pemodelan fisik aliran air dan transpor pencemar pada
Post on 03-Oct-2021
3 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
Universitas Indonesia
Pemodelan Fisik Aliran Air dan Transpor Pencemar Pada Media Berpori Jenuh Heterogen Terdiskrit Menggunakan Seepage Tank
Triandhika A. H. S, Herr Soeryantono, Erly Bahsan
Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16425, Indonesia
triandhika.alfrian@gmail.com
Abstrak
Manusia mempunyai hubungan yang erat dengan air sebagai salah satu kebutuhan utama. Salah satu peristiwa
yang perlu mendapat perhatian lebih adalah adanya kontaminasi air tanah dan masih banyaknya air tanah yang
digunakan sebagai sarana pemenuhan kebutuhan air. Penelitian ini bertujuan untuk merumuskan suatu protokol
pemodelan fisik kontaminasi pencemar pada media berpori heterogen menggunakan seepage tank. Tujuan lain
adalah untuk memperbaiki alat percobaan sehingga bisa digunakan untuk melakukan validasi dari pemodelan
matematis yang ada. Pemodelan fisik ini meliputi aliran air tanah melewati media heterogen terdiskrit pada
kondisi tunak dan juga transpor pencemar dengan mekanisme adveksi-dispersi yang terjadi akibat point-source
loading.
Kata Kunci: Aliran Air Tanah, Heterogen Terdiskrit, Pemodelan Fisik, Seepage Tank.
Physical Modelling of Water Flow and Contaminant Transport through Saturated
Porous and Discrete Heterogeneous Media Using Seepage Tank
Abstract Humans have strong independence on water as one of their primary needs. One of the phenomena that should be
focused more is the presence of groundwater contamination while at the same time groundwater is utilized as
one of the main source of water supply. This undergraduate thesis aims to formulate a physical modeling
protocol of contaminant transport through heterogeneous porous media by using seepage tank. Another
additional purpose is to improve the function of the existing instrument so that it can be used to perform
validation of various mathematical modeling. This physical modeling includes groundwater flow through
heterogeneous discrete medium in steady-state conditions as well as contaminant transport in advection-
dispersion mechanism that occurs as a result of point-source loading.
Keywords: Contaminant Transport, Discrete Heterogeneous Medium, Groundwater Flow, Physical Modelling.
Pendahuluan
Hampir semua kegiatan manusia menghasilkan sisa buangan berupa limbah baik
limbah organik maupun non organik. Sebagian limbah buangan ini ditemukan berbahaya bagi
kesehatan organisme terutama manusia. Hal ini diperparah dengan jumlah penduduk dunia
yang terus mengalami peningkatan signifikan sehingga secara langsung akan memperbanyak
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
2
Universitas Indonesia
limbah hasil buangan yang akan dihasilkan. Salah satu permasalahan yang terjadi adalah
adanya pencemaran air tanah akibat limbah-limbah buangan ini. Hal ini cukup penting untuk
diberi perhatian khusus karena sumber air yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan hidup
termasuk air tanah (Rochili, 2006) dan juga mengingat cukup besarnya kebergantungan kita
terhadap air tanah.
Pemahaman tentang karakteristik aliran air dan transpor pencemar dianggap masih
sangat kurang. Hal ini berkaitan dengan lokasinya sendiri yang berada di dalam tanah
sehingga tidak bisa diamati secara langsung. Untuk itu diperlukan adanya pemodelan yang
bisa digunakan untuk menyederhanakan kejadian ini sehingga nantinya tidak perlu dilakukan
pengujian langsung di lapangan dan dapat dengan mudah diketahui hubungan antar parameter
yang digunakan dalam pemodelan. Untuk macam dari pemodelan sendiri dibagi menjadi dua,
yang pertama adalah pemodelan matematis yang sering diwujudkan berupa program
komputer dan juga pemodelan fisik yang diwujudkan melalui percobaan.
Pemodelan matematis ini dalam pelaksanaannya menggunakan analisis numerik
dimana analisis numerik mempunyai kelemahan yaitu untuk mempermudah penghitungan
maka data sebenarnya yang continuous akan diubah menjadi data diskrit dalam artian data
sebenarnya yang berupa grafik menerus jika dimodelkan secara numerik maka garis pada
grafik akan dipotong-potong menjadi fragmen-fragmen garis lurus. Adanya penyederhanaan
data continuous menjadi data diskrit ini akan menghasilkan numerical error. Jika masing-
masing fragmen dibagi dalam suatu interval yang cukup besar maka numerical error nya pun
akan semakin besar.
Sebagai akibat dari adanya numerical error pada pemodelan matematis, maka perlu
dilakukan suatu pemodelan fisik sebagai pembanding hasil. Karena pemodelan fisik tidak
menggunakan asumsi, maka output yang dihasilkan oleh pemodelan fisik akan sesuai dengan
input yang diberikan. Pemodelan fisik sendiri dibagi menjadi 2 yaitu uji lapangan dan uji
laboratorium. Dibandingkan dengan uji lapangan maka uji laboratorium yang akan dilakukan
ini lebih preferable. Hal ini dikarenakan pada uji lapangan banyak uncontrollable input yaitu
faktor-faktor yang tidak diketahui tapi akan berpengaruh terhadap hasil percobaan itu sendiri.
