PENGEMBANGAN SUMBER DAYA AIR (PSDA) Dosen : Fani Yayuk Supomo, ST., MT ATA 2011/2012
BAB III 1. HUJAN Hujan ( Presipitasi ) dapat dikatakan sebagai sumber segala air yang ada dipermukaan bumi ini. Hujan terjadi karena ada proses kondensasi dari partikel-partikel uap air di udara yang bergabung menjadi awan, kemudian berubah menjadi butir-butir air yang jatuh ke muka bumi menjadi hujan.
BAB III 1. HUJAN Karakter hujan yang penting diketahui adalah : Intensitas Hujan, yang dinyatakan dalam mm/jam. Jumlah Hujan dalam satuan waktu, misalnya harian, mingguan, bulanan maupun tahuan ( Durai Hujan ) Distribusi Hujan dalam ruang dan waktu. Sifat distribusi hujan dalam ruang akan berkaitan dengan persoalan menghitung volume air hujan yang jatuh ke dalam Daerah Pengaliran Sungai ( DPS ).
BAB III 1. HUJAN Kenyataannya, ketebalan hujan yang jatuh pada suatu DPS untuk suatu peristiwa hujan diukur hanya pada beberapa tempat penakar hujan ( Ombro Meter ). Nilai ketebalan hujan yang tercatat pada tempat penakar hujan disebut nilai-nilai titik ( point values ). Persoalan yang kemudian timbul adalah mencari ketebalan hujan merata dalam suatu DPS agar dapat memperkirakan volume hujan pada DPS.
2. Fungsi Hidrologi BAB III Dalam kaitan pengembangan sumber daya air, oleh Dr. Kuifer pada bukunya Water Resources Development membagi fungsi hidrologi atas kegiatan-kegiatan sbb. : a. Inventarisasi sumber air, seperti : - Pengumpulan data aliran atau debit, hujan, air tanah - Pencatatan-pencatatan kembali data-data yang hilang dengan cara khusus tertentu. - Pengolahan data-data, seperti data-data mentah menjadi kurva durasi ( duration curve ), kurva massa ( massa curve ), sehingga dengan itu dapat dibuat appraisal ( taksiran ) yang cepat terhadap sumber air yang ada.
2. Fungsi Hidrologi BAB III b. Perencanaan Proyek ( Planning ), contoh : o o o Penetapan debit tersedia (dependable flow) Irigasi Kehilangan air / menuap (evaporation) rencana Waduk Perhitungan kebutuhan air (water requirement) Tanaman c. Perencanaan Teknis ( Design ) dari bangunan-bangunan air, seperti : o o Debit rencana dari pelimpah (spill way) waduk Debit banjir rencana (design flood), untuk perhitungan tanggul sungai, tinggi rencana coffer dam.
2. Fungsi Hidrologi BAB III d. Analisa ekonomi, misal : o o Kurva durasi dapat memberikan gambaran kasar manfaat /benefit dari tenaga air (power) dan irigasi. Periode frequency banjir (flood frequency periode) keuntungan sarana pengendalian bajir (flood control) e. Eksploitasi Proyek, yaitu : o Meningkatkan efisiensi eksploitasi waduk (inflow outflow) o Prakiraan debit (flow forecasting) dalam musim hujan / banjir peramalan dan peringatan banjir (flood warning system).
2. Fungsi Hidrologi BAB III Dari uraian tersebut diatas jelas bahwa semua fungsi akan dapat dicapai bila data-data yang baik dalam arti teliti dan cukup terkumpul sebelumnya. Untuk wilayah Jawa pada umumnya sudah ditangani dengan baik, sehingga data-2 tsb sudah cukup lumayan Untuk daerah diluar pulau Jawa masih kurang, karena itu program pengumpulan (monitoring) data hidrologi yang teratur dan kelangsungannya perlu dipersiapkan.
BAB III 3. Neraca Air ( Water Budged / Water Balance ) Neraca Air adalah suatu cara analisisi dengan persamaan neraca ( air ) yang berdasarkan pada hukum kekekalan massa yang menyatakan bahwa suatu zat tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi suatu zat dapat berubah bentuknya. Persamaan neraca air ini memperlihatkan besaran masukan ( inflow / gain ) dan keluaran ( outflow / losses ) serta storage.
