BAB IV PEMODELAN MATEMATIKA PERILAKU SEDIMENTASI 4.1 UMUM Untuk mengkaji perilaku sedimentasi di lokasi studi, maka dilakukanlah pemodelan matematika dengan menggunakan bantuan perangkat lunak SMS versi 8.1. Pemodelan matematika dilakukan pada dua kawasan pemodelan, yaitu kawasan besar dan kawasan kecil. Kawasan besar mencakup perairan yang cukup luas dimana kawasan kecil berada didalamnya. Cakupan kawasan besar adalah perairan sepanjang Selat Malaka, sedangkan kawasan kecil hanya meliputi perairan di sekitar semenanjung Belawan. Kawasan pemodelan diperlihatkan pada Gambar 4.1. Gambar 4.1 Kawasan Pemodelan Pada kawasan besar akan dilakukan pemodelan pola arus secara global dan peramalan elevasi muka air pasang surut pada titik-titik yang nantinya akan dijadikan daerah batas Laporan Tugas Akhir Kajian Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-1
pemodelan kawasan kecil. Kemudian, dengan menggunakan kondisi batas dari hasil pemodelan pada kawasan besar, maka dilakukanlah simulasi hidrodinamika arus pada kawasan kecil yang dilanjutkan dengan simulasi sedimentasi. Adapun bagan alir pemodelan matematika pada kajian ini dapat dilihat pada Gambar 4.2. Mulai Model Matematika (Evaluasi layout Pengembangan) Pemodelan Arus Global ADCIRC Model Output: > Pola Arus > Muka Air Pasang Surut Pemodelan Hidrodinamika Arus RMA2 Model Output: > Pola dan besaran Arus > Muka Air Model Sedimen SED2D Model Output: > Konsentrasi Sedimen (Penyebaran Sedimen) > Erosi dan Sedimentasi Parameter sebagai bahan untuk evaluasi layout Gambar 4.2 Bagan Alir Pemodelan Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-2
4.2 PEMODELAN KAWASAN BESAR Pemodelan kawasan besar yang dilakukan dengan menggunakan modul ADCIRD, bertujuan untuk memodelkan pola arus secara global. Daerah yang akan dimodelkan adalah Selat Malaka. Selain menghasilkan pola arus di sekitar perairan Belawan, pemodelan ini juga menghasilkan elevasi muka air pada titik-titik yang diinginkan dalam domain yang dibangkitkan dari database yang tersedia pada modul ADCIRC. Dengan input data peta bathimetri, yang koordinatnya telah disesuaikan dengan koordinat geografis, dan memasukkan konstituen-konstituen pasang surut, akan didapatkan elevasi muka air dalam selang waktu tertentu sesuai dengan yang diinginkan. Output elevasi muka air ini akan dikalibrasikan dengan data hasil pengukuran. Simulasi model dilakukan sesuai dengan waktu pengukuran pasang surut, sehingga kalibrasi bisa dilakukan dengan membandingkan output elevasi muka air yang dihasilkan dari model arus global terhadap elevasi muka air hasil pengukuran di lapangan. Peramalan elevasi muka air pasang surut dilakukan di tiga titik, yaitu muara Sungai Belawan, muara Sungai Percut dan muara Sungai Koala Besar, pada tanggal 9-23 September 2007. Hasil simulasi ini berupa pola arus, besaran arus, serta nilai elevasi muka air pasang surut pada titik yang ditinjau. Pada Gambar 4.3 dan Gambar 4.4 ditampilkan pola arus di Selat Malaka pada jam ke-206 dan 350. Gambar 4.5 memperlihatkan perbandingan elevasi muka air hasil simulasi terhadap elevasi muka air hasil pengukuran pada muara sungai Belawan. Dari hasil simulasi ini, diketahui bahwa arus maksimum yang terjadi di Selat Malaka yaitu 1.52 m/detik. Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-3
Gambar 4.3 Hasil Simulasi Arus Global pada jam ke-206 Gambar 4.4 Hasil Simulasi Arus Global pada jam ke-350 Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-4
