STUDI KOMPARATIF METODE ANALISIS LONG-SHORE SEDIMENT TRANSPORT DAN MODEL PERUBAHAN GARIS PANTAI Oleh: Darius Arkwright Abstrak Perubahan garis pantai merupakan implikasi dari proses-proses hidro-oseanografi yang terjadi pada daerah perairan dekat pantai (nearshore process). Banyak metode analisis yang dapat dilakukan untuk memprediksi besarnya perubahan garis pantai akibat proses tersebut. Makalah ini berusaha untuk membuat studi komparasi dari dua penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Tanaka dan Suzuki dengan hasil penelitian US Army Corps of Engineers. Dua pendekatan yang disajikan dalam makalah ini didasarkan pada suatu konsep yang sama. Namun pendekatan yang disajikan oleh Tanaka dan Suzuki telah menggunakan model gelombang yang sangat detail, yang menggabungkan variabel-variabel yang membuat model yang rumit dan sulit untuk diimplementasikan dalam dunia nyata. Di sisi lain model transportasi sedimen dari US Army Corps of Engineers lebih sederhana untuk diaplikasikan. Kata kunci: perubahan garis pantai, Tanaka dan Suzuki, USACE Pendahuluan Perubahan garis pantai merupakan akibat langsung dari erosi pantai dan efek gelombang pecah pada daerah near-shore serta arus dekat pantai. Gelombang pecah (breakin waves) pada daerah near-shore dan arus dekat pantai merupakan penyebab utama terjadinya transportasi sedimen yang mengakibatkan perubahan garis pantai. Hal ini adalah bagian dari proses berskala besar yang dikenal sebagai littoral transport, yang merupakan perpindahan material sedimen akibat gelombang dan arus di daerah pantai. Sehubungan dengan suplay pasir sepanjang garis pantai yang ditinjau bisa saja terjadi surplus, tetap seimbang, atau mengalami defisit. Pasokan pasir ( sand budget) akan berada pada posisi keseimbangan untuk wilayah tertentu jika jumlah pasir yang meninggalkan daerah itu telah digantikan oleh pasir dengan jumlah yang sama dari daerahdaerah sekitarnya. Untuk periode waktu yang pendek, erosi garis pantai dapat terjadi di suatu daerah diikuti oleh terbentuknya tumpukan pasir akibat transportasi sedimen sepanjang pantai, meskipun demikian dalam jangka panjang, daerah tersebut akan berada dalam keadaan kesetimbangan dinamis. Berkurangnya pasokan pasir dalam skala besar yang terjadi dalam periode waktu panjang pada suatu daerah menyebabkan terjadinya defisit pasir yang seharusnya seimbang, biasanya oleh peningkatan erosi garis pantai. Prosedur untuk memprediksi secara matematis volume transportasi sedimen di daerah pantai membutuhkan pengetahuan tentang besar dan arah fluks energi akibat gelombang pecah di sepanjang pantai daerah tempat penelitian dilakukan. US Army Corps of Engineers dalam publikasinya yang dikaji dalam makalah ini mengusulkan prosedur berikut. Untuk kuantifikasi transportasi sedimen sepanjang pantai, harus ditetapkan kondisi gelombang yang mewakili kondisi gelombang tahunan yang diukur atau terjadi di daerah offshore. Gelombang dengan ketinggian dan periode yang berbeda dan
arah, yang harus "diarahkan" ke pantai oleh model refraksi gelombang sampai gelombang pecah di dekat pantai. Informasi tentang sudut relatif gelombang pecah terhadap pantai, tinggi gelombang pecah, dan kecepatan gelombang pecah harus ditentukan dan digunakan untuk menentukan komponen fluks energi untuk dua arah di sepanjang pantai (long-shore dan cross-shore). Untuk menentukan data gelombang yang representatif, diperlukan pemahaman yang tepat tentang arah distribusi tinggi dan periode gelombang, karena distribusi tinggi gelombang dikonversi menjadi distribusi yang sama dengan energi gelombang merupakan fungsi dari tingkat transportasi sedimen sepanjang pantai. Secara matematis, ada beberapa model yang dapat digunakan untuk memprediksi perubahan garis pantai akibat energi gelombang tersebut. Namun hampir tidak ada satu pun dari model-model ini yang mempertimbangkan distribusi ukuran butir sedimen. Salah satu model yang paling terkenal ini adalah model yang diusulkan oleh Pernald-Cosidere tahun 1956. Model ini telah digunakan secara intensif untuk menghitung perubahan garis pantai dalam jangka panjang. Meskipun model satu garis ( one-line model) telah diperluas untuk cross-shore sediment transport juga, masalah distribusi ukuran butir tidak pernah secara khusus dibahas oleh suatu model. Oleh karena itu model yang diusulkan oleh Tanaka dan Suzuki yang dikaji dalam