3 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Irigasi Curah Sistem irigasi bertekanan atau irigasi curah (sprinkler) adalah salah satu metode pemberian air yang dilakukan dengan menyemprotkan air ke udara kemudian jatuh ke permukaan tanah seperti air hujan (Keller and Bliensner, 2000). Sistem irigasi curah (sprinkler) ini menggunakan energi tekanan untuk membentuk dan mendistribusikan air ke lahan. Tekanan merupakan salah satu faktor penting yang menentukan kinerja sprinkler. Sistem irigasi curah (sprinkler) merupakan salah satu alternatif metode pemberian air dengan efisiensi pemberian air lebih tinggi dibanding dengan irigasi permukaan. Sistem ini berbiaya mahal akan tetapi sangat murah dalam pengoperasiannya (Kartasapoetra dan Mulyani, 1990). Komponen sistem irigasi curah (sprinkler) terdiri dari pompa, saluran utama (main line), saluran cabang (sub main), pipa lateral dan mata curah (sprinkler). Sprinkler digunakan untuk menyemprotkan air dalam bentuk rintikan seperti air hujan ke lahan. Jaring utama, saluran cabang, pipa lateral digunakan sebagai tempat untuk mengalirkan air dari sumber ke sprinkler (Tusi, 2013).
4 Kinerja (performance) irigasi curah (sprinkler) (Larry, 1988) dapat dinyatakan dengan lima parameter, yaitu debit spinkler (spinkler discharger), jarak pancaran (distance of throw), pola sebaran air (distribution pattern), nilai pemberian air (application rate) dan ukuran rintikan (droplet size). 2.2. Prosedur Desain Irigasi Curah 2.2.1. Tata Letak Dalam penentuan tata letak jaringan irigasi curah (sprinkler), terdapat beberapa kriteria yang perlu diperhatikan antara lain adalah: a. Pemasangan lateral dipasang sejajar dengan kontur lahan dan tegak lurus dengan arah angin. b. Harus menghindari pemasangan lateral yang naik sejajar dengan lereng, karena lebih menghasilkan keuntungan jika pemasangan lateral menurun ke lereng. c. Saluran utama atau manifold dipasang naik turun atau sejajar dengan lereng. d. Pemasangan saluran utama perlu dilakukan bila memungkinkan, sehingga saluran lateral dapat dipasang di sekeliling. e. Apabila memungkinkan lokasi sumber air berada ditengah-tengah areal rancangan. Tata letak yang ideal bergantung pada jumlah sprinkler yang beroperasi serta jumlah posisi lateral, topografi dan kondisi angin.
5 2.2.2. Hidrolika dan Dimensi Perpipaan Rancangan hidrolika ditujukan untuk menentukan ukuran dimensi pipa yang digunakan (meliputi diameter pipa dan panjang pipa), maksimum jumlah nozel per lateral dan lateral per manifold, debit, total kehilangan head, tekanan outlet dan inlet pada lateral dan manifold serta variasi debit yang dihasilkan, yang kemudian digunakan dalam meyempurnakan tata letak dari sistem yang akan dirancang. Panjang maksimum lateral dibatasi oleh kriteria hidrolika pipa yaitu total kehilangan head pada pipa lateral harus lebih kecil atau sama dengan total kehilangan head maksimum yang diijinkan pada lateral. Begitu pula dengan pipa manifold, kehilangan head pada pipa manifold harus lebih kecil atau sama dengan total kehilangan head maksimum yang diijinkan pada manifold (Prastowo,1995). Kebutuhan total tekanan suatu sistem irigasi curah terdiri atas: Static head adalah jarak vertikal air yang harus diangkat atau diturunkan antara sumber air dengan titik pengeluaran. Pressure head adalah perbedaan ketinggian antara pompa dengan hidran tertinggi dan terendah yang mengoprerasikan lateral sepanjang pipa utama dan pipa sub utama, yang akan memberikan nilai static head maksimum dan minimum.
