14 BAB III METODE PENELITIAN 3. 1. Waktu dan Tempat Studi pergerakan air tanah tiga dimensi (3D) di tanah berhutan dan agroforestry dilaksanakan pada periode Mei-Desember 2010. Penelitian dilaksanakan di Daerah Aliran Sungai Nomor 9 dengan luas 0,285 Ha yang terletak di Pegunungan Rokko, Propinsi Hyogo Jepang. Pegunungan ini membentang dari Taman nasional Sumaura Kōen di ujung barat Kobe hingga Takarazuka, dan panjang pegunungan ini adalah 56 km. Titik tertinggi Pegunungan Rokko adalah 931 mdpl. Pegunungan ini meliputi Gunung Maya, Gunung Kabutoyama, Gunung Iwahara, dan Gunung Iwakura. Data yang dipergunakan merupakan data sifat hidrolika tanah dari 14 titik pengukuran (Gambar 1). Gambar 1 Peta Lokasi Penelitian dan Lokasi Pengukuran Sifat Hidrolika Tanah.
15 Daerah Aliran Sungai (DAS) nomor 9 memiliki struktur geologi dengan kemiringan sekitar 35. Tanahnya terdiri dari horison O, A, dan B. Horison-O memiliki ketebalan sebesar 4-8 cm. Horison-O lebih tebal di bagian puncak lereng dibandingkan dengan daerah landai. Horison-A memiliki ketebalan sebesar 15-20 cm di daerah landai dan 5 cm di bagian puncak. Horison-B memiliki ketebalan lebih dari 50 cm. Area ini ditutupi dengan hutan berdaun lebar dengan kerapatan yang cukup lebat. Sebagai pembanding pergerakan air tanah, digunakan sifat tanah hutan dan tanah agroforestry di Hutan Pendidikan Gunung Walat. Contoh tanah diambil pada Tahun 2008 dan contoh tanah tersebut dianalisis di Laboratorium Pengendalian Erosi, Sekolah Pascasarjana Pertanian Universitas Kyoto Jepang. Komputasi pergerakan air tanah 3D dilakukan selain di Laboratorium Pengendalian Erosi, Sekolah Pascasarjana Pertanian Universitas Kyoto Jepang juga dilakukan di Laboratorium Hidrologi Hutan dan DAS, Departemen Manajemen Hutan, Fakultas Kehutanan IPB. 3. 2. Alat dan Bahan Studi komputasi model pergerakan air dalam tanah menggunakan satu unit komputer pribadi yang dilengkapi dengan perangkat lunak Microssoft Office 2007, ArcView GIS ver 3.2, GMSH, Golden Software Surfer 8, dan Compaq Visual Fortran 6, serta satu set alat tulis. Data yang digunakan adalah data curah hujan, transpirasi, kadar air tanah, konduktivitas hidrolik tanah, tekanan kapiler tanah (potensial matriks), peta dijital lokasi titik pengukuran sifat hidrolika tanah dalam bentuk *.shp yang memiliki data atribut, peta dijital lokasi titik pengukuran sifat hidrolika tanah dalam bentuk personal digital file (PDF), dan peta dijital vektor kontur pegunungan Rokko yang tidak memiliki data atribut. 3. 3. Tahapan Penelitian Secara umum tahapan penelitian dimulai dari persiapan dan pengolahan data. Data yang disiapkan meliputi data curah hujan, transpirasi, dan sifat hidrolika tanah. Pengolahan data terdiri dari pengolahan peta dijital untuk
16 mendapatkan koordinat XYZ dari peta-peta dijital yang digunakan dan menghasilkan data jaring (mesh generation). Pengolahan data sifat hidrolika tanah hasil pengukuran untuk mendapatkan parameter model log normal kurva hubungan - dan K-. Langkah selanjutnya adalah pemrograman teknik komputasi model aliran 3 D menggunakan fortran dan menganalisa pergerakan air dalam tanah 3D. Diagram alir penelitian disajikan dalam Gambar 2. Gambar 2 Diagram Alir Penelitian. 3. 3. 1. Persiapan Data Sifat Hidrolika Tanah Sifat hidrolika tanah digambarkan oleh kadar air jenuh, konduktivitas hidrolika jenuh (Ks), kurva retensi air tanah sebagai hubungan kadar air ( ) dengan potensial matriks (), dan hubungan konduktivitas hidrolik tanah (K)