Grafik Pasang Surut 300 Ketinggian Muka Air ( 250 200 150 100 50 0 0 60 120 180 240 300 360 Jam Ke- Pengukuran Hasil Model Gambar 4.5 Perbandingan Elevasi Muka Air 4.3 PEMODELAN KAWASAN KECIL Tujuan pemodelan kawasan kecil adalah untuk mensimulasikan hidrodinamika arus dan sedimentasi di perairan Belawan. Pemodelan arus dilakukan dengan menggunakan modul RMA2, yang outputnya kemudian digunakan sebagai input untuk pemodelan sedimen dengan modul SED2D. Untuk mengkaji perilaku sedimentasi di alur pelayaran pelabuhan Belawan, maka pada pemodelan ini akan dilakukan simulasi hidrodinamika arus dan sedimentasi pada beberapa skenario yang berbeda-beda. Skenario-skenario yang akan disimulasikan adalah sebagai berikut: 1. Skenario kondisi eksisting 2. Skenario pengembangan dengan pelebaran alur eksisting 1. Lebar 140 meter pada kedalaman -14.0 2. Lebar 120 meter pada kedalaman -12.0 3. Lebar 120 meter pada kedalaman -10.5 3. Skenario pengembangan dengan pelebaran alur eksisting140 meter pada kedalaman -14.0 dan breakwater di muara Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-5
4. Skenario pengembangan dengan adanya alur baru 1. Lebar 140 meter pada kedalaman -14.0 2. Lebar 120 meter pada kedalaman -12.0 3. Lebar 120 meter pada kedalaman -10.5 5. Skenario pengembangan dengan adanya alur baru dengan lebar 140 meter pada kedalaman -14.0 dan adanya pengurangan sumber sedimen 1. Sumber sedimen menjadi 75% 2. Sumber sedimen menjadi 50% 3. Sumber sedimen menjadi 25% 4. Sumber sedimen menjadi 0% yang dilakukan dengan membuat sudetan untuk mengalihkan aliran Sungai Belawan 6. Skenario Pengembangan Ultimate, dengan adanya alur baru dengan lebar 140 meter pada kedalaman -14.0 dan adanya pengurangan sumber sedimen menjadi 0% yang dilakukan dengan membuat sudetan untuk mengalihkan aliran Sungai Belawan serta adanya breakwater di kiri dan kanan alur untuk mencegah sedimen dari laut. Kondisi batas yang digunakan sebagai input pada pemodelan ini adalah debit sungai dan elevasi muka air pasang surut. Input debit aliran dan sedimen layang untuk tiap skenario adalah data output dari pemodelan DAS pada studi sebelumnya. Adapun input elevasi muka air pasang surut hasil peramalan ADCIRC pada model kawasan besar. 4.3.1 Skenario 1 (Kondisi Eksisting) Pada skenario kondisi eksisting, data-data yang digunakan adalah layout dan bathimetri eksisting. Mesh dan bathimetri yang dibentuk dapat dilihat pada Gambar 4.6. Sebelum melakukan simulasi untuk memodelkan kondisi daerah kajian, maka perlu dilakukan kalibrasi. Kalibrasi adalah proses untuk mendapatkan model yang bisa mewakili kondisi perairan yang dikaji. Kalibrasi dilakukan dengan cara menjalankan RMA2 dengan parameter kawasan yang berbeda sehingga didapat hasil simulasi yang mendekati keadaan lapangan. Dalam proses kalibrasi, program RMA2 dijalankan selama 15 hari dengan mengubah-ubah parameter kawasan berupa koefisien Viskositas Eddy dan koefisien kekasaran Manning. Berdasarkan hasil trial dan error, diperoleh nilai Viskositas Eddy 40.000 Pa-detik dan koefisien Manning sebesar 0.0235. Parameter kawasan ini akan digunakan pada Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-6
simulasi hidrodinamika pada semua skenario dalam kajian ini. Adapun perbandingan data hasil simulasi dengan data lapangan ditunjukan pada Gambar 4.8, 4.9, dan 4.10. Pasang Surut Debit dan Sedimen Sungai Belawan Debit dan Sedimen Sungai Deli Pasang Surut Gambar 4.6 Deskripsi Model Skenario 1 Lokasi Kalibrasi Arus dan Sedimen Gambar 4.7 Daerah Lingkungan Kerja dan Alur Pelayaran Belawan Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-7
3 2.5 Elevasi Muka Air (m) 2 1.5 1 Data Lapangan Hasil Simulasi 0.5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Waktu (jam) Gambar 4.8 Perbandingan Elevasi Muka Air 0.6 Kecepatan Arus (m/detik) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Data Lapangan Hasil Simulasi 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Waktu (jam) Gambar 4.9 Perbandingan Kecepatan Arus 300 250 Arah Arus (derajat) 200 150 100 Data Lapangan Hasil Simulasi 50 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Waktu (jam) Gambar 4.10 Perbandingan Arah Arus Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-8
