SEDIMENTASI AKIBAT PEMBANGUNAN SHEET PILE BREAKWATER TELUK BINTUNI, PAPUA BARAT Jundana Akhyar 1 dan Muslim Muin 2 Program Studi Teknik Kelautan Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung, Jl Ganesha 10 Bandung 40132 1 jundana.akhyar@gmail.com dan 2 m_muin@ocean.itb.ac.id Abstrak Transportasi sedimen merupakan sedimen di laut yang terbawa medium dari atau menuju ke lokasi lain. Transportasi sedimen mengakibatkan erosi ataupun deposisi pada suatu lokasi. Dengan adanya pembangunan breakwater di daerah Teluk Bintuni, Papua Barat, keseimbangan transport sedimen dapat terganggu sehingga dapat menyebabkan erosi dan deposisi pada area dibelakang breakwater dan perubahan garis pantai yang memungkinkan terbentuknya salient atau tombolo. Gelombang yang datang merambat ketika mencapai laut transisi akan bertransformasi karena mengalami refraksi. Selain itu, breakwater yang berfungsi sebagai pemecah gelombang menyebabkan terjadinya transfer energi gelombang melalui difraksi. Difraksi akan menyebabkan perbedaan elevasi muka air dan adanya radiation stress, kemudian akan membangkitkan arus di area sekitar breakwater yang disebut juga sebagai arus akibat gelombang (wave induced current). Meskipun tujuan dari pembangunan breakwater ini sebagai pelindung perairan dan sebagai tempat bertambat kapal kecil, tidak menutup kemungkinan akan terjadi deposisi sedimen yang akan mengakibatkan pendangkalan pada area dibelakang breakwater atau deposisi sedimen yang menyebabkan perubahan garis pantai hingga tebentuk salient atau tombolo. Kata kunci: transportasi, sedimen, refraksi, difraksi, arus PENDAHULUAN Keberadaan breakwater pada suatu daerah perairan di dekat pantai dapat mempengaruhi transportasi sedimen pada area di belakang breakwater tersebut. Pada tugas akhir ini, penulis mengkaji terhadap sebuah proyek pembangunan breakwater dan bagaimana sedimentasi pada area dibelakang breakwater tersebut. Breakwater yang berfungsi sebagai pemecah gelombang, menyebabkan terjadinya transfer energi gelombang melalui difraksi, kemudian akan membangkitkan arus di area sekitar breakwater yang disebut sebagai waveinduced current. Kajian sedimentasi pada area dibelakang breakwater sangat penting karena tergantung tujuan dari pembangunan breakwater tersebut. Pembangunan breakwater dapat bertujuan untuk perbaikan/perlindungan pantai, perlindungan perairan untuk pelabuhan, ataupun perlindungan untuk area rekreasi. Untuk mempelajari dan mengkaji akibat dampak dari pembangunan sheet pile breakwater V-shape yang berupa deposisi sedimen dibelakang breakwater dan formasi salient atau tombolo yang mungkin terbentuk, digunakan kajian refraksi dan difraksi gelombang, radiation stress, hingga arus dibelakang breakwater yang mengakibatkan transport sedimen. Dengan mengetahui pola transport sedimen dan besarnya, kita dapat menentukan tindakan selanjutnya bila terjadi permasalahan erosi ataupun deposisi. Hal ini cukup banyak dilakukan pada infrastruktur pantai seperti pelabuhan. Pendangkalan akibat deposisi dapat menyebabkan kapal tidak dapat berlabuh karena draught-nya yang melebihi kedalaman perairan. Oleh karena itu diharapkan karya tulis ini dapat berguna bagi siapa saja yang membutuhkannya, terutama dalam rangka perencanaan, pencegahan, dan penanggulangan bila terjadi masalah yang terkait erosi maupun deposisi sedimen. 1
TEORI DAN METODOLOGI Secara umum, metodologi studi transportasi sedimen ini dapat dilihat pada gambar 1 Gambar 1 Metodologi prosedur perhitungan transpor sedimen Refraksi gelombang terjadi akibat perubahan cepat rambat gelombang (C) akibat perubahan kedalaman. Semakin menuju ke pantai, kedalaman (d) semakin dangkal dan berakibat kecepatan rambat gelombang semakin kecil. Adanya variasi cepat rambat gelombang di laut dalam dan laut dangkal mengakibatkan gelombang berbelok dan menjadi parallel dengan kontur batimetri seperti yang dapat dilihat pada gambar 2. (1) H R = tinggi gelombang refraksi (m) H 0 = tinggi gelombang laut dalam (m) K s = koefisien shoaling K R = koefisien refraksi b o = jarak antar ortogonal gelombang di laut dalam b = jarak ortogonal gelombang di laut transisi atau laut dangkal (2) b 0 b Gambar 2 Refraksi gelombang 2
