NASKAH SEMINAR TUGAS AKHIR SIMULASI 2-DIMENSI TRANSPOR SEDIMEN DI SUNGAI MESUJI PROVINSI LAMPUNG Disusun oleh : SIGIT NURHADY 04/176561/TK/29421 JURUSAN TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA 2008
SIMULASI 2-DIMENSI TRANSPOR SEDIMEN DI SUNGAI MESUJI PROVINSI LAMPUNG 1) Oleh : Sigit Nurhady 2) INTISARI PT. Central Proteinemaprima (CP Prima), Tbk sebagai motor dari konsorsium Neptune untuk program revitalisasi tambak udang di PT. Aruna Wijaya Sakti (AWS) menetapkan langkah-langkah percepatan kegiatan revitalisasi agar dapat memenuhi volume produksi sesuai dengan terget yang diharapkan. Dengan pertimbangan efektivitas dan produktivitas, diperlukan sarana yang memadai untuk keperluan ekspor. Melihat kondisi dan potensi lokasi tambak yang berdekatan dengan Sungai Mesuji, diperlukan perencanaan suatu pelabuhan ekspor terpadu di Sungai Mesuji yang mampu menampung dan menyalurkan hasil produksi tambak udang tersebut. Sungai Mesuji mengalami sedimentasi yang cukup besar di muaranya. Sedimentasi yang terjadi membuat dasar Sungai Mesuji menjadi dangkal, sehingga mengganggu alur pelayaran menuju pelabuhan. Penelitian ini menggunakan model matematik SMS (Surface-water Modelling System) dengan modul RMA2 untuk mensimulasikan pola aliran dan modul SED2D untuk mensimulasikan transpor sedimen. RMA2 adalah model hidrodinamika dua dimensi yang didasarkan pada penyelesaian numerik persamaan kontinuitas dan momentum aliran dengan metode elemen hingga. RMA2 mampu menghitung elevasi muka air dan komponen kecepatan horizontal untuk aliran subkritik pada saluran terbuka dalam arah x dan y. Sedangkan SED2D adalah model matematik dua dimensi horizontal untuk mensimulasikan transpor sedimen pada saluran terbuka. Dari hasil simulasi, diketahui pengaruh pasang surut air laut di muara Sungai Mesuji mencapai 25 km ke arah hulu. Sedangkan kecepatan sedimentasi pada hilir Sungai Mesuji rata-rata mencapai 0,31 m/tahun, sehingga diperlukan pengerukan setiap 5 tahun sekali agar alur navigasi dapat berfungsi optimal. 1) Disampaikan dalam seminar Tugas Akhir untuk melengkapi persyaratan kelulusan memperoleh derajat kesarjanaan Strata-1 Jurusan Teknik Sipil dan Lingkungan Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada. 2) Mahasiswa Jurusan Teknik Sipil dan Lingkungan Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada dengan NIM 04/176561/TK/29421
1. Pendahuluan Transporatasi berperan penting dalam menunjang kegiatan ekonomi suatu daerah, karena transportasi merupakan hal pokok untuk menjamin berputarnya barang dan jasa. Sehingga ditemukan korelasi yang sinergi antara peningkatan sarana transportasi dengan peningkatan kegiatan ekonomi. PT. Central Proteinaprima (CP Prima), Tbk sebagai motor dari konsorsium Neptune untuk program revitalisasi tambak udang di PT. Aruna Wijaya Sakti (AWS) menetapkan langkah-langkah percepatan kegiatan revitalisasi agar dapat memenuhi volume produksi sesuai dengan target yang diharapkan. Peningkatan produksi udang olahan (frozen shrimp) yang merupakan produk ekspor unggulan ini juga merupakan hasil kenaikan produksi dari tambak PT. Wachyuni Mandira (WM) yang telah diakuisisi oleh PT. CP Prima. PT. Wachyuni Mandira terletak di sisi utara Sungai Mesuji, sedangkan PT. Aruna Wijaya Sakti terletak tepat di selatannya. Dengan pertimbangan peningkatan efektivitas dan produktivitas, dipandang perlu untuk penyediaan sarana dan peralatan yang memadai, yang memberikan produktivitas relatif tinggi untuk keperluan ekspor. Melihat kondisi dan potensi kedua lokasi yang berdekatan dan dipisahkan oleh Sungai Mesuji, dirasakan perlu untuk direncanakan secara matang suatu pelabuhan ekspor terpadu di Sungai Mesuji yang mampu menampung dan menyalurkan hasil produksi dari kedua tambak tersebut. Gambar 1 Lokasi Studi 2
