Xrt)... (2.4) Standar Deviasi (S)... (2.5) Koefisien Variasi (Cv)... (2.6) X i = data hujan atau data debit ke-i n = jumlah data Perhitungan Tinggi Curah Hujan Rencana Ada berbagai cara untuk menentukan besarnya curah hujan rencana, antara lain : 1. Metode Distribusi Normal... (2.7) Keterangan : X T = hujan rencana dengan periode ulang T tahun. S x = nilai rata-rata dari data hujan (X) mm. = standart deviasi dari data hujan (X) mm. (Sumber : I Made Kamiana, 2011) = faktor frekuensi, nilainya bergantung dari T. II - 6

7 2. Metode Distribusi Log Normal Log X T =... (2.8) Keterangan : log X T = nilai logaritmis hujan rencana dengan periode ulang T. = nilai rata-rata dari log x = (2.9) S log X = standar deviasi dari log X. S log X =... (2.10) (Sumber : I Made Kamiana, 2011) K T = faktor frekuensi, nilainya bergantung dari T. 3. Metode Distribusi Frekuensi Gumbel... (2.11) Keterangan : X T = hujan rencana atau debit dengan periode ulang T. = nilai rata-rata dari data hujan (X). S = standar deviasi dari data hujan (X). K = faktor frekuensi Gumbel : K = (2.12) Y t = nilai Y t ditentukan berdasarkan nilai reduced variate. S n = reduced standard deviasi. Y n = reduced mean. (Sumber : I Made Kamiana, 2011) II - 7

8 4. Metode Distribusi Frekuensi Log Person Type III Metode yang dianjurkan dalam pemakaian distribusi Log Person Type III adalah dengan mengkonversikan rangkaian datanya menjadi bentuk logaritmis.... (2.13) Keterangan : Log X T = nilai logaritmis hujan rencana dengan periode ulang T. = nilai rata-rata dari log x = (2.14) S log X = deviasi standar dari log X. S log X =... (2.15) K T = variabel standar, besarnya tergantung koefisien kemencengan (C s atau G). (Sumber : I Made Kamiana, 2011) Uji Sebaran Metode Smirnov Kolmogrov Metode Smirnov Kolmogorof dikenal juga dengan uji kecocokan non parametric, pengujiannya tidak menggunakan fungsi distribusi tertentu. Prosedurnya sebagai berikut: 1. Urutkan data dari besar ke kecil atau sebaliknya dan tentukan peluangnya dari masing-masing data tersebut. 2. Tentukan nilai variabel reduksi f(t) f(t)=(x-x)/s 3. Tentukan peluang teoritis P (Xi) dari nilai f(t) dengan tabel. 4. Dari kedua nilai peluang tersebut tentukan selisih antara pengamatan dan peluang teoritis. D maks = maksimal P(Xi) P (Xi). II - 8

9 5. Berdasarkan tabel nilai kritis smirnov kolmogorof tentukan harga Do lihat Tabel 2.2 Tabel 2.2 : Nilai Kritis (Do) Uji Smirnov Kolmogorof N Derajat Kepercayaan (α) 0,20 0,10 0,05 0,01 5 0,45 0,51 0,56 0, ,32 0,37 0,41 0, ,27 0,30 0,34 0, ,23 0,26 0,29 0, ,21 0,24 0,27 0, ,19 0,22 0,24 0, ,18 0,20 0,23 0, ,17 0,19 0,21 0, ,18 0,18 0,20 0, ,15 0,17 0,19 0,23 N > 50 Analisis perhitungan uji keselarasan smirnov kolmogorof untuk distribusi normal, distribusi log normal, distribusi Gumbel, dan distribusi log person type III dapat dilihat pada tabel dengan standart deviasi nilai a = 5%. 2.5 Penentuan Debit Banjir Rencana dengan Metode Unit Hydrograph Metode hidrograf satuan sintetis adalah metode yang populer digunakan dan memainkan peranan penting dalam banyak perencanaan di bidang sumber daya air khususnya dalam analisis debit banjir DAS yang tidak terukur. Metode ini sederhana, karena hanya membutuhkan data-data karakteristik DAS seperti luas DAS dan panjang sungai dan dalam beberapa kasus dapat juga mencakup II - 9

