III. METODOLOGI PENELITIAN Analisis debit Sungai Cidanau dilakukan untuk mendapatkan ketersediaan air pada DAS Cidanau. Hal ini dilakukan untuk menggambarkan perubahan yang terjadi pada jumlah air yang tersedia terkait jumlah, ruang, dan waktu pada DAS Cidanau. Adapun langkah yang akan dilakukan meliputi : (i) pengumpulan dan pengolahan data iklim, (ii) analisis kecenderungan ketersediaan air, (iii) penentuan hari kering DAS Cidanau, (iv) penghitungan debit Sungai Cidanau, (v) analisis debit sungai cidanau menggunakan MWSWAT, (vi) kalibrasi data debit Sungai Cidanau, (vii) mendapatkan hubungan curah hujan dengan debit Sungai Cidanau. 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ini dilakukan di kawasan DAS Cidanau dengan titik outlet bangunan mercu (weir) Rumah Pompa I PT KTI. Pengolahan data dilakukan di Laboratorium Sumber Daya Air, IPB, Dramaga, Bogor. Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan November 2010 sampai dengan Maret 2011. 3.2 Alat dan Bahan Alat yang digunakan pada penelitian ini antara lain: - Seperangkat komputer dengan menggunakan aplikasi Microsoft Office 2007, open sources software MapWindows GIS 4.7 SR (4.7.5) dari www.mapwindow.org. - Echosounder untuk mengukur kedalam air sungai. - Currentmeter digunakan untuk mengukur kecepatan aliran sungai - Water Level Logger untuk mengukur perubahan ketinggian muka air sungai setiap 30 menit. - Alat pendukung lainnya berupa Theodolite T200, pita ukur, tali tambang, dan perahu.
18 3.3 Pengumpulan dan Analisis Data Pengumpulan data mencakup data primer dan skunder. Data yang dibutuhkan pada penelitian ini antara lain: - Debit Sungai Cidanau tahun 1996-2010 dari PT Karakatau Tirta Industri (PT KTI). - Kebutuhan air penduduk dan industri dari PT Krakatau Tirta Industri. - Data klimatologi Stasiun Iklim Serang 1996-2010 - Data global Digital Elevation Mode (DEM) untuk wilayah Cidanau dengan resolusi 30 x 30 m yang berasal dari (http://dds.cr.usgs.gov/srtm/version2_1/srtm3/eurasia/) - Data global dari Landuse (http://waterbase.org) skala 1:250 000, tanah (http://waterbase.org) skala 1:250 000, dan data iklim global - Peta Landuse olahan citra satelit pada DAS Cidanau tahun 2006, 2008 dan 2010 skala 1: 25 000. - Peta Tanah DAS Cidanau tahun 2008/2009 Analisis data mencakup rata-rata curah hujan wilayah, evapotranspirasi, infiltrasi. Selanjutnya dilakukan analisis SWAT dengan menggunakan aplikasi MapWindows untuk menghitung debit Sungai Cidanau. Pada aplikasi SWAT input data yang diperlukan disesuaikan dengan metode yang akan digunakan dalam menentukan parameter output nantinya. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 1. 3.4 Analisis Kecenderungan Ketersediaan Air Data hasil pengukuran debit Sungai Cidanau harian telah dikumpulkan oleh PT. Krakatau Tirta Industri secara intensif menggunakan AWLR sejak tahun 1996. Ketersediaan air Sungai Cidanau diproyeksikan berdasarkan data histori debit sungai dengan menggunakan model populasi populer yang dikenal sebagai model Verhulst (Persamaan 3-1) (Burghes dan Borrie 1981). Secara umum model ini menunjukkan kurva sigmoid dari waktu ke waktu dengan nilai batasan pada waktu tak terbatas.