Jadi dari masalah ini, uji laboratorium dipilih supaya bisa meminimalisir uncontrollable input
tersebut sehingga untuk input yang sama bisa menghasilkan output yang sama juga.
Untuk bisa memastikan bahwa percobaan serupa yang menggunakan alat yang sama
akan menghasilkan hasil yang konsisten, maka penulis melihat perlu adanya suatu prosedur
operasional standar untuk memodelkan aliran air tanah dan transpor pencemar secara fisik
dalam hal ini menggunakan seepage tank. Pemodelan fisik menggunakan Seepage tank ini
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
3
Universitas Indonesia
sebelumnya sudah dilakukan, tapi hanya menggunakan satu jenis media berpori (Herlambang,
2012). Untuk itu dalam percobaan kali ini media tanah yang digunakan akan meliputi dua
jenis yang berbeda karena kenyataan di lapangan lebih sering ditemukan tanah dalam bentuk
heterogen. Tapi dalam pelaksanaannya nanti, lapisan tanah heterogennya akan diatur dalam
bentuk terdiskrit dimana pasir campuran yang digunakan berupa kotak-kotak yang akan diatur
begitu rupa di antara media pasir jadi tidak berupa lapisan memanjang di dalam Seepage
Tank. Dari percobaan ini diharapkan akan didapatkan sebaran tekanan yang didapat dari
pembacaan tekanan di ke-32 manometer di belakang tangki yang selanjutnya akan digunakan
untuk menggambarkan garis ekipotensialnya. Tujuan selanjutnya adalah mengamati
perjalanan pencemar dalam kaitannya dengan mekanisme adveksi dan dispersi.
Tinjauan Teoritis
Hukum Darcy
Hukum Darcy diciptakan oleh seorang insinyur berkebangsaan Perancis yang
bernama Henry Darcy pada tahun 1856 saat mendapatkan proyek yang menggunakan pasir
sebagai filter pada sebuah water supply. Darcy melakukan percobaan untuk mencari tahu
factor yang berpengaruh terhadap kecepatan aliran air saat melewati pasir (Darcy, 1856;
Freeze, 1994).
Alat percobaan Darcy terdiri dari sebuah pipa dengan inlet dan outlet yang sama
dengan dua buah manometer terhubung pada dua titik untuk menentukan nilai hydraulic head
(h1 dan h2). Sampel tanah yang digunakan jenuh air (saturated) dan air yang mengalir dalam
kondisi tunak (steady) dengan debit sebesar Q.
Gambar 1 Percobaan Darcy
Sumber: Elsevier
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
4
Universitas Indonesia
Dari percobaan ini Darcy menemukan bahwa debit berbanding lurus dengan
kehilangan energi (∆ℎ) tapi berbanding terbalik degan jarak dari kedua manometer (∆!). Dan
juga dari persamaan Q = A.V didapatkan bahwa debit juga berbanding lurus dengan luas
penampang.
Dengan menggabungkan hasil percobaan dengan rumus yang sudah ada maka
didapatkan suatu persamaan untuk aliran satu dimensi:
! = !∆ℎ∆! ! (1)
Dengan
Q = debit aliran (m3/s)
K = konduktivitas hidrolik media berpori (konstanta, m/s)
dh = kehilangan energi
ds = jarak manometer (panjang lintasan air, m)
Konduktivitas Hidrolik (K)
Konduktivitas hidrolik menunjukkan kemampuan suatu material dalam meloloskan
fluida. Makin besar nilai K (konduktivitas hidrolik) maka fluida akan makin mudah mengalir
melalui suatu media berpori.
Permeabilitas (k) juga sering disamakan dengan konduktivitas hidrolik (K) selama
ini, tapi sekarang permeabilitas digunakan untuk menunjukkan kemampuan intrinsik dari
suatu media berpori tanpa ada pengaruh dari fluida yang melewatinya. Sedangkan untuk
konduktivitas hidrolik, nilainya tidak hanya ditentukan oleh kemampuan suatu media dalam
mengalirkan suatu fluida tapi juga dipengaruhi oleh sifat dari fluida itu sendiri.
! =!"! ! (2)
Dimana
K = konduktivitas hidrolik (m/s)
! = massa jenis fluida (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
! = viskositas/kekentalan fluida (Ns/m2)
k = permeabilitas (m2)
Dilihat dari persamaan di atas diketahui jika konduktivitas hidrolik dipengaruhi oleh
karakteristik dari media berpori yang diwakili oleh nilai k (permeabilitas) dan juga oleh fluida
yang diwakili oleh ! (massa jenis) dan juga ! (viskositas).
