1 I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Air sungai merupakan salah satu sumber air permukaan relatif lebih rentan terhadap pencemaran yang diakibatkan oleh kegiatan manusia dibandingkan air tanah. Penelitian tentang polusi air tanah dan mekanisme recharge aquifer merupakan beberapa aplikasi penting dari analisis kimia air (hydrochemical), namun masih jarang dilakukan. Di sisi lain analisis kimia air merupakan integrator yang berguna dalam beberapa proses biologi, kimia, dan fisik dalam daerah aliran sungai (DAS), seperti dekomposisi tanaman, pertukaran kation tanah, penurunan kualitas air secara kimiawi, dan mineralisasi. Penilaian tentang pengaruh lingkungan terhadap suatu areal akan sulit diperoleh apabila tidak ada informasi yang lengkap tentang proses-proses hidrologi, kimia, dan biologi yang komplek dan saling berkaitan (Christophersen et al 1994). Dengan demikian hal mendasar yang diperlukan antara lain penelitian yang mempelajari karakteristik dan proses terjadinya limpasan dan aliran bawah permukaan (subsurface stormflow) melalui pengamatan karakteristik biologi, geologi, dan kimianya. Di dalam sumber aliran (source area) terdapat kandungan unsur-unsur kimia yang secara alami dapat menjadi perunut dalam proses pergerakan aliran air (limpasan) di dalam DAS. Pemisahan aliran permukaan dengan menggunakan perunut alami merupakan metode yang dapat dipergunakan untuk memperoleh pemahaman yang mendalam mengenai proses limpasan. Manfaat dari pengambilan contoh air secara kimiawi dan data-data perunut yang dihasilkan dapat membantu kalibrasi model hidrologi. Selain itu data hidrokimia dapat dipergunakan untuk menduga proporsi limpasan yang berasal dari sumber limpasan yang berbeda pada waktu yang berbeda, dalam hal ini dengan Simple Mixing Analysis (Dunn et al 2005). Metode pemisahan aliran permukaan yang digunakan dalam memisahkan beberapa elemen dalam hidrograf pada beberapa kejadian hujan ada yang bersifat subjektif. Perbaikan metode pemisahan aliran yang lebih tepat dapat membantu para ahli hidrologi untuk mengevaluasi alternatif rencana pengelolaan DAS berkelanjutan.
2 Dengan demikian masih diperlukan studi untuk menentukan metode separasi aliran yang akurat melalui teknik perunut hidrokimia didukung dengan aplikasi media Geographical Information Systems (GIS). Perunut adalah zat kimia yang digunakan sebagai tanda untuk mengikuti berlangsungnya reaksi kimia atau proses fisika, atau untuk menunjukkan posisi atau lokasi suatu zat kimia. Selanjutnya Dunn et al (2005) mengemukakan bahwa satu hal umum yang diperlukan dalam pemodelan adalah separasi hidrograf menjadi beberapa bagian aliran untuk mengidentifikasi sumber aliran dan menduga laju transpor beberapa polutan. Dalam hal ini data hidrokimia dapat dipergunakan untuk menduga proporsi aliran yang berasal dari aliran air di dalam DAS. Mekanisme proses aliran bawah permukaan wilayah hutan di DAS bagian hulu telah menjadi perdebatan sejak tahun 1930-an (Bonell 1998, McGlynn et al 2002). Penelitian dengan menggunakan metode atau pendekatan tunggal melalui pendekatan hidrometrik dianggap memerlukan waktu lama, sehingga saat ini kombinasi pengamatan melalui pendekatan hidrometrik dan perunut merupakan metode standar untuk mengatasi perbedaan persepsi antara model dengan konsep-konsep formal tentang proses limpasan di wilayah hulu suatu DAS (McDonnell 2003). Meskipun beberapa penelitian hidrologi yang mempelajari aliran bawah permukaan di lereng (hillslope) sudah banyak dilakukan pada berbagai kondisi iklim, topografi, dan kondisi geologi, namun masih sedikit yang mengkarakterisasi proses limpasan (aliran air). Di Indonesia penelitian tentang proses limpasan nampaknya belum dilakukan, padahal manfaat yang dapat diperoleh cukup banyak. Hasil penelitian menunjukkan bahwa data yang diperoleh dari hasil penelitian di bagian lereng di dalam DAS dapat digunakan oleh komunitas ilmuwan untuk pengembangan dan validasi model atau konseptualisasi aliran bawah permukaan (Tromp-van Meerveld 2008). Teknik pemisahan aliran permukaan yang dapat mengkuantifikasi sumber aliran (source area) sangat penting dalam mendesain stuktur hidraulik, evaluasi model hujan-aliran permukaan, mempelajari proses pengendalian banjir, serta pendugaan dan pengurangan kontaminasi air.