3. Neraca Air ( Water Budged / Water Balance ) BAB III Berbeda dengan neraca akuntansi yang periode waktunya sesaat. Maka pada neraca air yang mempunyai periode waktunya tidak sesaat, terpaksa selalu ada penyeimbang S ( Storage ) yaitu sesuatu yang bersifat dinamis selama interval waktu yang dilihat. Persamaan umum dari Neraca Air adalah : Masukan = Keluaran ± Storage I = O ± S
3. Neraca Air ( Water Budged / Water Balance ) BAB III Jelas bahwa suatu persamaan neraca air akan mempunyai makna hanya apabila ditetapkan dua hal sebagai pembatas, yaitu : a. Batasan Daerah atau Wadah yang dapat membentuk suatu sistem, contoh : Waduk atau Reservoir Kolom suatu lahan Suatu Aquifer Air Tahan Suatu Panjang Sungai atau Saluran tertentu Suatu Petak Irigasi tertentu ( tersier, sekunder atau satu jaringan irigasi ) Suatu Daerah Pengaliran Sungai ( DPS ) atau Sub Wilayah Sungai dan Wilayah Sungai Dst.
3. Neraca Air ( Water Budged / Water Balance ) BAB III Sebagai contoh : Neraca Air untuk sebuah Waduk dengan periode 15 ( lima belas ) hari atau bulanan ( 30 hari ). Parameter-parameternya terlihat sebagaimana didalam daftar, sebagai berikut : Masukan = increments = gain Supply = inflow 1. Presipitasi ( hujan ) P 2. Aliran dari Sungai I 3. Rembesan ( seepage ) U 4. Perubahan Storage S Kehilangan = decrements = losses Drainage = outflow 1. Evaporasi = Penguapan E 2. Pengambilan Irigasi / Tenaga Air Oi 3. Melimpas (spill way / outflow) Os 4. Bocoran sub surface (leakage) Ss Maka Persamaan Neraca Air menjadi sebagai berikut : I + P + U + S = Oi + Os + E + Ss
BAB III 3. Neraca Air ( Water Budged / Water Balance ) b. Pereode tertentu dan Spesifik, misalnya : t = 1 jam t = 1 hari t = 1 tahun t = 5 tahun t = 10 tahun dst. Tergantung sistem yang ditangani.
I P E U S Os Oi Ss
BAB III 4. Pengumpulan data. a. Pengukuran Lapangan Debit Air Cara Area Velocity Area Rumus : Debit adalah sama dengan kecepatan air kali luas penampang air. Q i = n = Vi. Ai i = 1
1 2 3 4 + + + + + + diukur Gambar penampang aliran sungai V rata-rata diukur Profil kecepatan
4. Pengumpulan Data BAB III Penampang aliran dibagi atas beberapa bagian setiap bagian luas Ai, seperti gambar. Kecepatan air ditiap bagian diukur dengan alat pengukur kecepatan ( current meter ) pada penampang melintang gam bar tsb. Diatas, dapat memperlihatakan profil kecepatan. Pengukuran dapat dilakukan di satu titik, dua titil atau lebih tergantung persyaratan ketelitiannya. Misalnya debngan pengukuran dua titik pada kedalaman h = 0,20 d dan h = 0,80 d, maka : V. 0,20 d + V. 0,80 d V rata-rata = ----------------------------- 2
4. Pengumpulan Data BAB III Alat ukur ( current meter ) yang biasa digunakan ada dua macam, yaitu : Tipe Mangkok ( Price ), seperti gb. 2.3.3a. Tipe Propeller, seperti gb. 2.3.3b. Pada tipe Mangkok, begitu alat dimasukan ke air, mangkok akan berputar, as perputarannya tegak lurus pada aliran. Pada tipe Propeller, baling-baling akan berputar begitu alat dimasukkan kedalam air, as perputaran propeler adalah paralel dengan arah aliran. Untuk setiap alat ukur tentunya sudah ada konversi hubungan kecepatan air dengan jumlah pputaran alat (ini perlu dikalibrasi).
1.5. Pengembangan Antar Wilayah Sungai ( PAWS ) BAB I SUNGAI dan WILAYAH SUNGAI
4. Pengumpulan Data BAB III Cara Lengkung Debit ( Stage Discahrege Relation ) cara lengkung debit ini adalah dengan ca5ra membuat grafik atau kurva hubungan tinggi air dan debit atau sering disebut lengkung debit ( Rating Curve ) yang dari data-data yang sudah dibuat dengan rumus-rumus hidraulik, tetapi telah dikalibrasi juga dengan pengukur debit (lihat gb.2.3.4). Tinggi muka air pada sungai atau saluran diamati dengan alat ukur yang bisa dibaca secara manual ( staff gauges / peil schall ) atau secara otomatis yanitu dengan alat Automatic Water Level Recorder ( AWLR ) pecatatan dapat langsung dapat dilihat pada kertas printout dan secara minguan atau bulanan baru diganti ( lihat gb. 2.3.6).
