BAB II TINJAUAN PUSTAKA. tentang Sumber Daya Air, daerah aliran sungai (catchment, basin, watershed)

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Daerah Aliran Sungai (DAS) Menurut Undang-undang Republik Indonesia nomor 7 tahun 2004 tentang Sumber Daya Air, daerah aliran sungai (catchment, basin, watershed) adalah suatu wilayah daratan yang merupakan satu kesatuan dengan sungai dan anak-anak sungainya, yang berfungsi menampung, menyimpan dan mengalirkan air yang berasal dari curah hujan ke danau atau ke laut secara alami, yang batas di darat merupakan pemisah topografis dan batas di laut sampai dengan daerah perairan yang masih terpengaruh aktifitas daratan. Analisis ketersediaan air daerah aliran sungai Banjaran menggunakan Program HEC-HMS,M. Fajar Reggy (2007) menjelaskan bahwa akibat dari perubahan tata guna lahan di daerah hulu DAS Banjaran, air hujan yang turun ke bumi banyak melimpas menjadi aliran permukaan (surface flow) dan sangat sedikit yang meresap ke dalam tanah untuk mengisi cadangan air tanah,sehingga hal ini mengakibatkan sering terjadinya kekurangan air pada musim kemarau, atas dasar kasus tersebut M Fajar Reggy mengadakan analisis ketersediaan Air Pada DAS Banjaran yang dalam penelitiannya menggunakan Program HEC- HMS. Analisis perubahan karakteristik hidrograf banjir akibat perubahan tata guna lahan (studi kasus DAS Ciliwung hulu), Mirah S (2001) menjelaskan bahwa

2 perubahan karakteristik hidrologis yang berupa debit puncak dan volume aliran dapat mengakibatkan terjadinya banjir pada musim hujan dan kekeringan pada musim kemarau terutama pada wilayah sungai Ciliwung, dimana pada wilayah sub DAS Ciliwung Hulu yang seharusnya kawasan lindung sebagian telah berubah menjadi kawasan non pertanian antara lain untuk vila, pariwisata, industri dan perkantoran,. 2.2 Debit Banjir Debit banjir atau debit puncak adalah besarnya volume air maksimum yang mengalir melalui suatu penampang melintang suatu sungai per satuan waktu, dalam satuan m³/detik. Untuk memperoleh angka-angka kemungkinan besaran debit banjir pada banjir yang diakibatkan oleh luapan sungai, analisis dilakukan dengan menggunakan data banjir terbesar tahunan atau curah hujan terbesar tahunan yang sudah terjadi. Debit banjir rencana dapat dihitung dengan menggunakan beberapa metode empiris yang umum berlaku di Indonesia dan lain-lain yang dipilih berdasarkan kesesuaian dengan karakteristik daerah studi. 2.3 Siklus Hidrologi Siklus hidrologi merupakan salah satu aspek penting yang diperlukan pada proses analisis hidrologi. Siklus hidrologi adalah gerakan air laut ke udara,

3 yang kemudian jatuh ke permukaan tanah lagi sebagai hujan atau bentuk presipitasi lain, dan akhirnya mengalir ke laut kembali. Dalam siklus hidrologi ini terdapat beberapa proses yang saling terkait, yaitu antara proses hujan (precipitation), penguapan (evaporation), transpirasi, infiltrasi, perkolasi, aliran limpasan (runoff), dan aliran bawah tanah. Secara sederhana siklus hidrologi dapat ditunjukan seperti pada Gambar 2.1. Sumber : Sri Harto,2000 Gambar 2.1 Siklus Hidrologi 2.4 Hujan DAS Hujan merupakan komponen masukan yang paling penting dalam proses analisis hidrologi, karena kedalaman curah hujan (rainfall depth) yang turun dalam suatu DAS akan dialihragamkan menjadi aliran di sungai, baik melalui

