REKAYASA HIDROLOGI Kuliah 2 PRESIPITASI (HUJAN) Universitas Indo Global Mandiri Pengertian Presipitasi adalah istilah umum untuk menyatakan uap air yang mengkondensasi dan jatuh dari atmosfer ke bumi dalam segala bentuknya dalam rangkaian siklus hidrologi. Jika air yang jatuh berbentuk cair disebut hujan (rainfall) dan jika berupa padat disebut salju (snow). Dalam hal ini, hanya akan dibahas tentang hujan. Analisis dan desain hidrologi tidak hanya memerlukan volume atau ketinggian hujan, tetapi juga distribusi hujan terhadap tempat dan waktu. Distribusi hujan terhadap waktu disebut hyetograph. Dengan kata lain, hyetograph adalah grafik intensitas hujan atau ketinggian hujan terhadap waktu. 1
PROSES TERJADINYA HUJAN Gambar 1. Proses terjadinya hujan PROSES TERJADINYA HUJAN Gambar 3. Orographic storms Gambar 2. Cyclonic storms Gambar 4. Convective storms 2
Karakteristik Hujan 1. Durasi Lama kejadian hujan (menitan, jam-jaman, harian) diperoleh terutama dari hasil pencatatan alat pengukur hujan otomatis. Dalam perencanaan drainase, durasi hujan sering dikaitkan dengan waktu konsentrasi khususnya pada drainase perkotaan diperlukan durasi yang relatif pendek, mengingat akan toleransi terhadap lamanya genangan. 2. Intensitas Jumlah hujan yang dinyatakan dalam tinggi hujan atau volume hujan tiap satuan waktu. Besarnya intensitas hujan berbeda-beda, tergantung dari lamanya curah hujan dan frekuensi kejadiannya. Intensitas hujan diperoleh dengan cara melakukan analisis data hujan baik secara statistik maupun secara empiris. Karakteristik Hujan 3. Lengkung intensitas Grafik yang menyatakan hubungan antara intensitas hujan dengan durasi hujan, hubungan tersebut dinyatakan dalam bentuk lengkung intensitas hujan dengan kala ulang hujan tertentu. 4. Waktu konsentrasi Waktu yang diperlukan untuk mengalirkan air dari titik yang paling jauh pada daerah aliran ke titik kontrol yang ditentukan di bagian hilir suatu saluran. Pada prinsipnya waktu konsentrasi dapat dibagi menjadi: a. Inlet time (to), yaitu waktu yang diperlukan oleh air untuk mengalir di atas permukaan tanah menuju saluran drainase. b. Conduit time (td), yaitu waktu yang diperlukan oleh air untuk mengalir di sepanjang saluran sampai titik kontrol yang ditentukan di bagian hilir. Waktu konsentrasi dapat dihitung dengan rumus: t c t o t d 3
Data Hujan 1. Pengukuran Hujan merupakan komponen yang sangat penting dalam analisis hidrologi pada perancangan debit untuk menentukan dimensi saluran drainase. Pengukuran hujan dilakukan selama 24 jam, dengan cara ini berarti hujan yang diketahui adalah hujan total yang terjadi selama satu hari. Untuk berbagai kepentingan perancangan drainase tertentu data hujan yang diperlukan tidak hanya data hujan harian, tetapi juga distribusi jamjaman atau menitan. Hal ini akan membawa konsekuensi dalam pemilihan data. Dianjurkan untuk menggunakan data hujan hasil pengukuran dengan alat ukur otomatis. Data Hujan 2. Alat ukur Dalam praktik pengukuran hujan terdapat dua jenis alat ukur hujan, yaitu: a. Alat ukur hujan biasa (manual raingauge) Data yang diperoleh dari pengukuran dengan menggunakan alat ini adalah berupa hasil pencatatan oleh petugas pada setiap periode tertentu. Alat pengukur hujan ini berupa suatu corong dan sebuah gelas ukur, yang masingmasing berfungsi untuk menampung jumlah air hujan dalam satu hari (hujan harian). 4
Data Hujan b. Alat ukur hujan otomatis (automatic raingauge) Data yang diperoleh dari hasil pengukuran dengan menggunakan alat ini, berupa data pencatatan secara menerus pada kertas pencatat yang dipasang pada alat ukur. Berdasarkan data ini dapat dilakukan analisis untuk memperoleh besaran intensitas hujan. Data Hujan a. Alat ukur hujan manual b. Alat ukur hujan otomatis Alat ukur hujan (raingauge) 5