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
5
Universitas Indonesia
Koefisien permeabilitas sangat bergantung pada ukuran dari pori-pori, makin besar
pori-pori dari suatu media maka akan semakin besar juga nilai dari koefisien
permeabilitasnya. Ukuran pori-pori ini sendiri dipengaruhi oleh gradasi butiran partikel,
bentuk partikel dan juga struktur tanah. Jadi secara umum, semakin kecil ukuran rata-rata dari
partikel tanah, semakin kecil ukuran dari pori-pori, akan semakin kecil nilai koefisien
permeabilitasnya (Craig, 1991) seperti bisa dilihat pada tabel 1.
Tabel 1 Nilai Konduktivitas Hidrolik Beberapa Jenis Tanah
Pengujian Konduktivitas Hidrolik
Nilai dari konduktivitas hidrolik bisa didapatkan dari beberapa metode, bisa melalui
metode laboratorium (Falling Head Test, Constant Head Test) ataupun dengan metode
pengujian langsung di lapangan (Well Pumping Test, Borehole Test) (Craig, 1991). Namun
pada karya tulis ini yang akan dibahas hanya metode laboratorium yang akan dipakai yaitu
Constant Head Test.
Metode ini digunakan untuk mendapatkan nilai konduktivitas hidrolik dari tanah
berbutir kasar. Sampe tanah dimasukkan ke dalam suatu tabung tembus pandang (perpex
cylinder) dengan luasan penampang A. Ujung dari sampel tanah diberi filter kasar atau bisa
berupa filter kawat. Air dialirkan dari suatu reservoir, tinggi permukaan air dari reservoir ini
diatur supaya dalam kondisi konstan sehingga bisa mewakili Constant Head. Selanjutnya
diukur debit yang mengalir melalui sampel tanah dengan cara menampung volume air yang
keluar dari outlet pada selang waktu tertentu. Dari manometer di samping tabung yang
tersambung bisa didapatkan head loss (Δh) yang berupa perbedaan ketinggian permukaan air
pada manometer. Dengan menggunakan hukum Darcy, maka didapatkan:
! =!"!ℎ (3)
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
6
Universitas Indonesia
Dengan
K = konduktivitas hidrolik media berpori (m/s)
L = tebal sampel tanah (m)
A = luas penampang sampel tanah (m2)
h = perbedaan tinggi muka air di manometer (m)
Untuk mendapatkan hasil yang lebih aurat, maka percobaan dilakukan beberapa kali
menggunakan debit yang berbeda yang diatur dari tinggi permukaan air di dalam reservoir.
Jaringan Aliran
Jaringan aliran sebenarnya tidak akan dapat dilihat di lapangan karena jaringan aliran
ini hanya merupakan ilustrasi untuk menggambarkan aliran air tanah pada suatu media
berpori. Jaringan aliran sendiri terdiri dari 2 macam garis, yang pertama adalah garis aliran
(flowline) dan kedua adalah garis ekipotensial (equipotential line). Garis aliran adalah garis
semu yang menggambarkan jalur pergerakan dari satu partikel air tanah selama terjadi aliran
air tanah pada suatu akifer. Sedangkan garis ekipotensial adalah garis semu yang
menghubungkan titik-titik yang mempunyai tinggi tekanan total yang sama (total head).
Garis aliran (flowline) seperti telah dijelaskan sebelumnya bisa disebut sebagai suatu
kontur kecepatan karena menghubungan titik-titik yang mempunyai kecepatan aliran air yang
sama sehingga menggambarkan suatu fungsi aliran pada bidang dua dimensi !(x,z). Selisih
antara dua garis aliran yang bisa dinotasikan dengan ∆!. Dari rumus Darcy, secara umum
kecepatan aliran bisa ditulis dengan
!! = !" = −!!ℎ!"
(4)
!! = !" = −!!ℎ!"
(5)
dimana vx merupakan kecepatan aliran yang sejajar dengan garis horizontal dan vz merupakan
kecepatan aliran yang sejajar dengan garis vertikal. Total head akan mengalami penurunan
(∆ℎ) searah dengan vx dan vz, hal inilah yang meyebabkan air tanah bergerak. Karena fungsi
!(x,z) juga menunjukkan kecepatan aliran pada suatu tebal tanah maka !ℎ = ∆!.
Sama seperti garis aliran, maka garis ekipotensial (equipotential line) juga bisa disebut
sebagai suatu kontur tekanan karena menghubungan titik-titik yang mempunyai tekanan yang
sama sehingga bisa menggambarkan suatu fungsi tekanan pada bidang dua dimensi ∆!(x,z).
Selisih tekanan di antara dua garis ekipotensial bisa dinotasikan dengan ∆!. Perubahan dari
tekanan ini merujuk dari hukum Darcy juga akan bisa ditulis
!! = !" = −!!ℎ!"
(6)
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
7
Universitas Indonesia
!! = !" = −!!ℎ!"
(7)
Gambar 2 Jaringan Aliran
Sumber: Craig (1995)
Transpor Pencemar
Mekanisme transport pencemar yang menjadi perhatian utama pada pembahasan air
tanah adalah adveksi, difusi, dispersi, adsorpsi, biodegradasi, dan reaksi kimia (Bedient, Rifai,
Newell (1994). Adveksi adalah pergerakan pencemar bersama dengan aliran air tanah, jadi
dalam peristiwa adveksi kecepatan aliran pencemar sama dengan kecepatan aliran air tanah.