makalah ini cukup unik karena menggabungkan keduanya yaitu prediksi perubahan garis pantai dan distribusi ukuran butir sedimen. Harus disebutkan pula bahwa distribusi ukuran butir dan pola distribusi sedimen dapat digunakan untuk menentukan arah transportasi sedimen dan sumber sedimentasi. Oleh karena, ketika mempelajari perubahan garis pantai pada suatu area pantai tertentu, salah satu faktor yang penting adalah mengumpulkan dan menganalisa sampel dari distribusi ukuran butir, median ukuran butir, dan settling velocity. Pada suatu pantai yang terakresi, jarak ekskrusi dari sebuah titik relatif terhadap posisi awalnya adalah positif, dan pada pantai yang tererosi adalah negatif. Tingkat perubahan dari jarak ekskrusi terhadap waktu ini disebut sebagai excursion rate. Jika profil pantai secara berturut-turut direduksi terhadap base line, jarak ekstruksi setiap titik pada profil menunjukkan besarnya pergerakan offshore-onshore. Jarak ekskrusi relatif antara dua titik atau lebih pada profil yang sama menunjukkan perubahan kemiringan antara titik-titik tersebut. Ketika menganalisis jarak ekstruksi untuk jangka waktu tertentu, harus dipertimbangkan aktivitas badai selama sedimen tererosi dari bagian atas profil pantai dan tertransportasi baik sepanjang pantai di pesisir atau crossshore. Terutama badai besar dapat mengakibatkan transportasi sedimen yang cukup jauh ke arah offshore dan pada kondisi tertentu tidak kembali ke arah pantai, sehingga mengakibatkan terjadinya defisit sedimen defisit dan, karenanya, pantai mengalami erosi. Penting juga untuk dicatat bahwa selama terjadinya fase erosi garis pantai, pantai akan mempertahankan eksposur dari sedimen pantai baru, yang mungkin tidak memiliki distribusi sedimen yang sesuai dan karakteristik sedimen pada kondisi gelombang dominan. Pembahasan Gelombang Dan Model Transportasi Sedimen Sepanjang Pantai Dalam model gelombang Tanaka dan Suzuki, diadopsi metode wave ray yang diusulkan oleh Munk dan Arthur (1952), un tuk menghitung transformasi gelombang, termasuk konsep gelombang pecah Goda. Bentuk persamaan adalah sebagai berikut:
ζ = 1 sin cos menghitung komponen fluks energi gelombang sepanjang pantai seperti yang ditunjukkan di bawah ini: dan dimana ζ ( ) ζ + ( ) = 0 ( ) = cos 1 + sin 1 ( ) = sin sin 2 1 + cos Dimana α adalah sudut datang gelombang, b lebar dua gelombang yang berdekatan, C adalah celerity gelombang, dan ζ adalah koordinat arah gelombang. Konsep gelombang pecah Goda dinyatakan sebagai: = 0,17 1 exp 1,5 h 1 + 15 Dimana H b adalah ketinggian gelombang pecah, h b adalah kedalaman air pada titik gelombang pecah, m adalah kemiringan pantai, dan L 0 Adalah panjang gelombang di laut dalam. Disini jelas bahwa model gelombang ini secara teori dapat diterima, karena didasarkan pada gagasan ilmiah eksplisit. Namun, model ini memiliki banyak variabel yang perlu diestimasi sebelum dapat digunakan, dimana beberapa dari variabel tersebut hanya dapat diukur dari lapangan, seperti kemiringan pantai m. Di sisi lain, pendekatan US Army Corps of Engineers tidak menggunakan model gelombang. Selain itu, mereka menggunakan model transportasi sedimen sepanjang pantai yang mencakup immersed weight transport rate I l yang merupakan fungsi dari tingkat transportasi sedimen sepanjang pantai Q l yang merupakan volumetric rate. Mereka juga 1 dimana = sin cos 8 = dan = Dimana P l adalah tingkat transportasi sedimen sepanjang pantai potensial, E b adalah energi gelombang pada garis gelombang pecah, C gb adalah kecepatan kelompok gelombang pada garis gelombang pecah, (EC g ) b adalah fluks energi gelombang atau kekuatan gelombang pecah, dan α b adalah sudut gelombang pecah. Immersed weight transport rate I l mempunyai hubungan dengan tingkat transportasi sedimen sepanjang pantai potensial P l karena mereka memiliki satuan yang sama, sebagai berikut: = dimana K adalah koefisien proporsionalitas yang tidak berdimensi. US Army Corps of Engineers juga menyajikan hubungan antara volume transport rate Q l dan Immersed weight transport rate I l sebagai berikut: = ( ) (1 ) dimana ρ s adalah densitas butiran sedimen, ρ adalah densitas air laut, g adalah percepatan gravitasi, dan n adalah porositas sedimen di tempat (n 0,4). Dengan subtitusi nilai dari parameterparameter di atas dalam sistem satuan metrik, kita akan mendapatkan = 6,3 dimana satuan P l adalah watt/meter.