3 Penelitian ini menjadi penting karena masih terbatasnya informasi tentang mekanisme proses aliran (runoff generation) di Indonesia. Selain itu identifikasi mekanisme pencucian hara dalam skala DAS yang merupakan bagian dari penelitian ini penting dalam mengembangkan model prediksi dampak perubahan iklim dan penggunaan lahan terhadap kualitas air permukaan. 1.2 Tujuan Penelitian 1. Mempelajari efektifitas perunut hidrokimia untuk mengkuantifikasi dinamika aliran selama proses limpasan/aliran air (runoff generation) 2. Menentukan potensi sumber aliran (source area) air sungai di dalam DAS melalui kuantifikasi proses transpor pelarut (solute transport) selama proses limpasan/aliran air, dan mempelajari keragaman ketersediaannya secara spasial dan temporal, 3. Menyusun model konseptual hubungan antara proses limpasan dengan pencucian hara dan keragaman ketersediaan air secara spasial dan temporal untuk mendukung pengelolaan sumber daya air di dalam DAS secara berkelanjutan. 1.3 Manfaat Penelitian 1. Tersedianya informasi efektifitas perunut hidrokimia untuk mengkuantifikasi proses limpasan/aliran air (runoff generation), 2. Tersedianya informasi potensi sumber daya air yang lebih objektif dan akurat secara spasial dan temporal di suatu DAS, 3. Tersedianya model konseptual hubungan proses limpasan dengan pencucian hara dan ketersediaan air secara spasial dan temporal sebagai acuan dalam perencanaan pengelolaan sumber daya air, 4. Dalam jangka panjang, tersedia alternatif teknologi pengelolaan sumber daya air dalam mengantisipasi perubahan iklim, sebagai masukan bagi para pengambil kebijakan dalam perencanaan pengelolaan sumber daya air.
4 1.4 Hipotesis Hipotesis yang dirumuskan pada penelitian ini yaitu: 1. Kandungan kimia air bervariasi secara spasial dan temporal tergantung pada karakteristik biofisik DAS dan kondisi hidrogeologinya. 2. Komponen hidrokimia konservatif dapat digunakan sebagai perunut (tracer) hidrologi daerah aliran sungai 3. Informasi yang diperoleh dari separasi hidrograf dalam jangka panjang dapat digunakan sebagai sistem peringatan dini (early warning systems) banjir dan kekeringan, serta penurunan kualitas air. 1.5 Kebaruan Penelitian 1. Diperoleh informasi perunut konservatif di DAS Mikro Cakardipa, DAS Ciliwung Hulu. 2. Diperoleh informasi sumber limpasan (aliran air) dan tingkat pencucian hara di DAS mikro Cakardipa, DAS Ciliwung Hulu 3. Diperoleh model konseptual tentang hubungan limpasan dengan ketersediaan air dan pencucian unsur hara. 1.6 Kerangka dan Ruang Lingkup Penelitian Untuk mencapai tujuan dan menjawab hipotesis dilakukan serangkaian kegiatan penelitian yang mencakup beberapa tahapan sebagai berikut: (a) Persiapan meliputi: studi pustaka, penyusunan proposal, pengumpulan dan inventarisasi data iklim dan hidrologi, dan pengumpulan peta rupa bumi skala 1:25.000, peta geologi 1:100.000, dan hidrogeologi skala 1:250.000, (b) Kegiatan lapang mencakup: pengambilan conto tanah untuk analisis fisika, kimia, dan mineral; pengamatan kedalaman batuan; pemasangan/instalasi peralatan pengamatan hidrokimia; pemasangan alat pengukur debit dan curah hujan; pengambilan conto air, (c) entri dan analisis data hasil penelitian lapang meliputi: analisis karakteristik biofisik DAS, analisis hidrograf debit berdasarkan pengukuran hidrometrik dan hidrokimia dengan metode end member mixing analysis, analisis hubungan konsentrasi unsur hidrokimia dan debit,
5 (d) penyusunan model konseptual hubungan limpasan dengan ketersediaan air dan pencucian unsur hara, dan (d) penyusunan desertasi. Diagram alir ruang lingkup penelitian disajikan pada Gambar 1. Selanjutnya metode yang digunakan untuk memahami beberapa proses hidrologi tersebut dilakukan pada DAS berukuran kecil. Variabilitas di dalam DAS berukuran kecil rendah sehingga beberapa proses hidrologi yang terjadi dalam DAS dapat dipelajari lebih efektif. Pengamatan Lapang Karakterisasi wilayah: Inventarisasi peta geologi dan hidrogeologi Pengumpulan data iklim dan hidrologi Pengamatan topografi Pembuatan profil tanah Pengambilan conto tanah untuk analisis fisika, kimia, dan mineral tanah Pengukuran kedalaman batuan Pengukuran hidrometrik untuk pemisahan aliran permukaan Pengambilan sampel air: untuk analisis hidrokimia Analisis Laboratorium Tanah: Fisika: tekstur, BD, pf, permeabilitas Kimia: ph, bahan organik, nilai tukar kation Mineral tanah Air: Kation dan anion : K, Na, Ca, Mg, SO 4, NO 3, SiO 2, Cl, HCO 3 Konsep hubungan antara proses aliran permukaan dengan pencucian hara dan keragaman ketersediaan air secara spasial dan temporal Gambar 1 Diagram Alir Penelitian Mekanisme Proses Aliran Air di DAS Mikro Cakardipa, Sub DAS Cisukabirus, DAS Ciliwung Hulu.