Difusi adalah pergerakan pencemar karena adanya perbedaan konsentrasi dimana pencemar
akan bergerak dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi yang lebih rendah. Dispersi adalah proses
gabungan akibat adanya perbedaan kecepatan aliran pencemar pada media berpori, jadi pada
peristiwa dispersi terjadi perubahan konsentrasi dari pencemar karena perbedaan kecepatan
alirannya. Adsorpsi adalah terurainya pencemar dari suatu sumber saat masuk ke dalam tanah.
Biodegradasi adalah penguraian senyawa organic di dalam tanah menjadi karbondioksida CO2
dan air H2O akibat adanya aktivitas mikroba dalam tanah. Tapi dalam pemodelan fisik yang
akan dilakukan pada karya tulis ini hanya akan membahas peristiwa adveksi dan disperse
yang perbedaannya bisa dilihat pada gambar 3.
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
8
Universitas Indonesia
Gambar 3 (a) Peristiwa Adveksi-Dispersi, dan (b) Peristiwa Adveksi Sumber: Bedient, et al (1994)
Seepage Tank
Gambar 4 Peralatan Seepage Tank
Sumber: Instruction Manual Seepage Tank (Armfield, Ltd, 1995)
Keterangan:
1. Tangki Seepage Tank
2. Baffle plate (impermeable membrane)
3. Bingkai baja berbentuk U
4. Bak air
5. Rak/papan
6. Kaca
7. Panel aluminium
8. Penyangga
9. Keran penguras
10. Penguras bak air
11. Pompa sentrifugal
12. Saklar
13. Pipa pelimpah
14. Pipa inlet air
Metode Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan prosedur pemodelan fisik aliran air tanah
dan transpor pencemar pada media berpori jenuh heterogen terdiskrit. Selain tujuan tersebut,
alat dan prosedur ini juga diharapkan bisa digunakan untuk melakukan validasi terhadap
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
2
Universitas Indonesia
pemodelan matematis. Pemodelan matematis yang akan digunakan sebagai acuan adalah
Pemodelan Aliran Air Tanah (Triananda Gusti, 2012) yang bisa dilihat pada gambar 5 dan
Pemodelan Transpor Pencemar (Desy Rahayu, 2012) pada gambar 6.
Gambar 5 Tampilan Awal Program Pemodelan Aliran Air Tanah
Sumber : Triananda (2012)
Gambar 6 Tampilan Awal Program Transpor Pencemar
Sumber : Desy Rahayu (2012)
Agar bisa melakukan validasi, maka ada hal-hal yang perlu diperhatikan sebelumnya.
Pertama adalah input yang diberikan. Input apapun yang diberikan ke dalam pemodelan
matematis baik berupa variabel ataupun pengaturan kondisi batas dan kondisi awal harus bisa
juga diberikan ke dalam pemodelan fisiknya. Hal ini berarti variabel-variabel yang
dibutuhkan dalam pemodelan matematis harus bisa diatur sedemikian rupa pada pemodelan
fisik dan bisa dikontrol. Begitu juga dengan kondisi batas serta kondisi awal yang diatur pada
pemodelan matematis harus bisa diterapkan pada pemodelan fisiknya. Kedua, hal yang harus
diperhatikan dalam melakukan validasi adalah pembandingan output yang dihasilkan. Hal ini
berarti output yang dihasilkan pada pemodelan matematis harus memiliki format yang sama
dengan output yang dihasilkan pada pemodelan fisik. Jika pemodelan matematis
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
3
Universitas Indonesia
menghasilkan hasil akhir berupa gambar, maka pemodelan fisik juga harus mampu
menghasilkan output berupa gambar. Jika pemodelan matematis menghasilkan hasil akhir
berupa angka, maka pemodelan fisik harus bisa menghasilkan hasil percobaan berupa angka.
Dalam melakukan pemodelan fisik tentu saja membutuhkan alat-alat maupun bahan.
Alat-alat dan bahan ini pun perlu disiapkan terlebih dahulu sebelum selanjutnya digunakan
dalam percobaan. Tahap persiapan ini bertujuan untuk mendapatkan alat dan bahan yang
sesuai rencana untuk mengurangi faktor-faktor tidak terduga yang bisa mengganggu hasil
percobaan. Sehingga diharapkan akan didapatkan suatu prosedur yang bisa menghasilkan
hasil percobaan yang konsisten.
• Prosedur Persiapan Alat dan Bahan
1. Lakukan pemilihan jenis pasir yang akan digunakan sebagai media berpori.
2. Lakukan percobaan menggunakan Constant Head Test untuk menentukan perkiraan
perbandingan jumlah tumbukan berdasarkan perbedaan konduktivitas hidrolik yang
direncanakan.
3. Siapkan Kayu Pembatas yang digunakan sebagai baffle plate berfungsi sebagai
membran tidak lolos air sesuai ukuran seepage tank.
4. Beri lapisan karet di kedua sisi kayu untuk menghindari adanya kebocoran antara kayu
dan dinding tangki.
