6

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Saluran Terbuka

2.1.1. Aliran Pada Saluran Terbuka

Aliran air dalam suatu saluran dapat berupa aliran saluran terbuka

(open channel flow) maupun aliran-pipa (pipe flow). Kedua jenis aliran

tersebut sama dalam banyak hal, namun berbeda dalam satu hal yang

penting. Aliran saluran terbuka harus memiliki permukaan bebas (Gambar

2.1), sedangkan aliran pipa tidak demikian, karena air harus mengisi

seluruh saluran (Gambar 2.2).

Garis persamaan

V1

V2Dasar saluran

Permukaan air

Garis energi

z2

y2

hf

V2²2g

z1

y1

V1²2g

1 2

Gambar 2.1 Aliran Saluran Terbuka

7

z1

z2

y1

V1²

Garis persamaan

y2

hf

V1

V2

Garis tengah pipa

Garis derajat hidrolik

Garis energi

1 2

2gV2²2g

Gambar 2.2 Aliran Pipa

Pada gambar 2.2 aliran pipa, dua tabung pizometer dipasangkan ke

pipa pada penampang 1 dan 2. Permukaan air dalam tabung diatur dengan

tekanan dalam pipa pada ketinggian yang disebut garis derajat hidrolik.

Tekanan yang ditimbulkan oleh air pada setiap penampang pipa

ditunjukkan dalam tabung yang bersesuaian dengan kolom air setinggi y

diatas garis tengah pipa. Jumlah energi dalam aliran di penampang

berdasarkan suatu garis persamaan adalah jumlah tinggi tempat z diukur

dari garis tengah pipa, tinggi tekan y dan tinggi kecepatan V2/2g, dengan V

adalah kecepatan rata-rata aliran. Energi ini dinyatakan dalam gambar

dengan suatu garis derajat energi atau disingkat garis energi. Energi yang

hilang ketika air mengalir dari penampang 1 ke penampang 2 dinyatakan

dengan hf. Bagan yang serupa untuk aliran saluran terbuka diperlihatkan

dalam gambar 2.1 aliran terbuka.

8

Energi yang terdapat pada aliran saluran terbuka dan aliran pipa

diatas dapat dinyatakan dalam persamaan yaitu :

f

21

11

21

11 hg2

Vyzg2

Vyz +++=++ pers (2.1)

Persamaan diatas dikenal juga sebagai persamaan energi (energi

equation) atau dapat disebut juga sebagai persamaan energi dari Bernoulli.

Aliran pada saluran terbuka dapat diklasifikasikan menjadi berbagai

tipe tergantung kriteria yang digunakan. Berdasarkan perubahan kedalaman

dan/atau kecepatan mengikuti fungsi waktu, maka aliran dibedakan

menjadi permanen (steady) dan tidak permanen (unsteady). Sedangkan

berdasarkan fungsi, maka aliran dibedakan menjadi aliran seragam

(uniform) dan tidak seragam/berubah (nonuniform or varied). Klasifikasi

aliran pada saluran terbuka dapat dilihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 Klasifikasi Aliran Pada Saluran Terbuka

Aliran (flow)

Aliran Permanen (steady)

Seragam (uniform)

Berubah (varied)

Seragam (uniform)

Berubah (varied)

Fungsi Waktu

Fungsi Ruang

Berubah Lambat Laun (gradually)

Berubah Tiba-Tiba (rapidly)

Berubah Lambat Laun (gradually)

Berubah Tiba-Tiba (rapidly)

Aliran tak Permanen (unsteady)

9

a. Aliran Permanen dan Tidak Permanen

Jika kecepatan aliran pada suatu titik tidak berubah terhadap

waktu, maka aliran disebut aliran permanen atau tunak (steady flow),

jika kecepatan pada suatu lokasi tertentu berubah terhadap waktu

maka alirannya disebut aliran tidak permanen atau tidak tunak

(unsteady flow).

b. Aliran Seragam dan Berubah

Jika kecepatan aliran pada suatu waktu tertentu tidak berubah

sepanjang saluran yang di tinjau, maka alirannya disebut aliran

seragam (uniform flow). Namun, jika kecepatan aliran pada saat

tertentu berubah terhadap jarak, maka aliran disebut aliran tidak

seragam/berubah (nonuniform flow or varied flow).

Berdasarkan laju perubahan kecepatan terhadap jarak, maka

aliran dapat diklasifikasikan menjadi aliran berubah lambat laun

(gradually varied flow) atau aliran berubah tiba-tiba (rapidly varied

flow).

c. Aliran Laminer dan Turbulen

Jika partikel zat cair yang bergerak mengikuti alur tertentu dan

aliran tampak seperti gerakan serat-serat atau lapisan-lapisan tipis

yang paralel, maka alirannya disebut aliran laminer. Sebaliknya, jika

partikel zat cair bergerak mengikuti alur yang tidak beraturan, baik

ditinjau terhadap ruang maupun waktu, maka alirannya disebut aliran

turbulen.

10

Faktor yang menentukan keadaan aliran adalah pengaruh

relatif antara kekentalan (viskositas) dan gaya inersia. Jika gaya

viskositas yang dominan, maka alirannya laminer, sedangkan jika

gaya inersia yang dominan, maka aliran turbulen. Nisbah antara gaya

kekentalan dan inersia dinyatakan dalam bilangan Reynold (Rey),

yang didefinisikan seperti rumus berikut :

vLVeyR ×

= pers (2.2)

dimana :

Rey = bilangan Reynold

V = kecepatan aliran (m/det),

L = panjang karakteristik (m) pada saluran muka air

bebas, L = R,

R = jari-jari hidrolik saluran (m),

v = kekentalan kinematik (m2/det).

Batas peralihan antara aliran laminer dan turbulen pada aliran

bebas terjadi pada bilangan Reynold, Rey ± 600, yang dihitung

berdasarkan jari-jari hidrolik sebagai panjang karakteristik. Dalam

kehidupan sehari-hari, aliran laminer pada saluran terbuka sangat

jarang ditemui. Aliran jenis ini mungkin dapat terjadi pada aliran

yang kedalaman sangat tipis diatas permukaan gelas sangat halus

dengan kecepatan yang sangat kecil.