Sungai Mesuji, seperti halnya sungai-sungai yang bermuara di Pantai Timur Pulau Sumatera lainnya, mengalami sedimentasi yang cukup besar di muara. Sedimentasi yang terjadi di muara sungai berpotensi untuk menghambat aliran, sehingga kecepatan aliran menjadi rendah. Proses sedimentasi yang cukup besar, tentunya membuat dasar Sungai Mesuji menjadi dangkal. Hal inilah yang menjadi pokok permasalahan dalam perencanaan pembangunan pelabuhan di Sungai Mesuji. Sehingga untuk mengatasi hal tersebut diperlukan studi lebih lanjut mengenai pola sedimentasi dan besarnya laju sedimentasi. Dari studi tersebut diharapkan didapat solusi yang tepat untuk penentuan alur navigasi pelayaran di Sungai Mesuji dan tata letak pelabuhan. 2. Pelaksanaan Pemodelan a) Persiapan Simulasi Persiapan simulasi dilakukan dengan memahami teori yang diperlukan dalam paket modul SMS untuk menghindari kesalahan pemodelan yang akan dilakukan. Setelah itu dilakukan pengumpulan data input model, dapat berupa data primer maupun data sekunder. Data yang terkumpul kemudian dipisahkan menurut modul yang akan digunakan. Beberapa data terlebih dulu harus diolah sebelum menjadi data input pemodelan. b) Pembuatan Domain Hitungan 1. Pembuatan Mesh Pembuatan mesh pada SMS, dapat dilakukan dengan berbagai cara. Salah satunya melalui Map Module. Dalam studi ini penulis membuat mesh dari Map Module dengan alasan mesh yang dibuat dapat lebih cepat dan rapih, mengingat panjangnya daerah pemodelan (± 25 km). Adapun langkah-langkahnya yaitu: 1. Memasukkan daerah batas studi 2. Membuat feature arc 3. Pembuatan poligon 4. Convert Map menjadi Mesh 5. Interpolasi Nodal Elevasi 2. Penyimpanan File Mesh yang sudah dibuat disimpan dengan format *.GEO. Pada SMS versi8.0, SMS secara otomatis menyimpan file dengan format *.GEO. 3
Gambar 2 Tampilan Hasil Pembuatan Mesh c) Simulasi Aliran dengan RMA2 Simulasi aliran dengan RMA2 membutuhkan data masukan berupa parameter material, yaitu koefisien Manning (n), viskositas turbulensi (ε), syarat batas dan syarat awal. Kontrol simulasi juga harus disertakan sesuai dengan waktu simulasi yang akan ditinjau. Adapun langkah-langkah untuk mensimulasi aliran dengan RMA2 yaitu: 1. Penetapan jenis material 2. Penetapan syarat batas 3. Penetapan kontrol model 4. Eksekusi GFGEN 5. Running RMA2 d) Simulasi Sedimen dengan SED2D Hasil simulasi RMA2 digunakan sebagai input arus pada simulasi sedimen dengan menggunakan SED2D. Adapun langkah-langkah untuk melakukan simulasi sedimen dengan menggunakan SED2D yaitu: 1. Penetapan parameter global 2. Penetapan syarat batas 3. Penetapan kontrol model 4. Running SED2D e) Penampilan Simulasi Hasil dari simulasi arus dengan menggunakan RMA2 dan juga simulasi sedimen dengan menggunakan SED2D dapat ditampilkan dengan membuka file 4