6 Friction head adalah kehilangan head sepanjang pipa utama, manifold, adanya katup dan sambungan. Velocity head adalah kecepatan aliran dalam suatu sistem irigasi curah, velocity head jarang melebihi 2,5 m/det, sehingga velocity head jarang yang melebihi 0,3 m/det dan jika terjdi itu dapat diabaikan. Suction lift atau perbedaan antara elevasi sumber air dan elevasi pompa. Besarnya nilai suction lift ini merupakan akumulasi antara nilai SWL (Static WaterLevel) dengan nilai surutan (drawdown) suatu sumur. Menurut Keller dan Bliesner (2000), persamaan yang bisa digunakan untuk menentukan kehilangan tekanan friksi atau friction loss pada bahan plastik pipa lateral dan pipa manifold sistem irigasi curah (sprinkler) adalah: a. Untuk pipa kecil (<125 mm) J = 7,89 x 10 7 x (Q 1,75 /D 4,75 ) 1 b. Untuk pipa besar ( 125 mm) J = 9,58 x 10 7 x (Q 1,83 /D 4,83 ) 2 c. Tanpa outlet H f = J x (L/100) 3 d. Dengan outlet H f = J F (L/100) 4
7 e. Untuk sambungan H l = Kr x 8,26 x 10 4 x (Q 2 /D 2 ) 5 Keterangan: J : gradien kehilangan head (m/100 m) h f h l Q D F K r L : kehilangan head akibat gesekan (m) : kehilangan head akibat adanya ketup dan sambungan (m) : debit sistem (l/detik) : diameter dalam pipa (mm) : koefisien reduksi : koefisien resistensi : panjang pipa (m) Hidrolika dan dimensi perpipaan yang terjadi dapat ditentukan sebagai berikut: Sprinkler Kehilangan tinggi tekanan pada sprinkler menurut Finkel (1982) dalam Kurniati dkk (2007), yaitu: 6 H fe : Head loss pada sprinkler (m)
8 K d : data empiris pada pipa Q e : debit aliran pada sprinkler (m 3 /det) D: diameter sprinkler (mm). Lateral Debit pada rancangan lateral secara matematis menurut Schwab et.al. (1981) dalam Kurniati dkk (2007) adalah: Q L = Q n.n 7 Q L Q n N : Debit aliran pada lateral (m 3 /detik) : Debit aliran pada nozel (m 3 /detik) : Jumlah nozel Kehilangan tinggi pada lateral adalah sebagai berikut: 8 9 Q L n H fl K L : Debit aliran pada lateral (m 3 /detik) : Jumlah sprinkler : Head loss lateral (m) : Koefisien belokan, sambungan, alat pengatur pipa : Panjang pipa (m)
9 C F : Koefisien kekerasan Hazen-Williams : Faktor koreksi untuk pipa Pipa utama Perhitungan debit pada rancangan pipa utama secara matematis menurut dapat di hitung dengan persamaan berikut: Q m = Q L.N 10 Ketrangan : N Q m Q L : Jumlah lateral pada pipa utama : Debit aliran pada pipa utama (manifold) (m 3 /detik) : Debit aliran pada lateral (m 3 /detik) Sedangkan untuk perhitungan Hf untuk pipa utama sama dengan pada pipa lateral. Kerugian belokan dan sambungan pipa Menurut Sularso (2000) untuk kerugian akibat belokan dan sambungan pipa secara matematis dapat dihitung menggunakan persamaan : 11 12
10 H f F D R θ : Head loss pada belokan (m) : Keofisien kerugian pada belokan : Diameter dalam pipa (m) : Jari-jari hidrolik lengkung belokan (m) : Sudut belokan (derajat) V : Volume (m 3 ) g : Kecepatan gravitasi (9,8 m/det 2 ). 2.2.3. Koefisien Keseragaman Pemilihan jarak nozel didasarkan pada diameter curahan air, tekanan nozel dan kapasitas debit nozel. Jarak nozel maksimum berdasarkan curahan air di bawah kondisi kecepatan angin dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Jarak Nozel Berdasarkan Curahan Air di Bawah Kecepatan Angin Kecepatan Angin Jarak Nozzel dalam persen diameter curahan (km/jam) pada lateral pada manifold 0 50 65 6 45 60 7-12 40 50 13 30 30 Sumber: Schwab et al. 1981 Menurut Christiansen (1942) dalam Keller dan Bliesner (2000) derajat keseragaman merupakan salah satu faktor petunjuk efisiensi irigasi terutama dalam distribusi penyebaran air. Derajat keseragaman distribusi penyebaran air
11 biasanya dinyatakan dalam koefisiensi keseragaman dengan mengunakan persamaan Christiansen (CU). 13 CU = koefisien keseragaman (%) Xi X n = pengukuran air dari area Overlapping (cc) = rata-rata dari pengukuran pada area Overlapping (cc) = banyaknya Sprinkler yang Overlapping pada suatu area i = 1,2,3,... n. = Jumlah deviasi absolut dari tiap-tiap pengukuran (cc) Dalam perancangan sistem irigasi curah, nilai CU yang dianggap baik adalah lebih besar dari 85% (Merkley dan Allen, 2004). 2.2.4. Interval, Laju dan Lama Penyiraman Dalam konsep desain yang akan diterapkan pada setiap blok irigasi perlu dilakukan penentuan kedalaman air irigasi dan interval irigasi. Penentuan kedalaman pemberian air irigasi digunakan untuk menentukan banyaknya air irigasi yang harus diberikan, sedangkan interval irigasi yang digunakan dalam desain adalah interval irigasi yang terpendek. Berikut ini beberapa persamaan yang digunakan dalam desain adalah: 14