11

d. Aliran Subkritis, Kritis dan Superkritis

Aliran dikatakan kritis (Fr = 1) apabila kecepatan aliran sama

dengan kecepatan gelombang gravitasi dengan amplitudo kecil.

Gelombang gravitasi dapat dibangkitkan dengan merubah kedalaman.

Jika kecepatan aliran lebih kecil dari pada kecepatan kritis, maka

alirannya disebut subkritis (Fr < 1), sedangkan jika kecepatannya

alirannya lebih besar dari pada kecepatan kritis, maka alirannya

disebut superkritis (Fr > 1).

Parameter yang menentukan ketiga jenis aliran tersebut adalah

nisbah antara gaya gravitasi dan gaya inersia, yang dinyatakan dengan

bilangan Froude (Fr). Bilangan Froude untuk saluran berbentuk

persegi didefinisikan sebagai :

hgVFr×

= pers (2.3)

dimana :

Fr = bilangan Froude

V = kecepatan aliran (m/dt),

h = kedalaman aliran (m),

g = percepatan gravitasi (m2/dt).

12

2.1.2. Aliran Permanen Seragam

a. Kualifikasi Aliran Seragam

Aliran seragam (uniform flow) dianggap memiliki ciri-ciri

pokok yaitu :

1. Kedalaman, luas basah, kecepatan dan debit pada setiap

penampang pada bagian seluran yang lurus adalah konstan,

2. Garis energi, muka air dan dasar saluran saling sejajar, berarti

kemiringannya sama atau Sf = Sw = So = S.

Aliran seragam dianggap sebagai suatu aliran permanen

(steady flow). Aliran dalam saluran terbuka dikatakan permanen

(steady) bila kedalaman aliran tidak berubah atau dianggap konstan

selama suatu selang waktu tertentu.

Bila air mengalir dalam saluran terbuka, air akan mengalami

hambatan saat mengalir ke hilir. Hambatan ini biasanya dilawan oleh

komponen gaya berat yang bekerja dalam air dalam arah geraknya.

Aliran seragam akan terjadi bila hambatan ini seimbang dengan gaya

berat. Besarnya tahanan bila faktor-faktor lain dari saluran dianggap

tidak berubah, tergantung pada kecepatan aliran. Bila air memasuki

saluran secara perlahan, kecepatan mengecil dan oleh karenanya

hambatannya juga mengecil, dan hambatan lebih kecil dari gaya berat

sehingga terjadi aliran percepatan di bagian yang lurus disebelah

hulu.

13

Kecepatan dan hambatan akan meningkatkan lambat laun

sampai terjadi keseimbangan antara hambatan dengan gaya-gaya

berat. Pada keadaan ini dan selanjutnya aliran menjadi seragam.

Bagian lurus di hulu yang diperlukan untuk membentuk aliran

seragam dikenal sebagai zona peralihan (transitory zone). Dalam zona

ini aliran dipercepat dan berubah. Bila saluran lebih pendek daripada

panjang peralihan yang diperlukan untuk kondisi yang ditetapkan,

maka tidak dapat terjadi aliran seragam. Pada bagian hilir saluran,

hambatan mungkin akan terjadi lebih kecil dari gaya berat, sehingga

aliran menjadi tidak seragam lagi atau berubah.

Untuk menjelaskan hal ini, diperlihatkan suatu saluran

panjang dengan tiga jenis kemiringan; subkritis, kritis dan superkritis

(Gambar 2.4). Pada kemiringan subkritis (Gambar 2.4.(a)) permukaan

air di zona peralihan tampak bergelombang. Aliran dibagian tengah

saluran bersifat seragam namum kedua ujungnya bersifat berubah.

Pada kemiringan kritis (Gambar 2.4.(b)) permukaan air dari aliran

kritis ini tidak stabil. Dibagian tengah dapat terjadi gelombang tetapi

kedalaman rata-ratanya konstan dan alirannya dapat dianggap

seragam. Pada kemiringan subkritis (Gambar 2.4.(c)) permukaan air

beralih dari keadaan subkritis menjadi superkritis setelah melalui

terjunan hidrolik lambat laun. Di hilir zona peralihan aliran mendekati

seragam. Kedalaman aliran seragam disebut kedalaman normal

(normal depth). Pada gambar 2.4 tersebut, garis panjang terputus-

putus menyatakan garis kedalaman normal, disingkat dengan G.K.N.,

14

dan garis pendek terputus-putus atau garis titik-titik menyatakan garis

kedalaman kritis atau G.K.K.

Aliran BerubahZona Peralihan

Aliran Seragam Aliran BerubahZona Peralihan

Aliran BerubahZona Peralihan

Dapat dianggap Aliran Seragam

G.K.N

G.K.K

G.K.N & G.K.K

G.K.K

G.K.N

Aliran BerubahZona Peralihan

Aliran Seragam

Kemiringan subkritis So < Sc

Kemiringan kritis So = Sc

Kemiringan superkritis So > Sc

Gambar 2.4. Pembentukan Aliran Seragam Pada Saluran

(a)

(b)

(c)

15

b. Kecepatan Rata-Rata Aliran Seragam

Untuk perhitungan hidrolika, kecepatan rata-rata aliran

seragam dalam saluran terbuka biasanya dinyatakan dengan perkiraan

yang dikenal dengan rumus aliran seragam (uniform flow formula).

Sebagian besar rumus-rumus aliran seragam dapat dinyatakan dalam

bentuk umum sebagai berikut :

V = C Rx Sy pers (2.4)

dimana :

V = kecepatan rata-rata (m/det),

C = faktor tahanan aliran yang bervariasi menurut kekasaran

saluran, kekentalan dan berbagai faktor lainnya,

R = jari-jari hidrolik (m),

S = kemiringan energi/saluran,

x,y = eksponen.