Difraksi gelombang adalah fenomena dimana terjadi transfer energi gelombang secara lateral di sepanjang puncak gelombang. Akibatnya, energi gelombang sebagian besar diredam oleh breakwater dan sebagian lagi tertransfer ke area di belakang breakwater dan menyebabkan tinggi gelombang yang bervariasi sesuai dengan besar dan arah sudut gelombang datang terhadap breakwater. (3) H D = tinggi gelombang difraksi (m) K D = koefisien difraksi H i = tinggi gelombang datang (m) Gambar 3 Difraksi pada breakwater Untuk penyelesaian analisis radiation stress, arus akibat gelombang, dan laju transport sedimen, penulis menggunakan metode beda hingga (finite difference). Lebih tepatnya dengan menggunakan forward difference yang merupakan penyederhanaan dari Deret Taylor. Gambar 4 Pendekatan numerik beda hingga (finite difference) (4) 3
(5) (6) F(i,j) = fungsi (x,y) dengan komponen vektor i dan j i = titik koordinat x j = titik koordinat y x = jarak antar 2 titik koordinat x y = jarak antar 2 titik koordinat y O = orde kesalahan (eror) Radiation stresses atau momentum flux adalah gaya per satuan luas (dalam studi kasus ini, luas grid yang ditinjau) yang terjadi karena adanya kelebihan flux momentum akibat gelombang. Konsep radiation stress biasanya digunakan dalam hal perbedaan elevasi muka air akibat propagasi gelombang maupun difraksi pada breakwater, interaksi antara gelombang dan arus, dan timbulnya arus sejajar pantai di surf zone akibat gelombang datang tersebut. Gambar 5 Sketsa definisi radiation stress (7) (8) (9) S = radiation stress (N/m) G = perbandingan kecepatan grup dan kecepatan gelombang (C g /C 0 ) α 0 = sudut antara gelombang datang dan kontur dasar laut H = tinggi gelombang (m) 4
ρ = massa jenis air laut (1023 kg/m 3 ) g = percepatan gravitasi (9.81 m/s 2 ) Pendekatan analitis yang terbaik untuk memprediksi arus sejajar pantai akibat radiation stress berdasarkan Longuet-Higgins (1970). Perhitungan komponen radiation stress sejajar pantai dengan ketahanan gesek pada dasar akibat arus sejajar pantai. Persamaan umum pengatur arus akibat gelombang yang digunakan diambil dari persamaan kontinuitas untuk aliran seragam sehingga persamaannya menjadi: Persamaan geraknya adalah sebagai berikut: η = elevasi muka air tenang (m) t = waktu (s) x = koordinat kartesius arah horizontal y = koordinat kartesius arah vertikal h = kedalaman perairan (m) U = komponen kecepatan arus arah x (m/s) V = komponen kecepatan arus arah y (m/s) R x = gaya akibat radiation stress arah x R y = gaya akibat radiation stress arah y F x = gaya akibat friksi dasar arah x F y = gaya akibat friksi dasar arah y M x = lateral mixing arah x M y = lateral mixing arah y Namun dalam perhitungan tugas akhir ini, lateral mixing diabaikan. (10) (11) (12) Gambar 6 Sketsa definisi analisis perhitungan arus akibat gelombang Untuk analisa sedimentasi dibelakang breakwater dengan menggunakan konsep arus akibat gelombang (wave induced current) yang diakibatkan oleh radiation stress yang diperkenalkan oleh Longuet-Higgins, perhitungan sedimentasi menjadi : 5
