MODEL ANALISIS ALIRAN PADA SALURAN TERBUKA DENGAN BENTUK PENAMPANG TRAPESIUM 1.1 Latar Belakang PENDAHULUAN Kondisi aliran dalam saluran terbuka yang rumit berdasarkan kenyataan bahwa kedudukan permukaan yang bebas cendrung berubah sesuai waktu dan ruang, dan juga bahwa kedalaman aliran, debit, kemiringan dasar saluran dan permukaan bebas adalah tergantung satu sama lain. Kondisi fisik saluran terbuka jauh lebih bervariasi dibandingkan dengan pipa. Kombinasi antara perubahan setiap parameter saluran akan mempengaruhi kecepatan yang terjadi. Disisi lain perubahan kecepatan tersebut akan menentukan keadaaan dan sifat aliran. Hal ini lah yang ingin diketahui untuk menentukan pengaruh ketinggian terhadap kecepatan yang terjadi. Prilaku alirandalam saluran yang peka erosi dipengaruhi oleh berbagai faktor fisik dan oleh keadaan lapang yang sangat kompleks dantidak menentu sehingga memerlukan perancangan yang tepat untuk saluran semacam ini. 1.2 Tujuan Pembuatan Model Adapun tujuan dari pembuatan model ini adalah: 1. Merancang dimensi saluran yang disesuaikan dengan jenis tanah 2. Menganalisis sifat aliran air dengan bentuk trapesium pada saluran terbuka 3. Menganalisis pengaruh peningkatan kedalaman saluran terhadap kecepatan pada saluran
METODOLOGI 2.1 Penentuan Unsur Geometrik Unsur-unsur geometrik pada saluran terbuka antara lain : 1. Kedalaman aliran (y) adalah jarak vertikal titik terendah pada suatu penampang saluran sampai ke permukaan bebas. 2. Lebar puncak (T atau b) adalah lebar penampang saluran pada permukaan bebas. 3. Luas basah (A) adalah luas penampang melintang aliran yang tegak lurus dengan arah aliran. 4. Keliling basah (P) adalah panjang garis perpotongan dari permukaan basah saluran dengan bidang penampang melintang yang tegak lurus arah aliran. 5. Jari-jari hidrolik (R) adalah Rasio luas basah dengan keliling basah R=... (1) 6. Kedalaman Hidrolik (D) adalah rasio luas basah dengan lebar puncak D = (3/4) x h... (2) 2.2 Penentuan Kecepatan aliran Penggunaan rumus manning: V =... (3) dimana ; V = Kecepatan rata-rata (m/s) R = Jari-jari hidrolik (m) S = Kemiringan/slope n = Koefesien kekasaran 2.3 Koefesien Kekasaran permukaan Kekasaran permukaan ditandai dengan ukuran dan butiran bahan yan membentuk luas basah dan menimbulkan efek hambatan terhadap aliran. Pada sungai aluvial dimana butiran halus seperti pasir, lempung, lanau, efek hambatan jauh lebih kecil dari pada bahan nya kasar seperti kerikil dan bebatuan. Bila bahannya halus, n rendah dan bila bahannya kerikil dan bebatuan, n biasanya tinggi. Batuan lebih besar biasanya terkumpul didasar sungai, mengakibatkan dasar saluran lebih kasar. 2.4 Kemiringan Saluran Kemiringan memanjang dasar saluran biasanya diatur oleh keadaan topografi yang dipelukan untuk mengalirkan air. Kemiringan dinding slauran tergantung jenisnya bahan. Kemiringan dinding saluran dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1. Kemiringan saluran berdasarkan bahan No Bahan Kemringan dinding saluran 1 Batu Hampir tegak lurus 2 Tanah Gambut, ¼ :4 3 Lempung teguh ½ : 1 atau 1:1 4 Tanah berpasir batu 1 : 1 5 Lempung kaku 1,5 : 1 6 Tanah berpasir lepas 2 : 1 7 Lempung berpasir 3 : 1 2.5 Kecepatan maksimum yang di ijinkan Adalah kecepatan