Rumus aliran seragam yang baik untuk saluran aluvial dengan

pengangkutan dan aliran turbulen harus memperhitungkan semua

besaran-besaran berikut ini :

• Luas basah (A)

• Kecepatan rata-rata (V)

• Kecepatan permukaan yang maksimum (Vmaks)

• Keliling basah (P)

• Jari-jari hidrolis (R)

• Kedalaman luas basah maksimum (y)

16

• Kemiringan muka air (Sw)

• Koefisien yang menyatakan kekasaran saluran (n)

• Muatan sedimen yang melayang (Qs)

• Muatan dasar (Qb)

Banyak sekali rumus-rumus praktis mengenai aliran seragam

yang telah dibuat dan dipublikasikan tetapi tidak satupun dari rumus-

rumus tersebut memenuhi persyaratan rumus yang baik. Rumus yang

paling terkenal dan banyak dipakai adalah rumus Manning.

c. Rumus Manning

Pada tahun 1889 seorang insinyur Irlandia, Robert Manning

mengemukakan sebuah rumus yang akhirnya diperbaiki menjadi

rumus yang sangat dikenal sebagai.

21

32

SRn1V = pers (2.5)

dimana :

V = kecepatan rata-rata (m/dt),

R = jari-jari hidrolik (m),

S = kemiringan saluran,

n = kekasaran dari Manning.

Rumus ini dikembangkan dari tujuh rumus yang berbeda,

berdasarkan data percobaan Bazin yang selanjutnya dicocokkan

dengan 170 percobaan. Akibat sederhananya rumus ini dan hasilnya

yang memuaskan dalam pemakaian praktis, rumus Manning menjadi

sangat banyak dipakai dibandingkan dengan rumus aliran seragam

17

lainnya untuk menghitung aliran saluran terbuka. Nilai-nilai n dari

Manning dapat dilihat pada Lampiran A.

2.2. Irigasi

Irigasi adalah suatu usaha penyediaan dan pengaturan air untuk menunjang

pertanian, baik air permukaan (berasal dari saluran irigasi) maupun air tanah.

Irigasi bertujuan untuk membantu para petani dalam mengolah lahan pertaniannya,

terutama bagi para petani di pedesaan yang sering kekurangan air.

2.2.1. Saluran Irigasi

Saluran irigasi adalah saluran yang membawa atau mengalirkan air

ke daerah irigasi. Saluran irigasi utama terbagi atas 3 jenis yaitu :

a. Saluran primer

Saluran primer adalah saluran yang membawa air dari jaringan

utama ke saluran sekunder dan ke petak-petak tersier yang diairi. Petak

tersier adalah kumpulan petak-petak kuarter, petak kuarter memiliki

luas kurang lebih 8-15 ha. Sedangkan petak tersier memiliki luas antara

50-150 ha.

b. Saluran sekunder

Saluran sekunder adalah saluran yang membawa air dari saluran

primer ke petak-petak tersier yang dilayani oleh saluran sekunder

tersebut.

18

c. Saluran tersier

Saluran tersier adalah saluran yang membawa air dari bangunan

sadap tersier dari jaringan utama ke dalam petak tersier saluran kuarter.

Saluran kuarter membawa air dari boks bagi kuarter melalui bangunan

sadap tersier atau parit sawah ke sawah-sawah.

2.2.2. Kebutuhan Air Irigasi

Analisis kebutuhan air irigasi merupakan salah satu tahap penting

yang diperlukan dalam perencanaan dan pengelolaan sistem irigasi.

Kebutuhan air tanaman didefinisikan sebagai jumlah air yang dibutuhkan

oleh tanaman pada suatu periode untuk dapat tumbuh dan produksi secara

normal. Kebutuhan air nyata untuk areal usaha pertanian meliputi

evapotranspirasi (ET), sejumlah air yang dibutuhkan untuk pengoperasian

secara khusus seperti penyiapan lahan dan penggantian air, serta kehilangan

selama pemakaian. Sehingga kebutuhan air dapat dirumuskan sebagai

berikut (Sudjarwadi 1990):

KAI = ET + KA + KK pers (2.6)

dimana :

KAI = kebutuhan air irigasi

ET = evapotranspirasi

KA = kehilangan air

KK = kebutuhan khusus

Untuk memenuhi kebutuhan air irigasi terdapat dua sumber utama.

yaitu pemberian air irigasi (PAI) dan hujan efektif (HE). Disamping itu

19

terdapat sumber lain yang dapat dimanfaatkan adalah kelengasan yang ada

di daerah perakaran serta kontribusi air bawah permukaan. Pemberian Air

Irigasi dapat dipandang sebagai kebutuhan air dikurangi hujan efektif dan

sumbangan air tanah.

PAI = KAI -HE – KAT pers (2.7)

dimana :

PAI = pemberian air irigasi

KAI = kebutuhan air

HE = hujan efektif

KAT = kontribusi air tanah

2.2.3. Kebutuhan Air Sawah Untuk Padi

Kebutuhan air di sawah untuk padi ditentukan oleh faktor-faktor

berikut :

1. Penyiapan lahan

2. Penggunaan konsumtif

3. Perkolasi dan rembesan

4. Pergantian lapisan air

5. Curah hujan efektif

Kebutuhan total air di sawah (GFR) mencakup faktor 1 sampai 4.

Kebutuhan bersih air di sawah (NFR) juga memperhitungkan curah hujan

efektif. Kebutuhan air di sawah dinyatakan dalam mm/hari atau l/dt.ha.

Tidak disediakan kelonggaran untuk efisiensi irigasi di jaringan tersier dan

20

utama. Efisiensi juga dicakup dalam memperhitungkan kebutuhan

pengambilan irigasi (m3/dt).

1. Penyiapan Lahan Untuk Padi

Kebutuhan air untuk penyiapan lahan umumnya menentukan

kebutuhan maksimum air irigasi pada suatu proyek irigasi. Faktor-

faktor penting yang menentukan besarnya kebutuhan air untuk

penyiapan lahan adalah:

a. Lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan pekerjaan

penyiapan lahan.

Faktor-faktor penting yang menentukan lamanya jangka

waktu penyiapan lahan adalah:

- Tersedianya tenaga kerja dan ternak penghela atau traktor

untuk menggarap tanah,

- Perlu memperpendek jangka waktu tersebut agar tersedia

cukup waktu untuk menanam padi sawah atau padi ladang

kedua.