4. Pengumpulan Data BAB I SUNGAI dan WILAYAH SUNGAI a). Aliran tak tetap. b). Aliran tetap. muka air turun h muka air naik h Q ( debit ) Q ( debit ) Gbr. 2.3.4. Gambar Lengkung Debit
4. Pengumpulan Data BAB III
4. Pengumpulan Data BAB III Rumur - rumus hidraulik yang sering digunakan ialah, sebagai berikut : o Pada saluran terbuka : Chezy : Manning : v = C R. I v = 1 / n. R 2/3. I ½. Dimana : v = kecepatan aliran C = koefisien Chezy n = angka kekasaran Manning R = jari-jari hidraulik A = Luas penampang basah air / aliran P = keliling basah penampang air I = kemiringan dasar saluran / sungai.
4. Pengumpulan Data o BAB III Aliran kritis pada bendung lebar B atau flume (lihat gb. 2.3.5 ). Rumus : v / 2.g = 1/3. E v = 2. G. E / 3 Q = v. A = { 2.g. E / 3 }. 2/3. E. B Q =. 1,7. B. E 3/2 Q =. 1,7. B ( h + h v ) 3/2 Dimana : = faktor limpasan tergantung bentuk ambang bendung. B = lebar bendung E = besarnya total tinggi energi ( h + h v ) h = tinggi muka air h v = tinggi garis energi terhadap muka air. P = keliling basah penampang air I = kemiringan dasar saluran / sungai.
BAB III 4. Pengumpulan Data h v h E V 2 ---- 2G h c = 2/3. E garis energi Gambar 2.3.5.Aliran kritis pada bendung.
4. Pengumpulan Data b. Kelengkapan Data - data : BAB III Didalam hal-hal dimana data-data yang tersedia kurang lengkap, maka untuk mengatasinya dapat ditempuh dengan cara-cara sebagai berikut : o Jika elevasi level danau atau sungai tersedia, maka dengan rumus-rumus hidaulik akan dapat dibuat hitungan perkiraan debit. o Apabila data-data ada yang terputus-putus, kekurangan tsb. Dapat dilengkapi dengan sistem korelasi antar sdtation-station pada periode waktu tertentu ( hari, minggu, dst.) o Bila tidak ada station yang terdekat, sedang data yang tersedia pendek, cara melengkapinya dapat dengan memplot hidrograp semua aliran yang ada, kemudian hidrograph dihubungkan dengan data hujan dan teperatur atau evaporasi yang biasanya tersedia.
4. Pengumpulan Data b. Kelengkapan Data - data : BAB III Didalam hal-hal dimana data-data yang tersedia kurang lengkap, maka untuk mengatasinya dapat ditempuh dengan cara-cara sebagai berikut : o Jika elevasi level danau atau sungai tersedia, maka dengan rumus-rumus hidaulik akan dapat dibuat hitungan perkiraan debit. o Apabila data-data ada yang terputus-putus, kekurangan tsb. Dapat dilengkapi dengan sistem korelasi antar sdtation-station pada periode waktu tertentu (hari, minggu, dst.) o Bila tidak ada station yang terdekat, sedang data yang tersedia pendek, cara melengkapinya dapat dengan mem-plot hidrograp semua aliran yang ada, kemudian hidrograph dihubungkan dengan data hujan dan teperatur atau evaporasi yang biasanya tersedia.
4. Pengumpulan Data BAB I SUNGAI dan WILAYAH SUNGAI St = B koreksi Station A ( debit ) Gbr. Koreksi Data antar Station
4. Pengumpulan Data o o BAB III Jika data atau catatan yang ada amat sedikit dan tidak ada station berdekatan yang lengkap datanya, keadaan akan lebih sukar. Dalam hal seperti ini cara yang dapat dipakai adalah dengan memperbandingkan DPS ( Drainage Basin ) tsb dengan DPS lain yang ada datanya dan dilakukan pengamatan di lapangan secara fisik dan sejarah daerah tsb dari penghuninya. Jika tidak ada DPS yang dapat dipakai sebagai pembanding, maka cara yang ditempuh adalah dengan perhitungan besarnya run-off secara sintesa. Yaitu dengan memperkirakan hujan, infiltrasi dan bentuk-2 hidrograph sampai dengan dibuat sebuah syntetic unit hidrograph untuk DPS yang ditinjau serta dapat ditambah dengan melakukan pengamatan dilapangan secara fisik dan sejarah tsb dari penghuninya agar lebih dapat mendekati kebenarannya.