*.sol untuk RMA2 dan file *._dbed untuk SED2D. Apabila file yang dibuka mempunyai geometri mesh yang tidak sama persis dengan mesh yang sedang aktif, SMS memberikan peringatan bahwa file data tersebut tidak bisa dibuka karena tidak sesuai dengan mesh yang ada. Hasil simulasi juga dapat ditampilkan dengan menggunakan fasilitas film loop. Film loop dapat menampilkan hasil simulasi pada mesh tertentu pada interval waktu yang sesuai dengan interval waktu data hasil simulasi yang dibaca. Hasil simulasi ditampilkan oleh film loop dalam bentuk animasi. Film loop hanya akan menampilkan data hitungan pada mesh yang ditampilkan di layar saja. Film loop hanya bisa dibuat setelah data hasil hitungan dibaca dan diimpor pada data set browser. 3. Hasil Simulasi dan Pembahasan Agar hasil simulasi dapat lebih mudah dimengerti, ditetapkan titik-titik kontrol untuk mengetahui perubahan kedalaman air, kecepatan air, konsentrasi sedimen dan juga tegangan dasar saluran terhadap waktu, mengingat adanya pasang surut air laut yang berfluktuasi (Gambar 3). a) Pola Aliran Sungai Mesuji 1. Pengaruh pasang surut Gambar 3 Lokasi Titik-titik Kontrol Kemampuan aliran sungai untuk melawan pasang surut tergantung dari debit alirannya. Semakin besar debit aliran semakin besar juga kemampuan aliran untuk melawan pasang surut di suatu tempat. Pasang surut dikatakan berpengaruh jika fluktuasi muka air di tempat tersebut dipengaruhi oleh pasang surut air di laut/ muara sungai. Pengaruh pasang surut pada simulasi ini dibedakan menjadi 3 keadaan, yaitu: 1. fluktuasi elevasi muka air 80% dari fluktuasi elevasi pasang surut. 2. fluktuasi elevasi muka air 90% dari fluktuasi elevasi pasang surut. 5
3. fluktuasi elevasi muka air 100% dari fluktuasi elevasi pasang surut. Dari hasil simulasi dapat dibuat grafik hubungan antara debit aliran Sungai Mesuji dengan jarak pengaruh pasang surut (Gambar 4). Tampak bahwa jarak pengaruh pasang surut ke hulu dipengaruhi oleh debit aliran. Semakin besar debit aliran maka jarak pengaruh pasang surut ke hulu semakin kecil. Sebagai contoh, dengan debit 5000 m 3 /s, jarak pengaruh pasang surut ke hulu untuk keadaan pertama (besarnya fluktuasi elevasi muka air 80% dari fluktuasi elevasi pasang surut) sejauh ± 2 km, untuk debit 1000 m 3 /s jarak pengaruh pasang surut ke hulu sejauh ± 25 km. 6000 5000 80% 90% 100% 4000 Debit (m 3 /s) 3000 2000 1000 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Jarak (m) Gambar 4 Hubungan Debit Aliran dengan Jarak Pengaruh Pasang Surut 2. Pola Distribusi Kecepatan Pola distribusi kecepatan pada Sungai Mesuji secara umum tidak berbeda dengan sungai-sungai lainnya, yaitu kecepatan pada belokan luar lebih tinggi daripada kecepatan pada belokan dalam. Hal ini terjadi karena adanya pengaruh gaya sentrifugal pada aliran. Karena adanya pengaruh pasang surut, distribusi kecepatan pada Sungai Mesuji juga berpengaruh. Perubahan kecepatan maksimum untuk setiap titik kontrol selama 1 siklus pasang surut, ditampilkan dalam Gambar 5. Dari Gambar 5, terlihat bahwa fluktuasi kecepatan pada titik 1 paling kecil dibandingkan dengan fluktuasi kecepatan pada titik 2 dan 3. Hal ini terjadi karena titik 1 terletak lebih hulu daripada titik 2 dan 3, sehingga pengaruh pasang surut lebih kecil. Dari Gambar 5 juga tampak bahwa kecepatan maksimum pada titik 2 lebih tinggi dibandingkan dengan kecepatan maksimum pada titik 1 dan 3. Hal ini terjadi karena pada titik 2 tampang saluran lebih kecil, sehingga kecepatan aliran lebih tinggi. 6