Faktor-faktor tersebut saling berkaitan. Kondisi sosial

budaya yang ada di daerah penanaman padi akan mempengaruhi

lamanya waktu yang diperlukan untuk penyiapan lahan. Untuk

daerah-daerah proyek baru, jangka waktu penyiapan lahan akan

ditetapkan berdasarkan kebiasaan yang berlaku di daerah-daerah di

dekatnya. Sebagai pedoman diambil jangka waktu 1,5 bulan untuk

menyelesaikan penyiapan lahan di seluruh petak tersier.

21

Bilamana untuk penyiapan lahan diperkirakan akan dipakai

peralatan mesin secara luas, maka jangka waktu penyiapan lahan

akan diambil satu bulan. Perlu diingat bahwa transplantasi

(pemindahan bibit ke sawah) mungkin sudah dimulai setelah 3

sampai 4 minggu di beberapa bagian petak tersier dimana

pengolahan lahan sudah selesai.

b. Jumlah air yang diperlukan untuk penyiapan lahan.

Pada umumnya jumlah air yang dibutuhkan untuk penyiapan

lahan dapat ditentukan berdasarkan kedalaman serta porositas tanah

di sawah. Rumus berikut dipakai untuk memperkirakan kebutuhan

air untuk penyiapan lahan:

( )FlPd

10

dNS-SPWR 4

ba ++⋅

= pers (2.8)

dimana :

PWR = kebutuhan air untuk penyiapan lahan (mm),

Sa = derajat kejenuhan tanah setelah penyiapan lahan

dimulai (%),

Sb = derajat kejenuhan tanah sebelum penyiapan lahan

dimulai (%),

N = porositas tanah dalam % pada harga rata-rata untuk

kedalaman tanah

d = asumsi kedalaman tanah setelah pekerjaan penyiapan

lahan (mm),

22

Pd = kedalaman genangan setelah pekerjaan penyiapan

lahan (mm),

Fl = kehilangan air di sawah selama 1 hari (mm).

Untuk tanah bertekstur berat tanpa retak-retak kebutuhan air

untuk penyiapan lahan diambil 200 mm ini termasuk air untuk

penjenuhan dan pengolahan tanah. Pada permulaan transplantasi

tidak akan ada lapisan air yang tersisa di sawah. Setelah

transplantasi selesai, lapisan air di sawah akan ditambah 50 mm.

secara keseluruhan, ini berarti bahwa lapisan air yang diperlukan

akan menjadi 250 mm untuk penyiapan lahan dan untuk lapisan air

awal setelah transplantasi selesai.

Bila lahan telah dibiarkan bera selama jangka waktu yang

lama (2,5 bulan atau lebih), maka lapisan air yang diperlukan untuk

penyiapan lahan diambil 300 mm, termasuk yang 50 mm untuk

penggenangan setelah transplantasi.

c. Kebutuhan air selama penyiapan lahan.

Untuk perhitungan kebutuhan irigasi selama penyiapan

lahan, digunakan metode yang dikembangkan oleh van de Goor dan

Zijlstra (1968). Metode tersebut didasarkan pada laju air konstan

dalam 1/dt selama periode penyiapan lahan dan menghasilkan

rumus berikut:

( )1eeMIR k

k

−= pers (2.9)

23

dimana :

IR = kebutuhan air irigasi di tingkat persawahan (mm/hari),

M = kebutuhan air untuk mengganti/mengkompensari

kehilangan air akibat evaporasi dan perkolasi di sawah

yang sudah dijenuhkan M = Eo + p (mm/hari),

Eo = evaporasi air terbuka yang diambil 1,1 ETo selama

penyiapan lahan (mm/hari),

p = perkolasi (mm/hari),

k = s

tM× ,

t = jangka waktu penyiapan lahan (hari),

s = kebutuhan air, untuk penjenuhan ditambah dengan

lapisan air 50 mm, mm yakni 200 + 50 = 250 mm

seperti yang sudah diterangkan di atas (mm),

e = bilangan eksponensial : 2,7182.

2. Penggunaan Konsumtif

Penggunaan air untuk kebutuhan tanaman dapat didekati dengan

menghitung evapotranspirasi tanaman, yang besarnya dipengaruhi oleh

jenis tanaman, umur tanaman dan faktor klimatologi. Nilai

evapotranspirasi merupakan jumlah dari evaporasi dan transpirasi.

Yang dimaksud dengan evaporasi adalah proses perubahan molekul air

di permukaan menjadi molekul air di atmosfir. Sedangkan transpirasi

adalah proses fisiologis alamiah pada tanaman, dimana air yang dihisap

24

oleh akar diteruskan lewat tubuh tanaman dan diuapkan kembali

melalui pucuk daun.

Nilai evapotranspirasi dapat diperoleh dengan pengukuran di

lapangan atau dengan rumus-rumus empiris. Untuk keperluan

perhitungan kebutuhan air irigasi dibutuhkan nilai evapotranspirasi

potensial (ETo) yaitu evapotranspirasi yang terjadi apabila tersedia

cukup air. Kebutuhan air untuk tanaman adalah nilai ETo dikalikan

dengan suatu koefisien tanaman.

ETc = c x ETo pers (2.10)

dimana :

ETc = evapotranspirasi tanaman (mm/hari),

ETo = evapotranspirasi tanaman acuan (mm/hari),

c = koefisien tanaman.

Kebutuhan air konsumtif ini dipengaruhi oleh jenis dan usia

tanaman (tingkat pertumbuhan tanaman). Pada saat tanaman mulai

tumbuh, nilai kebutuhan air konsumtif meningkat sesuai

pertumbuhannya dan mencapai maksimum pada saat pertumbuhan

vegetasi maksimum. Setelah mencapai maksimum dan berlangsung

beberapa saat menurut jenis tanaman, nilai kebutuhan air konsumtif

akan menurun sejalan dengan pematangan biji. Pengaruh watak

tanaman terhadap kebutuhan tersebut dengan faktor tanaman (c).

