BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrologi Air di bumi ini mengulangi terus menerus sirkulasi penguapan, presipitasi dan pengaliran keluar (outflow). Air menguap ke udara dari permukaan tanah dan laut, berubah menjadi awan sesudah melalui beberapa proses dan kemudian jatuh sebagai hujan atau salju ke permukaan laut atau daratan. Sebelum tiba ke permukaan bumi sebagian langsung menguap ke udara dan sebagian tiba ke permukaan bumi. Tidak semua bagian hujan yang jatuh ke permukaan bumi mencapai permukaan tanah. Sebagian akan tertahan oleh tumbuhtumbuhan di mana sebagian akan menguap dan sebagian lagi akan jatuh atau mengalir melalui dahan-dahan ke permukaan tanah. Gambar 2.1 berikut merupakan gambar siklus hidrologi. Gambar 2.1 Siklus Hidrologi II- 1

2 2.2. ANALISA DEBIT BANJIR RENCANA Analisa debit banjir digunakan untuk menentukan besarnya debit banjir rencana pada suatu DAS. Debit banjir rencana merupakan debit banjir maksimum rencana pada sungai atau saluran alamiah dengan periode ulang tertentu yang dapat dialirkan tanpa membahayakan lingkungan sekitar dan stabilitas sungai. Data yang dibutuhkan untuk penentuan debit banjir rencana antara lain data curah hujan. Data curah hujan merupakan salah satu data yg dapat digunakan untuk memeperkirakan besarnya debit banjir rencana baik secara rasional empiris maupun statistik. Adapun langkah-langkah dalam menentukan debit banjir adalah: 1. Menentukan DAS dan luasnya 2. Menentukan curah hujan maksimum pada DAS yang ditinjau tiap tahunnya dari data curah hujan 3. Menganalisis curah hujan rencana dengan periode ulang T tahun. 4. Menghitung debit banjir rencana pada periode ulang T tahun Curah Hujan Data curah hujan yang tercatat diproses berdasarkan areal yang mendapatkan hujan sehingga didapat tinggi curah hujan rata-rata dan kemudian diramalkan besarnya curah hujan pada periode tertentu. Berikut dijabarkan tentang cara menentukan tinggi curah hujan arel. Dengan melakukan penakaran atau pecatatan hujan, kita hanya mendapat curah hujan di suatu titik tertentu (point rainfall). Jika di dalam suatu areal terdapat beberapa alat penakar atau pencatat curah hujan, maka dapat diambil nilai rata-rata untuk mendapatkan nilai curah hujan areal. Ada 3 macam cara yang berbeda dalam menentukan tinggi curah hujan ratarata pada areal tertentu dari angka-angka curah hujan di beberapa titik pos penakar atau pencatat. 1. Cara Tinggi rata-rata Tinggi rata-rata curah hujan didapatkan dengan mengambil nilai rata-rata hitung (arithmatic mean) pengukuran hujan di pos penakar-penakar hujan di dalam areal studi. II- 2

3 Dimana : d = tinggi curah hujan rata-rata (mm) d1, d2, d3,..dn = tinggi curah hujan di stasiun 1,2,3,.,n (mm) n = banyaknya stasiun penakar hujan Cara ini akan memberikan hasil yang dapat dipercaya jika pos-pos penakarnya ditempatkan secara merata di areal tersebut, dan hasil penakaran masing-masing pos penakar tidak menyimpang jauh dari nilai rata-rata seluruh pos di seluruh areal. 2. Cara Poligon Thiessen Cara ini berdasarkan rata-rata timbang (weighted average). Masing-masing penakar mempunyai daerah pengaruh yang dibentuk dengan menggambarkan garis-garis sumbu tegak lurus terhadap garis penghubung di antara dua buah pos penakar. Gambar 2.2 menunjukkan contoh posisi stasiun 1, 2, dan 3 dari skema polygon Thiessen dalam Daerah Aliran Sungai (DAS). Hal yang perlu diperhatikan dalam metode ini adalah sebagai berikut : Jumlah stasiun pengamatan minimal tiga buah stasiun. Penambahan stasiun akan mengubah seluruh jaringan Topografi daerah tidak diperhitungkan. Stasiun hujan tidak tersebar merata Gambar 2.2 Poligon Thiessen pada DAS II- 3