4 limpasan permukaan (surface runoff), aliran antara (interflow, sub-surface runoff), maupun sebagai aliran air tanah (groundwater flow) (Sri Harto, 2003). Proses pembentukan hujan terjadi karena tersedianya udara lembab yang biasanya terjadi karena adanya gerakan udara mendatar, terutama sekali yang berasal dari atas lautan, yang dapat mencapai ribuan kilometer. Terangkatnya udara keatas dapat terjadi dengan 3 cara yaitu hujan konvektif, hujan siklon (cyclonic) dan hujan orografik (orographic rainfall). DAS Tajum sebagai daerah penelitian analisis prediksi debit banjir berada di lereng gunung slamet. Secara geografis termasuk dalam daerah beriklim tropik, sehingga jenis hujan yang terjadi kemungkinan besar adalah hujan tipe siklon dan orografik (Suroso dan Hery, 2005). Untuk memperoleh besaran hujan yang dapat dianggap sebagai kedalaman hujan, diperlukan sejumlah stasiun hujan dengan pola penyebaran yang telah diatur oleh WMO (World Meteorological Organisation). Alat pengukur hujan terdiri dari dua jenis, yaitu alat ukur hujan biasa (manual raingauge) dan alat ukur hujan otomatik (automatic raingauge) (Sri Harto, 2003). Pengukuran hujan di stasiun-stasiun hujan merupakan hujan titik (point rainfall), sedangkan informasi yang dibutuhkan dalam analisis adalah hujan yang terjadi dalam suatu DAS tertentu (catchment rainfall). 2.5 Sistem DAS Sistem adalah kumpulan bagian-bagian yang terdiri dari benda/konsep yang disatukan dengan keteraturan saling berhubungan atau saling ketergantungan (Chow dalam Muliawan,2001). Pendekatan sistem mempunyai tujuan spesifik yaitu membangun hubungan masukan dan keluaran yang selanjutnya dapat

5 dimanfaatkan untuk rekonstruksi kejadian masa lalu atau untuk prakiraan kejadiaan yang akan datang, dengan masalah pokok yang diperhatikan adalah operasi sistem yang digunakan. Pada kasus analisis ketersediaan air daerah aliran sungai Banjaran menggunakan Program HEC-HMS,M.Fajar Reggy (2007) diceritakan bahwa akibat dari perubahan tata guna lahan di daerah hulu DAS Banjaran, air hujan yang turun ke bumi banyak melimpas menjadi aliran permukaan (surface flow) dan sangat sedikit yang meresap ke dalam tanah untuk mengisi cadangan air tanah,sehingga hal ini mengakibatkan sering terjadinya kekurangan air pada musim kemarau, atas dasar kasus tersebut M Fajar Reggy mengadakan analisis ketersediaan Air Pada DAS Banjaran dengan menggunakan Program HEC-HMS. Gambar 2.2 menyajikan ilustrasi respon DAS akibat masukan berupa hujan. Dalam gambar tersebut sistim DAS digunakan sebagai model untuk memahami konsep transformasi masukan (hujan) menjadi keluaran (debit). i Q t t Masukan Data Sistem Keluaran Sumber : Sri Harto,2000 Gambar 2.2 Bagan Ilustrasi Respon DAS Akibat Masukan Berupa Hujan