Data Hujan 3. Kondisi dan Sifat Data Data hujan yang baik diperlukan dalam melakukan analisis hidrologi, sedangkan untuk mendapatkan data yang berkualitas biasanya tidak mudah. Data hujan hasil pencatatan yang tersedia biasanya dalam kondisi yang tidak menerus. Apabila terputusnya rangkaian data hanya beberapa saat kemungkinan tidak menimbulkan masalah, tetapi untuk kurun waktu yang lama tentu akan menimbulkan masalah di dalam melakukan analisis. Kualitas data yang tersedia akan ditentukan oleh alat ukur dan manajemen pengelolaannya. Variabilitas Hujan Hujan ekstrim harian di Kabupaten Malang, Batu dan Kota Malang (2000 2010) 6
Variabilitas Hujan Curah hujan rata-rata tahunan skala global Curah Hujan Rata-rata Curah hujan yang digunakan untuk analisis perancangan pemanfaatan air dan pengendalian banjir adalah curah hujan rata-rata di seluruh daerah yang ditinjau, bukan curah hujan pada suatu titik tertentu. Curah hujan ini disebut curah hujan wilayah/daerah dan dinyatakan dalam satuan mm. Curah hujan ini harus diperkirakan dari beberapa titik pengamatan curah hujan. Cara-cara perhitungan curah hujan daerah dari pengamatan curah hujan di beberapa titik adalah sebagai berikut. 1. Rata-rata aljabar 2. Poligon Thiessen 3. Garis isohyet 4. Garis potongan antara (intersection line method) 5. Depth-elevation method 7
Curah Hujan Rata-rata 1. Rata-rata aljabar Cara ini adalah perhitungan curah hujan rata-rata secara aljabar. 1 R R1 R2... n Dimana: : curah hujan rata-rata (mm) R r r R n n : jumlah titik stasiun hujan R 1,R 2,.,R n : curah hujan di tiap stasiun hujan (mm) Metode ini merupakan metode yang paling sederhana dan dapat memberikan hasil yang memuaskan jika stasiun hujan tersebar secara merata di seluruh area dan hasil pengukuran di setiap stasiun hujan tidak jauh berbeda dengannilai rata-rata. Curah Hujan Rata-rata 2. Poligon Thiessen Jika titik stasiun hujan di wilayah tidak merata, maka cara perhitungan curah hujan rata-rata dilakukan dengan memperhitungkan daerah pengaruh tiap titik stasiun hujan. A1 R1 A2 R2... An R Rr Dimana: A1 A2... An : curah hujan rata-rata (mm) R r A 1, A 2,., A n : luas daerah yang mewakili tiap titik stasiun hujan R 1, R 2,., R n : curah hujan di tiap titik stasiun hujan (mm) dan n adalah jumlah titik stasiun hujan n 8
Curah Hujan Rata-rata Langkah-langkah: 1. Cantumkan titik-titik stasiun hujan di dalam dan sekitar daerah yang ditinjau pada peta topografi skala 1:50.000, kemudian hubungkan tiap titik yang berdekatan dengan sebuah garis lurus (dengan demikian akan terlukis jaringan segitiga yang menutupi seluruh daerah. 2. Daerah yang bersangkutan itu dibagi dalam poligon-poligon yang didapat dengan menggambar garis bagi tegak lurus pada tiap sisi segitiga tsb di atas. Curah hujan dalam tiap poligon ini dianggap diwakili oleh curah hujan dari titik stasiun hujan dalam tiap poligon tsb. Luas tiap poligon diukur dengan planimeter atau dengan cara lain. Contoh poligon Thiessen 9
Contoh analisis menggunakan poligon Thiessen Cara poligon Thiessen ini memberikan hasil yang lebih teliti daripada cara rata-rata aljabar. Akan tetapi, penentuan titiktitik stasiun hujan akan mempengaruhi ketelitian hasil yang didapat. Kerugian lainnya adalah diperlukan penggambaran ulang poligon apabila salah satu stasiun hujan tidak diperoleh data atau data yang tidak valid. 10