19 Tabel 1 Output, metode, dan input data yang diperlukan Output Metode Data yang dibutuhkan Surface run off SCS (1972) - Hujan - Porositas tanah - Kadar air tanah - Infiltrasi - Retensi tanah - Kadar air saat kapasitas lapang - Kadar air saat titik layu permanen - Kemiringan lahan - Kadar air tanah rata-rata - data tanah dan tata guna lahan Green and Ampt (1911) - Hujan - Potensial matriks tanah - Perubahan volume kadar air - Kemiringan lahan - Konduktivitas hidrolik tanah - Kadar air saat kapasitas lapang - Kadar air saat titik layu permanen - Koefisien kekasaran meanning - Data tanah dan tata guna lahan Evapotranspirasi Penman-Monteith (1965) Priestley and Taylor (1972) Hargreaves et al. (1985) - Kelembaban relatif - Radiasi matahari - Suhu rata-rata, max, minimum - Kecepatan angin - Tekanan atmosfer - Jenis tata guna lahan - Radiasi matahari - Kelembaban relatif - Suhu rata-rata, max, minimum - Jenis tata guna lahan - Suhu rata-rata, max, minimum - Radiasi matahari - Jenis tata guna lahan Perkolasi Neitsch et al. (2005) - Konduktivitas hidrolik - Hujan - Kadar air saat kapasitas lapang - Kadar air saat titik layu permanen - Jenis tanah Ground water Arnold et al. (1993) - Hujan - Konduktivitas hidrolik tanah - Topografi - Muka air tanah - Tanah
20 Arah perubahan ketersediaan air dapat dihitung dengan menggunakan analisis kecenderungan perubahan iklim pada DAS Cidanau yang sebelumnya telah diteliti oleh Setiawan et al (2009). P(t) = P 1 + 1. exp ( γt) (3-1) Hasil proyeksi ini hanya untuk melihat gambaran ketersediaan air secara statistik, namun pada kondisi di alam sering terjadi deviasi dari hasil proyeksi yang dilakukan. 3.5 Penentuan Hari Kering DAS Cidanau Penentuan awal musim kemarau dan lamanya dilakukan dengan menganalisis fungsi kumulatif dari curah hujan dalam satu tahun. Data curah hujan yang terjadi dari tahun 1989 sampai 2010 disusun secara kumulatif untuk setiap tahunnya. Pola sebaran dari penjumlahan hujan setiap harinya akan menbentuk suatu fungsi polinomial. Dari fungsi polinomial tersebut, dapat diperoleh persamaan untuk fungsi hujan kumulatif sebagai berikut: Hujan (t) = a 5.x 5 + a 4.x 4 + a 3.x 3 + a 2.x 2 + a 1.x+ c (3-2) Persamaan hujan kumulatif di atas memiliki tingkat kecondongan (Slope) dalam satu tahun. Nilai Slope yang besar menandakan perubahan hujan dari hari satu hari berikutnya relatif tinggi. Slope inilah yang menjadi batasan dalam menentukan kapan terjadinya musim kering dan musim hujan. Awal musim kering ditandai jika H (t) Slope yang berarti rata-rata hujan harian pada saat tersebut lebih kecil atau sama dengan batasan hari basah pada tahun tersebut, maka dapat dikatakan pada saat tersebut adalah awal hari kering. Nilai t menerangkan hari dalam julian days. Awal musim hujan ditandai dengan nilai H (t) Slope yang berarti curah hujan harian rata-rata melebihi dari batasan hari kering. Puncak hari kering merupakan titik balik dari kondisi kering ke basah, maka untuk mendapatkan titik balik dari fungsi H(t) diperoleh dengan turunan keduanya H (t) = 0.
21 3.6 Penghitungan Debit Sungai Cidanau Penghitungan debit Sungai Cidanau dilakukan dengan mengukur tinggi muka air sungai secara berkala. Adapun tahapan yang dilakukan dalam menentukan besarnya debit Sungai Cidanau adalah: 3.6.1 Pengukuran profil Sungai Cidanau. Penentukan arah potongan melintang sungai dilakukan dengan menggunakan theodolite agar bentuk profil sungai tegak lurus terhadap aliran sungai. Pengukuran kedalaman sungai dilakukan dengan menggunakan ecosounder dan untuk kecepatan aliran sungai dilakukan dengan currentmeter jarak pengukuran adalah satu meter. Pengukuran kecepatan aliran dilakukan dengan cara membagi penampang melintang saluran setiap meter dan titik pengukuran kecepatan berada pada dua titik yakni pada 0.2d dan 0.8 d dari permukaan air (Chow VT 1989). Adapun kecepatan rata-rata untuk satu titik pengukuran adalah: V =,, (3-4) Perubahan ketinggian permukaan air dicatat dengan menggunakan water level loger dengan interval waktu pencatatan 30 menit. 3.6.2 Pembuatan rating curve Metode yang digunakan dalam pengukuran debit Sungai Cidanau adalah dengan menggunakan fungsi cubic spline interpolation yang dikembangkan oleh Setiawan et al, 1997. Fungsi ini digunakan untuk menggambarkan profil sungai secara kontinyu yang terbentuk dari hasil pengukuran jarak dan kedalaman sungai. Metode ini dapat langsung menghitung debit sungai menggunakan formula Manning, dan menghasilkan rating curve. Rating curve akan menggambarkan pengaruh perubahan kedalaman terhadap debit sungai.