6 2.6 Pengalih Ragaman Hujan Menjadi Aliran Menurut Sri Harto (2003) pengalihragaman hujan menjadi aliran adalah suatu proses transformasi air hujan menjadi aliran yang sebenarnya, air hujan mengalir dari hulu ke hilir sampai titik kontrol sebagai aliran permukaan yang akhirnya menjadi limpasan. Dalam proses transformasi untuk mengetahui perubahan air hujan menjadi aliran dibutuhkan suatu aturan (ketetapan) yang mencerminkan karakter DAS dalam memproses pengalihragaman hujan-aliran. Dalam hal ini aturan (ketetapan) dapat diartikan sebagai sebuah model. Model hidrologi adalah satu set pernyataan-pernyataan matematika yang menyatakan hubungan antara fase-fase dari siklus hidrologi dengan tujuan mensimulasikan transformasi hujan menjadi limpasan. Salah satu model dalam pengalihragaman hujan menjadi aliran khususnya untuk aliran rendah (lowflow) adalah model HEC-HMS. Dalam model HEC-HMS pengalihragaman hujan menjadi aliran terdiri dari beberapa model dimana setiap model yang dipilih mempunyai input yang berbeda-beda. Model yang terdapat dalam HEC-HMS dapat digunakan untuk menghitung volume runoff, direct runoff, baseflow dan channel flow. Perhitungan dan penyelesaian masing-masing model mempunyai komponen berupa variabel tetap, parameter, kondisi batas dan kondisi awal. 2.7 Hidrograf Hidrograf merupakan bentuk grafis hubungan antara salah satu unsur aliran dengan waktu. Berdasarkan pengertian di atas, maka terdapat beberapa

7 contoh hidrograf seperti hidrograf muka air (stage hydrograph), hidrograf debit (discharge hydrograph), hidrograf sedimen (sediment hydrograph). Dalam praktek, kecuali disebutkan lain, maka yang dimaksud hidrograf adalah hidrograf debit. Hidrograf debit dapat dengan mudah diperoleh dari rekaman AWLR dengan menggunakan liku kalibrasi yang telah diperoleh di stasiun hidrometri tersebut (Sri Harto, 2000). Hidrograf merupakan tanggapan menyeluruh DAS terhadap masukan tertentu.hidrograf terdiri dari 3 bagian pokok yaitu sisi naik (rising limb segment), puncak (crest) dan sisi turun (recession limb/segment). Bagian sebelum sisi naik adalah bagian akhir dari hidrograf sebelumnya. Pada bagian sisi naik akan tergantung dari intensitas dan lama hujan dan kelengasan DAS. Semakin tinggi intensitas hujan maka sisi naik akan semakin terjal. Apabila hujan dengan intensitas sama tetapi kelengasan awal berbeda, semakin tinggi kelengasan awal maka sisi naik akan semakin terjal. Debit puncak dapat terjadi sesaat setelah hujan berhenti atau beberapa saat sebelum hujan berhenti tergantung dari agihan hujan dan agihan ruangnya. Sisi turun sebenarnya terdiri dari dua bagian yaitu bagian atas dekat puncak merupakan gabungan antara limpasan permukaan dan aliran antara, bagian bawah dari titik tertentu merupakan aliran dasar. Q =sisi naik 2=puncak 3= sisi turun t Sumber: Sri Harto Br, 2000 Gambar 2.3 Bagian-bagian hidrogaf

8 Komponen hidrograf selalu terdiri dari tiga komponen, yaitu limpasan permukaan, aliran antara dan aliran air tanah. Cara-cara untuk memisahkan hidrograf menjadi komponen-komponennya, misalnya dijelaskan oleh Linsley, Barnes, Chow dalam Sri Harto (2000) untuk lebih menyederhanakan, ketiga komponen tersebut dijadikan menjadi dua komponen, dengan menggabungkan limpasan permukaan dan aliran antara menjadi satu komponen yang disebut limpasan langsung (direct runoff). 2.8 Hidrograf Satuan (HS) Hidrograf satuan merupakan hidrograf limpasan langsung yang dihasilkan oleh hujan mangkus (efektif) yang terjadi merata di seluruh DAS dengan intensitas tetap dalam satu satuan waktu yang ditetapkan. 2.9 Model Hujan Aliran Model hujan aliran selalu membutuhkan data masukan. Dalam pembuatan model model, sebagian besar telah dilaksanakan dengan ujud model digital, untuk kemudahan simulasi proses hidrologi. Beberapa model yang pemah digunakan adalah Tank Model dari Jepang, HEC-1 dari Corps of Engineers USA, TR-20 dari Soil Conservation Service USA, API dari USA, SWM-IV dari Universitas Stanford, KWM dari USA, SSARR dari Corps of Engineer USA, HEC-HMS dan masih banyak lagi.