5. Letakkan kedua Kayu Pembatas yang dilapisi bahan tidak lolos air pada kedua batas
antara pipa pelimpah dan pasir.
6. Buat campuran pasir dan kaolin dengan perbandingan 9 : 1 berdasarkan massanya.
7. Siapkan Karton Pembatas sebagai pembatas pasir dan pasir campuran saat dilakukan
pemadatan dengan dimensi 20 cm x 11 cm (bisa disesuaikan).
8. Masukkan pasir yang tidak dicampur ke dalam alat seepage tank secara berlapis
dengan tebal tiap lapis adalah 7,5 cm (bisa disesuaikan).
9. Pada setiap lapis penumpukan pasir, lakukan pemadatan dengan menggunakan
Penumbuk yang telah disiapkan sebelumnya. Tumbukan dilakukan dari ketinggian 10
cm sebanyak 3 kali.
10. Untuk segmen yang ingin diisi oleh pasir campuran, beri pembatas pada kedua sisinya
dan pasir campuran mulai diisikan setebal 7,5 cm disamakan dengan ketebalan pasir
tiap lapisan. Lakukan tumbukan dari ketinggian 10 cm sebanyak 9 kali.
11. Tumbukan untuk pasir berbanding pasir campuran 1 : 3 dilakukan secara bergantian
sampai mencapai jumlah tumbukan yang direncanakan (3 tumbukan untuk pasir dan 9
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
4
Universitas Indonesia
tumbukan untuk pasir campuran). Pemadatan di batas antara pasir dan pasir campuran
dilakukan secara bergantian supaya kertas karton tidak condong pada salah satu sisi.
12. Penumpukan dan pemadatan pasir dilanjutkan hingga mencapai tinggi yang
direncanakan.
13. Isikan air ke dalam bak penampungan di bawah seepage tank.
Setelah dilakukan persiapan alat dan bahan maka selanjutnya percobaan pun bisa
mulai dilakukan. Percobaan dibagi ke dalam dua jenis, yaitu percobaan aliran air tanah dan
pengamatan tanspor pencemar. Langkah-langkah dalam melakukan percobaan untuk masing-
masing percobaan dijelaskan di bawah.
• Prosedur Percobaan Aliran Air Tanah
Rangkaian kegiatan pemodelan ini diawali dengan pengaturan kondisi pengaliran
steady untuk mendapat data tekanan dan kecepatan sesuai urutan berikut:
1. Atur ketinggian muka air dengan mengatur ketinggian pipa pelimpah di hulu dan hilir.
2. Masukkan selang inlet ke dalam kolom air hulu dan nyalakan pompa.
3. Tunggu hingga air mencapai muka pipa pelimpah hulu dan bacaan manometer stabil.
4. Hilangkan gelembung udara yang terperangkap di dalam manometer di belakang
seepage tank.
5. Lakukan pembacaan dan pencatatan manometer.
• Prosedur Pengamatan transpor pencemar
Urutan kegiatan yang dilakukan untuk dapat memasukkan model pencemar dan
mengamati penjalarannya meliputi:
1. Siapkan larutan pewarna dengan campuran yang disesuaikan.
2. Rangkai besi penyangga dan alat titrasinya.
3. Rangkaian alat injeksi pewarna dipasang ke atas alat seepage tank. Ujung alat titrasi
dimasukkan sedalam 20 mm dari permukaan pasir dan diberi jarak 10 mm dari tepi
kaca.
4. (Sebelum rangkaian alat titrasi diatur di atas tangki, reservoir dari alat titrasi sudah
diisi terlebih dahulu dengan sedikit air dengan tujuan supaya waktu ujung alat titrasi
dimasukkan ke dalam pasir, tidak ada pasir yang masuk karena ada air yang mengalir
keluar).
5. Tahan sayap dari besi penyangga titrasi menggunakan beban agar tidak terguling.
6. Masukkan larutan pewarna ke dalam reservoir alat titrasi.
7. Buka keran titrasi perlahan-lahan, sesuaikan dengan kecepatan rembesan aliran air
yang terjadi supaya tidak terlalu kecil ataupun terlalu besar.
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
5
Universitas Indonesia
8. Nyalakan timer ataupun alat perekam untuk mencatat pergerakan aliran pewarna dan
waktu yang dibutuhkan.
9. Lakukan pengukuran debit aliran dari alat titrasi sebagai masukan data debit injeksi
larutan pencemar.
Hasil Percobaan
• Pengamatan Tekanan Pada Kondisi Steady
Pengamatan pada kondisi steady dilakukan dengan mengatur ketinggian permukaan
air di hulu 44 cm dan di hilir 35 cm. Percobaan dilakukan sebanyak 2 kali sehingga
menghasilkan 2 hasil percobaan yaitu gambar 7 menunjukkan hasil dari percobaan 1
sedangkan gambar 8 menunjukkan hasil dari percobaan 2.