rata-rata terbesa ryang tidak menimbulkan erosi pada tubuh saluran. Kecepatan Kecepatan ini sangta tidak menentu dan bervariasi. Saluran lama biasanya mengalami banyak pergantian musim mampu akan menerima kecepatan yang lebih besar dibanding saluran baru, kan-bahan kolida. karena saluran lama biasanya lebih stabil terutama adanya pengendapan bahan-bahan koloida. Tabel kecepatan maksimum yang diijinkan dipilih pada air jenih, berdasarkan bahan yang digunakan menurut Fortier dan Scobey, dapat dilihat pada tabel 2 dibawah ini: Tabel 2. Kecepatan maksimum menurut Fortier dan Scobey No Bahan Nilai n V 1 Pasir halus 0.02 1.50 2 Debu Vulkanis 0.02 2.50 3 Kerikil halus 0.02 2.5 4 Bebatuan 0.035 5 2.6 Energi dalam Saluran Terbuka Gambar 1. Aliran Dalam Saluran Terbuka
Garis energi adalah garis yang menyatakan ketinggian dari jumlah tinggi aliran, yand dipengaruhi oleh kemiringan garis energi atau gradien energi (energi gradien) yang biasa disebut Sf, selanjutnya kemiringan muka air (Sw) dan kemiringan dasar saluran (So). Untuk aliran seragam (uniform flow), sf = sw = so (dasar saluran sejajar muka air dan sejajar kemiringan garis energi). Jumlah tinggi energi pada penampang 1 di hulu akan sama dengan jumlah tinggi energi pada penampang 2 di hilir, hal ini dinyatakan dengan :... (4) Jika α 1= α2=1 dan hf=0 maka persamaan di atas menjadi : Persamaan di atas dikenal sebagai persamaan Bernoulli.... (5) 2.7 Energi Spesifik Gambar 2. Kurva lengkung energi spesifik dalam saluran terbuka Untuk saluran dengan kemiringan dasar kecil dan α=1 (koefisien energi =1), Energi Spesifik adalah jumlah kedalaman air ditambah tinggi kecepatan, atau : atau... (6)
Kurva energi spesifik untuk harga E tertentu mempunyai 2 kemungkinan kedalaman yaitu y1 dan y2. Jika persamaan (2) diturunkan terhadap y (didiferensialkan) dengan Q konstan, maka:...(7) Mengingat bahwa atau da/dy = T dan kedalaman hidrolik D = A/T maka persamaan diatas menjadi:... (8) Pada keadaan kritis energi spesifik saluran adalah minimum atau de/dy=0 sehingga persamaan di atas menjadi:... (9) Dengan demikian dapat ditulis v 2 /gd = 1 atau v 2 /g = D maka :... (10) Ini berarti pada kondisi aliran kritis, tinggi kecepatan sama dengan setengah dari kedalaman hidrauliknya. Dapat juga persamaan di atas ditulis diubah menjadi... (11) Bilangan Froude pada kondisi kritis, nilai F=1. Dimana kriteria ini dipakai dengan memenuhi persyaratan berikut: 1. Aliran sejajar atau berubah lambat laun. 2. Kemiringan saluran adalah kecil. 3. Koefisien energi dianggap sama dengan 1. Jika F < 1 aliran bersifat subkritis,dalam keadaan ini peranan gaya tarik bumi lebih menonjol, dan bila F > 1, aliran bersifat superkritis, gaya inersia yang sangat menonjol, sehingga aliran mempunyai kecepatan tinggi dan cepat. Bila koefisien energi tidak dianggap sama dengan satu, dan saluran kemiringannya besar maka criteria aliran krits adalah:... (12)
Dengan D adalah kedalaman hidrolik dari luas penampang air yang tegak lurus dasar saluran. Dalam hal ini, bilangan Froude dapat dinyatakan sebagai berkut:... (13) Perlu ditegaskan bahwa koefisien α untuk suatu penampang saluran sesungguhnya berubah-ubah sesuai kedalamannya. Namun pada penurunan rumus di atas, koefisien ini dianggap konstan.
