hidrogeologi 01
Post on 02-Dec-2015
288 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Hidrogeologi
Program Studi Teknik Pertambangan
Universitas Negeri Padang
(bagian pertama)
Dr. Sudarto Notosiswoyo Guru Besar Bidang Hidrogeologi
Institut Teknologi Bandung
16 – April - 2013
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 1
Terminologi:
Hidrogeologi = hidrologi + geologi ilmu mengenai
airtanah (groundwater)
Geohidrologi = geologi + hidrologi
Kedua terminologi tersebut sekarang sudah tidak banyak
dibedakan karena sama pentinngnnya Hidrogeologi
(Hydrogeology)
Istilah lain: groundwater hydrology (hidrologi airtanah)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 2
PENDAHULUAN
Ilmu dasar yang diperlukan (untuk belajar hidrogeologi):
Matematika/ kalkulus
Kimia (kimia dasar, kimia analitik, kimia fisik/termodinamika)
Geologi (litologi, stratigrafi, geologi struktur, sedimentologi)
Mekanika fluida
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 3
Buku Acuan:
Applied Hydrogeology – Fetter
Groundwater Hydrology – Todd
Field Hydrogeology – Brassington
Subsurface Hydrology – Pinder & Celia
Physical and Chemical Hydrogeology – Domenico &
Schwartz
Introduction to Hydrology – Viessman & Lewis
dll
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 4
Kenapa air penting ?
Air (tawar) adalah kebutuhan hidup manusia dan makhluk
hidup yang lain, terutama yang hidup di darat
Air (tawar) juga merupakan salah satu bagian dan
pendukung kelestarian lingkungan
Manusia memerlukan air tawar yang memenuhi syarat
kesehatan
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 5
Airtanah (= groundwater):
Airtanah sebagai sumberdaya
• Air minum
• Bahan baku pada industri minuman/makanan
• Sumber air irigasi
Airtanah sebagai faktor lingkungan
• Penunjang lingkungan (hidup)
• Penunjang aktivitas (alat kerja)
• Pengganggu aktivitas manusia => di tambang dan
konstruksi sipil
• Penyebar polutan SN - Hidrogeologi => TA - UNP 6
Apakah Air Tawar yang ada di Bumi Cukup ?
Sumberdaya air tawar di bumi cukup banyak (selama siklus
hidrologi masih berjalan, air tawar akan selalu ada)
Persediaan air bersih yang terbatas/terganggu, karena:
• jumlah manusia semakin banyak
• tingkat pencemaran semakin tinggi
• pemakaian air yang sulit dikontrol
• pengelolaan air yang belum baik
• distribusi yang tidak merata
• gangguan perubahan iklim
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 7
Air di bumi terdapat dlm bentuk:
Air laut (97 %)
Air permukaan lainnya (sungai, danau, dll.)
Es dan salju (di kutub dan puncak-puncak gunung)
Uap air/ awan
Air yang berada di dalam bumi (airtanah, air geotermal, uap,
magma, air formasi, atau terikat pada mineral
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 8
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 9
Komposisi Air di Bumi
Kenapa airtanah ?
Airtanah lebih tidak rentan terhadap perubahan iklim
Airtanah lebih tidak rentan terhadap pencemaran
Airtanah bisa terdapat pada wilayah-wilayah yang curah
hujannya kecil (jika kondisi geologinya memungkinkan)
(airtanah mengandung ion-ion (mineral) standar yang
diperlukan manusia)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 10
Dimana terdapat airtanah ?