Gambar 7 Pola Garis Ekipotensial Percobaan 1 Sumber: Olahan Penulis
Gambar 8 Pola Garis Ekipotensial Percobaan 2
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
6
Universitas Indonesia
Sumber: Olahan Penulis
• Pengamatan Transpor Pencemar
Pengamatan yang dilakukan untuk melakukan pengamatan transpor pencemar
menggunakan percobaan yang sama dengan percobaan untuk pengamatan kondisi steady
yaitu dengan mengatur ketinggian air di hulu sebesar 44 cm dan di hilir 35 cm. Percobaan ini
pun dilakukan selama 2 kali dengan gambar 9 sebagai hasil percobaan 1 dan gambar 10
sebagai hasil percobaan 2.
Gambar 9 Perjalanan Pencemar Pada Percobaan 2
Sumber : Dokumentasi Penulis
Gambar 10 Perjalanan Pencemar Pada Percoban 2
Sumber : Dokumentasi Penulis
Pembahasan
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
7
Universitas Indonesia
Analisis Percobaan
Percobaan diawali dengan menyiapkan seepage tank dan juga pasir beserta pasir
campuran kaolin. Kondisi batas tepi kiri dan kanan diatur menggunakan kayu berlapis karet di
sisi-sisinya supaya tidak lolos air tetapi ada lubang-lubang kecil di kayu bagian bawah yang
bertujuan untuk mengalirkan air dari pelimpah saat percobaan selesai dilakukan. Air di dalam
pipa pelimpah ini perlu di alirkan untuk dibuang terlebih dahulu sebelum dilakukan percobaan
selanjutya karena air di pi pa pelimpah biasanya akan berwarna merah terkena pewarna yang
kalau dibiarkan akan mengganggu percobaan karena ikut merembes ke dalam pasir.
Kemudian pasir dan pasir campuran mulai dimasukkan dan dipadatkan tiap-tiap lapisan
sampai mencapai ketinggian yang diinginkan. Setelah pasir selesai dipadatkan maka
selanjutnya air mulai dialirkan dan ditunggu sampai steady.
Kondisi pertama yang diamati adalah tekanan air pada tiap-tiap manometer yang
berjumlah 36 buah. Sebelum pembacaan dilakukan harus dipastikan tidak ada gelembung
udara lagi di dalam manometer karena bisa menaikkan tekanan air yang terbaca. Dari
pembacaan manometer ini bisa dilihat bahwa semakin ke bawah maka tekanan air akan
semakin kecil dan juga semakin ke kanan maka tekanan air pun semakin kecil. Hal inilah
yang menyebabkan air mengalir ke bawah dan mengalir dari hulu ke hilir. Tapi hal ini hanya
berlaku untuk posisi hulu di kanan baffle plate. Untuk posisi hilir yaitu bagian dari seepage
tank yang berada di sisi kanan baffle plate, hal yang terjadi adalah sebaliknya. Semakin ke
bawah maka tekanan air yang terbaca pada manometer semakin besar, sedangkan semakin ke
kanan maka tekanan air akan semakin kecil seperti di posisi hulu.
Selanjutnya dilakukan pengamatan transpor pencemar dimana pencemar yang
digunakan diwakili dengan pewarna makanan berwarna merah. Pengamatan transpor
pencemar ini merupakan lanjutan dari pengamatan sebelumnya untuk mencari hydraulic head
pada ke-36 titik sehingga bahan dan alat yang digunakan masih sama dan tidak diubah.
Sebelum percobaan maka kembali dilakukan persiapan yaitu larutan pewarna dan juga
pemasangan rangkaian alat titrasi ke atas tangki. Yang perlu diperhatikan adalah saat
memasukkan jarum injeksi ke dalam pasir maka reservoir dari alat titrasi sudah terlebih
dahulu diisi dengan air. Hal ini bertujuan agar saat alat injeksi dimasukkan ke dalam pasir
tidak ada pasir yang masuk ke ujung alat injeksi akibat aliran air yang mengalir ke luar. Pasir
yang masuk ke alat injeksi ini akan menyumbat jalannya aliran pewarnanya sehingga harus
dihindari.
Setelah rangkaian alat titrasi diatur sedemikian rupa, beserta ujung alat injeksi sudah
berada 1 cm di dalam pasir maka selanjutnya larutan pewarna mulai dimasukkan ke dalam
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
8
Universitas Indonesia
reservoir. Selanjutnya keran alat injeksi diatur supaya larutan pencemar bisa mengalir ke
dalam pasir dengan debit yang sesuai. Debit yang terlalu kecil menyebabkan perjalanan dari
larutan pewarna tidak terlihat dari permukaan kaca depan tangki, sedangkan jika debit terlalu
besar maka larutan pewarna akan meluber ke permukaan atas pasir yang nantinya
mengganggu pola aliran pewarna dalam pasir. Saat larutan pewarna meluber maka harus
segera dilakukan penyedotan dengan menggunakan selang dan dialirkan keluar.
