BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Umum Perubahan iklim didefinisikan sebagai perubahan pada iklim yang dipengaruhi oleh aktivitas manusia. Perubahan iklim global disebabkan karena peningkatan jumlah karbon dioksida (CO 2 ) dan Metana (CH 4 ) di atmosfer. Perubahan iklim memperlihatkan variasi abnormal dari iklim bumi dan selanjutnya mempengaruhi curah hujan dan suhu udara. Untuk wilayah Asia Tenggara, terjadi kenaikan suhu sekitar 2,5-4 ºC dengan kisaran 2-6 ºC dan curah hujan yang lebih banyak. Perubahan iklim telah menyebabkan fluktuasi curah hujan tinggi dan mengubah pola distribusi hujan dengan kecenderungan daerah yang basah semakin basah, dan daerah yang kering semakin kering. Di negara dengan empat musim, siklus musim (seasonal cycle) telah terpengaruh oleh perubahan iklim yang ditandai dengan meningkatnya intensitas hujan pada musim dingin, berkurangnya hujan di musim panas, dan peningkatan suhu. Kecenderungan sebagian wilayah Indonesia, terutama wilayah yang terletak di sebelah selatan katulistiwa, dapat mengalami musim kemarau yang lebih panjang dan musim hujan yang lebih pendek dengan perubahan pola hujan yang cukup drastis. Hujan rerata tahunan menunjukkan peningkatan sebesar 7% selama satu dekade, dikarenakan meningkatnya intensitas hujan pada bulan Oktober sampai Maret dan menurunnya intensitas hujan selama Juli sampai September.Waduk merupakan salah satu tampungan air. Air yang masuk ke waduk berbeda- beda sesuai dengan intensitas hujan. Adanya perbedaan intensitas tersebut, menyebabkan aliran masuk waduk tidak 19
menentu. Jika intensitas hujan meningkat menyebabkan aras air waduk naik secara cepat. Kondisi ini membahayakan tubuh bendungan jika kapasitas pelimpah tidak mampu menurunkan aras muka air secara tepat waktu. 2.2. Waduk Waduk adalah tampungan air sediaan untuk berbagai kebutuhan. Waduk dibangun dengan cara membuat bendungan, kemudian dialiri air sampai waduk tersebut penuh. Bendungan atau dam adalah konstruksi yang dibangun untuk menahan laju air, sehingga puncak aliran turun. Selain itu, waduk dapat memiliki fungsi dan manfaat lain. Bendungan terdiri dari beberapa komponen, yaitu: 1. Badan bendungan (body of dams) adalah tubuh bendungan yang berfungsi sebagai penghalang air. 2. Pondasi (foundation) Adalah bagian dari bendungan yang berfungsi untuk menjaga kekuatan konstruksi bendungan. 3. Pintu air (gates) Digunakan untuk mengatur keluarnya air untuk segala keperluan. Bagian yang penting dari pintu air adalah: a. Daun pintu (gate leaf) Adalah bagian dari pintu air yang menahan tekanan air dan dapat digerakkan untuk membuka, mengatur, dan menutup aliran air. 20
b. Rangka pengatur arah gerakan (guide frame) Adalah alur dari baja atau besi yang dipasang masuk ke dalam beton, digunakan untuk menjaga agar gerakan daun pintu sesuai dengan yang direncanakan. c. Angker (anchorage) Adalah baja atau besi yang ditanam di dalam beton dan digunakan untuk menahan rangka pengatur arah gerakan, agar dapat memindahkan muatan dari pintu air ke dalam konstruksi beton. d. Hoist Adalah alat untuk menggerakkan daun pintu air agar dapat dibuka dan ditutup dengan mudah. 