Nilai koefisien pertumbuhan tanaman ini tergantung jenis

tanaman yang ditanam. Untuk tanaman jenis yang sama juga berbeda

menurut varietasnya. Sebagai contoh padi dengan varietas unggul masa

25

tumbuhnya lebih pendek dari padi varietas biasa. Pada Tabel 2.1

disajikan harga-harga koefisien tanaman padi dengan varietas unggul

dan varitas biasa menurut Nedeco/Prosida dan FAO.

Tabel 2.1 Harga-Harga Koefisien1) Tanaman Padi

Nedeco/Prosida FAO Bulan Varietas2)

biasa Varietas3)

unggul Varietas

biasa Varietas unggul

0,5 1,20 1,20 1,10 1,10 1 1,20 1,27 1,10 1,10

1,5 1,32 1,33 1,10 1,05 2 1,40 1,30 1,10 1,05

2,5 1,35 1,30 1,10 0,95 3 1,24 0 1,05 0

3,5 1,12 0,95 4 04) 0

Sumber: Dirjen Pengairan, Bina Program PSA 010, 1985

1) Harga-harga koefisien ini akan dipakai dengan rumus

evapotranspirasi Penman yang sudah dimodifikasi, dengan

menggunakan metode yang diperkenalkan oleh Nedeco/Prosida atau

FAO,

2) Varietas padi biasa adalah varietas padi yang mana tumbuhnya

lama,

3) Varietas unggul adalah varietas padi yang jangka waktu tumbuhnya

pendek,

4) Selama setengah bulan terakhir pemberian air irigasi ke sawah

dihentikan; kemudian keofisien tanaman diambil “nol” dan padi

akan menjadi masak dengan air yang tersedia

26

Yang dimaksud ETo, adalah evapotranspirasi tetapan yaitu laju

evaportranspirasi dari suatu permukaan luas tanaman rumput hijau

setinggi 8 sampai 15 cm yang menutup tanah dengan ketinggian

seragam dan seluruh permukaan teduh tanpa suatu bagian yang

menerima sinar secara langsung serta rumput masih tumbuh aktif tanpa

kekurangan air. Evapotranspirasi tetapan disebut juga dengan

evapotranspirasi referensi/keluar. Terdapat beberapa cara untuk

menentukan evapotranspirasi tetapan, salah satunya seperti yang

diusulkan oleh Kriteria Perencanaan Irigasi 1986 sebagai berikut :

ETo = Kp . Epan pers (2.11)

dimana :

ETo = Evaporasi tetapan/tanaman acuan (mm/hari),

Epan = Pembacaan panci Evaporasi,

Kp = koefisien panci.

3. Perkolasi

Laju perkolasi sangat bergantung kepada sifat-sifat tanah. Pada

tanah-tanah lempung berat dengan karakteristik pengolahan (puddling)

yang baik, laju perkolasi dapat mencapai 1-3 mm/hari. Pada tanah-

tanah yang lebih ringan; laju perkolasi bisa lebih tinggi

Dari hasil-hasil penyelidikan tanah pertanian dan penyelidikan

kelulusan, besarnya laju perkolasi serta tingkat kecocokan tanah untuk

pengelohanan tanah dapat diterapkan dan dianjurkan pemakaiannya.

Guna menentukan laju perkolasi, tinggai muka air tanah juga harus di

27

perhitungkan. Perembesan terjadi akibat meresapnya air melalui

tanggul sawah.

4. Penggantian Lapisan Air

Setelah pemupukan, usahakan untuk menjadwalkan dan

menganti lapisan air menurut kebutuhan. Jika tidak ada penjadwalan

semacam itu, lakukan penggantian sebanyak 2 kali, masing-masing 50

mm (3,3 mm/hari selama setengah bulan) selama sebulan dan 2 bulan

setelah transplantasi.

5. Curah Hujan Efektif

Untuk irigasi padi curah hujan efektif bulanan diambil 70% dari

curah hujan minimum tengah-bulanan dengan periode ulang 5 tahun.

5)bulansetengah(R1517,0Re ××= pers (2.12)

dimana :

Re = curah hujan efektif (mm/hari),

R(setengah bulan)5 = curah hujan minimum tengah bulanan

dengan periode ulang 5 tahun/mm.

Di daerah-daerah yang besar dimana tersedia data-data curah

hujan harian, harus dipertimbangkan untuk diadakan studi simulasi

untuk menghasilkan criteria yang lebih terinci.

2.2.4. Kebutuhan Air Sawah Untuk Tanaman Selain Padi

Tanaman selain padi yang dibudidayakan oleh petani pada

umumnya berupa palawija. Yang dimaksudkan dengan palawija adalah

28

berbagai jenis tanaman yang dapat ditanam di sawah pada musim kemarau

ataupun pada saat kekurangan air. Lazimya tanaman palawija ditanam di

lahan tegalan.

Dari jumlah air yang dibutuhkan, palawija dapat dibedakan menjadi

3 (tiga) jenis, yaitu.

a) palawija yang butuh banyak air, seperti bawang, kacang tanah, ketela,

b) palawija yang butuh sedikit air, misalnya cabai, jagung, tembakau dan

kedelai,

c) palawija yang membutuhkan sangat sedikit air, misalnya ketimun dan

lembayung.

Maksud analisis kebutuhan air untuk tanaman palawija terutama

untuk mengetahui luas lahan yang direncanakan untuk tanaman padi

maupun palawija berkaitan dengan ketersedian air pada bangunan

pengambilan sehingga kegagalan usaha pertanian dapat dihindari. Dengan

kata lain hitungan kebutuhan air untuk palawija digunakan sebagai dasar

untuk melakukan usaha pertanian sesuai dengan jumlah air yang tersedia.

Pemberian air untuk palawija akan ekonomis jika sampai kapasitas

lapang, lalu berhenti dan diberikan lagi sampai sebelum mencapai titik

layu. Analisis kebutuhan air untuk tanaman palawija dihitung seperti untuk

tanaman padi, namun ada dua hal yang membedakan, yaitu pada tanaman

palawija tidak memerlukan genangan serta koefisien tanaman yang

digunakan sesuai dengan jenis palawija yang ditanam.