4 Dimana : A d d 1,d 2,d 3, dn A 1, A 2, A 3..An = Luas areal (Km2) = Tinggi curah hujan rata-rata areal = Tinggi curah hujan di pos 1, 2, 3,..n = Luas daerah pengaruh pos 1, 2, 3,.n 3. Metode Isohyet Pada metode ini, dengan data curah hujan yang ada dibuat garis-garis yang merupakan daerah yang mempunyai curah hujan yang sama (isohyet), seperti terlihat Gambar 2.2. Kemudian luas bagian di antara isohyet-isohyet yang berdekatan diukur, dan harga rataratanya dihitung sebagai rata-rata timbang dari nilai kontur, kemudian dikalikan dengan masing-masing luasnya.hasilnya dijumlahkan dan dibagi dengan luas total daerah maka akan didapat curah hujan areal yang dicari. Metode ini ini digunakan dengan ketentuan : Dapat digunakan pada daerah datar maupun pegunungan Jumlah stasiun pengamatan harus banyak Bermanfaat untuk hujan yang sangat singkat..(2.3).(2.4) II- 4

5 Dimana: A = Luas areal (Km 2 ) D = Tinggi curah hujan rata-rata areal d 0, d 1, d 2, dn = Tinggi Curah hujan di pos 0, 1, 2, n A 1, A 2, A 3,.An = Luas bagian areal yang dibatasi oleh isohyets-isohyet yang bersangkutan. Gambar 2.3: DAS dengan perhitungan curah hujan Isohyet Analisis Frekuensi Curah Hujan Sistem-sistem sumber daya air harus dirancang bagi hal-hal yang akan terjadi pada masa yang akan datang, yang tak dapat dipastikan kapan akan terjadi. Oleh karena itu, ahli hidrologi harus memberikan suatu pernyataan probabilitas bahwa aliran-aliran sungai akan menyamai atau melebihi suatu nilai yang telah ditentukan. Probabilitas adalah suatu basis matematis bagi peramalan, dimana rangkaian hasil lengkap yang didapat merupakan rasio hasil-hasil yang akan menghasilkan suatu kejadian tertentu terhadap jumlah total hasil yang mungkin. Curah hujan rancangan dihitung berdasarkan analisis Probabilitas Frekuensi seperti yang yang mengacu pada SK SNI M tentang Metode Perhitungan debit banjir. Tujuan dari analisa distribusi frekuensi curah hujan adalah untuk memperkirakan besarnya variatevariate masa ulang tertentu. Banyak macam distribusi teoritis yang kesemuanya itu dapat dibagi dua, yaitu diskrit dan kontinu. Diskrit diantaranya adalah Binominal dan Poisson, sedangkan kontinu adalah Normal, Log Normal, Gamma, Beta, Pearson dan Gumbel. Untuk menganalisis probabilitas banjir biasanya dipakai beberapa macam distribusi yaitu: II- 5

6 a. Gumbel b. Log Pearson Type III c. Normal d. Log Normal Distribusi Gumbel Menurut Gumbel (1941), persoalan tertua adalah berhubungan dengan nilai-nilai ekstrem datang dari persoalan banjir. Tujuan teori statistik nilai-nilai ekstrem adalah untuk menganalisis hasil pengamatan nilai-nilai ekstrem tersebut untuk memperkirakan nilai-nilai ekstrem berikutnya. Gumbel menggunakan teori nilai ekstrem untuk menunjukkan bahwa dalam deret nilainilai ekstrem X1, X2, X3,..., Xn, dengan sampel-sampel yang sama besar, dan X merupakan variabel berdistribusi eksponensial, maka probabilitas kumulatifnya P, pada sembarang nilai di antara n buah nilai Xn akan lebih kecil dari nilai X tertentu (dengan waktu balik Tr), mendekati Jika diambil Y =a(x-b), maka dapat menjadi Dengan e = bilangan alam = 2, Y = reduced Variate Waktu balik merupakan nilai rata-rata banyaknya tahun (karena Xn merupakan data debit maksimum dalam tahun), dengan suatu variate disamai atau dilampaui oleh suatu nilai, sebanyak satu kali. Jika interval antara 2 buah pengamatan konstan, maka waktu baliknya dapat dinyatakan sebagai berikut : II- 6