4. Bangunan pelimpah (spillway) Adalah bangunan beserta instalasinya untuk mengalirkan air yang masuk ke dalam waduk agar tidak membahayakan keamanan bendungan. Bagian- bagian penting dari bangunan pelimpah: a. Saluran pengarah dan pengatur aliran (controle structures) Digunakan untuk mengarahkan dan mengatur aliran air agar kecepatan aliran datang kecil tetapi debit airnya besar. b. Saluran pengangkut air Makin tinggi bendungan, makin besar perbedaan antara aras muka air tertinggi di dalam waduk dengan aras muka air sungai di sebelah hilir bendungan. Apabila kemiringan saluran pengangkut debit air dibuat kecil, maka ukurannya akan sangat panjang dan berakibat bangunan menjadi mahal. Oleh karena itu, kemiringannya terpaksa dibuat besar, dengan sendirinya disesuaikan dengan keadaan topografi setempat. c. Bangunan peredam energi (energy dissipator) Digunakan untuk meredam energi air agar tidak merusak bagian saluran dan 21
bagian hilir saluran pengangkut air. Dengan adanya bendungan maka ada tampungan air. Jumlah tampungan air waduk tergantung dari inflow yang tergantung pada intensitas air hujan yang ada. Intensitas hujan juga dapat menaikan aras muka air di waduk. Untuk mengurangi peningkatan aras muka air waduk, spillway harus mampu melimpahkan air yan berada di atas mercu spillway. Untuk mengetahui kinerja sebuah waduk dilakukan analisis reservoir routing. 2.3. Reservoir Routing Reservoir Routing adalah proses untuk memperhitungkan aliran keluar (outflow hidrograph) dari sebuah reservoir, berdasarkan aliran masuk (inflow hidrograph) dan karakteristik aliran keluar melalui bangunan pelimpah. variasi dalam reservoir dan outflow dapat diprediksi dengan waktu ketika hubungan antara elevasi dan volume diketahui.dalam interval waktu yang kecil, reservoir routing dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan dan pendekatan sebagai berikut eq (2.1): Jika interval penelusuran diubah dari dt menjadi t maka : I= Dengan : (2.2) ds = Storage (m 3 /dt) I (t) = Inflow (m 3 /dt) Q(t) = Δt = Debit Outflow Interval waktu (m 3 /dt) (dt) Gambar 2.1 persamaan integrasi setiap interval waktu 22
Nilai arus masuk tersebut pada awal dan akhir dari interval waktu ke j-th adalah I J dan Ij+1, dan nilai-nilai yang keluar adalah Qj dan Qj+1. Dalam hal ini baik inflow maupun outflow, diukur sebagai data sampel. Jika variasi masuk dan keluar selama interval mendekati linear, perubahan dalam penyimpanan lebih dari interval, Sj+1 -Sj, dan dapat ditemukan dengan menulis ulang persamaan sebagai berikut : (2.3) Nilai Qj dan Sj diketahui pada interval waktu ke-j dari perhitungan selama selang waktu sebelumnya. Oleh karena itu, Persamaan (2.3) berisi dua variabel yang diketahui, yaitu Qj+1 dan Sj+1. Persamaan (2.3) dapat juga ditulis dalam bentuk persamaan sebagai berikut eq (2.4): Ilustrasi mengenai outflow ditampilkan pada Gambar 2.2. Untuk menghitung outflow, Qj+1 dari Persamaan (2.4), diperlukan fungsi storage- outflow dan Q. Metode untuk mengembangkan fungsi ini menggunakan hubungan elevasi, volume, outflow yang ditampilkan dalam Gambar 2.2. Hubungan antara elevasi air permukaan dan waduk dapat diturunkan dengan planimetering peta topografi atau dari survei lapangan. Hubungan elevasi debit diperoleh dari persamaan hidrolik sesuai dengan jenis spillway. 23
Nilai Δt diambil sebagai interval waktu hidrograf inflow. Untuk nilai elevasi air permukaan tertentu, nilai-nilai penyimpanan S dan debit Q ditentukan (bagian (a) dan (b) dalam Gambar 2.2). Nilai 2s/Δt+Q dapat dihitung dan untuk selanjutnya diplot pada grafik. Sumbu horizontal dengan nilai arus perpindahan Q pada sumbu vertikal (bagian (c) dalam Gambar 2.2). Gambar 2.2 Pengembangan Fungsi Storage-Outflow, Storage-Elevation dan 24