1.20 1.10 Kecepatan (m/s) 1.00 0.90 0.80 Titik 1 Titik 2 Titik 3 0.70 0 5 10 15 20 25 Waktu (jam) Gambar 5 Perubahan Kecepatan Maksimum pada Titik Kontrol Selama 1 Siklus Pasang Surut 3. Pengaruh Koefisien Kekasaran Manning Terhadap Kecepatan Dalam simulasi arus Sungai Mesuji menggunakan modul RMA2 juga dimodelkan dasar saluran dengan nilai koefisien Manning yang berbeda-beda. Hal ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh koefisien Manning terhadap hasil simulasi, terutama kecepatan aliran. Dalam simulasi ini, perubahan nilai koefisien Manning dianggap berpengaruh, jika pada titik-titik kontrol terjadi perubahan kecepatan aliran. 100 Kecepatan Maksimum (%) 95 90 85 Titik 1 Titik 2 Titik 3 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Koefisien Manning (%) Gambar 6 Pengaruh Perubahan Koefisien Manning Terhadap Perubahan Kecepatan Aliran pada Tiap Titik Kontrol 7
Dari hasil simulasi yang tersaji dalam Gambar 6 dapat diambil kesimpulan bahwa perubahan koefisien Manning relatif tidak banyak berpengaruh terhadap perubahan kecepatan aliran., yaitu dengan perubahan koefisien Manning sampai 100%, perubahan kecepatan aliran hanya sekitar 15%. Dengan kata lain kesalahan hasil simulasi akibat ketidaksesuaian input koefisien Manning dapat ditolerir. 4. Pengaruh Koefisien Difusi Turbulen Terhadap Kecepatan Selain koefisien Manning, parameter lainnya yang berpengaruh terhadap hasil simulasi, yaitu koefisien difusi turbulen. Untuk itu perlu diketahui pengaruh koefisien turbulensi terhadap hasil simulasi arus. Sama dengan koefisien Manning, koefisien difusi turbulen dikatakan berpengaruh jika pada titik-titik kontrol terjadi perubahan kecepatan aliran. 103 Kecepatan Maksimum (%) 102 101 100 Titik 1 Titik 2 Titik 3 99 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Koefisien Difusi Turbulen (Ns/m 2 ) Gambar 7 Pengaruh Koefisien Difusi Turbulen Terhadap Kecepatan Aliran Dari Gambar 7 terlihat bahwa pengaruh perubahan koefisien difusi turbulen sangat kecil terhadap perubahan kecepatan aliran. Antara input koefisien difusi turbulen sebesar 2000 Ns/m 2 sampai dengan 10000 Ns/m 2, perubahan kecepatan aliran tidak sampai 6 %. Dengan demikian kesalahan hasil simulasi akibat kesalahan input koefisien difusi turbulen dapat ditolerir. b) Pola Sedimentasi Sungai Mesuji 1. Konsentrasi Sedimen Konsentrasi sedimen lebih berkaitan dengan konsentrasi sedimen suspensi di dalam aliran. Konsentrasi sedimen pada Sungai Mesuji, sangat dipengaruhi oleh pasang surut air laut. Pada saat pasang konsentrasi sedimen menurun, sebaliknya pada saat surut konsentrasi sedimen meningkat (Gambar 8). Hal ini disebabkan karena saat air laut pasang kedalaman aliran semakin besar yang tentu saja berakibat menurunnya konsentrasi sedimen. Atau dengan kata lain terjadi pengenceran terhadap sedimen. 8