Dari kajian tersebut di atas, dapat dilihat bahwa kedua publikasi yang disajikan dalam makalah ini telah mengadopsi model transportasi sedimen sepanjang pantai yang sama seperti telah diuraikan di atas. Model Prediksi Garis Pantai Proses alamiah yang terjadi di daerah nearshore sangat kompleks dan sebagian besar model perubahan garis pantai yang ada didasarkan pada banyak asumsi model-model tersebut hanyalah suatu prediksi, namun masih tetap digunakan, tetapi harus dengan interpretasi hasil prediksi yang sangat hatihati. Hal ini karena model yang menggambarkan gelombang dekat pantai, sirkulasi, dan evolusi garis pantai dengan akurasi yang cukup perlu dilakukan secara spasial-temporal dalam empat dimensi. Oleh karena itu pengembangan persamaan tersebut masih berada dalam ruang lingkup penelitian yang sangat aktif. Diantara model-model prediksi garis pantai yang terkenal ada salah satu model yang berhasil digunakan dalam berbagai studi untuk menghitung transportasi sedimen sepanjang pantai dan perubahan garis pantai dalam jangka panjang. Model ini didasarkan pada asumsi bahwa bentuk geometris garis pantai tidak mengalami perubahan dan perpindahan yang terjadi hanya pada sudut ke arah pantai. Ini berarti bahwa transportasi sedimen terdistribusi secara seragam pada pergerakan profil garis pantai. Oleh karena itu volume sedimen yang diperoleh adalah sederhana (D B + D C ) dxdy, di mana dx adalah perpindahan arah cross-shore dari profil dan dy adalah panjang jangkauan. Prinsip kekekalan massa sedimen dapat ditulis sebagai: + 1 + ± = 0 dimana Q l adalah tingkat transportasi sepanjang pantai, D C adalah kedalaman pada lepas pantai, D B adalah elevasi berm crest, q adalah garis sumber seperti sungai dan pantai yang menyembul atau tenggelam yang mungkin disebabkan oleh aktivitas penambangan pasir, dan t adalah waktu. Jelas bahwa model prediksi garis pantai di atas adalah fungsi dari transport rate sepanjang pantai yang dapat dihitung dengan menggunakan model sedimen sepanjang pantai yang disajikan dalam bagian pertama di atas. Dalam hal ini diperlukan penentuan sudut gelombang pecah relatif terhadap pantai. Model gelombang yang disajikan oleh Tanaka dan Suzuki, tidak seperti yang disajikan US Army Corps of Engineers, menggunakan model yang dimodifikasi untuk memperoleh sudut gelombang. US Army Corps of Engineers di sisi lain juga mengusulkan pendekatan yang lebih sederhana untuk memperkirakan sudut gelombang pecah, sebagai berikut: = = tan dimana α b adalah sudut gelombang lokal relatif terhadap pantai, α bg adalah sudut gelombang relatif terhadap model awal, α sg adalah sudut garis pantai relatif terhadap baseline model, y adalah posisi garis pantai, dan x adalah jarak sepanjang pantai. Tanaka dan Suzuki telah menurunkan dan memecahkan persamaan konservatif yang terpisah untuk setiap bagian dari sedimen sehingga dapat mensimulasikan variasi temporal ukuran butiran di sepanjang pantai. Mereka lebih lanjut memodifikasi persamaan konservatif yang diusulkan oleh Hirano, 1971 untuk memprediksi distribusi ukuran butiran sedimen di pantai pada arah sepanjang pantai untuk pengembangan garis pantai dan resesi garis pantai yang mungkin dapat dinyatakan sebagai berikut: =
dimana i b adalah bagian dari butir pasir tingkat ke-i yang terkandung pada permukaan bed layer, i B adalah Pasir yang tertransportasi, dan A adalah ketebalan lapisan bed layer. Tanaka dan Suzuki telah lebih lanjut menyajikan model perubahan garis pantai berikut ini yang pada dasarnya adalah persamaan massa konservatif: = 1 dimana x s adalah posisi garis pantai dari garis referensi, t adalah waktu, Q y adalah tingkat transportasi sedimen di sepanjang pantai, D kedalaman pada zona transportasi sedimen dan y koordinat di sepanjang garis pantai. Diskusi Seperti telah disebutkan sebelumnya, jelas bahwa dua pendekatan yang disajikan dalam makalah ini didasarkan pada suatu konsep yang