(13) Dimana : P l = potensial transport sedimen sejajar pantai (N/s) ρ = massa jenis air laut (1024 kg/m 3 ) H b = Tinggi gelombang pecah (m) g = percepatan gravitasi bumi (9.81 ms -2 ) W = lebar surf zone (m) V l = kecepatan arus sejajar pantai (m/s) C f = faktor gesekan (0.01) B = koefisien arus sejajar pantai Longuet-Higgins non-dimensional (0.4) (14) Dimana : Q l = volume transport sedimen sejajar pantai (m 3 /s) K = koefisien tipe pantai (0.32) ρ s = massa jenis sedimen (2650 kg/m 3 ) n = porositas sedimen (0.4) Untuk analisis arus akibat gelombang dan volume transportasi sedimen, digunakan hukum kekekalan massa dan momentum serta dibantu dengan pembuatan grid yang homogen. Dengan metode beda hingga pada persamaan (5) dan (6) dan pada gambar 7. Gambar 7 Metodologi perhitungan transpor sedimen pada grid Indeks respon pantai juga dapat digunakan sebagai parameter formasi deposisi sedimen yang akan terbentuk yaitu berupa salient ataupun tombolo. I s = indeks respon pantai Y = jarak breakwater dari pantai L s = panjang breakwater Tabel 1 Indeks respon pantai Beach Response Beach Response Index (I s ) Permanent tombolo formation 1 Periodic tombolos 2 Well-developed salients 3 Subdued salients 4 No sinuosity 5 (15) 6
HASIL DAN PEMBAHASAN Studi kasus mengenai sedimentasi akibat pembangunan breakwater yang akan menghasilkan erosi ataupun deposisi di area belakang breakwater. Berdasarkan sumber data gelombang hasil hindcasting yang penulis peroleh untuk di lokasi studi kasus, oleh karena itu perlu ditentukan terlebih dahulu mengenai karakteristik perairan. Berikut ini adalah data tinggi gelombang untuk periode ulang tertentu. Tabel 2 Data gelombang hasil hindcasting Periode Ulang 10.00 20.00 50.00 Hsr 0.86 0.90 0.95 Tsr 3.12 3.20 3.35 Dengan data gelombang dan periode gelombang pada tabel 1, diperoleh karakteristik perairan lokasi studi kasus adalah pada laut transisi. Selanjutnya dilakukan perhitungan tinggi gelombang difraksi seperti yang dapat dilihat pada gambar 8, Gambar 8 Tinggi gelombang difraksi pada breakwater untuk sudut datang 170 o Setelah itu, dilakukan analisis terhadap radiation stress, arus akibat gelombang, dan laju transport sedimen. Hasil pemodelan dapat dilihat pada gambar 9 dan gambar 10. Gambar 9 Vektor kecepatan arus akibat gelombang untuk sudut datang 170 o 7
Untuk hasil perhitungan transportasi sedimen pada setiap grid yang mengakibatkan terjadinya erosi ataupun deposisi pada grid tersebut, dapat dilihat pada tabel 3. Deposisi Erosi uv Max uv Average Tabel 3 Nilai Q ls (m 3 /hari) untuk sudut gelombang datang 170 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.00008 0.00105 0.00042 0.00410 0.00282 0.01283 0.01072 0.02847 0.02066 0.02921 0.00000 0 0 0 0 0 0 0 0 0.00000-0.00007 0.00000-0.00071-0.00118-0.00441-0.00745-0.01408-0.02164-0.01242-0.04074 0.02223 0 0 0 0 0 0 0-0.00038-0.00121 0.00077 0.00009 0.00135 0.00150 0.00793 0.00701 0.02123 0.00530 0.02449-0.00659 0.00000 0 0 0 0 0 0-0.00050 0.00052-0.00028 0.00002 0.00008-0.00088-0.00124-0.00606-0.00631-0.01585-0.00887-0.02009-0.01912 0.01611 0 0 0 0-0.00001-0.00013 0.00024-0.00022-0.00064 0.00027-0.00024 0.00109 0.00091 0.00601 0.00102 0.01364 0.00083 0.01887-0.00186 0.00000 0 0 0-0.00014-0.00009 0.00036 0.00002 0.00058 0.00009 0.00008 0.00058-0.00024-0.00174-0.00230-0.00689 0.00105-0.00112 0.00103-0.00186 0.00000 0 0 0.00015 0.00020 0.00000-0.00041-0.00011-0.00002 0.00017-0.00073-0.00026 0.00282 0.00330 0.00591 0.00577 0.00544 0.00293 0.00089-0.00186 0.00000 0.00009 0.00002-0.00020-0.00014-0.00033 0.00006 0.00022 0.00044-0.00050-0.00059 0.00068-0.00017-0.00288-0.00262-0.01421 0.00555-0.01176 0.00634-0.00186 0.00000 0.00035 0.00023 0.00016 0.00034-0.00002-0.00004 0.00015 0.00002-0.00009 0.00020 0.00025 0.00366-0.00125 0.00764 0.00008 0.00612 0.00555 0.00194-0.00080 0.00000 0.00034 0.00028-0.00026-0.00011-0.00096 0.00072-0.00003-0.00005-0.00038 0.00084-0.00106 0.00001 0.00003-0.00370-0.00977 0.00613-0.02575 0.01536-0.00186 0.00000 0.00053 0.00027-0.00012 0.00052-0.00003 0.00005 0.00041-0.00003-0.00020 0.00068-0.00135 0.00299-0.00563 0.00961-0.00803 0.00728-0.00273-0.00615 0.00821 0.00000 0.00059 0.00042 