Berada di bawah permukaan tanah (di dalam tanah) dalam
keadaan jenuh (dalam kondisi tidak jenuh => air lembab)
Mengisi rongga atau pori-pori tanah/batuan, pada zona
jenuh air
Gerakan/alirannya (terutama) dipengaruhi oleh gravitasi
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 11
Keterdapatan Airtanah di alam:
Terdapat bahan (pembentuk) air (air hujan/air meteorik),
salju/es
Ada tempat untuk menampung (wadah):
• pori-pori pada tanah/batuan
• Rekahan pada batuan
Batuan/tanah berfungsi sebagai wadah airtanah:
• Wadah akuifer
• Penyekat akuifug, akuitard, akuiklud
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 12
AIR DI BUMI KITA
Kontrol geologi yang membangun sistem (wadah)
airtanah dalam batuan:
• Tanah => sedimen lepas atau tanah hasil pela[ukan
• Litologi => jenis batuan
• Stratigrafi => susunan batuan
• Struktur geologi => rekah pada batuan (sesar, kekar)
Proses yang membantu pembentukan airtanah:
• resapan (infiltrasi)
• aliran airtanah
• penyimpanan (storage)
• reaksi kimia air (kualitas airtanah) SN - Hidrogeologi => TA - UNP 13
14
Mengenal Karakteristik Air Tanah
Daerah Resapan
Media Pembawa (Aquifer)
Fenomena Transport
Topografi / Kemiringan
Curah Hujan
Jenis Tanah / Topsoil
Vegetasi
Iklim
Sifat Fisik
Sifat Kimia
Porositas
Permeabilitas
Litologi Proses Pembentukan Tipologi Aquifer
Mineral Geokimia Umur Air Tanah & Perjalanan Air Tanah
Head, Pressure
Kontur Muka Airtanah
Sebaran Lateral Aquifer
Flow Net: Equipotential Line & Arah Aliran
Stratigrafi (perlapisan vertikal) Isotrop? Infinite?
Konduktifitas Hidraulik SN - Hidrogeologi => TA - UNP
Airtanah berasal dari air hujan:
air hujan => air permukaan => meresap ke dalam
tanah (infiltrasi/perkolasi) => airtanah (tersimpan/
mengalir di dalam akuifer)
Proses yang terjadi:
• Infiltrasi
• Perkolasi
• Storage
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 15
Siklus Hidrogeologi
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 16
Skema Neraca Air (air meteorik)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 17
AWAN
AIR PERMUKAAN (laut, sungai, danau, rawa, es)
AIRTANAH (airtanah bebas/ airtanah tertekan)
Infiltrasi/
Perkolasi
Kondensasi/ Hujan
Mata Air
P
I
ET
R
P = R + ET + I
Neraca Air:
Neraca air menunjukkan hubungan antara komponen-2 dalam
siklus hidrgeologi, => dinyatakan sebagai persamaan:
P = R + ET + I atau P = R + ET + (BF + dS)
di mana :
P = presipitasi/ curah hujan
R = run off/ limpasan
E = evaporasi
T = transpirasi
ET = evapo-transpirasi
I = infiltrasi
BF = base flow/ aliran sungai dari mata air
dS = recharge/ imbuhan airtanah SN - Hidrogeologi => TA - UNP 18
Presipitasi (curah hujan) => Alami/ Buatan
Pengukuran curah hujan:
• Penakar curah hujan (standard); => BMKG (bisa yang lain,
tidak terstruktur)
• Satuan intensitas hujan: dalam mm => utk 1 mm kolom air
pada penakar = 1 m3 air hujan/ m2 (inggris: inchi)
Penyajian data:
• Tabel Curah Hujan (harian, bulanan, tahunan)
• Dalam bentuk grafik (harian, bulanan, tahunan)
• Peta kontur curah hujan (isohyet)
Presipitasi (curah hujan)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 19
Cara rata-rata aritmatik:
P = Σ pi ; (i = 1 → n)
Titik pengukuran curah hujan dan
intensitas hujan
Isohyet curah hujan
Metode kontur:
Dibuat kontur cyrah hujan (interpolasi), dengan
jarak pengaruh = ½ jarak interval kontur
P = Σ nilai kontur-i x Ai daerah
pengaruh
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 20
Poligon Thiessen
P = Σ pi.Ai ; (i = 1 → n)
Ai = luas daerah pengaruh dapat dihitung (planimeter dll)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 21
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 22
Perhitungan Intensitas Curah Hujan Dgn Methoda Poligon
Data Curah Hujan
Bisa didapat dari stasiun BMKG atau setasiun penakar
hujan lainnya
Dalam bentuk data mentah, lengkap dengan data
temperatur, kelembaban, arah dan kecepatan angin, dll;
atau
Bisa dalam bentuk hasil olahan: curah Hujan Rata-rata
harian, bulanan, tahunan
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 23
Evaporasi-Transpirasi dipengaruhi oleh:
Curah hujan (ketersediaan air permukaan)
Temperatur udara
Waktu penyinaran matahari (energi: panas)
Kelembaban udara relatif (+ tekanan udara dan kecepatan
angin)
Jenis vegetasi (luas permukaan daun)
