35 BAB 3 METODE PENELITIAN 3.1. Persiapan Penelitian 3.1.1 Studi Pustaka Dalam melakukan studi pustaka tentang kasus Sudetan Wonosari ini diperoleh data awal yang merupakan data sekunder untuk keperluan penelitian ini. Berdasarkan data sekunder inilah langkah-langkah penelitian lapangan dirancang agar lebih efektif dalam melaksanakannya, informasi tersebut antara lain: a. Peta DAS Bengawan Solo Hulu b. Gambar Potongan Memanjang c. Informasi lainnya berkenaan dengan operasional pengelolaan, seperti hubungan antara debit, kecepatan dan kedalaman air Sudetan Wonosari. 3.1.2 Persiapan Peralatan Alat ukur yang dipakai antara lain: 1. Propeler Currentmeter untuk mengukur kecepatan aliran. 2. Stopwatch untuk menghitung waktu yang dibutuhkan. 3. Program Microsoft Excel untuk menghitung dan menganalisis data. 4. Software HEC-RAS 4.0 untuk menghitung kedalaman air (h). 3.1.2.1 Alat Ukur Kecepatan Aliran Air Satu set propeller currentmeter ini digunakan untuk mengukur kecepatan arus yang kedalaman dan lebarnya relatif kecil dengan pembacaan digital yang menunjukkan besarnya putaran propeller/baling-baling. Prinsip dasar currentmeter jenis ini menggunakan mekanisme propeler/baling-baling untuk mengukur kecepatan arus yang melewatinya.
36 Gambar 3.1 Propeller Currentmeter Satu set alat ini terdiri dari 3 unit, yaitu : unit pengukur Propeller currentmeter yang bekerja di bawah air, pada unit ini terdapat instrumen propeller/balingbaling yang berputar terhadap sumbu horizontal dan searah dengan arus yang akan diukur, jumlah putaran per satuan waktu dapat dikonversi menjadi kecepatan arus. Selain itu terdapat 2 unit pelengkap, yaitu stick/tongkat pemegang currentmeter dan unit signal prosessor yang membaca putaran currentmeter secara digital. Kalibrasi bacaan digital propeller currentmeter yang dikonversi menjadi nilai kecepatan telah dikeluarkan oleh pabriknya, yaitu Hydrological Services Pty Ltd., Australia, dengan sertifikat bertanggal 13 Mei 1993; metode kalibrasi adalah average value equation dengan formulasi sebagai berikut: n =< 1,77, maka v = 0,0978 n + 0,039 (m/detik) 1,77 =< n =< 6,84, maka v = 0,1040 n + 0,028 (m/detik) 6,84 =< n =< 19,99, maka v = 0,1021 n + 0,041 (m/detik)
37 3.1.2.2 Stopwatch Sebagai alat pencatat waktu yang digunakan di lapangan, yaitu bila melakukan pengukuran kecepatan arus dengan alat currentmeter. Gambar 3.2 Stopwatch 3.2. Lokasi Penelitian dan Data Tampang Penelitian Penelitian dilakukan dengan cara melakukan studi lapangan secara langsung dengan pemilihan lokasi penelitian yang cukup representatif, sehingga terpenuhi maksud dan tujuan studi kasus lapangan dan dapat mengamati fenomena alam apa adanya. Tidak sebagaimana penelitian di laboratorium yang semua kondisi dapat direkayasa sedemikian rupa, sehingga semua parameter yang konstan maupun yang berubah dapat diatur dan ditentukan sesuai dengan konsep pencarian dalam penelitian yang dikehendaki. Pada penelitian lapangan yang secara outdoor ini, justru kondisi riil/nyata yang betul-betul akan ditampilkan, sehingga dapat memperlihatkan berbagai perbedaan dengan hasil penelitian terdahulu, apakah bersumber dari lapangan, dari laboratorium, atau dari teori/ kesimpulan terdahulu, walaupun mestinya perbedaan itu harus signifikan masih dan dalam wilayah/ koridor landasan teori yang telah diyakini kebenarannya. Pemilihan lokasi obyek penelitian dalam studi kasus Sudetan Wonosari ini, dilakukan sedemikian rupa sehingga memenuhi kapasitas agar dapat memperoleh berbagai parameter yang dapat diolah secara optimal sebagai bahan penelitian dengan hasil yang cukup akurat.