9 2.9.1 Model HEC-HMS Seperti yang dijelaskan dalam buku Hydrologic Modeling System (HEC- HMS) Technical Reference Manual, program HEC-HMS ini merupakan program komputer untuk menghitung pengalihragaman hujan dan proses routing pada suatu sistem DAS. Software ini dikembangkan oleh Hydrologic Engineering Centre (HEC) dari US Army Corps Of Engineers. Didalam HEC-HMS terdapat beberapa model yang terpisah dimana masing-masing model yang dipilih mempunyai input yang berbeda-beda. Beberapa model yang digunakan untuk menghitung volume runoff, direct runoff, baseflow dan channel flow ditunjukan pada tabel dibawah ini. Tabel 2.1 Perhitungan dan Model yang terdapat dalam HEC-HMS No Perhitungan Model 1 Precipitation User hyetograph User gage weighting Inverse distance gage weights Gridded precipitation Frequency storm Standard project storm 2 Volume runoff Initial and Constant rate SCS curve number (CN) Gridded SCS CN Green and Ampt Deficit and constant rate Soil moisture accounting (SMA) Gridded SMA

10 Lanjutan Tabel Direct runoff (overland flow dan interflow) User-spesified unit hydrograph Clark s UH Snyder s UH SCS UH Modclark Kinematic wave 4 Baseflow Constant monthly Exponential recession Linier reservoir 5 Channel flow Kinematic wave Lag Modified Puls Muskingum Muskingum-Cunge Standard SectMuskingum-Cunge 8-point Sumber : Technical Reference Manual HEC-HMS, 2000 Penyelesain dan perhitungan masing-masing model mempunyai komponen berupa variable tetap, parameter, kondisi batas dan kondisi awal. Output software ini merupakan hidrograf masing-masing outlet DAS pada waktu tertentu yang di tunjukan dengan grafik hidrograf serta tabel time series dari hidrograf yang bersangkutan Hujan (Precipitation) Metode model hujan yang digunakan untuk masukan (input) berupa hujan yang terjadi dalam pemodelan menerus (continuous model) yaitu user hyetograph method. Metode ini dapat memasukan besaran hujan yang terjadi pada sebuah sub-das dari luar program, dimana masukan hujan untuk setiap sub-das berupa hujan terdistribusi.

11 Model volume runoff' ( Volume Aliran ) Model volume runoff' yang digunakan untuk menghitung hidrograf banjir pada studi ini adalah SCS Curve Number. SCS Curve Number ini menghitung hujan efektif yang merupakan fungsi hujan kumulatif, penutupan lahan, land use dan antecedent moisture. Pada Model SCS Curve Number, tata guna lahan pada suatu bagian DAS tertentu diwakili dengan parameter CN (Curve Number). Nilai CN bervariasi dari 30 (untuk tanah dengan permeabilitas yang tinggi) sampai dengan 100 (untuk badan air). Nilai CN dapat diperkirakan sebagai fungsi land use, jenis tanah dan antecedent watershed moisture, dan menggunakan tabel SCS Model Direct Runoff ( Limpasan Langsung ) Dalam studi ini model direct runoff yang digunakan adalah model hidrograf satuan Clark Model ini menggambarkan dua proses dalam transformasi kelebihan hujan menjadi limpasan, yaitu proses translation dan attenuation. Proses translation atau pergerakan kelebihan hujan dari asalnya melewati drainase ke pembuangan DAS, dalam model ini terwakili dengan time area histrogram. Hal ini menentukan luas DAS yang mempunyai kontribusi aliran di tempat keluar (outlet) sebagai fungsi waktu Model Base flow ( Aliran Dasar ) Model base flow menggunakan exponential recession model. Untuk menentukan besarnya Q t, atau besarnya base flow pada suatu waktu tertentu adalah dengan menggunakan persamaan (2.1) di bawah ini.