7 .(2-5) Ahli-ahli teknik sangat berkepentingan dengan persoalan-persoalan pengendalian banjir sehingga lebih mementingkan waktu balik Tr(X) dari pada probabilitas P(X), untuk itu memakai rumus :.(2-6) Ahli teknik menyarankan agar variate X yang menggambarkan deret hidrologi acak dapat dinyatakan dengan rumus berikut ini... (2-7) Dengan = Nilai tengah (mean) populasi = Standard deviasi populasi = Factor frekwensi Rumus (2-7) dapat diktahui dengan X = X + s K (2-8) Dengan X = nilai tengah sampel S = Standar deviasi sampel Faktor frekwensi K untuk nilai-nilai ekstrim Gumbel ditulis dengan rumus berikut ini : II- 7

8 Dengan Y T = Reduced Variate Y n = Reduced mean yang tergantung dari besarnya sampel n S n = Reduced Standard deviation yang tergantung dari besarnya sampel n Dari rumus (2-15) dan (2-16) Dengan X r = debit banjir waktu balik T tahun Y r = Reduced Variate Distribusi Log Pearson Type III Parameter-parameter statistic yang diperlukan oelh distribusi pearson Type III adalah : Nilai tengah Standard deviasi Koefesien skewness Untuk menghitung banjir perencanaan dalam praktek, the Hydrology Committee of the Water Resources Council, USA, menganjurkan, pertama kali mentransformasikan data ke nilai-nilai logaritma kemudian menghitung parameter-parameter statistiknya. Karena transformasi tersebut, maka cara ini disebut Log Pearson type III. II- 8

9 Dalam pemakaian Log Pearson Type III, kita harus mengkonversi rangkaian datanya menjadi logaritma. Rumus untuk metode Log Pearson : Dengan : X r X i n = Nilai rerata curah hujan = Curah hujan ke-1 (mm) = banyaknya data pengamatan Dengan S x = Standard deviasi Nilai X T = bagi setiap probalitas dihitung dari persamaan yang telah dimodifikasikan: Log X T = Log X r + K.log S X (2-14) Dengan : X T = besarnya curah hujan rancangan untuk periode ulang pada T tahun. K = factor frekuensi yang merupakan fungsi dari periode ulang dan tipe distribusi. Distribusi Normal Distribusi ini mempunyai probality density function sebagai berikut : II- 9

10 Dengan σ = varian μ = rata-rata Sifat khas lain yaitu nilai asimetrisnya (skewness) hampir sama dengan nol dan dengan kurtosis 3. Selain itu, kemungkinan: P ( ) = 15,87% P ( ) = 50% P ( + ) = 84,14% Dengan demikian kemungkinan variant berada pada daerah ( ) dan ( + ) adalah 68,27%. Sejalan dengan itu maka yang berada antara ( 2 ) dan ( + ) adalah 95,44%. Distribusi Log-Normal Probability density function distribusi ini adalah: II- 10

11 kurtosis k = (2-21) Dengan persamaan (3-30), dapat didekati dengan nilai asimetri 3 dan selalu bertanda positif. Atau nilai skewness Cs kira-kira sama dengan tiga kali nilai koefisien variasi Cv Debit Banjir Penentuan debit banjir ini dilakukan dengan beberapa metode dengan mempergunakan data-data yang tersedia, minimal dibuat 4 cara perhitungan. Metode yang akan dipergunakan adalah metode-metode empiris yang mempunyai kesesuaian atau relevansi untuk dipergunakan di daerah pekerjaan. Dalam hal ini akan dipergunakan metode-metode yang dianjurkan pelaksanaannya antara lain: 1. Metode Hasper Perhitungan debit banjir rencana dengan cara Haspers ini menggunakan rumus: Q =.. q. F (2.30) di mana Q = debit banjir rencana (m3/dt), run off coefficient dihitung dengan... (2-22) di mana t waktu perambatan air (jam) = 0,1 x L0,8 x I-0,3, L = panjang sungai, dan I = kemiringan dasar sungai rata-rata di mana harga t mempunyai 3 kemungkinan yaitu : untuk t < 2 jam, maka r = kemungkinan kedua, 2 jam < t < 19 jam, maka r =, kemungkinan ketiga 19 jam t < 30 hari, maka r = 0,707 x Rt x dengan q = hujan maximum, m3/det/km2, dan r = waktu perambatan banjir. II- 11