12 F X = d n /U d 15 D = d n /(E a /100) 16 dx = RAW = kedalaman bersih air irigasi maksimum (mm) MAD (Management Allowed Defisit) = faktor p = Fraksi kandungan air tanah tersedia W a = TAW = kapasitas tanah menahan air (mm/m) Z F d n U d D = kedalaman perakaran efektif (mm) = interval irigasi (hari) = kedalaman bersih air irigasi (mm) = laju konsumtif penggunaan air maksimum bulanan/ska (mm/hari) = kedalaman kotor air irigasi (mm) E a = efisiensi aplikasi (%) Nilai d n yang dipilih seharusnya sama atau lebih kecil dari nilai d x. Apabila nilai d n diganti dengan dengan d x, interval irigasi maksimum f x akan di peroleh. Dalam rancangan desain irigasi curah, diameter curah nozel mempengaruhi nilai laju penyiraman, penentuan jarak nozel pada lateral, serta menentukan luasan lahan yang dapat terairi. Diameter curahan air yang disemprotkan nozel dan akibat rotasi nozel ditentukan dengan persamaan sebagai berikut: 17 R = radius curahan air (m)
13 d h = diameter lubang nozel (mm) = tekanan nozel (m) Laju penyiraman adalah laju jatuhnya air ke permukaan tanah yang disemprotkan dari lubang nozel. Besarnya laju penyiraman dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: 18 keterangan: I = laju penyiraman rata-rata (mm/jam) K = faktor konversi sebesar 60 Q S e S I = debit sprinkler (l/menit) = jarak sprinkler dalam lateral (m) = jarak lateral (m) Waktu aplikasi pemberian air irigasi adalah waktu yang dibutuhkan untuk melakukan penyiraman air irigasi sesuai dengan kedalaman air irigasi yang ditentukan. Untuk derajat keamanan yang masih memungkinkan, waktu aplikasi sebaiknya tidak melebihi 90% dari total waktu potensial 24 jam yaitu 21,6 jam per hari. Waktu aplikasi pemberian air irigasi dihitung dengan persamaan berikut: 19 keterangan: T app = waktu aplikasi/pemberian air irigasi (jam)
14 AGD (Actual Gross Depth )= d = kedalaman kotor air irigasi (mm) I = laju penyiraman rata-rata (mm/jam) Kebutuhan kapasitas air pada sistem irigasi curah bergantung pada luas areal yang diirigasi, kedalaman air irigasi yang diberikan dan lama operasi pemberian air per irigasi, dengan mengikuti persamaan berikut: 20 Q S = Kapasitas/debit sistem (l/detik) K = Konstanta sebesar 2,78 A d f t = Luas areal/blok irigasi (Ha) = Kedalaman kotor air irigasi (mm) = Periode operasi per irigasi atau selang interval irigasi (hari) = Rata-rata lama operasi irigasi (jam/hari) Bila kapasitas sistem yang diperoleh lebih besar dari debit yang tersedia, maka perlu dilakukan beberapa hal, seperti: pengurangan luas areal, pengurangan banyaknya tanpa irigasi atau penambahan jam operasi irigasi per hari. Jumlah nozel yang digunakan dapat ditentukan berdasarkan keadaan areal dengan menggunakan persamaan berikut: 21 N n = jumlah nozel
15 Q S q a = kapasitas/debit sistem (l/detik) = debit nozel rata-rata (l/detik) 2.2.5. Spesifikasi Pompa Jenis pompa yang bisa digunakan pada suatu sistem irigasi curah adalah sentrifugal dan turbin. Keller dan Bliesner (2000) menyatakan bahwa pompa sentrifugal digunakan apabila debit dan tekanan yang dibutuhkan relatif kecil, sedangkan pompa turbin digunakan apabila debit dan tekanan yang dibutuhkan relatif besar. Karakteristik suatu pompa biasanya ditujukan oleh suatu kurva karakteristik pompa yang dinyatakan hubungan antara kemampuan menaikkan air (H), besarnya debit (Q), efisiensi (E), jumlah putaran per menit (N) dan besarnya tenaga (P). Besarnya tenaga yang diperlukan untuk pemompaan air tergantung pada debit pemompaan, total head dan efisiensi pemompaan yang secara matematis ditujukan pada persamaan berikut: BHP (Brake Horse Power)= tenaga penggerak (kw) 22 Q = debit pemompaan (l/detik) TDH = total dynamic head (m) C = faktor konversi sebesar 102,0 E p = efisiensi pemompaan (%)
16 Besarnya total dinamik head (H) dihitung dengan persamaan: TDH = SH + E + Hf 1 + H m + Hf 2 + H v + H e + H s 23 SH E Hf 1 H m Hf 2 H v H e H s = beda elevasi sumber air dengan pompa (m) = beda elevasi pompa dengan lahan tertinggi (m) = kehilangan head akibat gesekan sepanjang pipa penyaluran dan distribusi (m) = kehilangan head pada sambungan-sambungan dan ketup (m) = kehilangan head pada sub unit (m), besarnya 20% dari Ha = Velocity head (m), besarnya 0,3 m = tekanan operasi emitter (m) = head untuk faktor keamanan (m), besarnya 20% dari total kehilangan head