Untuk mengetahui besarnya kecepatan dari aliran pencemar maka dari pola aliran
yang dilewati oleh pewarna ditentukan beberapa titik. Selanjutnya dihitung berapa lama
waktu yang dibutuhkan oleh pewarna untuk mencapai titik tersebut. Setelah percobaan selesai
maka rangkaian alat titrasi disiapkan kembali untuk menghitung berapa debit larutan pewarna
yang masuk ke dalam pasir. Oleh karena itu keran di ujung alat injeksi tidak boleh diubah
karena akan mengubah debit yang terukur. Pengamatan debit dilakukan dengan menggunakan
gelas ukur dan stopwatch sehingga nantinya didapatkan waktu yang dibutuhkan untuk
mencapai volume 5 ml yang selanjutnya bisa digunakan untuk menghitung debit.
Analisis Hasil
Sebaran garis ekipotensial didapatkan dari hasil pengamatan yang berupa hydraulic
head dari ke-36 titik yang dibaca dari manometer di bagian belakang tangki. Dengan
menghubungkan titik-titik yang mempunyai head yang sama, maka akan didapatkan garis
ekipotensial. Dari garis ekipotensial yang terbentuk baik dari percobaan pertama maupun
kedua bisa dilihat kesesuaian tren dengan teori yang ada dimana garis ekipotensial lebih
banyak terdapat di hulu daripada di hilir. Kesesuaian dengan teori yang ada ini dibuktikan
dengan kesesuaian tren antara hasil percobaan dengan hasil pemodelan matematis
menggunakan input yang sama yaitu kombinasi dari konduktivitas hidrolik dan juga specific
yield yang menghasilkan sum of square error paling kecil. Garis ekipotensial terlihat lebih
banyak berada di hulu, hal ini menandakan bahwa perbedaan head di hulu lebih besar
daripada di hilir.
Prosedur dari pemodelan fisik yang dihasikan pun cukup konsisten, hal ini bisa
dilihat dari sebaran garis ekipotensial dari kedua percobaan yang tidak terlalu jauh
perbedaannya. Perbedaan yang terjadi disebabkan oleh perbedaan pelaksanaan percobaan
yang disebabkan oleh kesalahan penulis sebagai praktikan saat menjalankan prosedur yang
sudah ditetapkan.
Selanjutnya percobaan yang dilakukan adalah pemodelan aliran pencemar yang
dalam pemodelan fisik ini diwakili oleh pewarna makanan. Pengamatan data dilakukan
dengan cara merekam perjalanan ujung pewarna dalam pasir sehingga menghasilkan suatu
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
9
Universitas Indonesia
lintasan yang biasa disebut dengan flowline. Percobaan dilakukan sebanyak dua kali dan
kedua percobaan inipun terlihat mampu menghasilkan lintasan pewarna yang memiliki
kesamaan tren.
Dari hasil percobaan transport pencemar terlihat bahwa dibanding efek dispersi
ternyata adveksi lebih mendominasi pola aliran pencemar, hal ini bisa dilihat dari hasil
pengamatan yang menunjukkan lintasan pewarna yang memanjang dengan gradasi yang
hampir sama dan tipis tidak menyebar ke kanan ataupun ke kiri. Efek adveksi terlihat paling
besar saat pewarna mencapai pasir campuran kaolin dimana pewarna terlihat menghindari
pasir campuran dan lewat di bawahnya. Hal ini serupa dengan peristiwa air yang melewati
pipa dengan diameter berbeda. Makin kecil diameter pipa maka akan semakin besar kecepatan
aliran yang terjadi. Hal ini menunjukkan bahwa pasir campuran yang memiliki konduktivitas
hidrolik 78.5 kali lebih kecil dari pasir mempengaruhi pola aliran pewarna. Karena nilai
konduktivitas hidrolik dari pasir campuran yang sangat kecil maka pasir campuran seolah-
seolah menjadi lapisan kedap air yang menghalangi aliran pewarna sehingga akhirnya
pewarna berbelok ke bagian bawah pasir campuran.
Analisis Kesalahan
Kesalahan-kesalahan yang mungkin terjadi dalam percobaan ini sehingga
mempengaruhi hasil percobaan, antara lain:
§ Kesalahan paralaks dalam pembacaan manometer.
§ Adanya gelembung udara maupun pasir-pasir halus yang terperangkap di dalam
manometer sehingga menaikkan tekanan yang terbaca.
§ Kondisi pembatas di hulu dan hilir tangki tidak benar-benar impermeable karena ada
lubang-lubang kecil di bagian bawah pembatas sehingga dianggap ada tekanan air
sebesar tinggi muka air.
§ Ketiadaan manometer di tepat bagian muka hulu dan hilir baffle plate sehingga
penggambaran garis ekipotensial pada segmen kiri dan kanan baffle plate tersebut hanya
sekedar perkiraan.
§ Debit dari larutan pewarna disesuaikan saat percobaan sedang berjalan, tidak bisa
ditentukan dari awal.
§ Kesalahan pengukuran debit pewarna baik dari pembacaan stopwatch maupun
pembacaan volume di gelas ukur.
§ Perbaikan mekanisme pergerakan pipa pelimpah supaya lebih mudah digerakkan dan
juga tidak terjadi kebocoran saat pipa pelimpah dinaikturunkan untuk memodelkan
kondisi unsteady. Dan juga supaya kondisi pembatas bisa dibuat benar-benar kedap air
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
10
Universitas Indonesia
jika dibutuhkan dengan air pada pelimpah dibuang melalui pipa pelimpah yang bisa
diturunkan.