12 2. Metode Der Weduwen Perhitungan debit banjir dengan metode Der Weduwen ini menggunakan rumus sebagai berikut: Q = F. q. (2-23) di mana Qt = besarnya debit banjir rencana dengan periode ulang t tahun (m3/det), F = luas catchment area (km2), q =.. q = besarnya air dalam m3/det/km2 dengan presmal 240 mm yang telah diperhitungkan dengan faktor kehilangan air dan perlambatan pengaliran air dalam miringnya tanah, dan Rt = besarnya curah hujan dalam return periode t tahun (mm). 3. Metode Rasional Perhitungan debit banjir rencana dengan cara rasional ini menggunakan rumus: Q = (2-24) di mana = run off coefisient, r intensitas hujan selama time of concentration = r = x ( 2 3 dengan R = hujan sehari (mm), A = luas daerah pengaliran (km2), Q = debit maksimum (m3/detik). II- 12

13 Tabel 2.1 Koeffisien Limpasan Dr. Mononobe Kondisi daerah pengaliran dan sungai Harga Dari α Daerah pegunungan yang curam 0,75 0,90 Daerah pegunungan tersier 0,70 0,80 Tanah bergelombang dan hutan 0,50 0,75 Tanah dataran yang ditanami 0,45 0,60 Persawahan yang diairi 0,70 0,80 Sungai di daerah pegunungan 0,75 0,85 Sungai kecil di dataran 0,45 0,75 Sungai besar yang lebih dari setengah 0,50 0,75 Daerah pengalirannya terdiri dari dataran Hidrograf Satuan Sintetis Di daerah di mana data hidrologi tidak tersedia untuk menurunkan hidrograf satuan, maka dibuat hidrograf satuan sintetis yang didasarkan pada karakteristik fisik dari DAS. Berikut ini diberikan beberapa metode yang biasa digunakan dalam menurunkan hidrograf banjir. 1. Hidrograf Satuan Sintetis Gama I Kajian sifat dasar Hidrograf Satuan Sintetik (HSS) Gamma I adalah hasil penelitian 30 buah daerah aliran sungai di Pulau Jawa. Sifat-sifat daerah aliran sungai dalam metode HSS Gamma I adalah sebagai berikut: Gambar 2.4 Model Parameter Karakteritik DAS Metode Gamma I II- 13

14 Rumus-rumus yang digunakan dalam metode HSS Gamma I adalah sebagai berikut: B = 1,5518 N -0,14991 A -0,2725 SIM 0,0259 S -0,0733 (2-25) di mana N = jumlah stasiun hujan, A = luas DAS (km2), SIM = faktor simetri, S = landai sungai rata-rata, dan B = koefiesien reduksi. Menghitung waktu puncak HSS Gamma I (tr) dengan rumus berikut: tr = 0.43 ( L/ 100 SF) SIM (2-26) di mana tr = waktu naik (jam), L = panjang sungai induk (km), SF = faktor sumber, dan SIM = faktor simetri. Menghitung debit puncak banjir HSS Gamma I (Qp) dengan rumus berikut: Qp = 0,1836 A0,5884 JN0-0,2381 tr -0, (2-27) di mana Qp = debit puncak (m3/det), dan JN = jumlah pertemuan sungai. Menghitung waktu dasar pada metode HSS Gamma I (tb) dengan rumus berikut: tb = 27,4132 tr 0,1457 S -0,0986 SN 0,7344 RUA 0,2574..(2-28) di mana S = landai sungai rata-rata, SN = frekuensi sumber, dan RUA = luas relative DPS sebelah hulu (km2). Menghitung koefisien resesi (K) pada metode ini dihitung dengan rumus: K = 0,5671 A 0,1798 S -0,1446 SF -1,0897 D 0, (2-29) di mana K = koefisien tampungan (jam), A = luas DPS (km2), S = landai sungai ratarata, SF = faktor sumber (km/km2), dan D = kerapatan jaringan kuras (km/km2). II- 14