sama. Namun pendekatan yang disajikan oleh Tanaka dan Suzuki telah menggunakan model gelombang yang sangat detail, yang menggabungkan variabel-variabel yang membuat model yang rumit dan sulit untuk diimplementasikan dalam dunia nyata. Di sisi lain model transportasi sedimen dari US Army Corps of Engineers lebih sederhana untuk diaplikasikan. Selain itu, dapat disebutkan bahwa model perubahan garis pantai Tanaka dan Suzuki, meskipun telah menempatkan permasalahan distribusi ukuran butir, tidak mempertimbangkan sink (proses gerakan sedimen tenggelam ke arah offshore) yang disebabkan oleh aktifitas penambangan pasir atau muara sungai. Hal ini adalah masalah penting yang mungkin mengakibatkan kesalahan dalam prediksi perubahan garis pantai. US Army Corps of Engineers, di sisi lain, telah mempertimbangkan efek kedua fenomena tersebut. Akan tetapi, tidak dijelaskan bagaimana efek tersebut diperkirakan secara numerik. Data gelombang sangat penting untuk setiap studi tentang transportasi sedimen sepanjang pantai dan/atau prediksi perubahan garis pantai, karena hal ini diperlukan untuk menyelesaikan model gelombang, yang merupakan tulang punggung dari model transportasi sedimen sepanjang pantai. Lebih jauh lagi, karena kemungkinan terjadinya gelombang di dekat pantai dari setiap arah sangat penting dalam membentuk data gelombang yang representatif, dimana hal ini penting bahwa termasuk dalam model gelombang. Oleh karena itu, data set yang diperlukan untuk menghitung siklus gelombang harus mencakup tidak hanya data pengukuran dan data pengamatan gelombang, namun juga memberikan informasi tentang kemungkinan terjadinya gelombang yang dikaji. Jadi, pendekatan yang disajikan oleh Tanaka dan Suzuki harus mencakup beberapa informasi tentang probabilitas kejadian. Memang bukan pekerjaan mudah untuk mendapatkan kedalaman dari arah lepas pantai D C yang dibutuhkan untuk menghitung model prediksi distribusi ukuran butiran dari Tanaka dan Suzuki. Dalam hal ini masih lebih mudah untuk menemukan nilai D C dengan interpolasi dengan mengukur terdekat titik dan elevasi berm crest D B. Sebaliknya, model yang disajikan oleh US Army Corps of Engineers adalah lebih ke sisi praktis karena mereka telah membuat banyak asumsi untuk menyederhanakan proses aplikasi, meskipun konsep teoritis yang sama. Penutup Kedua publikasi yang disajikan di sini sangat banyak didasarkan pada konsep sedimentasi pantai yang sama, namun hasil penelitian dari Tanaka dan Suzuki pada dasarnya berkaitan dengan penggabungan faktor distribusi ukuran butir ke dalam model prediksi garis pantai, yang membuat modelnya menjadi unik. Ini dilakukan karena distribusi ukuran butir merupakan masalah penting bagi aplikasi coastal engineering dan untuk mengidentifikasi erosi pada bagian sepanjang
garis pantai yang dicirikan oleh ukuran butir tertentu. Model gelombang yang dikembangkan oleh Tanaka dan Suzuki menggabungkan banyak variabel, sehingga rumit untuk diaplikasikan di dunia nyata. Meski demikian model perubahan garis pantai Tanaka dan Suzuki, meskipun telah menempatkan permasalahan distribusi ukuran butir, tidak mempertimbangkan sink (proses gerakan sedimen tenggelam ke arah offshore) yang disebabkan oleh aktifitas penambangan pasir atau muara sungai. Hal ini adalah masalah penting yang mungkin mengakibatkan kesalahan dalam prediksi perubahan garis pantai. US Army Corps of Engineers, di sisi lain, telah mempertimbangkan efek kedua fenomena tersebut, akan tetapi, tidak dijelaskan bagaimana efek tersebut diperkirakan secara numerik. Pustaka Hitoshi T. and Suzuki M. 1982, Prediction of shoreline change and grain-size sorting at the Sendai bay coast, Sediment transport mechanisms in coastal environment and rivers, pp.167-181, EUROMECH 310. U.S. Army Corps of Engineers 1992, Engineering and Design - Coastal Littoral Transport, publicly released publication no. EM 1110-2-1502, Washington D.C.