10 karakteristik lahan yang digunakan. Oleh karena itu, metode ini merupakan alat berguna untuk mensimulasikan aliran dari DAS tidak terukur dan daerah aliran sungai mengalami perubahan penggunaan lahan. Menurut definisi hidrograf satuan sintetis adalah hidrograf limpasan langsung (tanpa aliran dasar) yang tercatat di ujung hilir DAS yang ditimbulkan oleh hujan efektif sebesar satuan (1 mm, 1 cm, 1 inchi) yang terjadi secara merata di seluruh DAS dengan intensitas tetap dalam suatu satuan waktu (misal 1 jam) tertentu. Beberapa asumsi dalam penggunaan hidrograf satuan adalah sebagai berikut: 1. Hujan efektif mempunyai intensitas konstan selama durasi hujan efektif. Untuk memenuhi anggapan ini maka hujan deras untuk analisis adalah hujan dengan durasi singkat. 2. Hujan efektif terdistribusi secara merata pada seluruh DAS. Dengan anggapan ini maka hidrograf satuan tidak berlaku untuk DAS yang sangat luas, karena sulit untuk mendapatkan hujan merata di seluruh DAS. Karakteristik bentuk hidrograf yang merupakan dasar dari konsep hidrograf satuan. Gambar 2.4 : Prinsip Hidrograf Satuan (Sumber : Google) II - 10

11 Prinsip penting dalam penggunaan hidrograf satuan sebagai berikut: 1. Lumped response : hidrograf menggambarkan semua kombinasi dari karakteristik fisik DAS yang meliputi (bentuk, ukuran, kemiringan, sifat tanah) dan karakteristik hujan. 2. Time invariant : hidrograf yang dihasilkan oleh hujan dengan durasi dan pola yang serupa memberikan bentuk dan waktu dasar yang serupa pula. 3. Linear response : respons limpasan langsung dipermukaan (direct run off) terhadap hujan effektif bersifat linear, sehingga dapat dilakukan superposisi hidrograf. Dan untuk mengembangkan hidrograf satuan sintetis, beberapa metoda telah tersedia. Beberapa metoda hidrograf satuan sintetis antara lain adalah HSS Gama 1, HSS Snyder, dan HSS Limantara sangat populer dan umum digunakan di Indonesia untuk menghitung debit puncak dan bentuk hidrograf banjir. Teori klasik hidrograf satuan berasal dari hubungan antara hujan efektif dengan limpasan langsung. Hubungan tersebut merupakan salah satu komponen model watershed yang umum. Teori hidrograf satuan merupakan penerapan pertama teori sistem linier dalam hidrologi (Soemarto, 1987). Sherman pada tahun 1932 (dalam Bambang Triatmodjo, 2006) mengenalkan konsep hidrograf satuan, yang banyak digunakan untuk melakukan transformasi dari hujan menjadi debit aliran. Hidrograf satuan didefinisikan sebagai hidrograf limpasan langsung (tanpa aliran dasar) yang tercatat diujung hilir DAS yang ditimbulkan oleh hujan efektif sebesar 1mm yang terjadi secara merata di permukaan DAS dengan intensitas tetap dalam suatu durasi tertentu. II - 11

12 Gambar 2.5 : Contoh Hidrograf (Sumber: Sri Harto 1993) Metode Hidrograf Satuan Sintetik Snyder Snyder (1938) mendapatkan dan mengembangkan hidrograf satuan DAS di Amerika Serikat yang berukuran 30 sampai km 2 dengan menghubungkan unsur-unsur hidrograf satuan dengan karakteristik DAS akibat hujan 1 cm. Unsur-unrur hidrograf satuan yang dimaksud adalah : a) Debit puncak (Q p, m 3 /dt) b) Waktu dasar (T b, jam) c) Durasi hujan (t t, jam) Karakteristik DAS yang dimaksud adalah : a) Luas DAS (A, km 2 ) b) Panjang aliran utama (L, km) II - 12

13 c) Jarak antara titik berat DAS dengan outlet yang diukur di sepanjang aliran utama (L c, km) Gambar 2.6 : Posisi L dan L c Pada Suatu DAS (Sumber : I Made Kamiana, 2011) Snyder mengembangkan model dengan koefisien-koefisien empirik yang menghubungkan unsur-unsur hidrograf satuan dengan karakteristik DAS. Hal tersebut didasarkan pada pemikiran bahwa pengalihragaman hujan menjadi aliran baik pengaruh translasi maupun tampungannya dapat dijelaskan dipengaruhi oleh sistem DAS-nya. Dengan unsur-unsur tersebut diatas Snyder membuat model hidrograf satuan sintetis sebagai berikut : T p = 0,75. Ct (L. L c ) 0,3... (2.16) T r = tp / 5, (2.17) Q p = 2,75. C p. A / tp... (2.18) T b = tp atau... (2.19) T b = 5,56 / qpr... (2.20) II - 13