15 Menghitung aliran dasar sungai dihitung dengan rumus: QB = 0,4751 A 0,6444 D 0, (2-30) di mana QB = aliran dasar (m3/det), A = luas DPS (km2), dan D = kerapatan jaringan kuras (km/km2). 2. Hidrograf Satuan Sintetis Nakayasu Perhitungan debit banjir rancangan menggunakan metode Nakayasu. Persamaan umum Hidrograf Satuan Sintetik Nakayasu adalah sebagai berikut: Q p = Tp = tg + 0,8 tr tg = 0,21 x L0,7 tg = 0,4 + 0,058 x L...(2-31)...(2-32) (L < 15 km)...(2-33) (L > 15 km)..(2-34) T0,3 = α x tg... (2-35) di mana Qp = debit puncak banjir (m3/det), C= koefisien pengaliran, R0 = hujan satuan (mm), A = luas DAS (km2), Tp = tenggang waktu dari permulaan hujan sampai puncak banjir (jam), T0,3 = waktu yang diperlukan oleh penurunan debit, dari debit puncak sampai menjadi 30% dari debit puncak, tg= waktu konsentrasi (jam), tr = satuan waktu hujan, 3.5, dan L = panjang sungai (m). Gambar 2.5 merupakan contoh gambar hidrograf nakayasu berupa hubungan antara waktu dengan debit puncaknya. II- 15

16 Gambar 2.5 Model Hidrograf Nakayasu Persamaan-persamaan yang digunakan dalam hidrograf nakayasu adalah: a. Pada kurva naik, 0 < t < Tp, maka Qt = x Qp b. Pada kurva turun, Tp < t (Tp + T0,3), maka Qt = Qp x0,3, untuk ( Tp + T0,3) < t < (Tp + T 0,3 + 1,5T 0,3 ), maka Q t = Q p x 0,3, dan untuk t> (Tp+T 0,3 + 1,5T 0,3 ), maka Qt = Qp x 0,3. di mana Qt = debit pada saat t jam (m3/det) 2.3 Kebutuhan Air Debit Andalan Perhitungan debit andalan bertujuan menentukan areal persawahan yang dapat diairi. Perhitungan ini menggunakan cara analisis water balance dari Dr.F. J. Mock berdasarkan data curah hujan bulanan, jumlah hari hujan evapotranspirasi dan karakteristik hidrologi daerah pengaliran. Prinsip perhitungan ini adalah hujan yang jatuh di atas tanah (presipitasi) sebagian akan hilang karena penguapan (evaporasi),sebagian akan menjadi aliran permukaan (direct run off) dan sebagian akan masuk tanah (infiltrasi). Infiltrasi mula-mula menjenuhkan II- 16

17 permukaan (top soil) yang kemudian menjadi perkolasi dan akhirnya keluar ke sungai sebagai base flow (Soewarno,2000). Pada saat itu terjadi water balance antara presipitasi, evapotranspirasi, direct run off dan ground water discharge. Oleh karena itu aliran yang terdapat di sungai disebut direct run off dan base flow Neraca Air Dari hasil perhitungan neraca air, kebutuhan pengambilan yang dihasilkan untuk pola tanam yang dipakai akan dibandingkan dengan debit andalan untuk tiap setengah bulan dan luas daerah yang bias diairi, luas d aerah irigasi, jatah debit air dan pola pengaturan rotasi. Apabila debit sungai melimpah, maka luas daerah irigasi adalah tetap karena luas maksimum daerah layanan dan proyek yang akan direncanakan sesuai dengan pola tanam yang dipakai. Jika debit sungai kurang maka akan terjadi kekurangan debit, maka ada 3 pilihan yang perlu dipertimbangkan sebagai berikut : 1. Luas daerah irigasi dikurangi. Bagian-bagian tertentu dari daerah yang bias diairi (luas maksimum daerah layanan) tidak diairi. 2. Melakukan modifikasi pola tanam. Dapat diadakan perubahan dalam pemilihan tanaman atau tanggal tanam untuk mengurangi kebutuhan air irigasi di sawah (l/dt.ha) agar ada kemungkinan untuk mengairi areal yang lebih luas dengan debit yang tersedia. 3. Rotasi teknis/golongan. Untuk mengurangi kebutuhan puncak air irigasi. Rotasi teknis atau golongan mengakibatkan ekploitasi yang lebih kompleks dan dianjurkan hanya untuk proyek irigasi yang luasnya sekitar ha atau lebih. 2.4 Daerah Aliran Sungai Daerah aliran sungai (DAS) adalah daerah yang dibatasi oleh punggungpunggung gunung/pegunungan di mana air hujan yang jatuh di daerah tersebut akan mengalir menuju II- 17