Elevation-Outflow. Dalam penelusuran aliran melalui selang waktu j, semua persyaratan di sisi kanan persamaan (2.4) diketahui, sehingga dapat dihitung. Nilai dari Qj+1 dapat ditentukan dari fungsi volumeoutflow 2s/ t+q lawan Q, baik secara grafis atau dengan interpolasi linear dari nilai Q, untuk mengatur data yang dibutuhkan pada interval waktu berikutnya, nilai dihitung dengan eq (2.5) : ( ) Perhitungan ini kemudian diulang untuk periode penelusuran aliran berikutnya. 2.4. Pelimpah (Spillway) Pelimpah (Spillway) adalah suatu struktur yang digunakan untuk mengalirkan air yang ada di atas mercu ke daerah hilir. Spillway meloloskan banjir, sehingga air tidak melampaui tanggul atau tubuh bendungan. Fungsinya untuk menghindari kerusakan bendungan. Air yang melimpah melalui spillway mempunyai kecepatan jatuh yang besar. Oleh sebab itu kecepatan aliran harus dikurangi sebelum memasuki saluran yang berada di hilirnya. Sifat-sifat hidrolik saluran alam biasanya sangat tidak menentu, sedangkan sifat- sifat hidrolik pada saluran buatan dapat diatur menurut keinginan atau dirancang untuk tujuan tertentu. Spillway dirancang berdasarkan hujan rencana. Adanya climate change berpengaruh pada peningkatan aras muka air di waduk. Sehingga perlu dikaji kapasitas alir spillway yang dipasang. Peran spillway dalam melimpahkan air cukup besar, apabila kapasitas spillway ditingkatkan kemungkinan fungsi pengendalian banjir berkurang. Disisi lain, peningkatan kapasitas spillway bisa mengurangi laju permukaan air, sehingga tubuh bendungan aman dari 25
overtoping. Dalam penelitian ini digunakan spillway tidak terkendali dengan bentuk Ogee dan bentuk mercu deret trapesium. 2.5 Mercu Spillway (Crest) Mercu spillway adalah bagian teratas spillway dimana aliran dari hulu dapat melimpah ke hilir. Fungsinya sebagai pelimpah aliran air waduk. Letak mercu spillway bersama tubuh spillway diusahakan tegak lurus arah aliran masuk spillway agar aliran yang menuju spillway terbagi rata. Bentuk puncak pelimpah dibagi menjadi: 1) Pelimpah ambang tipis (tajam) Pelimpah disebut pelimpah ambang tipis bila arus yang terjadi tidak menempel pada ambang atau dengan batasan t<0,5 h, dengan t adalah tebal ambang peluapan searah aliran, dan h sebagai tinggi pengaliran di atas peluap. 2) Pelimpah ambang lebar Disebut pelimpah ambang lebar bila arus yang terjadi menempel pada ambang atau t>0,66 h. Beberapa jenis spillway yang sudah digunakan di Indonesia, menurut Suyono (2007) sebagai berikut: 1) Tipe spillway Ogee dengan pintu digunakan di: a. Bendungan Cirata (Kabupaten Purwakarta) b. Waduk Gajah Mungkur (Kabupaten Wonogiri) c. Bendungan Selorejo (Kabupaten Malang) d. Bendungan Wlingi (Kabupaten Blitar) 26