38 Untuk mendapatkan lokasi yang diinginkan, dilakukan survei awal pada daerah Sudetan Wonosari mulai dari hulu hingga hilirnya. Survei yang dilakukan adalah dengan melakukan pengamatan secara visual (pandangan mata) dalam hal kondisi bentuk sudetan dan keadaan pemukiman masyarakat sekitar sudetan. Lokasi penelitian diambil runtut dari hulu Sudetan Wonosari sampai ke hilirnya, berjumlah dua belas lokasi sehingga dapat dilakukan pengamatan lapangan dalam berbagai variasi. Lokasi penelitian ini adalah di DAS Bengawan Solo Hulu di Daerah Wonosari Klaten, Jawa Tengah. Penelitian dilakukan pada daerah hulu (sebelum sudetan), daerah sudetan dan hilir (setelah sudetan). Peta DAS Bengawan Solo Hulu dan Skematis Pemodelan dan Kondisi Batas yang Digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.3 dan Gambar 3.4. Lokasi Penelitian Sumber : Bakosurtanal Peta RBI Gambar 3.3 Peta DAS Bengawan Solo
39 Lokasi Penelitian Sudetan Baki, Sukoharjo Wonosari, Klaten Sukoharjo Sumber : Google Earth, 2016 Gambar 3.4 Skematis Pemodelan dan Kondisi Batas yang Digunakan 3.3. Parameter yang Diteliti Dalam studi kasus lapangan ini, parameter yang diteliti dapat dikelompokkan dalam tiga jenis, yaitu parameter yang menyangkut dimensi dan kondisi tampang, parameter yang menyangkut kecepatan aliran, dan parameter yang menyangkut sedimen suspensi. Parameter tersebut, yaitu sebagai berikut: 1. berkenaan dengan dimensi dan kondisi tampang, yaitu : a. lebar muka air (B) b. lebar dasar saluran (b) c. kedalaman air (D) d. kemiringan dasar saluran ( S 0 )
40 2. berkenaan dengan kecepatan aliran, yaitu : a. kecepatan aliran titik-titik pengamatan pada irisan vertikal ( u y ) b. kecepatan rata-rata vertikal ( U _ y ) c. kecepatan rata-rata tampang ( _ U ) d. kecepatan gesek kritis ( u * cr ) e. kecepatan gesek energi yang terjadi ( u * e ) f. debit aliran (Q) 3.4. Prosedur Penelitian Pelaksanaan penelitian secara garis besar yaitu kegiatan pendahuluan/persiapan, kegiatan penelitian lapangan dan kegiatan laboratorium. Dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut: 1. Kegiatan Pendahuluan Metode pengumpulan data primer adalah metode data yang didapat langsung dari lapangan dengan cara peninjauan langsung ke lokasi penelitian. Data-data primer diperoleh berupa kecepatan aliran, kedalaman sungai, penampang melintang sungai dan foto-foto dokumentasi. Metode pengumpulan data secara sekunder ialah metode yang digunakan untuk mendapatkan data-data dari sumber-sumber lain. Data-data sekunder berupa peta topografi sungai dari google earth dan lebar sungai. Setelah dilakukan pengumpulan data, dilakukan pengolahan data berikut : a. Kedalaman sungai Kedalaman sungai diperlukan untuk melakukan perhitungan. Pengambilan data kedalaman dasar sungai dilakukan pada titik yang di tentukan. b. Penampang Melintang sungai Penampang melintang sungai diperlukan untuk melakukan perhitungan. Data penampang melintang diperoleh setelah melakukan pengukuran lebar sungai dan kedalaman sungai, dengan cara memplot hasil pengukurannya.