17 dengan potensial matriks (). Kadar air, potensial matriks tanah, dan konduktivitas hidrolik tanah didapatkan dengan melakukan uji laboratorium terhadap contoh tanah yang diambil di 14 titik pengamatan dengan kedalaman tanah 0-10 cm dan 40-50 cm. Hubungan kadar air () dengan potensial matriks () diukur di laboratorium Pengendalian Erosi, Sekolah Pascasarjana, Universitas Kyoto Jepang (Kosugi 2010) dengan menggunakan seperangkat alat terdiri dari satu buah kompresor otomatis dan pressure plate apparatus (Gambar 3). Gambar 3 Proses pengukuran Kurva Retensi Air-Tanah. (a) Kompresor Otomatis dan (b) Pressure Plate Apparatus. Kadar air ( i ) pada setiap potensial matriks ( i ) diperoleh dengan metode volumetrik sebagai berikut: ( BBT BKT) / VT...(2) Dimana: = Kadar air volumetrik ( gr / gr atau ml / ml ). BBT BKT VT = Berat basah tanah (gr). = Berat kering tanah tanur (gr). = Volume tanah total (ml). = Berat jenis air murni ( = 1 gr / ml ). Hasil akhir dari pengukuran tersebut adalah informasi hubungan kadar air (pada potensial matriks (tertentuyang digunakan untuk menentukan parameter model lognormal (LN) kurva retensi air tanah (Kosugi 1994), yaitu s,
18 m,. Model LN kurva retensi air tanah oleh Kosugi (1994) adalah sebagai berikut: r Se s Dimana : Se Q r r ln m Q Q( x) = Kejenuhan efektif = Komplemen fungsi sebaran normal. x 2 1 x exp dx 2 2.(3) = Kadar air ketika berada dalam kondisi terkecil (saat kering)....(4) s m = Kadar air ketika berada dalam kondisi terbesar (saat jenuh). = Potensial matriks saat kejenuhan efektif (cmh 2 O). = Potensial matriks (cmh 2 O). = Simpangan baku dari log radius pori yang ditransformasi ( ln ). m Penentuan parameter model LN kurva retensi air tanah dilakukan dengan cara fitting curve antara kurva -hasil pengukuran dengan kurva model dengan meminimumkan jumlah kuadrat selisih (residual sum squre) hasil pengukuran denganhasil pendugaan. Parameter model LN kurva retensi air tanah s, m,, dan Ks selanjutnya digunakan sebagai parameter model LN K() (Kosugi 1996) sebagai berikut: 1 1 ln K Ks Q ln Q m m Dimana : K = Konduktivitas hidrolik jenuh ( cm / s )....(5) Ks = Konduktivitas hidrolik tanah jenuh. = Konstanta. Konstanta menggunakan nilai 0,22 sebagai nilai terbaik hasil optimasi 30 contoh tanah yang diambil di Pegunungan Rokko (Hendrayanto 1999). 2
19 Konduktivitas hidrolik tanah jenuh (Ks) diukur dengan metode falling head (Richards dan Fireman 1943; Richards 1947 diacu dalam Kurnia et al. 2006), dengan tahapan sebagai berikut: 1. Menjenuhkan contoh tanah dalam ring dengan cara direndam dalam sebuah penampungan yang diisi air dimana ketinggian air tersebut sampai 2 mm sebelum batas tepi ring contoh. Contoh tanah ditutup plastik untuk mengurangi evaporasi (Gambar 4). Proses penjenuhan dilakukan dalam waktu 2x24 jam. Untuk contoh tanah yang tidak dapat mencapai jenuh setelah direndam dengan cara tersebut sampai 10x 24 jam, dilakukan perendaman melebihi batas permukaan contoh tanah dengan meninggikan silinder contoh tanah (Gambar 5) Gambar 4 Proses Penjenuhan Contoh Tanah di Dalam Ring. Gambar 5 Proses Penjenuhan Contoh Tanah di Dalam Ring dengan Pipa Ukur.