29

a. Penyiapan Lahan

Masa prairigasi diperlukan guna menggarap lahan untuk

ditanami dan untuk menciptakan kondisi kelembaban yang memadai

untuk persemaian tanaman. Jumlah air yang dibutuhkan tergantung

pada kondisi tanah dan pola tanam yang diterapkan. Kriteria

Perencanaan Irigasi mengusulkan air untuk pengolahan lahan sejumlah

50 -120 mm untuk tanaman ladang dan 100 -120 mm untuk tanaman

tebu, kecuali jika terdapat kondisi-kondisi khusus misalnya ada

tanaman lain yang segera ditanam setelah tanaman padi

b. Penggunaan Konsumtif

Untuk menentukan penggunaan konsumtif cara yang digunakan

seperti pada tanaman padi hanya koefisien tanaman yang berbeda. Nilai

koefisien beberapa jenis tanaman yang direkomendasikan oleh Kriteria

Perencanaan Irigasi seperti terlihat pada Tabel 2.2. Sedangkan nilai

koefisien tanaman tebu diperlihatkan pada Tabel 2.3.

30

Tabel 2.2 Harga-Harga Koefisien Tanaman Untuk Beberapa Palawija

Setengah Koefisien Tanaman

bulan ke Kedelai Jagung Kac.Tanah Bawang Buncis Kapas

1 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50

2 0,75 0,59 0,51 0,51 0,64 0,50

3 1,00 0,96 0,66 0,69 0,89 0,58

4 1,00 1,05 0,85 0,90 0,95 0,75

5 0,82 1,02 0,95 0,95 0,88 0,91

6 0,45 0,95 0,95 - - 1,04

7 - - 0,55 - - 1,05

8 - - 0,55 - - 1,05

9 - - - - - 1,05

10 - - - - - 0,78

11 - - - - - 0,65

12 - - - - - 0,65

13 - - - - - 0,65

Sumber : Kriteria Perencanaan Irigasi, KP-01

Tabel 2.3 Harga-Harga Koefisien Tanaman Untuk Tebu

Umur Tanaman RH < 70% min RH < 20% Min

12 bulan 24 bulan

Tahap Pertumbuhan

Angin kecil s/d sedang

Angin kencang

Angin kecil s/d sedang

Angin kencang

0 -1 0 -2,5 saat tanam sd 0,25 rimbun 0,55 0,6 0,4 0,45

1-2 2,5 -3,5 0,25 -0,5 rimbun 0,8 0,85 0,75 0,8

2 -2,5 3,5 -4,5 0,5 -0,75 rimbun 0,9 0,95 0,95 1,0

2,5 -4 4,5 -6 0,75 – rimbun 1,0 1,1 1,1 1,2

4 -10 6 -17 Penggunaan air puncak 1,05 1,15 1,25 1,3

10 -11 17 -22 Awal berbunga 0,8 0,85 0,95 1,05

11 -12 22 -24 Menjadi masak 0,6 0,65 0,7 0,75

Sumber : Kriteria Perencanaan Irigasi, KP – 01

31

2.2.5. Debit Rencana

Debit rencana adalah debit yang akan digunakan sebagai debit

saluran dalam perancangan saluran. Besaran debit rencana dipengaruhi oleh

kebutuhan bersih air sawah, luas area yang diairi dan efisiensi irigasi

saluran. Debit rencana sebuah saluran dihitung dengan rumus umum

sebagai berikut :

EA NFR

Q petakrencana = pers (2.13)

EQ

Q petakrencana = pers (2.14)

dimana :

Qrencana = debit rencana (l/dt),

Qpetak = debit petak (l/dt),

NFR = kebutuhan bersih (netto) air sawah (m.l/t.ha),

Apetak = luas daerah yang diairi (ha),

E = efisiensi saluran.

a. Kebutuhan air di sawah

Kebutuhan air di sawah ditentukan oleh faktor-faktor berikut:

• Cara penyiapan lahan,

• Kebutuhan air untuk tanam,

• Perkolasi dan rembesan,

• Pergantian lapisan air,

• Curah hujan efektif.

32

Kebutuhan total air di sawah (GFR) mencakup faktor 1 sampai

4. Kebutuhan bersih (netto) air di sawah (NFR) juga memperhitungkan

curah hujan efektif. Besarnya kebutuhan air di sawah bervariasi

menurut tahap dan pertumbuhan tanaman dan bergantung kepada cara

pengolahan lahan. Besarnya kebutuhan air di sawah dinyatakan dalam

mm/hari.

b. Efisiensi

Untuk tujuan-tujuan perencanaan, dianggap bahwa seperempat

sampai sepertiga dari jumlah air yang diambil akan hilang sebelum air

itu sampai di sawah. Kehilangan air disebabkan oleh kegiatan

eksploitasi, evaporasi, dan perembesan.

Pada umumnya kehilangan air di jaringan irigasi dapat dibagi-

bagi sebagai berikut :

• 15 - 22,5% dipetak tersier, antara bangunan sadap tersier dan

sawah,

• 7,5 – 12,5% di saluran sekunder,

• 7,5 – 12,5% di saluran primer.

2.3. Perancangan Saluran Untuk Aliran Seragam

2.3.1. Geometri Saluran

Penampang saluran terbagi atas dua, yang pertama adalah

penampang saluran alam dan kedua adalah saluran penampang buatan.

Penampang saluran alam umumnya sangat tidak beraturan, biasanya

33

bervariasi dari bentuk seperti parabola sampai trapesium. Sedangkan

penampang saluran buatan biasanya di rancang berdasarkan geometris yang

umum seperti persegi panjang, trapesium, segitiga, lingkaran, parabola,

persegi panjang sisi dibulatkan dan segitiga dasar dibulatkan.