12 Q t = Q o k t... (2.1) Keterangan: Q t = debit base flow pada waktu t, Q o = Initial base flow pada saat t = 0, k = konstanta eksponensial Model Channel Flow Model channel flow menggunakan Muskingum, yaitu menggunakan Muskingum travel time (K) dan Muskingum dimensionless weight (X) nilainya berkisar (0 X 0,5) diperoleh dengan cara kalibrasi Penentuan hujan rancangan cara statistik Analisis hidrologi untuk menentukan debit banjir rancangan dengan cara statistik dianggap paling baik, karena didasarkan pada data terukur di sungai, yaitu catatan debit banjir yang pernah terjadi. Dalam hal ini tersirat pengertian bahwa analisis dilakukan secara langsung pada data debit, tidak melalui hubungan empiris antar beberapa parameter DAS dan hujan seperti halnya pada cara empirik. Oleh karena itu sampai saat ini masih dianggap cukup dapat diandalkan. meskipun demikian, ketelitian hasil juga akan sangat dipengaruhi oleh data yang tersedia, baik tentang kuantitas (panjang data), kualitas atau ketelitiannya. Tujuan analisis statistik untuk menentukan banjir rancangan dengan analisis frekuensi adalah untuk memperkirakan besara tinggi hujan dengan kala

13 ulang tertentu dari data hujan terukur dengan cara statistic. Adapun pemilihan data yang di anjurkan untuk analisis frekwensi ini adalah sebagai berikut : 1. Data hujan DAS diperoleh dengan menghitung hujan rata-rata (dengan cara terbaik yang diketahui) setiap hari sepanjang data tersedia. 2. Pendekatan yang dapat dilakukan untuk menggantikan cara pertama yaitu mencari data hujan harian maksimum pada pos hujan I, kemudian dicari hujan harian pada stasiun yang lain pada hari kejadian yang sama, lalu dirataratakan. Hal ini juga berlaku juga pada pos hujan yang lain. Analisis statistik untuk menentukan banjir rancangan dengan metode analisis frekuensi dapat dilakukan secara grafis atau menggunakan rumus distribusi frekuensi teoritik. Cara kedua lebih umum keberlakuannya untuk kasus dimana data yang tersedia cukup panjang dan kualitasnya memenuhi syarat untuk analisis statistik. Berikut diuraikan beberapa rumus distribusi frekuensi yang umum dipakai dalam analisis hidrologi, yaitu Normal, Log Normal, Log Pearson tipe III dan Gumbel Analisis frekuensi dengan rumus distribusi frekuensi teoritik Parameter statistik data debit banjir maksimum tahunan yang perlu diperkirakan untuk pemilihan distribusi yang sesuai dengan sebaran data adalah sebagai berikut : a. Mean atau harga tengah, X 1 = n n X i i= (2.2)

14 b. Simpangan baku, S = X i n n 2 X i i= 1 i= 1 ( n 1) 2 / n (2.3) c. Koefisien variansi, C v = S X... (2.4) d. Asimetri (skewness), C s = n n ( X X ) 3 3 i ( n 1 )( n 2) S i= 1 (2.5) e. Kurtosis, C k = n ( n 1)( n 2)( n 3) 2 S 4 n i= 1 ( X X ) i 4 (2.6) Keterangan: n adalah jumlah data yang dianalisis. Xi adalah data Berikut disajikan uraian singkat tentang sifat-sifat khas dari setiap macam distribusi frekuensi tersebut. a. Distribusi Normal Ciri khas distribusi Normal adalah: Skewness Cs 0,00 Kurtosis Ck = 3,00 Prob X ( X S ) = 15,87 % Prob X X = 50,00 % Prob X ( X + S ) = 84,14 % b. Distribusi Log Normal