41 c. Kecepatan Aliran Kecepatan aliran diperlukan untuk melakukan perhitungan. Data Kecepatan aliran diperoleh dengan menggunakan alat currentmeter yang digunakan pada setiap bagian penampang melintang sungai. Mengadakan studi pustaka, konsultasi dengan berbagai pihak, studi literatur dan mengumpulkan informasi tentang Sudetan Wonosari, termasuk dalam hal ini data peta situasi dan potongan melintang Sudetan Wonosari. 2. Menentukan Titik Pengukuran Pengukuran dipilih pada lokasi yang berbeda dengan variasi dimensi tampang, debit, kemiringan dasar saluran dan kekasaran dinding saluran. Metode yang dipakai yaitu metode Point Integrated Sampling (PIS), mengukur kecepatan di titik tertentu yaitu 12 titik arah transversal dan tiap titik pengukuran arah transversal diukur 5 titik kedalaman vertikal, sehingga total pengukuran tiap tampang sebanyak 60 titik yang berbeda. Gambar 3.5 Lokasi Pengukuran Vertikal dan Transversal Penelitian ini diambil pada interval 1,4<b/D<4,6. Tahap pengukuran dimulai dengan pemilihan dimensi tampang, pemilihan jenis dinding saluran, pengukuran suhu air, kemiringan muka air (Sw) dan selanjutnya dilakukan pengukuran yang diawali dari posisi 5 / 10 B (di tengah tampang), lalu pengukuran ke tepi pada posisi
42 4 / 10 B, 3 / 10 B, 2 / 10 B dan 1 / 10 B, untuk lebih jelasnya maka dilihat pada Gambar 3.5. tentang lokasi pengukuran arah vertikal dan transversal. Pengukuran kecepatan dilakukan di hulu (daerah sebelum sudetan), sudetan dan hilir (daerah setelah sudetan). Pembagiannya sebagai berikut: a. Pada bagian hulu (sebelum sudetan) diambil sepanjang 100 m untuk pengukuran kecepatan, kemudian dibagi menjadi 3 cross section, yang mana tiap cross section diukur 5 titik kedalaman vertikal, sehingga total pengukuran tiap tampang sebanyak 15 titik yang berbeda. b. Pada bagian Sudetan Wonosari memiliki panjang sekitar 2400 m, kemudian dibagi menjadi 6 cross section, yang mana tiap cross section diukur 5 titik kedalaman vertikal, sehingga total pengukuran tiap tampang sebanyak 30 titik yang berbeda. c. Pada bagian hilir (setelah sudetan) diambil sepanjang 100 m untuk pengukuran kecepatan, kemudian dibagi menjadi 3 cross section, yang mana tiap cross section diukur 5 titik kedalaman vertikal, sehingga total pengukuran tiap tampang sebanyak 15 titik yang berbeda. 3. Persiapan Peralatan Dilakukan persiapan peralatan yang akan digunakan di lapangan secara menyeluruh baik alat-alat utama maupun alat-alat bantu dengan semua kelengkapannya. Alat ukur currentmeter harus dikalibrasi untuk menyesuaikan pembacaan digital currentmeter di lapangan dengan pembacaan di laboratorium. 4. Format Pencatatan Data Pengukuran Format untuk keperluan pencatatan data pengukuran di lapangan dan di laboratorium harus sudah siap. Format yang memuat semua data pengukuran berupa tulisan, angka dan tanda-tanda catatan lapangan/catatan laboratorium harus dibuat dengan jelas dan terbaca oleh orang lain. Semua data disimpan dengan aman dan rapi, tidak ada yang hilang, sehingga pada saat dibutuhkan untuk analisis data dapat langsung dan mudah digunakan karena
43 mungkin saja pengolahan data dilakukan pada waktu yang lama setelah selesainya pengukuran/pengambilan data di lapangan. 5. Pengukuran Kecepatan Aliran Ada dua tipe currentmeter yaitu tipe baling-baling (proppeler type) dan tipe canting (cup type). Oleh karena distribusi kecepatan aliran di sungai tidak sama baik arah vertikal maupun horisontal, maka pengukuran kecepatan aliran dengan alat ini tidak cukup pada satu titik. Pada penelitian ini kecepatan aliran akan di ukur dengan menggunakan alat currentmeter. Sebelum dilakukan pengukuran, dilakukan pemasangan papan duga muka air untuk melihat kedalaman permukaan air. Prinsip pengukuran kecepatan pada alat ini yaitu currentmeter diturunkan kedalam aliran air dengan kecepatan penurunan yang konstan dari permukaan dan setelah mencapai dasar sungai diangkat lagi ke atas dengan kecepatan yang sama. Ada 4 cara pengukuran kecepatan aliran yang disajikan dalam Tabel 3.1 berikut: Tipe Kedalaman saluran (m) Tabel 3.1 Cara Pengukuran Kecepatan Aliran Titik kedalaman pengukuran 1 titik 0,0 0,6 0,6 h Ū = U0.6h Kecepatan Rata-Rata (Ū ) 2 titik 0,6 3,0 0,2 h; 0,8 h Ū = 0.5* (U0.2h +U0.8h) 3 titik 3,0 6,0 0,2 h; 0,6 h; 0,8 h Ū = 0.25* (U0.2h+ U0.6h +U0.8h) 5 titik > 6,0 S; 0,2 h; 0,6 h; 0,8 h dan B Ū = 0.1* (U S +U0.2h+ U0.6h + U0.8h + U B ) Dimana: U S di ukur 0,3 m dari permukaan air. U B di ukur 0,3 m di atas dasar sungai. Kecepatan aliran dihitung berdasarkan jumlah putaran baling-baling per waktu putarannya. Dengan menggunakan rumus sebagai berikut:...[3.1]