Pemodelan Arus A Gambar 4.11 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase A B Gambar 4.12 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase B Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-9
C Gambar 4.13 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase C D Gambar 4.14 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase D Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-10
E Gambar 4.15 Pola Arus Skenario 1 pada Fase E Pola arus saat pasang hasil pemodelan menunjukkan bahwa besar arus di kolam citra adalah 0.1 m/detik sedangkan pola arus di alur pelayaran berkisar antara 0.1-1 m/detik. Hasil pemodelan arus pada saat surut menunjukkan bahwa kecepatan arus di sekitar kolam pelabuhan eksisting adalah 0.1 m/detik sedangkan di alur pelayaran, kecepatan arus berkisar antara 0.1-0.55 m/detik. Pemodelan Sedimentasi Setelah melakukan simulasi hidrodinamika arus dengan RMA2, selanjutnya ialah simulasi sedimentasi dengan SED2D. Simulasi dilakukan dengan cara memberikan input konsentrasi sedimen serta menetapkan parameter-parameter pemodelan SED2D. Pada kajian ini simulasi dilakukan dengan menganggap material dasarnya sebagai pasir. Konsentrasi awal yang digunakan ialah sebesar 0.03 kg/m 3 yang ditentukan berdasarkan data lapangan. Parameter pemodelan ditentukan dengan cara trial and error, yaitu dengan mengubah-ubah nilai koefisien difusi dan kecepatan jatuh, sehingga diperoleh model yang mendekati kondisi lapangan. Dari hasil trial and error tersebut diperoleh koefisien difusi sebesar 50.000 m 2 /detik dan kecepatan jatuh sebesar 0.0014 m/detik. Proses kalibrasi pada simulasi sedimentasi ini dilakukan dengan cara membandingkan konsentrasi sedimen di suatu titik tinjau, dan membandingkan volume sedimen yang mengendap dengan data volume pengerukan di Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-11
kolam citra dan alur pelayaran. (Lokasi kolam citra dan alur pelayaran ditunjukan pada Gambar 4.7). Perbandingan konsentrasi sedimen pada lokasi 12 antara hasil simulasi dan data lapangan ditampilkan pada Gambar 4.16. Gambar 4.17 menunjukan hasil simulasi sedimentasi, berupa ketebalan sedimen yang mengendap setelah satu tahun. 0.14 0.12 Konsentrasi Sedimen kg/m3 0.1 0.08 0.06 0.04 Hasil Simulasi Pasut Konsentrasi Spring Konsentrasi Neap Sedimen Belawan Sedimen Deli 0.02 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Time step (jam) Gambar 4.16 Konsentrasi Sedimen di Lokasi 12 Gambar 4.17 Sedimentasi setelah 1 Tahun Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-12
Berdasarkan Gambar 4.16, konsentrasi sedimen pada lokasi 12 baik pada kondisi pasang surut spring maupun neap telah mendekati kondisi lapangan. Selain itu diperlihatkan pula adanya pengaruh yang cukup besar dari sungai Belawan dan Deli, yaitu dari fluktuasi konsentrasi sedimen di lokasi tersebut yang cenderung mengikuti pola fluktuasi konsentrasi sedimen dari aliran sungai Belawan dan Deli. Hasil pemodelan sedimentasi menunjukkan penumpukan sedimen 0.1-2 meter di sekitar kolam citra dan 0.5-2 meter di alur pelayaran. Total volume sedimentasi yang terjadi di alur pelayaran adalah sebesar 2,632,301 m 3 sedangkan volume sedimentasi yang terjadi di kolam citra 237,549 m 3. Hasil pemodelan tersebut memberikan komparasi yang baik dengan data pengerukan berkala rata-rata alur sebesar 2,303,971 m 3 /tahun dan untuk kolam citra sebesar 212,722 m 3 /tahun, sehingga model sedimentasi ini dianggap cukup mewakili kondisi yang sebenarnya. 4.3.2 Skenario 2a (Pengembangan dengan Pelebaran Alur Eksisting dengan Lebar 140 meter pada Kedalaman -14.0) Pada skenario ini, lay out pelabuhan telah disesuaikan dengan rencana pengembangan. Adapun kondisi alur eksisting dilebarkan menjadi 140 meter dengan kedalaman alur pada - 14.0 dan kemiringan talud 1:6. Mesh dan bathimetri yang dibentuk dapat dilihat pada gambar berikut ini. Pasang Surut Pengembangan Pelabuhan Alur dilebarkan Debit dan Sedimen Sungai Belawan Debit dan Sedimen Sungai Deli Pasang Surut Gambar 4.18 Deskripsi Model Skenario 2a Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-13