5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) BAB III Cara paling sederhana untuk memperlihatkan arti dari datadata hujan atau debit sungai ialah dengan menghitung harga rata-rata ( rerata ), harga minimum dan harga maksimum. Sebelumnya kita perlu mengetahui perhitungan dasar yang biasa digunakan, yaitu : a) Menghitung Rerata Tebal Hujan (Methode : Aljabar, Polygon, Isohyet dan Kriging) b) Durasi dan intensitas hujan. c) Aliran air dalam DPS akibat hujan (aliran permukaan, lengas tanah, aliran dibawh pemukaan, pengisian cekung-2 air, uap air) d) Proposi air hujan menjadi berbagai bentuk e) Rumus Rasional f) Analisa Statistik ( Hidrograf, Kurva Mass, Kurva Durasi, Kurva Frequensi )
Ketebalan unit air Ekuivalen suatu saat 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) BAB I SUNGAI dan WILAYAH SUNGAI Bagian hujan yang langsung pada alur sungai Lengas tanah Aliran permukaan Pengisian cekungan Intersepsi Interflow Air tanah Waktu diukur dari saat Permulaan terjadi hujan Gbr. 2.13. Ilustrasi Proporsi Bentuk-bentuk Air Selama Proses Hujan
Tinggi muka air H dalam meter 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) BAB I SUNGAI dan WILAYAH SUNGAI 5 Satu contogh Rating Curve 4 3 2 1 200 400 600 800 Q Debit, Q ( m3/det. ) Gbr. 2.9. Rating Curve
5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) BAB I SUNGAI dan WILAYAH SUNGAI 5 km T U V 1 V 1 A 2 km Saluran V 2 Gambar Situasi Daerah Pengaliran T Soal Contoh 1 : Diketahui : o Lebar daerah = 2 km. o Panjang daerah = 5 km. o Kecepatan rerata aliran air di - permukaan tanah : v 1 = 0,10 m/dt o Kecepatan rerata aliran dalam saluran : v1 = 1,0 m/dt o Semua daerah terkena hujan, dg. intensitas hujan : i = 10 mm/jam. o Koefisien aliran : C = 0,40 o Lamanya waktu hujan : tr = 250 menit Pertanyaannya : Berapa debit puncak dan bagaimankah bentuk hidrografnya?.
BAB III 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) Jawaban : Langkah-langkahnya adalah sbb. : 1. Waktu Konsentrasi ( tc ) : o titik T tempat terjauh, jarak U ke T = 2 km / 2 = 1 km. o Waktu T ke U (tc 1 ) = 1 km / v 1 = 1.000 m / 0,10 m/dt = 10.000 dt o Waktu U ke A (tc 2 ) = 5 km / v 2 = 5.000 m / 1,00 m/dt = 5.000 dt o Jadi waktu konsentrasi ( tc ) = tc 1 + tc 2 = 15.000 dt = 250 menit 2. Waktu Hujan ( tr ) : o Waktu hujan ( tr ) dibandingkan dengan waktu konsentrasi ( tc ), yaitu : tr = tc = 250 menit. Jika terjadi tc > tr, maka perlu dicari luasnya daerah hujan yang mempengaruhi debit puncak.
BAB III 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) Jawaban : 3. Debit Maksimum ( Q max ), dengan rumus rasional : o Q max = C. i. A dengan : C = koefisien aliran i = intensitas hujan A = luas daerah yang ditinjau. o Sehingga : Q max = 0,40 x 10 mm/jam x ( 2 x 5 km ) = 0,40 x 10 x 10-3 m/jam x 10 x 10 6 m 2 = 40 x 10 3 m 3 /jam = 40 x 10 3 / ( 3.600 ) m 3 /det. = 11,11 m 3 /det.
Debit ( Q ) dalam m 3 /detik 4. Pengumpulan Data BAB I SUNGAI dan WILAYAH SUNGAI 11,11 0 250 500 Tc = tr Tc = tr Gambar Hidrograf Waktu ( t ) dalam menit
BAB III 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) Pertanyaan pada contoh no 1 telah terjawab, namun kita perlu merenung : o Mengapa hidrograf berbentuk segi tiga?. o Kenapa waktu hidrograf = 500 menit?.