44 Dimana: N = jumlah putaran baling-baling t = waktu putaran baling-baling a dan b = nilai kalibrasi alat currentmeter Pengukuran kecepatan dilakukan pada kegiatan penelitian yang sebenarnya di lapangan, yaitu: Pada tampang : 1 sampai dengan 12 Waktu : Kamis, 21 April 2016 Alat yang digunakan : Propeller Currentmeter Hasil : Data kecepatan titik pengamatan (u y ) pada setiap irisan vertikal dari semua tampang penelitian (terlampir). 6. Kegiatan Laboratorium Kegiatan laboratorium hanya dilakukan untuk kalibrasi alat ukur currentmeter, dikalibrasi pembacaan digitalnya sehingga dapat dikonversikan menjadi nilai konsentrasi yang setara dengan kondisi yang sebenarnya. Kalibrasi dilakukan dengan melakukan 3 percobaan yaitu flume, pelampung dan currentmeter. Hasil ketiga percobaan di laboratorium tersebut nantinya akan dipakai sebagai faktor koreksi debit di lapangan. Langkah-langkah ketiga percobaan tersebut, antara lain: a. Percobaan Flume Perhitungan debit aliran saluran terbuka di labotorium ini menggunakan model ruas saluran terbuka tampang segiempat dengan lebar 8 cm, tinggi 10 cm. Di dalam percobaan ini digunakan debit 1, 2 dan 3 secara bergantian, serta dilakukan sebanyak 25 kali percobaan. Setiap percobaan, air yang jatuh ditampung di dalam gelas ukur 2 liter dan dihitung berapa detik waktu yang dibutuhkan untuk mencapai 2 liter. Didapat waktu dan volume, maka debit diperoleh volume/waktu. Kemudian hasil debit yang diperoleh dirata-rata. b. Percobaan Pelampung Perhitungan debit aliran saluran terbuka di labotorium ini menggunakan model ruas saluran terbuka tampang segiempat dengan lebar 8 cm, tinggi 10 cm dan panjang 1 m. Di dalam percobaan ini digunakan debit 1, 2 dan 3
45 secara bergantian, serta dilakukan sebanyak 25 kali percobaan. Setiap debit memiliki tinggi/kedalaman aliran yang berbeda-beda. Pelampung dimasukkan ke dalam saluran (diusahakan tercelup sedalam 2/3 h), siapkan stopwatch, dihitung waktunya dari 0 m sampe 1 m. Didapat data berupa waktu, kecepatan, luas penampang basah, maka diperoleh debit. Kemudian hasil debit yang diperoleh dirata-rata. c. Percobaan Currentmeter Perhitungan debit aliran saluran terbuka di labotorium ini menggunakan model ruas saluran terbuka tampang segiempat dengan lebar 8 cm, tinggi 10 cm. Di dalam percobaan ini digunakan debit 2 dan 3 secara bergantian, serta dilakukan sebanyak 10 titik lokasi, yang mana tiap titik lokasi dilakukan sebanyak 10 kali, sehingga total percobaan yang dilakukan sebanyak 100 kali. Setiap titik lokasi diukur kedalamannya, kemudian currentmeter dimasukkan dan dihitung putaran baling-baling selama 10 detik. Didapat data berupa kedalaman, luas penampang basah, jumlah putaran, keliling basah, jumlah putaran per detik, maka diperoleh debit. Kemudian hasil debit yang diperoleh dirata-rata. Dari ketiga percobaan tersebut, diusahakan hasil dari Qflume dan Qpelampung hampir sama, sehingga nanti faktor koreksi yang diperoleh Qflume/Qcurrentmeter. Hasil faktor koreksi dari debit 2 dan 3 dirata-rata. Kemudian hasil rata-rata digunakan sebagai faktor koreksi debit yang di lapangan. 3.5. Program HEC-RAS 4.0. HEC-RAS (Hidrologic Engineering Center-River Analysis System) merupakan program yang dibuat dan dikembangkan oleh Hidrologic Engineering Center, dibawah US Army Corps of Engineers (USACE). HEC-RAS digunakan untuk memodelkan aliran pada sungai atau saluran yang pemodelannya merupakan model satu dimensi aliran permanen (steady) maupun aliran tak permanen (unsteady). Dalam program HEC-RAS terdapat empat komponen model satu dimensi, yaitu hitungan profil muka air aliran permanen, simulasi aliran tak permanen, hitungan transport sedimen dan hitungan kualitas air.