e. Bendungan Sengguruh (Kabupaten Malang) 2) Tipe spillway Ogee tanpa pintu digunakan di: a. Waduk Darma (kabupaten kuningan) b. Bendungan Penjalin (Kabupaten Brebes) c. Bendungan Cacaban (Kabupaten Tegal) d. Bendungan Nglangon (Kabupaten Purwodadi) e. Bendungan Kedung Ombo (Jawa Tengah) f. Bendungan Sempor (Kabupaten Kebumen) g. Bendungan Wadaslintang (Kabupaten Wonosobo) h. Bendungan Song Putri (Kabupaten Wonogiri) i. Bendungan Palasari (Bali) 3) Tipe spillway morning glory digunakan di: a. Bendungan Cileunca (Kabupaten Bandung) b. Bendungan Cipanunjang (Kabupaten Bandung) c. Bendungan Jatiluhur (Kabupaten Purwakarta) 2.6 Labyrinth Bentuk mercu Ogee sangat banyak digunakan. Untuk meningkatkan kapasitas debit pelimpahan air umumnya digunakan mercu labyrinth. Mercu labyrinth sering digunakan untuk mengendalikan tumpahan, karena labyrinth akan melimpahkan aliran yang lebih besar pada saat yang sama ketika melimpah pada bentuk mercu Ogee. Pada umumnya labyrinth ini dibuat dengan dinding vertikal. Dinding vertikal dari labyrinth tersebut dapat dibangun dengan mudah tetapi labyrinth memiliki kelemahan, yaitu: 1) Dinding vertikal tidak menguntungkan bagi aliran muatan besar. 27
2) Memerlukan perkuatan yang memadai. kajian dan tes model untuk desain labyrinth telah dibuat di Aljazair, Cina, Prancis, India, Swiss dan Vietnam. Desain mencoba mengoptimalkan efisiensi struktural dan ekonomi. Lebih dari 100 bentuk dipelajari dan banyak solusi, tetapi yang paling menguntungkan yaitu desain yang didasarkan pada dua prinsip berikut: 1) Dinding memiliki bentuk persegi panjang yang mirip dengan tuts piano (piano keys), jadi diberi nama Piano Keys (PK) Gambar 2.3 Piano Keys labyrinth 2) Dinding ortogonal untuk aliran cenderung menguntungkan terutama untuk pembuangan besar. 28
Gambar 2.4 Ortogonal Labyrinth 2.7 Aliran Flume Secara umum, saluran air terbagi menjadi dua yaitu saluran tertutup dan saluran terbuka. Saluran pada flume merupakan saluran terbuka. Pengaliran saluran terbuka dipengaruhi oleh gravitasi. Saluran terbuka dapat digolongkan menjadi dua, yaitu saluran alami dan saluran buatan. Sifat hidrolis saluran alami sangat tidak menentu. Sehingga dalam analisis perlu pengalaman dan pemahaman yang baik mengenai anggapan-anggapan yang digunakan. Sedangkan saluran buatan adalah saluran yang dibuat dan direncanakan oleh manusia. Saluran irigasi adalah salah satu contoh saluran buatan. Debit aliran adalah jumlah air per satuan waktu, atau dapat dinyatakan : Q = V. A (2.6) Dengan: Q = Debit (m 3 /dt) V = Kecepatan rerata (m 2 /dt) A = Luas penampang basah (m 2 ) Atau, Q h = 0,16. h = Angka di Perangkat Pitot Tube pada Flume Bila ditinjau berdasarkan perubahan kedalaman dan kecepatan aliran, maka aliran dibedakan menjadi: 1) Aliran tetap (Steady Flow) Aliran tetap (Steady Flow) terjadi apabila kedalaman, luas penampang, kecepatan dan debit pada setiap penampang saluran adalah sama selama jangka waktu tertentu. 29
Aliran tetap memiliki kemiringan saluran (So), kemiringan muka air (S W ), dan kemiringan energi (Se) sama. Pada keadaan aliran tetap, berlaku Hukum Kontinuitas. Aliran tetap memiliki sifat: a) aliran seragam (uniform flow) terjadi bila kecepatan aliran tidak berubah dan kedalaman saluran sama pada setiap penampang, keadaan ini terjadi pada saluran laboratorium atau saluran irigasi. b) aliran tak seragam (non uniform flow) adalah aliran dimana kedalaman tidak sama pada setiap penampang. Non uniform flow/varied flow digolongkan pada dua keadaan yaitu: a. Gradually varied flow terjadi pada saluran akibat pembendungan atau pada gelombang banjir. b. Rapidly varied flow terjadi pada loncatan air atau pada penyempitan bukaan pintu. 