Penampang yang paling umum digunakan adalah penampang yang

berbentuk trapesium, sebab penampang ini mempunyai stabilitas

kemiringan dinding yang dapat disesuaikan untuk saluran pasangan

ataupun saluran tanpa pasangan (tanah). Dibawah ini adalah unsur-unsur

geometris untuk penampang saluran berbentuk trapesium.

y

w

bP

1z

T

Gambar 2.5 Unsur geometris penampang saluran berbentuk trapesium

Q = AV× pers (2.15)

Q = ASRn1 2

13

2 pers (2.16)

A = ( b + zy ) y pers (2.17)

P = b + 2y 2z1+ pers (2.18)

R = PA =

2z1y2by)zyb(++

+ pers (2.19)

T = b + 2zy pers (2.20)

34

D = TA =

zy2by)zyb(

++ pers (2.21)

Z = T

A 5,1

= [ ]zy2by)zyb( 5,1

++ pers (2.22)

dimana :

Q = debit saluran (m3/det),

V = kecepatan rata-rata (m/det),

A = luas penampang melintang (m2),

P = keliling basah (m),

R = jari-jari hidrolik (m),

T = lebar puncak (m),

D = kedalaman hidrolik (m),

Z = faktor penampang,

b = lebar dasar (m),

y = tinggi air/tinggi saluran (m)

z = kemiringan talut,

w = tinggi jagaan (m).

2.3.2. Saluran Tahan Erosi

Sebagian besar saluran yang diberi lapisan dan saluran yang bahan-

bahannya merupakan hasil rakitan pabrik dapat menahan erosi dengan baik,

sehingga dianggap tahan erosi (nonerodible). Saluran tanpa lapisan

biasanya peka erosi, kecuali digali pada dasar yang keras misalnya dasar

yang terbuat dari batu. Dalam merancang saluran tahan erosi, faktor-faktor

35

seperti kecepatan maksimum yang diizinkan dan gaya tarik yang diizinkan

tidak perlu dipertimbangkan. Perancang cukup menghitung ukuran-ukuran

saluran dengan rumus aliran seragam, kemudian memutuskan ukuran akhir

berdasarkan efisiensi hidrolika, atau hukum pendekatan untuk penampang

terbaik, praktis dan ekonomis.

Faktor-faktor yang harus dipertimbangkan dalam perancangan

adalah jenis bahan yang membentuk tubuh saluran; yang menentukan

koefisien kekasaran; kecepatan minimum yang diizinkan untuk mencegah

pengendapan bila air mengangkut lanau (silt) atau serpihan kasar lainnya;

kemiringan dasar saluran dan kemiringan dinding; jagaan (freeboard); dan

penampang yang paling efisien, ditentukan secara hidrolika maupun secara

pendekatan.

2.3.3. Kecepatan Maksimum yang Diizinkan

Kecepatan maksimum yand diizinkan adalah kecepatan aliran (rata-

rata) maksimum yang tidak akan menyebabkan erosi/gerusan terhadap

permukaan saluran. Kecepatan-kecepatan maksimum berikut ini dianjurkan

pemakaiannya dapat dilihat pada tabel 2.4 dibawah ini.

Tabel 2.4 Kecepatan Maksimum yang Diizinkan

Pasangan Kecepatan Maksimum (m/dt)

Pasangan batu 2 Pasangan beton 3

Pasangan Tanah Dapat dilihat pada Lampiran B

Sumber : Standar Perencanaan Irigasi : KP-03

36

2.3.4. Kecepatan Minimum yang Diizinkan

Kecepatan minimum yang diizinkan atau kecepatan tanpa

pengendapan merupakan kecepatan terendah yang tidak menimbulkan

sedimentasi dan mendorong pertumbuhan tanaman air dan ganggang.

Kecepatan ini sangat tidak menentu dan nilainya yang tepat tidak dapat

ditentukan dengan mudah. Bagi air yang tidak mengandung lanau, hal ini

tidak membawa pengaruh besar kecuali terhadap pertumbuhan tanaman.

Umumnya dapat dikatakan bahwa kecepatan rata-rata 0,5 m/dt sampai 1

m/dt dapat digunakan bila persentase lanau ditunjukkan dalam saluran kecil

dari 0,75 m/dt dapat mencegah pertumbuhan tanaman air yang dapat

mengurangi kapasitas saluran tersebut.

2.3.5. Kemiringan Saluran

Kemiringan memanjang dasar saluran biasanya diatur oleh

keadaaan topografi dan tinggi energi yang diperlukan untuk mengalirkan

air. Dalam berbagai hal, kemiringan ini dapat pula tergantung pada

kegunaan saluran. Misalnya saluran yang digunakan sebagai distribusi air

seperti yang dipakai dalam irigasi, persediaan air minum, penambangan

hidrolika dan proyek pembangkit dengan tenaga air, memerlukan taraf yang

tinggi pada titik penghantar, sebab itu diusahakan kemiringan yang sekecil-

kecilnya untuk menjaga agar kehilangan tinggi tekan akan sekecil-kecilnya.

Kemiringan dinding saluran terutama tergantung pada jenis bahannya.

Tabel 2.5 memuat kemiringan yang dapat dipakai untuk berbagai jenis

bahan.

37

Tabel 2.5 Kemiringan Dinding Saluran

Bahan Kemiringan dinding Batu Hampir tegak lurus Tanah gambut (peat), rawang (muck) 1 : ¼ Lempung teguh atau tanah berlapis beton 1 : ½ sampai 1 : 1 Tanah berlapis batu, atau tanah bagi saluran yang lebar 1 : 1

Lempung kaku atau tanah bagi parit kecil 1 : 1½ Tanah berpasir lepas 1 : 2 Lempung berpasir atau lempung berpori 1 : 3

Sumber : Open-Channel Hydraulics(Chow, Ven Te)

2.3.6. Tinggi Jagaan

Tinggi jagaan suatu saluran adalah jarak vertikal dari puncak

saluran ke permukaan air pada kondisi rancang. Jarak ini harus cukup

mencegah gelombang atau kenaikan muka air yang melimpah ke tepi.

Tinggi jagaan minimum dapat dilihat pada tabel 2.6.