3. Garis isohyet Peta isohyet digambar pada peta topografi dengan perbedaan (interval) 10 sampai 20 mm berdasarkan data curah hujan pada titik-titik stasiun hujan di dalam dan di sekitar daerah yg ditinjau. Luas bagian daerah antara dua garis isohyet yang berdekatan diukur dengan planimeter. Demikian pula nilai rata-rata dari garis-garis isohyet yg berdekatan yg termasuk bagian-bagian daerah tsb dapat dihitung. Curah hujan rata-rata suatu daerah dapat dihitung menggunakan metode garsi isohyet sbb. R r A R A R 1 1... A A... A 1 2 2 n n R n Dimana: R r : curah hujan rata-rata A 1, A 2,., A n : luas bagian-bagian antara garis-garis isohyet R 1, R 2,., R n : curah hujan rata-rata pada bagian-bagian A 1, A 2,., A n 11
Contoh garis isohyet Contoh analisis menggunakan garis isohyet 12
Metode garis isohyet merupakan cara rasional yang terbaik jika garis-garis isohyet dapat digambar dengan teliti. Akan tetapi jika titik-titik pengamatan itu banyak dan variasi curah hujan di daerah yang bersangkutan besar, maka pada pembuatan peta isohyet ini akan terdapat kesalahann pribadi (individual error) oleh pembuat peta. Jika tiap pengamatan mencakup beberapa ratus km2 maka penggunaan peta topografi skala 1/20.000 sampai 1/50.000 adalah kira-kira cukup. Peta isohyet harus mencantumkan antara lain sungai-sungai utamanya dan garis-garis kontur yang cukup. Pada pembuatan peta isohyet, maka topografi, arah angin dan lainlain di daerah yang bersangkutan harus turut dipertimbangkan. Jadi, untuk membuat peta isohyet yang baik diperlukan pengetahuan/keahlian yang cukup. Pemilihan Metode Lepas dari kelebihan dan kelemahan ketiga metode di atas, pemilihan metode mana yang cocok dipakai pada suatu DAS dapat ditentukan dengan mempertimbangkan tiga faktor berikut: 1. Jaring-jaring stasiun hujan dalam DAS 2. Luas DAS 3. Topografi DAS 13
1. Jaring-jaring stasiun hujan Kondisi Jaring-Jaring Stasiun Hujan Jumlah stasiun hujan cukup Metode yg Cocok Metode isohyet, Thiessen atau rata-rata aljabar dapat dipakai Jumlah stasiun hujan terbatas Metode rata-rata aljabar atau Thiessen Stasiun hujan tunggal Metode hujan titik 2. Luas DAS Luas DAS DAS besar (> 5.000 km 2 ) Metode yg Cocok Metode isohyet DAS sedang (500 s/d 5.000 km 2 ) Metode Thiessen DAS kecil (< 500 km 2 ) Metode rata-rata aljabar 14
3. Topografi DAS Pegunungan Topografi DAS Metode yg Cocok Metode rata-rata aljabar Dataran Metode Thiessen Berbukit dan tidak beraturan Metode isohyet Curah Hujan Maksimum Harian Rata-Rata Perhitungan data hujan maksimum harian rata-rata DAS harus dilakukan secara benar, misalnya untuk analisis frekuensi (akan dibahas lebih lanjut). Dalam praktik sering kita jumpai perhitungan yang kurang pas, yaitu dengan cara mencari hujan maksimum harian setiap pos hujan dalam satu tahun, kemudian dirata-ratakan untuk mendapatkan hujan DAS. Cara ini tidak logis karena rata-rata hujan dilakukan atas hujan dari masing-masing stasiun hujan yang terjadi pada hari yang berlainan. Hasilnya akan jauh menyimpang dari yang seharusnya. 15
Curah Hujan Maksimum Harian Rata-Rata Cara yg seharusnya ditempuh untuk mendapatkan hujan maksimum harian rata-rata DAS adalah sebagai berikut: 1. Tentukan hujan maksimum harian pada tahun tertentu di salah satu stasiun hujan. 2. Cari besarnya curah hujan pada tanggal-bulan-tahun yang sama untuk stasiun hujan lainnya. 3. Hitung hujan DAS dengan salah satu cara yg terpilih (rata-rata aljabar, poligon Thiessen, garis isohyet, dsb) 4. Tentukan hujan maksimum harian (seperti langkah 1) pada tahun yang sama untuk stasiun hujan yg lain. 5. Ulangi langkah 2 dan 3 untuk setiap tahun. 