Kesimpulan
Dari pemodelan yang telah dilakukan terhadap aliran air dan transpor pencemar pada
media berpori jenuh menggunakan seepage tank, kesimpulan yang dapat diambil untuk
menjawab tujuan dari kegiatan ini adalah sebagai berikut:
1. Dari pemodelan fisik aliran air tanah dan transpor pencemar didapatkan suatu prosedur
percobaan yang cukup konsisten, terbukti dari kemiripan hasil dari dua percobaan yang
dilakukan.
2. Didapatkan gambaran dari sebaran tekanan hidrolik yang memiliki tren serupa dengan
teori yang sudah ada, terbukti dari kemiripan tren dengan hasil pemodelan matematis.
Hasil pemodelan fisik dan pemodelan matematis menunjukkan persamaan di garis-garis
ekipotensial yang terjadi dimana garis ekipotensial terlihat lebih banyak berada di hulu
(sebelah kanan baffle plate) daripada di hilir.
3. Di antara dua mekanisme pergerakan pencemar yang diamati yaitu adveksi dan dispersi,
ternyata adveksi lebih mendominasi hal ini bisa dilihat dari hasil pengamatan yang
menunjukkan lintasan pewarna yang memanjang dengan gradasi yang hampir sama dan
tidak menyebar ke kanan ataupun ke kiri.
Saran
Untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat ada beberapa hal yang disarankan untuk
diperbaiki, antara lain:
1. Pembuatan alat pengujian konduktivitas hidrolik yang disesuaikan dengan dimensi
segmen-segmen pada seepage tank supaya nilai konduktvitas hidrolik bisa diatur dari
awal percobaan bukan hanya menggunakan perkiraan.
2. Penambahan manometer di segmen paling bawah tangki sehingga penggamaran garis
ekipotensial pun tidak perlu coba-coba.
3. Penambahan manometer portable di kedua sisi baffle plate untuk membaca tekanan yang
terukur di tepat bagian muka hulu dan muka hilir baffle plate.
4. Perbaikan mekanisme pergerakan pipa pelimpah supaya lebih mudah digerakkan dan juga
tidak terjadi kebocoran saat pipa pelimpah dinaikturunkan untuk memodelkan kondisi
unsteady.
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
11
Universitas Indonesia
5. Penggunaan model pencemar yang memiliki nilai dispersivitas serta koefisien difusi yang
jelas.
6. Pembuatan rumus sederhana untuk menentukan hubungan antara ketinggian muka air di
hulu dan hilir serta nilai konduktivitas dalam kaitannya dengan penentuan debit pencemar
sehingga saat percobaan dilakukan tidak perlu lagi dilakukan pengaturan debit injeksi
pencemar secara coba-coba.
7. Penggunakan seepage tank yang tidak terlalu tebal yaitu lebar antara kaca depan dan
bagian belakang tangki (diberi pembatas di tengah tangki yang membagi dua bagian).
Karena untuk mendapatkan aliran pewarna yang lebih akurat maka injeksi pewarna harus
dilakukan pada bagian tengah dari tebal tangki tapi hal ini tidak bisa dilakukan karena
aliran pewarna tidak akan terlihat dari kaca depan tangki dikarenakan tebal tangki yang
mencapai 11 cm.
Daftar Referensi
Aji, Herlambang C (2012). Pemodelan Fisik Aliran Air dan Transpor Pencemar Pada Media
Berpori Jenuh Menggunakan Seepage Tank. Skripsi, Fakultas Teknik, Universitas
Indonesia, Depok.
Bedient, Philip B., Rifai, Hanadi S., & Newell, Charies J. (1994). Ground Water
Contamination. New Jersey: Prentice Hall
Craig, R.F. (1991).Mekanika Tanah (Budi Susilo S., Penerjemah).Jakarta:Penerbit Erlangga
Freeze, R. Allan & John A. Cherry (1979). Groundwater. New Jersey: Prentice Hall
Instruction Manual Drainage and Seepage tank (1995).Hampshire: Armfield, Ltd
Hertanti, Desy Rahayu (2012). Model Transpor Pencemar Air Tanah Dua Dimensi
Menggunakan Metode Beda Hingga Untuk Domain Spasial dan metode Runge-Kutta
Orde 4 Untu Domain Temporal. Skripsi, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok.
Pangestu, Triananda G (2012). Model Matematik Gerak Aliran Air Tanah Menggunakan
Penyelesaian Temporal Metode Numerik Runge-Kutta Orde 4. Skripsi, Fakultas Teknik,
Universitas Indonesia, Depok.
Pedoman Praktikum Mekanika Tanah Laboratorium Mekanika Tanah Departemen Teknik
Sipil, Universitas Indonesia
Terzaghi, Karl, Peck, R.B., & Mesri G. (1996).Soil Mechanics in Engineering Practice (3rd
ed.).New York:John Wiley & Sons, Inc.
Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013
top related