14 Keterangan : T p = waktu kelambatan (time lag) (jam). Q p = debit puncak (m 3 /detik). T b = waktu dasar (jam). Qpr = debit per satuan luas (m3/detik). Belakangan ini banyak juga digunakan model HSS Snyder yang telah diubah dan telah banyak digunakan di Indonesia. Perubahan tersebut terletak pada : 1. Pangkat 0,3 pada rumus diganti dengan n, sehingga menjadi Tp = Ct. (L. L c ) n... (2.21) 2. Tr pada rumus diganti dengan te yang merupakan durasi curah hujan efektif, sedangkan tr = 1 jam. Te = tp / 5,5... (2.22) 3. Hubungan te, tp, tr dan Tp adalah sebagai berikut : Bila te > tr maka tp = tp + 0,25 (tr-te) sehingga Tp = tp + 0,5 (2.23) Bila te < tr maka Tp = tp + 0,5... (2.24) 4. Qp = 0,278. Cp / Tp... (2.25) Dan Qp = qp. A untuk hujan 1 mm/jam Dimana : qp = puncak hidrograf satuan (m 3 /detik/mm/km 2 ). Qp = debit puncak (m 3 /detik/mm). Tp = waktu yang diperlukan antara permulaan hujan hingga mencapai puncak hidrograf (jam). (Sumber : Dantje K. Natakusumah Vol. 18-No.3) II - 14

15 2.5.2 Metode Hidrograf Satuan Sintetik Nakayasu Nakayasu (1950) telah menyelidiki hidrograf satuan di jepang dan memberikan seperangkat persamaan untuk membentuk suatu hidrograf satuan sebgai berikut : 1. Waktu kelambatan (time lag, t g ), rumusnya t g = 0,4 + 0,058 x L ; untuk L > 15 km... (2.26) t g = 0,21 x L0,7 untuk L < 15 km (2.27) 2. Waktu puncak dan debit puncak hidrograf satuan sintetis dirumuskan sebagai berikut : t p = t g + 0,8 Tr... (2.28) 3. Waktu saat debit sama dengan 0,3 kali debit puncak : T 0,3 = α x t g... (2.29) 4. Waktu puncak t p = t g + 0,8 Tr... (2.30) 5. Debit puncak hidrograf sintetis dirumuskan sebagai berikut : Qp = x A R 0 x... (2.31) Keterangan rumus (2.26) s/d (2.31) : t g L t 0,3 = waktu kelambatan (jam). = panjang sungai (km). = waktu saat debit sama dengan 0,3 kali debit puncak (jam). 1,5 t 0,3 = waktu saat debit sama dengan 0,3 2 kali debit puncak (jam). α = koefisien, nilainya antara 1,5-3,0. T p = waktu puncak (jam). II - 15

16 Q p = debit puncak (m 3 /detik). A = luas DPS (km 2 ). T r = durasi hujan (jam) = (0,5 x t g ) s/d (1 x t g ). R 0 = satuan kedalaman hujan (mm). Gambar 2.7 : Hidrograf Satuan Sintetis Nakayasu (Sumber : Sri Harto 1993) 6. Bagian lengkung naik (0 < t < tp) 2,4 Q = Q p x... (2.32) Keterangan : Q t = debit sebelum mencapai debit puncak (m 3 /detik). = waktu (jam). 7. Bagian lengkung turun a) Jika t p < t < t 0,3 Q = Q p x... (2.33) II - 16

17 b) Jika t 0,3 < t < 1,5 t 0,3 Q = Q p x... (2.33) c) Jika t > 1,5 t 0,3 Q = Q p x... (2.40) 2.6 Studi Terdahulu Saya sebagai penulis dalam mengerjakan tugas akhir yang berjudul ANALISIS DEBIT BANJIR SUNGAI CISADANE UNTUK PENENTUAN ELEVASI TANGGUL DI JEMBATAN PASAR ANYAR TANGERANG, juga mengacu pada studi terdahulu antara lain : 1. Muhammad Reza Aditya (2015): Tugas Akhir Evaluasi Perhitungan Debit Banjir Rencana dengan Hidrograf Metode ITB Nakayasu Snyder Pada Sub Catchment Sungai Ciujung Serang, Teknik Sipil, Universitas Mercu Buana, Jakarta. 2. Kesit Wisnu Atmaja (2015): Tugas Akhir Analisis Hidrograf Untuk Sub Daerah Aliran Sungai Cisimeut Dengan Metode HSS Gama I dan HSS Limantara, Teknik Sipil, Universitas Mercu Buana, Jakarta. II - 17