6. Dari hasil rata-rata yang diperoleh (sesuai dengan jumlah stasiun hujan) dipilih yang tertinggi setiap tahun. Data hujan yang terpilih setiap tahun merupakan hujan maksimum harian DAS untuk tahun yang bersangkutan. Curah Hujan Maksimum Harian Rata-Rata Cara yg seharusnya ditempuh untuk mendapatkan hujan maksimum harian rata-rata DAS adalah sebagai berikut: 1. Tentukan hujan maksimum harian pada tahun tertentu di salah satu stasiun hujan. 2. Cari besarnya curah hujan pada tanggal-bulan-tahun yang sama untuk stasiun hujan lainnya. 3. Hitung hujan DAS dengan salah satu cara yg terpilih (ratarata aljabar, poligon Thiessen, garis isohyet, dsb) 4. Tentukan hujan maksimum harian (seperti langkah 1) pada tahun yang sama untuk stasiun hujan yg lain. 5. Ulangi langkah 2 dan 3 untuk setiap tahun. 16
Curah Hujan Maksimum Harian Rata-Rata Contoh (diambil dari Suripin, 2006): Sebagai contoh perhitungan curah hujan maksimum harian ratarata dipilih DAS Sungai Dolok. Stasiun hujan yang dipilih untuk mewakili adalah: 1. Stasiun hujan no.25g : Kedung Pucung 2. Stasiun hujan no.44 : Mijen 3. Stasiun hujan no.99 : Banyu Meneng Masing-masing stasiun hujan mempunyai koefisien Thiessen 0,45; 0,30; dan 0,25 (hanya untuk menggambarkan cara perhitungan dan tidak diambil dari hasil pengukuran). PENYELESAIAN : 17
PENYELESAIAN : Intensitas Hujan Secara kualitatif, intensitas curah hujan disebut juga derajat curah hujan, seperti tabel berikut. Tabel 1. Derajat curah hujan berdasarkan nilai intensitas hujan Derajat curah hujan Intensitas curah hujan (mm/jam) Kondisi Hujan sangat lemah < 1,20 Tanah agak basah atau dibasahi sedikit Hujan lemah 1,20 3,00 Tanah menjadi basah semuanya, tetapi sulit membuat puddel (genangan air) Hujan normal 3,00 18,00 Dapat dibuat puddel dan bunyi hujan kedengaran Hujan deras 18,00 60,00 Air tergenang di seluruh permukaan tanah dan bunyi keras hujan terdengar berasal dari genangan Hujan sangat deras > 60,00 Hujan seperti ditumpahkan, sehingga saluran dan drainase meluap 18
Intensitas Hujan 1. Rumus Talbot (1881) Rumus ini banyak digunakan karena mudah diterapkan dan tetapan-tetapan a dan b ditentukan dengan harga-harga yg terukur. I a a 2 2 I. ti I. t I I I. t N I t b 2. 2 2 t b N I I I N I I I Dimana: I = intensitas hujan (mm/jam) t = lamanya hujan (jam) a dan b = konstanta yg tergantung pada lamanya hujan yg terjadi di DAS [ ] = jumlah angka-angka dalam tiap suku N = banyaknya data Intensitas Hujan 2. Rumus Sherman (1905) Rumus ini mungkin cocok untuk jangka waktu curah hujan yang lamanya lebih dari 2 jam. I a n t log t t 2 log I log t log t.log I N log t log t log log I log t Nlog t.log I N log t 2 log t log t log a 2 n Dimana: I = intensitas hujan (mm/jam) t = lamanya hujan (jam) n = konstanta [ ] = jumlah angka-angka dalam tiap suku N = banyaknya data 19
Intensitas Hujan 3. Rumus Ishiguro (1953) I a t b a b 2 2 I. t I I. t I NI I I I I. t N I 2. t N I I I 2 2 Dimana: I = intensitas hujan (mm/jam) t = lamanya hujan (jam) a dan b = konstanta [ ] = jumlah angka-angka dalam tiap suku N = banyaknya data Intensitas Hujan 4. Rumus Mononobe Rumus ini digunakan apabila data hujan jangka pendek tidak tersedia, yang ada hanya data hujan harian. Rumus ini dihasilkan di Jepang. Dimana: I t R 24 R I 24 24 24 = intensitas hujan (mm/jam) = lamanya hujan (jam) = curah hujan maksimum harian (mm) t 2 3 20
Intensitas Hujan 5. Rumus Hasper (1951) Bila durasi hujan < 2 jam Bila durasi hujan 2 < t < 19 jam 2 120 t R 24 0,06t 60 0,0008 260 R I 60 24 R 24 0,06t 60 I Dimana: R 24 = curah hujan maksimum harian (mm) I = intensitas hujan (m 3 /s/km 2 ) t = durasi hujan (menit) Catatan: 3 2 10.000 m / s / km x Im jam I / 36 Intensitas Hujan Rumus dan kurva intensitas hujan optimum yang mungkin setiap tahunnya 21
SELESAI 22