20 2. Contoh tanah dalam ring yang telah jenuh diletakkan di atas alas berpori agar bisa melewatkan air dari contoh tanah. Alas berpori tersebut merupakan kesatuan dengan penyangga berkaki yang diletakkan di dalam wadah penampung air. Bagian atas ring contoh yang berisi tanah dipasang pipa ukur dalam satuan centimeter (cm) dengan ukuran diameter lingkar dalam yang sama dengan diameter lingkar luar ring contoh (Gambar 6). Gambar 6 Pengukuran Aliran Air Metode Falling Head. 3. Pengukuran menggunakan metode falling head dimulai dengan mengisi air ke dalam pipa ukur dan diukur perubahan (penurunan) tinggi air terhadap waktu dengan menggunakan stopwatch. Apabila penurunan tinggi air berlangsung sangat cepat maka pipa ukur diganti dengan diameter yang 1 / 5 kali lebih kecil dari pipa ukur sebelumnya. Ilustrasi pengukuran disajikan dalam Gambar 7 4. Ks dihitung berdasarkan prinsip hukum Darcy (Jury dan Horton 1986): L T Ks Dimana: Ks = Konduktivitas hidrolika tanah jenuh ( cm / s ). L H 0 H 1 H xln H 0 1 L L = Tinggi contoh tanah (cm). = Tinggi air awal pengukuran (cm). = Tinggi akhir pengukuran (cm). = Perubahan waktu (s).(6)
21 Gambar 7 Ilustrasi Pengukuran Konduktivitas Hidrolika Tanah Jenuh (Ks). Model LN kurva retensi air tanah dan model K(ψ) dari Kosugi (1997) digunakan sebagai masukkan bagi model aliran air tanah 3D. Model aliran air 3D tidak jenuh menggunakan persamaan Richard yang telah dimodifikasi oleh Šimůnek et al. (2006) sebagaimana persamaan 7 berikut: A KizAA S K Kij t xi x j Dimana : = Kadar air (cm3/cm3) ψ = Potensial matriks (cmh2o) S = Transpirasi (cm/s) xi = Koordinat spasial (i=1, 2, 3,..., 403). t = Waktu (s) K ija = Bagian dari regangan anisotropi tak berdimensi K-4. K = Konduktivitas hidrolik tak jenuh (cm/s)....(7)
22 3. 3. 2. Pengolahan Peta Dijital Peta dijital yang diolah adalah peta dijital vektor kontur pegunungan Rokko yang tidak memiliki data atribut, peta dijital lokasi titik pengukuran sifat hidrolika tanah dalam bentuk *.shp yang memiliki data atribut, dan peta dijital lokasi titik pengukuran sifat hidrolika tanah dalam bentuk personal digital file (PDF) (Kosugi 15 November 2010, komunikasi langsung). Proses pengolahan menggunakan perangkat lunak ArcView GIS ver 3.2, GMSH, dan Surfer 8. A. Menentukan Koordinat XYZ Penentuan koordinat XYZ DAS nomor 9 berasal dari pemotongan peta dijital pegunungan Rokko yang sesuai dengan lokasi DAS nomor 9 dengan menggunakan ArcView GIS ver 3.2. Dalam perangkat lunak ini fungsi yang digunakan adalah spatial analyst untuk mengubah peta dijital vektor menjadi data ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Kode-kode sandi yang diperoleh berupa susunan bilangan numerik yang unik yang menunjukkan koordinat XYZ DAS nomor 9. Selain itu penentuan koordinat XYZ peta dijital lokasi pengukuran sifat hidrolika tanah menggunakan ArcView GIS ver 3.2 dengan mengambil data X-axis, Y-axis, Z-axis untuk kedalaman 10 cm, dan Z- axis untuk kedalaman 50 cm. B. Pembuatan Informasi Dijital (Digitizing) Batas DAS, Titik Pengamatan Air Tanah, Sungai, dan Innerpoint Setelah didapatkan koordinat XYZ DAS nomor 9 dan lokasi pengukuran sifat hidrolika tanah, informasi koordinat XYZ tersebut dimasukkan ke dalam lembar kerja perangkat lunak Surfer 8 untuk diolah menjadi peta dijital kontur baru yang sudah dihaluskan dengan metode gridding Krigging dengan jarak antar kontur 5 meter. Kemudian peta dijital kontur penghalusan ditampalkan dengan peta lokasi titik pengukuran sifat hidrolika tanah dalam bentuk PDF untuk dibuat informasi dijital (digitizing) batas DAS baru, sungai, titik pengamatan air tanah, dan tanda dalam (innerpoint) lokasi penelitian, dengan informasi atribut dalam bentuk notepad (*.txt).