18 sungai utama pada suatu titik/stasiun yang ditinjau. Luas DAS diperkirakan dengan mengukur daerah itu pada peta topografi. Luas DAS sangat berpengaruh terhadap debit sungai. Pada umumnya semakin besar DAS semakin besar jumlah limpasan permukaan sehingga semakin besar pula aliran permukaan. 2.5 Tinjauan Hidraulis Sungai. Sungai merupakan alur panjang di atas permukaan bumi dimana air mengalir ke tempattempat yang lebih rendah hingga bermuara di danau atau laut. Fungsi sungai sebagai saluran pembawa sekaligus pengatur (drainage) yang dibentuk alam. Dimensi sungai bervariasi dengan sistem yang kompleks tetapi tidak tak beraturan (complicated). Sistem yang kompleks tersebut terdiri dari banyak komponen dimana komponen-komponen itu saling berhubungan dan berpengaruh dalam satu sistem yang sinergis, dan mampu menghasilkan sistem kerja dan produk yang efisien. Kompleksitas sistem sungai dapat ditinjau dari berbagai komponen penyusun sungai antara lain bentuk alur dan percabangan sungai, formasi dasar sungai (river bed form), morfologi sungai, dan ekosistem sungai. Sebagai pendekatan tentang klasifikasi sungai ditinjau dari dimensi ukurannya dapat digunakan definisi tentang sungai kecil. Sungai kecil yang umumnya melintas di kawasan sekitar lebarnya 0,5 s/d m, selanjutnya dikategorikan sebagai sungai sedang lebar antara 10 hingga 20 m, dan selebihnya merupakan sungai besar. Kriteria perencanaan yang biasa digunakan adalah persamaan umum : Q = A. V (m3/dtk) A = (b + mh)h P = b + 2h m +1 R = A/P V = 1/n x R 2/3 x S 0.5 di mana Q = debit rencana (m3/dt), A = luasan basah (m²), b = lebar dasar saluran (m), h = kedalaman air (m), m = kemiringan talud (1 : m), V = kecepatan aliran air (m/dt), n = II- 18

19 koefisien kekasaran Manning, R = jari-jari hidraulis (m), S = kemiringan dasar saluran, P = keliling basah (m). 2.6 Bangunan Pengambilan Pembilas pengambilan dilengkapi dengan pintu dan bagian depannya terbuka untuk menjaga jika terjadi muka air tinggi selama banjir, besarnya bukaa pintu bergantung kepada kecepatan aliran masuk yang diizinkan. Kecepatan ini bergantung kepada ukuran butir bahan yang dapat diangkut. Kapasitas pengambilan harus sekurang-kurangnya 120% dari kebutuhan pengambilan (dimension requirement) guna menambah fleksibilitas dan agar dapat memenuhi kebutuhan yang lebih tinggi selama umur proyek. Rumus dibawah ini memberikan perkiraan kecepatan yang dimaksud: V 2 > 32 ( h/d) 1/3 d di mana v = kecepatan rata-ratam (m/dtk), h = kedalaman air (m), d = diameter butiran. Dengan kecepatan masuk sebesar 1,0 2,0 m/dtk yang merupakan besaran perencanaan normal, dapat diharapkan bahwa butir-butir berdiameter 0,01 sampai 0,04 m dapat masuk. II- 19