Kepadatan pohon/ tumbuhan
Kemiringan lahan (waktu tinggal air)
dll. SN - Hidrogeologi => TA - UNP 24
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 25
Dari Fetter: Applied Hydrogeology
0.26”/day
Infiltrasi dan Perkolasi
Infiltrasi (mm/ inci) => banyaknya air hujan/ air permukaan
yang masuk ke dalam tanah (ke bawah permukaan tanah)
Perkolasi => infiltrasi yang (bisa) mencapai zona jenuh
membentuk airtanah
Jika air infiltrasi tidak cukup banyak => hanya akan mengisi
zona tidak jenuh air (tidak menjadi airtanah)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 26
Infiltrasirasi (resapan) dipengaruhi oleh:
Curah hujan (ketersediaan air permukaan)
Waktu kontak air dengan tanah (dipengaruhi oleh:
evaporasi, run off, kemiringan lahan)
Karakteristik tanah (porositas & permeabilitas)
Tingkat kejenuhan tanah di permukaan
Evapo-transpirasi
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 27
fp= fc + (f0-fc)e-kt
Proses infiltrasi
Infiltrasi
Runoff
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 28
Simpanan depresi (genangan?)
Depresi: permukaan tanah (topografi) umumnya tidak rata
dan mempunyai cekungan/ cerukan dengan ukuran yang
bervariasi, mulai dari skala cm sampai km
Simpanan depresi: adalah air hujan yang sudah mencapai
permukaan tanah dan terperangkap pada cekungan/
cerukan permukaan tanah, dan hanya bisa menguap atau
masuk ke dalam tanah
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 29
Run off (Aliran permukaan/ limpasan)
Run off adalah aliran air permukaan (air hujan) yang yang
berasal dari suatu wilayah tertentu (DAS)
Daerah tangkapan hujan (catchment area) = DAS (Daerah
Aliran Sungai): suatu wilayah yang dibatasi oleh garis puncak
topografi, sehingga air hujan yang jatuh di dalam wilayah
tersebut mengalir kedalam lembah (cekungan DAS) tertentu
Pengukuran debit: dengan memakai/ membuat weir
(penampang pengukuran aliran) yang dipasang di sungai
yang merupakan outlet air permukaan dari DAS ybs. Bisa
juga dengan alat ukur lainnya (current meter dll) SN - Hidrogeologi => TA - UNP 30
Titik pada elevasi tertinggi
Titik pada elevasi terendah pada
penampang ybs
Batas Daerah Aliran Sungai (DAS)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 31
Pengukuran limpasan (run off) pada suatu wilayah tertentu
Run off diukur untuk suatu daerah aliran tertentu (daerah aliran
sungai tertentu = DAS)
DAS dibatasi oleh bagian topografi tertinggi, kecuali pada
outletnya
DAS dapat dibagi dalam beberapa sub-DAS
Run off dikukur pada outlet DAS atau sub-DAS yang
bersangkutan
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 32
Pengukuran bisa dilakukan secara kontinu atau periodik
(yang baik adalah pengukuran yang kontinu)
Dari hasil pengukuran di atas didapatkan data:
• Besarnya curah hujan rata-rata di suatu wilayah (DAS) tertentu (= P)
per satuan waktu
• Evapo-transpirasi rata-rata di wilayah tersebut (= ET) per satuan
waktu
• Limpasan rata-rata di wilayah tersebut (= R) per satuan waktu
• Dari rumus P = R + ET + I , maka besarnya infilltrasi di wilayah
tersebut dapat diduga
Jika luas DAS dapat diketahui, maka jumlah masing-masing
besaran pada DAS ybs dapat dihitung SN - Hidrogeologi => TA - UNP 33
Qt = Q0e-αt
α = konstanta resesi cekungan
t = waktu
Hasil pengukuran debit sungai
(hidrograf)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 34
Perbedaan Debit Sungai di Hulu dan Hilir
Q1-Q2 = < 0 lossing stream
Q1-Q2 = > 0 gaining stream
Q2
Q2
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 35
Pengukuran Debit
Penting: dalam pengukuran tsb => aliran air harus dalam
keadaan laminer
Q = v.A (L3/ t)
di mana v = kecepatan aliran
A = luas penampang kolom air sungai
Alat ukur debit:
• Weir trapesium
• Weir ½ lingkaran
• Weir V-notch
• Current meter SN - Hidrogeologi => TA - UNP 36
Base Flow:
Dari hasil pengukuran debit => bisa didapatkan juga besaran
base flow (aliran air sungai pada saat tidak ada hujan)
hanya berasal dari mata air yang terdapat di dalam DAS ybs
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 37
Debit (sungai) Q = V.A
Untuk pengukuran per segmen qi = vi.di.wi
sehingga debit total Q = Σqi, i dari 1 sampai n
Metode pengukuran:
• Weir
• V-notch
• Segmen (tali + current meter)
Syarat: kecepatan aliran laminer !