PEMBAHASAN 3.1 Deskripsi Model Model yang diaplikasikan pada saluran terbuka, dengan bentuk penampang trapesium karena bentk ini yang paling stabil digunakan untuk membangun saluran, stabilitas kemiringandindingnya dapat disesuaikan dengan jenis bahannya. Model ini dikembangkan menggunakan software VB. NET contoh. Parameter input yang digunakan dari model ini yang dapat dilihat pada gambar 1 adalah : Jenis tanah, b (lebar penampang), Kedalaman aliran, z, slope (kemiringan saluran dan nilai kekasaran manning (n). Adanya hubungannya antara nilai kekasaran manning dengan distribusi kecepatan, dimana mencari nilai kecepatan menggunakan pendekatan manning, karena dipengaruhi oleh kemiringan saluran. Nilai kekasaran ini juga berdasarkan bahan saluran yang digunakan. Gambar 1. Parameter input 3.2 Proses dari Model Rancangan Saluran Jenis tanah yang di input mempunyai nilai batasan kecepatan maksimum yang diijinkan merupakan kecepatan normal,dari hasil perhitungan untuk jenis tanah pasir halus dimana batasan kecepatan ijinnya sebesar 1.5 m/s, dan aliran airnya cendrung mengalami subkritis dan dimana nilai froude nya (F) <1 sehingga tidak terjadi penggerusan, tetapi terjadi pengendapan. Hasil output dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar 2. Hasil output pada jenis tanah pasir Outputnya berupa nilai froude (F), kedalaman aliran (h), nilai kecepatan dan nilai debit, dimana output tersebut digambarkan dalam grafik pengaruh kedalaman saluran dengan kecepatan. dapat dilihat pada gambar 3. Gambar 3. Grafik Pengaruh kedalaman terhadap kecepatan
3.3 Sensitifitas Model Pengaruh perubahan setiap parameter input pada model menunjukkan tingkat sensitifitas sebagi berikut: Sensitivitas Perubahan Dimensi Parameter Input Terhadap Kecepatan 60 40 Kecepatan % 20 0-100 -50-20 0 50 100-40 -60-80 % Perubahan b, z, dan S Pengaruh b Pengaruh z Pengaruh S Gambar 4. Grafik senstivitas parameter input terhadap peningkatan kecepatan Dari grafik di atas diketahui parameter yang memiliki tingkat pengaruh yang tinggi terhadap kecepatan adalah Slope saluran (S). dimana semakin besar nilai yang diberikan terhadap S akan lebih berpengaruh terhadap kecepatan saluran dibandingkan perubahan parameter input lainnya. Untuk peningkatan nilai S menjadi dua kalinya maka kecepatan saluran akan meningkat sebesar41,42%, sedangkan untuk penurunan nilai S sebesar 90% akan menurunkan kecepatan sebesar 68,38%.Factor slope saluran mempengaruhi tingkat. Parameter z sangat kecil mempengaruhi perubahan kecepatan yakni jika nilai z dinaikkan duakali lipat hanya terjadi peningkatan kecepatan sebesar 7,38%. 3.4 Aplikasi Model Dari nilai sensitivitas yang sudah dianalisis bahwa parameter slope lah yang paling tinggi pengaruh terhadap peningkatan kecepatan. Nilai nilai yang menjadi input : pada jenis tanah pasir halus, nilai b = 2 m, ketinggian (h-maksimum) = 5m, z = 1, sedangkan nilai slopenya sebesar 0.002 Perubahan kedalaman terhadap peningkatan kecepatan dapat dilihat pada gambar 5.
Gambar 5. Grafik Pengaruh kedalaman terhadap kecepatan dngan slope 0.002 Dari output yang dihasilkan, perubahan nilai kecepatan yang dihasilkan tidak mendekati nilai normal yang diijinkan, sehingga ada beberapa parameter input yang dirubah yaitu nilai b menjadi 2 m, h-maksimum = 5 m, dan nilai slope diperkecil menjadi 0.001, sehingga menghasilkan nilai kecepatan yang mendekati nilai kecepatan yang diijinkan yaitu pada saat h = 1 m, dimana kecepatan alirannya sebesar 1.51 m/s dapat dilihat pada gambar 6 dan hasil grafiknya dapat dilihat pada gambar 7. Gambar 6. Output pada jenis tanah pasir dengan slope 0,001
Gambar 7. Grafik Pengaruh kedalaman terhadap kecepatan dengan slope 0.001
PENUTUP 4.1 Kesimpulan 1. Dari penggunaan model ini secara teoritis dapat menentukan jenis aliran sesuai dengan jenis bahan pada setiap pengaruh kedalaman aliran. 2. Dari penentuan sensitivitas model diketahui parameter yang sangat mempengaruhi kecepatan dan menentukan jenis aliran adalah parameter slope (S). 3. Untuk Penggunaan Lebih lanjut harus melakukan validasi dengan data lapangan. Karena pada model ini hanya dilakukan pendekatan secara teoritis. LITERATUR Chow Ven Te.1989. Hidrolika Saluran Terbuka (Open Channel Hydrolics) Terjemahan. Erlangga, Jakarta.