23 Gambar 8 Tampilan Hasil Digitizing Surfer. C. Pembuatan Data Jaring Informasi atribut dalam bentuk *.txt dijadikan masukkan untuk membuat data jaring (Mesh) dengan perangkat lunak GMSH. Perangkat lunak ini akan memproses atribut *.txt digitizing sehingga dihasilkan tampilan titik (node) dan garis (element) bagian permukaan lokasi penelitian. Titik atau Node adalah titik acuan yang menggambarkan batas DAS baru, titik pengamatan air tanah, dan titik dalam (innerpoint). Node memiliki karakteristik berupa nomor yang unik. Sedangkan element adalah garis yang menghubungkan node-node tersebut sehingga membentuk jaring (Gambar 10). Data jaring disimpan dalam format Mesh 3D sehingga selanjutnya akan disebut data Mesh 3D. Jumlah node yang dihasilkan adalah sebanyak 403 titik. Untuk membandingkan hasil komputasi dengan hasil pengukuran dipilih node 1 dan node 237 dimana node 237 identik dengan titik pengamatan air tanah nomor 2 sedangkan node 1 identik dengan titik patusan (outlet) (Gambar 11 dan Gambar 12). Karena element dan node yang dihasilkan hanya menggambarkan bagian permukaan saja, maka dibuat klasifikasi lapisan fisik tanah sebanyak 3 lapisan fisik tanah dan 8 sub lapisan fisik tanah berdasarkan hasil uji penetrometer di lapang agar node dan element GMSH bagian permukaan bisa dibuat tampilan
24 jaringan segitiga secara tiga dimensi. Tujuan lain pembuatan klasifikasi lapisan fisik tanah adalah membuat penampang vertikal dari lokasi penelitian agar analisa pergerakan air dalam tanah bisa dilakukan dengan detail. Namun penampang vertikal yang dimaksud bukan secara visual melainkan hanya bilangan numeriknya saja, sebagai contoh adalah apabila salah satu node dari 3 node di bagian permukaan tanah bernomor 1 (satu) maka nomor node di bawahnya adalah hasil penjumlahan dari node 1 dengan total jumlah node yang dihasilkan (Gambar 9). Hasil akhir dari proses pembuatan data jaringan ini dijadikan parameter masukkan dalam pemrograman komputasi aliran 3 D. Gambar 9 Klasifikasi Lapisan Fisik Tanah.
25 Gambar 10 Tampilan Digitizing GMSH. Gambar 11 Titik Pengamatan Air Tanah 2 dan Outlet di Dalam Surfer 8.
26 Gambar 12 Titik Pengamatan Air Tanah 1 dan 237 di Dalam GMSH. 3. 3. 3. Pemrograman Pemrograman Teknik komputasi aliran 3D dibuat oleh Kosugi (2000) dengan menggunakan bahasa pemrograman Fortran. Data yang dijadikan masukkan pemrograman adalah curah hujan dan transpirasi, parameter sifat hidrolika tanah, parameter data jaring, dan atribut peta dijital. Parameter lainnya sebagai masukkan dalam program adalah adalah parameter tampilan hasil komputasi, parameter variabel penghitungan, dan parameter solum tanah. Parameter tampilan hasil komputasi berisi informasi yang digunakan untuk menampilkan gambar hyetograf dan hydrograf, pita gradasi warna yang menunjukkan kondisi air di setiap 10 cm tinggi kolom air, dan batas X-axis serta Y-axis. Parameter variabel penghitungan berisi informasi konstanta penghitungan. Parameter solum tanah berisi informasi yang menunjukkan banyaknya gambar tiga dimensi yang akan ditampilkan serta informasi klasifikasi lapisan fisik tanah seperti yang ditampilkan dalam Gambar 9. 3. 3. 4. Pergerakan Air 3D dalam Tanah Hutan dan Agroforestry Analisa pergerakan air tanah di tanah berhutan dan agroforestry secara horizontal dilakukan dengan memperhatikan perubahan potensial matriks.
27 Perubahan potensial matriks ()ditunjukkan dengan perubahan warna di seluruh lapisan tanah permukaan (10 cm) dan di seluruh lapisan tanah bagian dalam (50 cm) di DAS, dan dengan memperhatikan perubahan potensial matriks di setiap kedalaman secara vertikal di titik 1 (node 1 sampai dengan node 3225) dan titik 237 (node 237 sampai dengan node 3461) untuk masing-masing sifat tanah hutan dan agroforestry. Keberlakuan teknik komputasi dikaji dari perubahan nilai potensial matriks, yang apabila terjadi perubahan berkesinambungan dari waktu ke waktu dan juga dengan masukan hujan, menunjukkan bahwa komputasi berjalan dengan baik (Kosugi 15 November 2010, komunikasi pribadi).