2) Aliran tak tetap (Unsteady Flow) Aliran tak tetap (Unsteady Flow) terjadi apabila kedalaman atau kecepatan aliran yang terjadi selalu berubah. Pada keadaan aliran tidak tetap, berlaku Hukum Kontinuitas. Aliran tidak tetap memiliki sifat: a) aliran seragam (uniform flow) terjadi bila kecepatan aliran tidak berubah dan kedalaman saluran sama pada setiap penampang, keadaan ini terjadi pada saluran laboratorium, saluran irigasi. b)sebaliknya, bila kedalaman tidak sama pada setiap penampang disebut aliran tak seragam (non uniform flow). Non uniform flow/varied flow digolongkan pada dua keadaan yaitu: a. Gradually varied flow adalah aliran berubah sedikit demi sedikit di sepanjang aliran, sehingga lengkung garis aliran dianggap lurus. b. Rapidly varied flow adalah aliran yang terjadi bila kedalaman aliran berubah secara tiba-tiba. 30
2.8 Spillway Mercu Ogee Banyak spillway menggunakan tipe mercu Ogee. Mercu Ogee adalah sebuah mercu bendung yang memiliki bentuk tirai. Oleh karena itu, mercu ini tidakakan memberikan tekanan sub atmosfir pada permukaan mercu sewaktu bending mengalirkan air pada debit rencana. Untuk debit rendah, air akan memberikan tekanan ke bawah pada mercu. Untuk merencanakan permukaan mercu ogee bagian hilir, direktorat Jenderal Pengairan (1986) telah mengembangkan persamaan sebagai berikut : n (2.7) Dengan : X,Y hd k,n = koordinat permukaan hilir = tinggi energi rencana di atas mercu = parameter untuk berbagai kemiringan hilir persamaan antara tinggi energi dan debit untuk bendung tipe ogee (Direktorat Jenderal Pengairan, 1986) adalah sebagai berikut : (2.8) Dengan : Q = Debit (cm 3 /dt) C d = Koefisien debit (=C 0 C 1 C 2 ) C 0 = Konstanta (=1,30) C 1 = Fungsi p/h d dan H 1 /h d (Gambar 2.7) 31
C 2 = Faktor koreksi untuk permukaan hulu (=1) g = Percepatan gravitasi (cm/dt 2 (=981)) b H = Lebar mercu = Tebal air di hulu mercu (cm) Grafik fungsi p/h d dan H 1 /h d ditunjukan pada Gambar 2.5 Gambar 2.5 Grafik Koefisien Cd 2.9 Spillway Tipe Modifikasi Dalam upaya meningkatkan kapasitas spillway, para ahli telah mengembangkan teori dan modifikasi terhadap mercu Ogee. Taylor (1970) mencoba mengubah bentuk puncak yang biasanya menggunakan mercu Ogee dengan menggunakan bentuk mercu segitiga. Berdasarkan percobaan tersebut, selanjutnya Hay dan Taylor (1970) mengadakan percobaan dengan bentuk trapesium. 32
Seperti halnya mercu Ogee, mercu tipe deret trapesium juga dapat dipakai untuk mengatur aras muka air. Pengaturan aras muka air dengan bentuk tersebut didasarkan pada upaya pencegahan terjadinya fluktuasi yang besar. Hal ini dapat dicapai karena bentuk trapesium mempunyai lebar bukaan atau lintasan air lebih besar dibanding dengan bentuk Ogee. Tinggi ambang pelimpah dibuat sama dengan tinggi ambang pelimpah asli. Dengan mercu tipe trapesium, aras muka air waduk dapat dijaga agar fluktuasi aras muka air waduk sekecil mungkin. Secara kasar, kapasitas debit yang dihasilkan mercu ini dapat mencapai 200% dibanding mercu Ogee. Untuk sketsa bentuk spillway tipe deret trapesium digambarkan sebagai berikut Gambar 2.6 Tampak Atas Mercu Deret Modifikasi Gambar 2.7 Mercu Spillway Tipe Modifikasi Persamaan rumus outflow melalui bendung tetap adalah : 33
O = C d x L x H 3/2 O C d L H L = outflow = Koefisien debit = Panjang bendung/spillway = Ketinggian air di atas bendung/spillway = Panjang mercu (cm) = a+b+c+d+e+f+g+h+i Nilai Panjang mercu (L) ditunjukkan pada gambar 2.8 Gambar 2.8 Nilai Lebar Mercu Modifikasi 34