Tabel 2.6 Tinggi Jagaan

Debit (m3/dt)

Tinggi Jagaan (m)

< 0,5 0,40 0,5 – 1,5 0,50 1,5 – 5,0 0,60 5,0 – 10,0 0,75 10,0 – 15,0 0,85

> 15,0 1,00 Sumber : Standar Perencanaan Irigasi : KP-03

2.3.7. Penampang Hidrolik Terbaik

Telah diketahui bahwa hantaran suatu penampang saluran akan

meningkat sesuai dengan peningkatan jari-jari hidrolik atau berkurangnya

keliling basah. Dari segi pandangan hidrolika maka penampang saluran

38

yang memiliki basah terkecil akan memiliki hantaran maksimum;

penampang seperti ini disebut penampang hidrolik terbaik.

Penampang hidrolik terbaik juga dapat diartikan sebagai

penampang saluran yang dapat melewatkan debit maksimum untuk luas

penampang basah, kekasaran dan kemiringan dasar tertentu. Berdasarkan

persamaan kontinuitas, tampak jelas bahwa untuk luas penampang

melintang tetap, debit maksimum dicapai jika kecepatan aliran maksimum.

Dari rumus Manning dapat dilihat bahwa untuk kemiringan saluran

dan kekasaran tetap, kecepatan maksimum dicapai jika jari-jari hidrolik (R)

maksimum. Selanjutnya, untuk luas penampang tetap, jari-jari hidrolik

maksimum jika keliling basah (P) minimum.

Dari penjelasan rumus Manning diatas, persamaan dapat ditulis

A = min maka R = max → PA bilamana P → minimum

Dari hal tersebut dapat ditunjukkan bahwa persoalannya ekivalen

dengan melakukan minimizing untuk suatu harga A yang konstan.

A = ( b + zy ) y pers (2.17)

= by + zy2 pers (2.23)

P = b + 2y 2z1+ pers (2.18)

b = P - 2y 2z1+ pers (2.24)

Nilai b pada pers (2.24) dapat disubtitusi ke nilai A pada pers

(2.23), menjadi :

A = ( ) 22 zyyz1y2P ++−

39

P = zyz1y2yA 2 −++ pers (2.25)

P minimum bilamana 0dydP

=

( ) 0zz12yA

dydP 2

2 =−++−=

( ) zz12yA 2

2 −+=

A = ( ) 222 zyyz12 −+ pers (2.26)

Nilai A pada pers (2.26) merupakan disubtitusikan nilai P ke pers

(2.25) akan menghasilkan persamaan sebagai berikut :

P = ( ) ( ) zyz1y2y

zyyz12 2222

−++−+

= ( ) ( ) zyz1y2zyyz12 22 −++−+

= ( ) zy2z1y22 2 −+

= ( ) zy2z1y4 2 −+ pers (2.27)

Nilai A pada pers (2.26) dan nilai P pada pers (2.27) merupakan

luas penampang dan keliling basah untuk penampang hidrolik terbaik. Nilai

A dan P dapat disubtitusikan ke persamaan geometris lain untuk

mendapatkan unsur geometris penampang hidrolis terbaik pada penampang

berbentuk trapesium. Unsur-unsur geometris penampang hidrolis terbaik

untuk penampang saluran berbentuk trapesium dapat dilihat pada tabel 2.7.

40

Tabel 2.7 Unsur-unsur Geometris Penampang Hidrolis Terbaik Untuk

Penampang Saluran Berbentuk Trapesium

Unsur Geometris Persamaan

Debit saluran

(Q)

( )( ) ( ) ( ){ }2222

13

2

2

222

zyyz12Szy2z1y4

zyyz12n1Q −+×

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

−+

−+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Kecepatan rata-rata

(V)

( )( ) ( ) 2

13

2

2

222

Szy2z1y4

zyyz12n1V

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

−+

−+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Luas penampang

(A) ( ) 222 zyyz12A −+=

Keliling basah

(P) ( ) zy2z1y4P 2 −+=

Jari-jari hidrolik

(R)

( )( ) zy2z1y4

zyyz12R2

222

−+

−+=

Lebar puncak

(T) ( ) ( )22 z1y2z1y4T +−+=

Kedalaman hidrolik

(D)

( )( ) ( )22

222

z1y2z1y4zyyz12D+−+

−+=

Faktor penampang

(Z)

( )[ ]( ) ( )22

5,1222

z1y2z1y4

zyyz12Z+−+

−+=

2.4. Metode Numerik

Metode numerik adalah teknik dimana masalah matematik diformulasikan

sedemikian rupa sehingga dapat diselesaikan oleh pengoperasian aritmatika.

Metode-metode yang dapat sering digunakan dalam penyelesain masalah dalam

analisa numerik antara lain metode langsung, metode grafik, metode bagidua,

metode Newton-Raphson dan metode Secant. Dalam penelitian ini, digunakan

41

metode bagidua dalam penyelesain masalah matematik dalam perhitungan

penampang saluran ekonomis.

Metode Bagidua (biseksi) disebut juga pemotongan biner (binary

chopping), pembagian 2 (interval halving) atau metode Bolzano. Metode Bagidua

adalah suatu jenis pencarian inkremental dimana interval senantiasa dibagi

separuhnya. Kalau suatu fungsi berubah tanda sepanjang interval, harga fungsi

ditengahnya di evaluasi. Letak akarnya kemudian ditentukan ada ditengah-tengah

subinterval dimana perubahan tanda terjadi. Proses ini diulang untuk memperoleh

taksiran yang diperhalus.

Langkah-langkah penyelesain masalah matematik dalam metode Bagidua

yaitu :

• Langkah 1 : Memilih taksiran terendah (xi) dan tertinggi (xu) untuk akar

fungsi berubah tanda sepanjang interval. Ini dapat diperiksa dengan : f(xi)

f(xu) < 0.

• Langkah 2 : Taksiran pertama akar xr ditentukan oleh :

2xx

x uir

+=

• Langkah 3 : Buat evaluasi yang berikut untuk menentukan subinterval, di

dalam mana akar terletak :

o Jika f(xi) f(xr) < 0, akar terletak pada subinterval pertama, maka xu = xr,

dan lanjutkan ke step 2,

o Jika f(xi) f(xr) > 0, akar terletak pada subinterval kedua, maka xi = xr,

dan lanjutkan ke step 2,

o Jika f(xi) f(xr) = 0, akar = xr, komputasi selesai.