BAB III 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) Contoh 2 : Diketahui : Data-data sama dengan contoh 1, kecuali lamanya hujan ( tr ) adalah 6 jam Pertanyaannya : sama dengan soal contoh 1, yaitu : berapa debit puncak dan bagaimanakah bentuk hidrografnya?. Jawaban :...?, kenapa...?.
BAB III 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) Contoh 3 : Diketahui : Data-data sama dengan contoh 1,lamanya hujan ( tr ) tetap 250 menit, tetapi kondisi alirannya dan saluran pada daerah yang ditinjau diputar seperti gambar dibawah ini Pertanyaan : Gambarlah luas daerah hujan yang mempengaruhi debit puncak dan hitunglah besarnya debit tersebut, serta bagaimana bentuk hidrografnya?. Jawab : Waktu konsentrasi : tc = 2,50 km / ( 0,10 m/det ) + 2 km / ( 1 m/det ) = ( 25.000 + 2.000 ) det = 27.000 det. = 450 menit.
BAB III 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) Contoh 3 : Jawab : Ternyata tc > tr, maka daerah yang diperhitungkan berkontribusi untuk menimbulkan debit maksimum adalah bagian yang diarsir dan untuk menetukan luasan daerah tersebut, adalah : XT (m) 2 (km) ---------------- + ------------------------- = tr, diketahui tr = 250 menit. 0,10 m/det 1 m/det { XT m / 0,10 m/det } + 2.000 m = 15.000 det. XT m / 0,10 m/det = 13.000 det Jadi XT = 1.300 m. Dengan cara yang sama akan didapat : XS = 1.500 m.
BAB III 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) Contoh 3 : Jawab : Debit maksimum dapat dihitung sebagai berikut : o Q max = C. i. A = 0,40 (10 x 10 3 / 3.600 x ½ (1.300 + 1500) x 2 x 2 x 10 6 m 3 /det. = 6,22 m 3 /det.
Debit ( Q ) dalam m 3 /detik 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) BAB I SUNGAI dan WILAYAH SUNGAI 6,22 Garis limpasan 0 250 700 tr tc Gambar Hidrograf Waktu ( t ) dalam menit
Tinggi air ( m ) Waktu ( t ) dalam jam
Tinggi air ( m ) Waktu ( t ) dalam jam
Tinggi air ( m ) Spill way menjamin Q max. Kolam Storage menjamin Q min Waktu ( t ) dalam jam
Debit ( Q ) dalam m 3 /detik Rata-rata bulanan Waktu ( t ) bulan
Debit ( Q ) dalam m 3 /detik Rata-rata tahunan Waktu ( t ) bulan
Debit ( Q ) dalam m 3 /detik 50 % = Rata-rata = 3,21 = th 50, 54, 62 Waktu ( t ) bulan
Debit ( Q ) dalam m 3 /detik 50 % = Rata-rata = 3,21 Waktu ( t ) bulan
BAB III 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) Frekuensi Debit Banjir : Dasarnya : o F = P = 1 / Tr Dimana : P = probability Tr = periode ulang ( recurrence period ) o Tr = n / ( m 0,5 ) o Tr = ( n + m ) / m. Dimana : n = jumlah sample m = urutan sample
BAB III 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) Kriteria untuk bangunan di Indonsia : Drainage pertanian Tr = 5-10 tahun Tanggul Banjir Tr = 25-50 tahun Bendung di sungai Tr = 50-100 tahun Pelimpah waduk Tr > 100 tahun Sebagai perbandingan : Tanggul Laut di negeri Belanda Tr = 10.000 tahun sehingga probabilitasnya sangat kecil P = 1 / 10.000 = 0,0001.
Debit ( Q ) dalam m 3 /detik 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) BAB I SUNGAI dan WILAYAH SUNGAI Fill by eye ( dengan mata ) Ploting data 6,22 98 95 90 50 60 10 02 01 Frequency of excendence ( excendence probability ) atau return period Gambar Frekuensi untuk Debit Banjir ( Q max )
Biaya ( Rp. 10 7 ) 0 1 2 3 4 5. Pengelolaan Data ( Data Prosessing ) BAB I SUNGAI dan WILAYAH SUNGAI Minimum ( optimum ) Biaya Konstruksi Biaya Risiko 1 2 3 4 5 6 7 8 Masa Ulang ( tahun ) Gambar Pemilihan masa ulang atas Biaya Bangunan