0.0350 0.0300 Titik 1 Titik 2 Titik 3 rata-rata Konsentrasi Sedimen (ppm) 0.0250 0.0200 0.0150 0.0100 0.0050 0.0000 0 5 10 15 20 25 Waktu (jam) Gambar 8 Perubahan Konsentrasi Sedimen Selama 1 Siklus Pasang Surut Gambar 9 Konsentrasi Sedimen pada Hilir Sungai Mesuji Terlihat juga perbedaan antara konsentrasi sedimen di muara dengan konsentrasi sedimen di sebelah hulu. Konsentrasi sedimen semakin ke muara semakin besar, hal ini disebabkan karena semakin ke muara konsentrasi sedimen semakin terakumulasi. Pola penyebaran konsentrasi sedimen pada hilir Sungai Mesuji dapat dilihat pada Gambar 9. 2. Tegangan Geser Dasar Saluran Dari hasil simulasi terlihat bahwa tegangan geser dasar saluran berubah menurut fungsi waktu. Hal ini disebabkan karena pengaruh pasang surut, yang menyebabkan naik turunnya elevasi muka air. Pada saat pasang kecepatan aliran menurun, sehingga tegangan geser dasar saluran juga menurun. Hal ini sesuai dengan persamaan yang telah dijabarkan sebelumnya bahwa semakin tinggi kecepatan semakin tinggi tegangan geser dasar saluran. Hubungan antara tegangan geser dasar saluran dan waktu dapat dilihat pada Gambar 10. 9
2.5 2.4 Tegangan Geser Dasar Saluran (N/m 2 ) 2.3 2.2 2.1 2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 0 5 10 15 20 25 Waktu (jam) Gambar 10 Perubahan Tegangan Geser Dasar Saluran Selama 1 Siklus Pasang Surut 3. Pola Transpor Sedimen pada Belokan Pada Sungai Mesuji bagian hilir terjadi pengendapan hampir di seluruh bagian belokan. Hal ini disebabkan karena tegangan geser dasar saluran belum melampaui tegangan geser kritis dasar saluran, sehingga butiran masih stabil. Karena butiran masih stabil maka tidak terjadi erosi, yang ada hanya sedimentasi. Kecepatan sedimentasi setiap tampang juga berbeda-beda. Pada belokan bagian luar, sedimentasi lebih cepat daripada belokan bagian dalam, padahal kecepatan aliran pada tikungan bagian luar lebih besar daripada kecepatan aliran pada tikungan bagian dalam (Gambar 11). Hal ini dapat terjadi karena belokan bagian luar mempunyai kedalaman yang lebih besar daripada belokan bagian dalam, sehingga cenderung menghisap sedimen disekitarnya. Gambar 11 Sedimentasi pada Belokan di Daerah Hilir Sungai Mesuji 10
4. Pola Transpor Sedimen pada Muara Dari kondisi eksisting terlihat bahwa terjadi pendangkalan pada Muara Sungai Mesuji. Sedangkan dari hasil simulasi terlihat bahwa memang terjadi sedimentasi yang cukup besar pada Muara Sungai Mesuji, seperti terlihat pada Gambar 12. Tetapi hal ini belum menggambarkan pola sedimentasi yang sesungguhnya, mengingat modul SED2D tidak memodelkan transpor sedimen sejajar pantai. Pada kondisi nyata, kemungkinan ada kecendrungan transpor sedimen di Muara Sungai Mesuji, apakah ke arah utara atau ke arah selatan. Gambar 12 Pendangkalan pada Muara Sungai Mesuji 5. Kecepatan Sedimentasi Dari hasil simulasi diketahui kecepatan sedimentasi pada hilir Sungai Mesuji. Hal ini berguna untuk mengetahui seberapa lama alur pelayaran tersebut dapat optimal berfungsi. Untuk memprediksi besarnya kecepatan sedimentasi digunakan hasil simulasi yang disajikan dalam Gambar 13. 0.4 0.3 Sedimentasi Maksimum (m) 0.2 0.1 0 0 3 6 9 12 Bulan ke- 15 Gambar 13 Sedimentasi Maksimum pada Sungai Mesuji 11