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 38
Weir siku-siku:
Q = 3 1/3 (L-0,2H).H3/2
atau
V = (1/n).R2/3.S1/2
Persamaan Manning:
V = (1,49 R2/3 S1/2)/n V = kec aliran rata-rata
R = luas penampang aliran/ panjang dinding basah
S = gradient (slope)
atau
V = (1/n) R2/3 S1/2 SN - Hidrogeologi => TA - UNP 39
Pengukuran debit sungai (run off) dengan metoda penampang &
current meter
Jika dasar sungai tidak teratur:
T = Σ ti /n ; L = Σ li A = L x T
Q = A x v Vi = dengan current meter pada tiap segmen
ti = tinggi air dari dasar tiap segmen
li = lebar segmen SN - Hidrogeologi => TA - UNP 40
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 41
Porositas (n) : perbandingan volume rongga dalam batuan
terhadap volume totalnya (satuan: %)
• Porositas absolut: porositas, di mana antara rongga-
rongganya tidak saling berhubungan
• Porositas efektif: porositas, yang rongga-rongganya saling
berhubungan
Konduktivitas/ Permeabilitas (intrinsic, k) : kemampuan suatu
benda untuk meluluskan fluida (satuan: panjang / waktu)
Konduktivitas hidraulik/ Permeabilitas (K) : kemampuan suatu
benda (akuifer) untuk meluluskan air (satuan: panjang/waktu)
Porositas dan Konduktivitas Hidraulik
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 42
Porositas
Pada saat pembentukannya ada batuan yang padat (solid) ada
yang berongga (porous)
Padat: batuan beku, batuan metamorf, batuan sedimen tua
(intact rocks)
Batuan berongga: sedimen muda (belum terkonsolidasi),
batuan padat terkekarkan (jointed => rockmass), tanah hasil
pelapukan
• Porositas: n = Vv / Vt x 100%
• Porositas total: n = (1- ρb / ρd) x 100 %
• Porositas efektif
• Porositas absolut SN - Hidrogeologi => TA - UNP 43
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 44
Porositas batuan/tanah
n = (Vv / Vt) x 100% .