0.00003-0.00029-0.00091 0.00068-0.00074 0.00095-0.00051-0.00039 0.00044 0.00123 0.00508 0.00066 0.00266-0.00445-0.01518 0.00870-0.00373 0.00094 0.00013 0.00021-0.00021 0.00052-0.00008-0.00018 0.00026-0.00023-0.00032 0.00130 0.00091 0.00092-0.00612 0.00913-0.01122 0.01169 0.00558-0.02222 0.02643 0.00000 0.00052 0.00024 0.00037 0.00023-0.00036 0.00024-0.00108 0.00139-0.00082-0.00040-0.00172 0.00365 0.00103 0.01158-0.00079 0.00320-0.01285-0.00753-0.01919 0.01044 0.00025-0.00008-0.00046-0.00006-0.00044-0.00062 0.00037 0.00006 0.00069 0.00144 0.00151 0.00119-0.00481 0.01069-0.02054 0.02332-0.01901-0.00622 0.02317 0.00000 0.00055 0.00015 0.00044 0.00003-0.00058 0.00029-0.00030 0.00011 0.00017 0.00244-0.00191 0.00736-0.01039 0.01881-0.01771 0.02177-0.02887 0.02423-0.03903 0.02689 0.00021-0.00004-0.00102 0.00020-0.00137 0.00008 0.00062 0.00037-0.00089 0.00315-0.00847 0.00171-0.01557 0.00888-0.02330 0.03556-0.04375 0.00395-0.01012 0.00000 0.00047-0.00004 0.00060-0.00024 0.00049 0.00031 0.00004-0.00076 0.00110-0.00061 0.00269-0.00177 0.00129 0.00338-0.01420 0.01560-0.01148 0.01430-0.01743 0.02149 0.00000 0.00004-0.00015 0.00028-0.00003-0.00047 0.00000-0.00008-0.00116 0.00149-0.00511 0.00389-0.00978 0.00518-0.01678 0.00684-0.02200-0.00545-0.00463 0.00286 0.00010 0.00000 0.00017 0.00000 0.00000 0.00028 0.00000 0.00000 0.00109 0.00000 0.00418 0.00000 0.00781 0.00000 0.01339 0.00000 0.01871 0.00000 0.00969 0.00000 0.036 m 3 /hari -0.044 m 3 /hari 0.006 m/s 0.001 m/s Gambar 10 Kontur sedimentasi untuk arah gelombang 170 o SIMPULAN DAN SARAN Dari hasil studi kasus sederhana dan pemodelan, didapatkan simpulan berupa: 1. Deposisi sedimen akan terjadi di belakang breakwater seiring dengan terjadinya erosi. 2. Deposisi maksimum akan terjadi saat gelombang datang dari arah 215 o terhadap Utara yaitu sebesar 0.53m 3 /hari. 3. Secara teoritis, perubahan garis pantai juga akan terjadi namun tidak signifikan karena diperkirakan akan terbentuk sedikit formasi salient. 4. Erosi terjadi seiring dengan adanya deposisi, hal ini cukup kontradiktif dengan asumsi awal dan analisa secara teoritis. 5. Pemodelan yang dilakukan masih belum sempurna.. 8
Karena pemodelan yang dilakukan masih belum sempurna dan kurang sesuai secara teoritis, mungkin untuk kedepannya program perhitungan tersebut dapat dikaji kembali. Selain itu, dipastikan input data seperti batimetri, grid, tinggi gelombang difraksi, dan periode gelombang sudah sesuai. Karena mungkin saja ada kesalahan dalam penerapan input data pada studi kasus ke dalam program perhitungan.. DAFTAR PUSTAKA U.S. Army Corps of Engineers. 1999. Coastal Engineering Manual Part II Chapter 3 Estimation of Nearshore Waves. Washington, DC : Department of the Army, U.S. Army Corps of Engineers U.S. Army Corps of Engineers. 1999. Coastal Engineering Manual Part II Chapter 4 Surf Zone Hydrodynamics. Washington, DC : Department of the Army, U.S. Army Corps of Engineers U.S. Army Corps of Engineers. 1999. Coastal Engineering Manual Part II Chapter 7 Harbor Hydrodynamics. Washington, DC : Department of the Army, U.S. Army Corps of Engineers Sorensen, R.M. 2006. Basic Coastal Engineering 3 rd Edition. Betlehem, Pennsylvania : Department of Civil and Environmental Engineering Leigh University. Dean, Robert G. and Robert A. Dalrymple. 1991. Advanced Series on Ocean Engineering Vol. 2 : Water Wave Mechanics For Engineers and Scientists. Singapore : World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd Dominic Reeve, Andrew Chadwick and C. Flemming. 2004. Coastal Engineering : Processes, Theory and Design Practice. London : Spon Press Waterways Experiment Station, Corps of Engineers. 1984. Shore Protection Manual (1984) Volume I. Vicksburg, Mississippi : Department of the Army, U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station 9