Dari Gambar 13 tersebut terlihat bahwa kecepatan sedimentasi maksimum pada bagian hilir Sungai Mesuji, sebesar 0,31 m/tahun. Dengan demikian jika diasumsikan pengerukan akan dilakukan apabila terjadi sedimentasi sebesar 1,5 m, maka pengerukan akan dilakukan setiap 5 tahun sekali. 4. Kesimpulan Gambar 14 Hasil Tampilan Geometry Output SED2D Dari hasil simulasi, penyusun menarik beberapa kesimpulan, yaitu: 1. Pengaruh pasang surut Sungai Mesuji, masuk jauh ke hulu, untuk debit aliran 500 m 3 /s, pengaruh pasang surut bisa masuk sejauh 25 km dari mulut sungai ke arah darat. 2. Pola distribusi kecepatan aliran Sungai Mesuji pada belokan bagian luar mempunyai kecepatan lebih tinggi daripada belokan bagian dalam. 3. Kesalahan hasil simulasi yang diakibatkan karena kesalahan input koefisien Manning masih dapat ditolerir, karena dengan perubahan 100 % koefisien Manning, kecepatan aliran hanya berubah 15 %, demikian halnya juga dengan koefisien difusi turbulen, karena antara input koefisien difusi turbulen 2000 s.d. 10000 Ns/m 2, perubahan kecepatan tidak sampai 5 %. 4. Saat muka air laut pasang, konsentrasi sedimen pada hilir Sungai Mesuji menurun, sedangkan saat air laut surut, konsentrasi meningkat. Hal ini terjadi karena pada saat air laut pasang terjadi pengenceran terhadap konsentrasi sedimen yang terkandung dalam aliran Sungai Mesuji. 5. Konsentrasi sedimen dari hulu ke hilir mengalami peningkatan, karena semakin ke hilir konsentrasi sedimen semakin terakumulasi. 12
6. Tegangan geser dasar saluran Sungai Mesuji sebagian besar belum melampaui tegangan geser kritis dasar saluran. Sehingga butiran sedimen masih stabil. 7. Pola transpor sedimen pada belokan luar terjadi sedimentasi yang lebih besar daripada belokan dalam, hal ini terjadi karena belokan luar mempunyai kedalaman yang lebih besar daripada belokan dalam, sehingga sedimen cenderung terhisap ke daerah yang lebih dalam. 8. Terjadi pendangkalan pada muara Sungai Mesuji, yang jika dibiarkan akan membahayakan daerah tambak. Pendangkalan tersebut dapat terjadi karena dua hal, pertama karena transpor sedimen sejajar pantai dan yang kedua karena sedimen yang dibawa oleh aliran Sungai Mesuji sendiri. 9. Pelabuhan diletakkan pada tikungan luar, untuk mencegah sedimentasi. Sedangkan untuk bahaya erosi dapat dilakukan perlindungan pada tebing sungai (revetment). 10. Kecepatan sedimentasi maksimum pada hilir Sungai Mesuji sebesar 0,31 m/tahun. Dengan demikian pengerukan dilakukan setiap 5 tahun sekali. 5. Saran Dari hasil studi tentang Sungai Mesuji Provinsi Lampung, penyusun menyarankan agar: 1. Perlu dilakukan simulasi dengan memasukkan parameter untuk menghitung transpor sedimen sejajar pantai. 2. Pada simulasi ini penyusun tidak membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengukuran sebenarnya dilapangan, sehingga kedepannya perlu dilakukan kalibrasi untuk mengkoreksi kesalahan yang terjadi pada hasil simulasi. 3. Pada studi ini tidak dibahas lebih secara mendalam mengenai alur navigasi dan perencanaan pelabuhan ekspor karena batasan masalah dalam studi ini, tidak mencakup kedua hal tersebut, sehingga terbuka kesempatan bagi yang ingin melakukan studi mengenai kedua hal tersebut. 13
DAFTAR PUSTAKA BOSS International Inc., 2002, SMS Tutorials Version 8.0, Brigham Young University, New York. Chow, V. T., 1959, Open-Channel Hydraulics, McGraw-Hill Kogakusha, Ltd., Tokyo. Encona Inti Industri, PT., 2008, Laporan Studi Kelayakan Perencanaan Pelabuhan Eksport (Tahap 1) PT. Aruna Wijaya Sakti (AWS) & PT. Wachyuni Mandira (WM) di Sungai Mesuji, PT. Encona Inti Industri, Jakarta. Istiarto, 2007, Geometri dan Tampang Sungai, Jurusan Teknik Sipil dan Lingkungan FT UGM, Yogyakarta. Kironoto, B.A., 2001, Diktat Kuliah Transpor Sedimen, Jurusan Teknik Sipil FT UGM, Yogyakarta. 14