Vg
Vw
Vv
Vs
Gas
Water
Solid
Vt
Cubic packing
Rombhohedral
packing
Sorting baik
Sorting tidak baik
(beragam ukuran)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 45
Porositas dan permeabilitas
batuan tergantung pada:
• Ukuran butir
• Pilahan (sorting)
• % semen
• Rekahan (fracturing)
Batuan => rekahan
Tanah/soil (endapan
volkanik) => ruang
antar butir (pori)
Endapan sedimen
Batuan sedimen
(terkonsolidasi =>
kompak
Endapan aluvial
sungai => lepas
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 46
Sayatan tipis batuan beku (mikroskopis)
=> kompak => impermeable
Batuan terkekarkan sangat kuat =>
massa batuan => permeabel
Pori-pori asli => K > Pori-pori mulai
tersemen => K <
Pori-pori tersemen
kuat => K << SN - Hidrogeologi => TA - UNP 47
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 48
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 49
Klasifikasi Material Lepas berdasarkan Tekstur
Kontur “Sy” sama
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 50
Konduktivitas Hidraulik (Permeabilitas)
Q ~ (hA-hB)
Q ~ 1/ L Hukum Darcy: Q = - KA {(hA-hB) / L}
Q = - KA (dh/ dL) atau
K = - Q/ A(dh/dL)
K = -(L3/T)/ (L2)(L/ L = L/ T Konduktivitas hidraulik =>
Percobaan Darcy
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 51
Debit air yang lewat tabung
sebanding dengan ukuran butir
– densitas air – dan viskositas
air:
Q ~ d2
Q ~ γ
Q ~ μ
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 52
Hukum Darcy: Q = - KA {(hA-hB) / L}
Q = - KA (dh/ dL)
Konduktivitas Hiraulik:
K = - Q/ A(dh/dL)
K = -(L3/T)/ (L2)(L/ L) = L/ T
atau
Debit (Q) alira air tergantung pada:
Diameter butiran (Ǿ)
Berat jenis (γ) dan
Viskositas (μ)
Q ~ d2
Q ~ γ
Q ~ μ
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 53
Kurva Distribusi Ukuran Butir Pasir Halus
Cu = d60-d10
Cu = uniformity coefficient
Persamaan Darcy juga dapat ditulis:
Q = - (Cd2γA)/ μ (dh/ dL)
Konduktivitas intrinsic:
Ki = Cd2 (L2)
Konduktivitas hidraulik:
K = Ki (γ/ μ)
K = Ki (ρg/ μ)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 54
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 55
Darcy’s Law
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 56
Sebaran Harga Permeabilitas Intrinsic (k) dan
Konduktivitas Hidraulik (K)
Permeabilitas Sedimen (lepas):
Metode Hazen:
K = C(d10)2
K (cm/det)
d10 (cm)
C = koefisien : pasir sangat halus, terpilah buruk 40-80 pasir halus + material halus 40-80 pasir sedang, terpilah baik 80-120 pasir kasar, terpilah buruk 80-120 pasir kasar, terpilah baik, bersih 120-150
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 57
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 58
Nilai konduktivitas hidraulik batuan dapat diperoleh dari:
Test laboratorium:
• Contoh tergangggu => metoda Hazen => hasil tidak
akurat
• Contoh tak terganggu => permeameter => lebih akurat
Falling head
Constant head
Test lapangan (pada lubang bor):
• Slug test
Falling head
Constant head
• Pumping test SN - Hidrogeologi => TA - UNP 59
Permeameter (constant head)
Qt = - Kat(hA-hB)/ L
K = VL/ Ath
V = volume air mengalir pada saat t
L = panjang contoh
A = luas penampang contoh
h = head
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 60
Permeameter (falling head)
K = (dt2L/ dc
2t) ln (h0/ h)
L = panjang contoh
ho = tinggi kolom air awal
h = tinggi kolom air saat t
t = waktu dari h0 ke h
dt = diameter dalam tabung
dc = diameter contoh
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 61
Isotropi dan Anisotropi
Konduktivitas Hidraulik
Disebabkan oleh:
Diskontinuitas sebaran dan dimensi akuifer
(perbedaan) dimensi dan bentuk butiran
Orientasi rekahan
(perbedaan) bentuk, sebaran, dan dimensi rekahan)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 62
Sebaran dan dimensi Brntuk dan dimensi butiran
Orientasi rekahan Bentuk, sebaran, dan dimensi rekahan
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 63
Kalau masing2 lapisan isotrop:
Kv = Σ (Ki bi) / Σ bi
Kh tetap masing-masing =
K1, K2, dan K3
Kalau masing2 lapisan an-isotrop:
Kh # Kv
ada 3 harga Kh
ada 3 harga Kv
Kh av = Σ (Khi bi) / b
Kv av = b / (Σ bi / Kvi)
Variasi harga ‘K’ jika terdapat perbedaan litologi
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 64
Tidak semua airtanah dapat mengalir, ada yang tertinggal (pendular
water)
Sy = Yield spesifik (mengalir)
Sr = Retensi spesifik (tertahan)
n = Sy + Sr
a) b)
a) Akuifer jenuh air
b) Akuifer tidak jenuh air
Specific Yield (Sy)
SN - Hidrogeologi => TA - UNP 65
top related