22 Gambar 4 Sketsa pengukuran penampang melintang sungai Cubic spline interpolation (Burden dan Faires 1989) digunakan untuk mencari fungsi kontinyu yang menghubungkan antara lebar dan dalam sungai (Gambar 4), dimana x i merupakan titik pengukuran yang ke-i dihitung dari tepi sungai, dan d i adalah kedalaman pada titik i. Fungsi ini berbentuk: d (x) = α + β (x x ) + γ (x x ) + δ (x x ) untuk x x x (3-5) Dimana, α, β, γ dan δ masing-masing adalah koefisien yang dihitung sebagai berikut: α = f(x ) ; untuk i = 0,1,...,m (3-6) β = (x x )(γ 2γ ) ; untuk i = 0,1,...,m (3-7) γ = z μ γ ; untuk i = 0,1,...,m -1 dan γ = 0 (3-8) δ = untuk i = 0,1,...,m (3-9) 3.7 Analisis Debit Sungai Cidanau menggunakan MWSWAT Perhitungan debit Sungai Cidanau juga dilakukan dengan menggunakan MWSWAT. Hal ini untuk melihat karakteristik DAS secara keseluruhan dengan responnya terhadap hidrologi DAS secara keseluruhan. Hasil simulasi nantinya divalidasikan kembali dengan hasil perhitungan debit observasi di lapangan. Sebelum memulai tahapan pengolahan dengan menggunakan SWAT, perlu dilakukan persiapan terhadap data yang akan dimasukkan sebagai input dalam SWAT yakni: a. Membuat sistem koordinat pada peta DEM (30 m x 30 m), landuse, tanah. Sistem koordinat yang digunakan adalah sistem koordinat Universal
23 Tranverse Mercator (UTM) WGS 1984 pada zone 48S. Format peta yang digunakan dalam bentuk raster (grid cells). b. Menyiapkan data iklim yang meliputi: daftar stasiun iklim Serang (967370.txt), data hujan harian dari tahun 2006-2010 (967370.pcp), data temperatur harian dari tahun 2006-2010 (967370.tmp), data iklim tahun 1996-2009 di dalam file weather generator (WGN_serang.wgn) c. Menyiapkan data karakteristik tanah, tanaman/landuse, dan wilayah urban dengan penyesuaian terhadap data global yang telah ada. 3.7.1 Penggambaran Daerah Aliran Sungai (DAS) Daerah Aliran Sungai Cidanau dibuat dengan metode Automatic Watershed Delineation pada aplikasi SWAT. Peta DEM Cidanau dengan resolusi 30m x 30m dijadikan input untuk mempresentasikan beda elevasi dari setiap titik untuk melihat arah aliran air permukaan. Aliran sungai yang terbentuk akan membentuk suatu daerah aliran sungai, dan outlet dari aliran sungai tersebut disesuaikan dengan koordinat outlet Sungai Cidanau pada Rumah Pompa I PT Karakatau Tirta Industry (PT KTI). 3.7.2 Pembuatan wilayah hidrologi Wilayah hidrologi dibentuk berdasarkan pembuatan Hydrological Response Unit (HRU) pada aplikasi SWAT. HRU mengambarkan pengaruh suatu wilayah terhadap faktor hidrologi yang terjadi pada wilayah tersebut, pembagian wilayah tersebut berdasarkan karakteristik tanah, tata guna lahan, dan kemiringan lahan. Input peta tanah dan landuse harus dalam koordinas sitem UTM, dan dalam format raster. Selanjutnya faktor kemiringan yang digunakan dalam menentukan HRU dibagi dalam beberapa pembagian menurut Arsyad (2006) yakni 0-3 ; 3-8 ; 8-15; 5-30; 30-45; 45-65. Threshold dari persentase total luasan yang digunakan untuk landuse (10%), jenis tanah (5 %), dan Slope (5%) yang memiliki persentase luasan yang lebih kecil dari threshold yang ditentukan untuk diabaikan.
24 3.7.3 Simulasi SWAT Pada tahapan ini input data yang digunakan adalah periode simulasi tahun 2006-2010. File data mencakup data stasiun iklim (.txt), file data hujan harian (.pcp), temperatur harian (.tmp) dan file weather generator (.wgn). 3.7.4 Visualisasi hasil simulasi. Pada tahapan visualisasi parameter output yang dikehendaki dapat ditampilkan dalam MapWindows, berupa gradasi warna. Pada Sungai Cidanau output yang dipilih yaitu parameter output debit sungai rata-rata tahunan. 3.8 Kalibrasi Data Debit Sungai Cidanau Analisis hasil simulasi dari output yang telah diperoleh dikalibrasi parameter inputnya agar hasil simulasi mendekati data hasil pengukuran di lapangan. Perbandingan output debit hasil simulasi SWAT dengan debit hasil observasi outlet di lapangan dilakukan dengan menggunakan SWAT Plot dan Graph (George 2008). Analisis dilakukan dengan menggunakan koefisien determinasi (R 2 ) dan Nash-Sutcliffe Index (NSI) sebagai berikut: R = (, )(, ) (, ) (, ) (3-2) NSI = 1.0 (, ) (, ) (3-3) Dimana : Q, = debit pengukuran di lapangan (m 3 /det) Q, = debit simulasi (m 3 /det) Q = debit pengukuran di lapangan rata-rata (m 3 /det) Q = debit simulasi rata-rata (m 3 /det) Kategori simulasi berdasarkan nilai NSI adalah sebagai berikut: - Layak jika > 0.75 - Memuaskan jika 0.75 > NSI > 0.36 - Kurang memuaskan jika < 0.36
25 JIka hasil kalibrasi didapatkan hasil memuaskan atau layak maka model SWAT dapat diaplikasikan disimulasikan untuk berbagai kondisi dalam manajemen sumber daya air di DAS Cidanau. Kalibrasi dilakukan terhadap parameter yang berhubungan dengan debit Sungai Cidanau, sedangkan untuk parameter yang berkaitan dengan sedimentasi, transpor unsur hara, dan bahan organik tidak diikutkan pada penelitian ini.