Pemodelan Arus Gambar 4.19 Pola Arus Skenario 2a (Pasang) Gambar 4.20 Pola Arus Skenario 2a Surut) Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-14
Hasil pemodelan menunjukkan besarnya arus pada saat pasang di sekitar kolam citra adalah 0.01 m/detik sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.01-0.13 m/detik. Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.1-1 m/detik. Hasil pemodelan menunjukkan besarnya arus pada saat surut di sekitar kolam citra adalah 0.1 m/detik sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.13 m/detik. Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.1-1.2 m/detik. Pemodelan Sedimentasi Hasil pemodelan sedimentasi menunjukkan penumpukan sedimen 0.5-2 meter di sekitar alur pelayaran. Total volume sedimentasi di alur pelayaran adalah 4.432.282 m 3. Volume tersebut lebih besar dibandingkan dengan volume eksisting dengan asumsi bahwa pengerukan berkala dilakukan untuk menjaga elevasi alur berada pada elevasi -14. Volume sedimentasi di kolam pelabuhan adalah sebesar 470.211 m 3. Gambar 4.21 Sedimentasi Skenario 2a Setelah 1 Tahun Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-15
4.3.3 Skenario 2b (Pengembangan dengan Pelebaran Alur Eksisting dengan Lebar 120 meter pada Kedalaman -12.0) Pasang Surut Pengembangan Pelabuhan Alur dilebarkan Debit dan Sedimen Sungai Belawan Debit dan Sedimen Sungai Deli Pasang Surut Gambar 4.22 Deskripsi Model Skenario 2b Pada skenario dimodelkan rencana pengembangan alur eksisting dengan kedalaman -12 m LWS, lebar alur 120 m, dan kemiringan alur 1:6. Syarat batas (boundary condition) pada pemodelan berupa pasang surut dan debit untuk pemodelan arus dan konsentrasi sedimentuntuk pemodelan sedimen. Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-16
Pemodelan Arus Gambar 4.23 Pola Skenario 2b (Pasang) Gambar 4.24 Pola Arus Skenario 2b (Surut) Hasil pemodelan menunjukkan besarnya arus pada di sekitar kolam citra adalah 0.01 m/detik sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.01-0.17 m/detik. Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.2-1 m/detik. Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-17
Pemodelan Sedimentasi Gambar 4.25 Sedimentasi Selama 1 Tahun Hasil pemodelan sedimentasi menunjukkan akumulasi sedimen yang yang terjadi di alur pelayaran dan kolam pelabuhan selama satu tahun berkisar antara 0.5-2.1 meter. Total volume sedimentasi yang terjadi di alur pelayaran adalah sebesar 3.831.902 m 3. Volume sedimentasi yang terjadi di kolam pelabuhan adalah sebesar 527.831 m 3. 4.3.4 Skenario 2c (Pengembangan dengan Pelebaran Alur Eksisting dengan Lebar 120 meter pada Kedalaman -10.5) Pada skenario dimodelkan rencana pengembangan alur eksisting dengan kedalaman -10.5 m LWS, lebar alur 120 m, dan kemiringan alur 1:6. Syarat batas (boundary condition) pada pemodelan berupa pasang surut dan debit untuk pemodelan arus dan konsentrasi sediment untuk pemodelan sedimen. Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-18
Pasang Surut Pengembangan Pelabuhan Alur dilebarkan Debit dan Sedimen Sungai Belawan Debit dan Sedimen Sungai Deli Pasang Surut Gambar 4.26 Deskripsi Model Skenario 2c Pemodelan Arus Hasil pemodelan menunjukkan besarnya arus pada di sekitar kolam citra adalah 0.01 m/detik sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.01-0.17 m/detik. Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.17-0.65 m/detik. Gambar 4.27 Pola Arus Skenario 2c (Pasang) Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4-19