15 Sifat statistik distribusi Log Normal adalah: Cs 3 Cv Cs > 0 Persamaan garis teoritik probabilitas: X T = X + KT. S...(2.7) dengan: X T = debit banjir maksimum dengan kala ulang T tahun, K T = faktor frekuensi, S = simpangan baku. c. Distribusi Gumbel Ciri khas statistik distribusi Gumbel adalah: Cs 1,396 Ck 5,4002 Persamaan garis teoritik probabilitasnya adalah: X T = X + S / σ n ( Y Yn )...(2.8) dengan: Y = reduced variate, Y n = mean dari reduced variate, σ n = simpangan baku reduced variate, n = banyaknya data. d. Distribusi Log Pearson III Sifat statistik distribusi ini adalah: jika tidak menunjukkan sifat-sifat seperti pada ketiga distribusi di atas, garis teoritik probabilitasnya berupa garis lengkung. Secara umum, persamaan garis teoritik probabilitas untuk analisis frekuensi dapat dinyatakan dengan rumus sederhana sebagai berikut :

16 X = X + S. T K T.....(2.9) dengan: X T X S K T = besaran (dapat debit atau hujan) dengan kala ulang T tahun, = besaran rata-rata, = simpangan baku, = faktor frekuensi untuk kala ulang T tahun. e. Uji Chi-Kuadrat Pada dasarnya uji ini merupakan pengecekan terhadap penyimpangan rerata dari data yang dianalisis berdasarkan distribusi terpilih. Penyimpangan tersebut diukur dari perbedaan antara nilai probabilitas setiap varian X menurut hitungan teoritis dengan pendekatan empiris. Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut: 2 χ ( Ef Of ) 2 = i 1 Ef = K i.(2.10) dengan: χ 2 = harga Chi-kuadrat, Ef = frekuensi yang diharapkan untuk kelas i, Of = frekuensi terbaca pada kelas i, K = banyaknya kelas. Harga χ 2 harus lebih kecil dari harga χ 2 kritik yang dapat diambil dari tabel uji statistic chi kuadrat.,untuk derajat nyata (α) tertentu dan derajat kebebasan (DK) tertentu,umumnya digunakan derajat nyata 5 % dan untuk

17 distribusi Chi-Kuadrat, nilai DK dapat dipakai rumus berikut: DK = K 3 f. Uji Smirnov-Kolmogorov Pengujian dilakukan dengan mencari nilai selisih probabilitas tiap varian X menurut distribusi empiris dan teoritik, yaitu i. Harga i maksimum harus lebih kecil dari kritik, maka jenis distribusi yang dipilih dapat digunakan, nilai kritik, diperoleh dari Tabel 2.2. Tabel 2.2. Nilai kritik Uji Smirnov Kolmogorov n Α n > n 1.07 n 1.07 n 1.07 n Sumber : Triatmodjo,B Hidrologi Terapan 2008 Keterangan : n α :Jumlah Data : Derajat nyata

18 2.12 Distribusi Hujan Tadashi Tanimoto Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Tadashi Tanimoto hujan efektif yang mengakibatkan banjir terjadi selama 8 jam. Distribusi yang berlaku di pulau jawa sebesar 26%,24%,17%,13%,7%,5.5%,4%,3.5% setiap jam nya. Dalam perhitungan debit banjir rancangan diperlukan masukan berupa hujan rancangan yang didistribusikan ke dalam hujan jam-jaman. Untuk melakukan distribusi hujan dengan menggunakan Distribusi hujan menurut tadashi tanimoto dilakukan dengan cara mengalikan debit hujan harian rancangan (XT) dengan % distribusi setiap jam nya. Berikut ini adalah tabel distribusi hujan di jawa menurut Tadashi Tanimoto Tabel 2.3. Distribusi Hujan Di Jawa Menurut Tadashi Tanimoto Jam Ke % Distribusi Sumber : Triatmodjo,B, 2008