46 Input data yang diperlukan dalam melakukan pemodelan menggunakan program HEC-RAS adalah: 1. Data geometri sungai a. Skema jaringan drainase yang digambarkan berdasarkan kondisi lapangan. Skema jaringan disini meliputi arah aliran dan junction (pertemuan atau percabangan jaringan) b. Geometri saluran yang meliputi data tampang lintang (cross section), elevasi dan tampang memanjang (long section) saluran drainse. c. Koefisien kekasanan Manning (n) pada sepanjang alur saluran. d. Koefisien kehilangan energi akibat penyempitan tampang (koefisien kontraksi) dan akibat pelebaran tampang (koefisien ekspansi). e. Struktur atau bangunan air baik melintang maupun sejajar arah aliran, termasuk lokasi dan dimensi struktur. 2. Data aliran a. Rezim aliran, berupa aliran sub kritis, super kritis atau gabungan. b. Syarat batas hulu,hilir maupun lateral. 3.6. Pengumpulan Data secara Primer dan Sekunder 3.6.1 Analisis Data Data-data yang didapat dari pekerjaan lapangan yaitu berupa data primer dan data sekunder dianalisis dengan melakukan metode perhitungan yang dimulai dari luasan pada potongan. Setelah perhitungan tersebut, maka didapat data kecepatan dilapangan akan didapatkanmnilai debit aliran sungai pada waktu tertentu. Setelah semua data-data yang diperlukan sudah didapatkan, kemudian akan dilakukan pengolahan data sebelum melakukan perhitungan atau pembahasan lebih lanjut. Lalu memplot hasil dari pengukuran lebar sungai dan kedalaman sungai sehingga gambaran dari bentuk dasar sungai di setiap penampang melintang dapat diketahui. Untuk mempermudah proses pengolahan data, maka dilakukan pengolahan data dengan commit bantuan to Microsoft user Excel.
47 HEC-RAS merupakan paket program analisa hidraulika yang terintegrasi, dimana pengguna berinteraksi dengan program menggunakan Graphical User Interface (GUI). Program ini dapat digunakan untuk melakukan analisa profil muka air pada kondisi steady maupun unsteady, dan akan meliputi analisa transport sedimen dan beberapa desain hidraulika pada versi yang selanjutnya. Di dalam HEC-RAS, Project merupakan kumpulan data yang berhubungan dengan sistem sungai tertentu. Pengguna dapat menggunakan beberapa atau semua analisa yang terdapat dalam paket HEC-RAS, sebagai bagian dari project. Data dalam Project dikategorikan sebagai berikut: plan data, geometric data, steady flow data, unsteady flow data, sediment data, dan hydraulic design data. Di dalam satu Project, pengguna dapat membuat beberapa plan yang diinginkan. Setiap plan terdiri dari satu data geometri dan satu data aliran yang tertentu. Setelah semua data yang dibutuhkan dimasukkan, maka pengguna dapat menyusun beberapa plan yang didinginkan. Setelah semua plan di running, hasilnya dapat dibandingkan satu sama lain dalam bentuk tabel maupun grafik. Gambar 3.6 Contoh Tampilan Skema Sungai pada HEC-RAS 4.0
48 Analisis data yang dilakukan terdiri atas analisis hidrologi dan analisis hidrolika. Analisis hidrologi dimaksudkan untuk mengetahui besarnya debit limpasan yang masuk ke sungai. Besaran debit dihitung berdasarkan data hujan, luas daerah aliran dan panjang sungai yang dianalisis. Sedangkan analisis hidrolika dimaksudkan untuk mengetahui kapasitas tampang saluran. Analisis hidrolika yang digunakan dalam penelitian ini disimulasikan menggunakan bantuan program HEC-RAS versi 4.0. Langkah-langkah untuk melakukan pemodelan hidrolika menggunakan program HEC-RAS adalah sebagai berikut: 1. Peniruan skema alur saluran yang disesuaikan dengan kondisi lapangan. Gambar 3.7 Contoh Skema Kali
49 2. Input data tampang lintang saluran Gambar 3.8 Tampang Lintang pada Sta. 0 3. Memasukkan data bangunan melintang sungai seperti jembatan dan goronggorong. Gambar 3.9 Peniruan Geometri Gorong-Gorong 1
50 4. Memasukkan data aliran dan syarat batas untuk simulasi aliran permanen (steady) Gambar 3.10 Layar Hitungan Aliran Permanen 5. Melakukan hitungan hidrolika (running program) Gambar 3.11 Layar Hitungan Hidrolika Gambar 3.12 Layar Hitungan commit Hidrolika to user Setelah Proses Hitungan Selesai
51 3.7. Diagram Alir Penelitian Diagram alir penelitian distribusi kecepatan aliran dapat dilihat pada Gambar 3.13 berikut ini: Gambar 3.13 Diagram Alir Penelitian