DEBIT ANDALANSINTESISSINTESISSI-2231 Rekayasa Hidrologi dan DrainaseSI 2231 Rekayasa Hidrologi dan Drainase

Pemodelan Debit Sintesis Keterbatasan data debit sering terjadi dan menjadi permasalahan dalam perencanaan

sumber daya air. Untuk mengatasi permasalahan tersebut diperlukan debit aliran sintesis dengan Untuk mengatasi permasalahan tersebut, diperlukan debit aliran sintesis denganmodel/simulasi curah hujan limpasan (rainfall runoff) berdasarkan data hujan danevapotranspirasi yang umumnya menggunakan konsep model tampungan yangmendeskripsikan hubungan antara hujan dan aliran permukaan berdasarkan parametermendeskripsikan hubungan antara hujan dan aliran permukaan berdasarkan parameterDAS yang dikaji, terutama kapasitasnya dalam menampung air hujan.

Beberapa metode yang umumnya digunakan untuk memodelkan curah hujan limpasan yaitu:limpasan yaitu:

NRECA (National Rural Electric Cooperative Association) F.J. Mock

S t Sacramento

Model NRECA Model ini dikembangkan oleh Norman H. Crawford (1985) dengan mengasumsikan

DAS sebagai tampungan yang dapat dibagi menjadi 2 bagian. Pembagian tersebut dilakukan berdasarkan perbedaan reaksi masing-masing bagian tersebut terhadapdilakukan berdasarkan perbedaan reaksi masing-masing bagian tersebut terhadap infiltrasi air hujan yang melaluinya. Kedua bagian tersebut adalah :1. Zona atas yang dianggap sebagai tampungan air yang terjadi akibat adanya

kapasitas tanah dalam menahan air sampai tanah tersebut menjadi jenuhkapasitas tanah dalam menahan air sampai tanah tersebut menjadi jenuh. Tampungan ini biasanya dinyatakan dalam tingkat kelengasan tanah (soil moisture)

2 Zona bawah yang dianggap sebagai tampungan air yang terjadi akibat adanya2. Zona bawah yang dianggap sebagai tampungan air yang terjadi akibat adanya kapasitas tanah dalam menahan air pada saat tanah tersebut jenuh (air tanah).

Tingkat kelengasan ditentukan oleh neraca air hujan dan evapotranspirasi aktual. Ketika curah hujan yang terjadi lebih besar dari evapotranspirasi aktual akan terdapatKetika curah hujan yang terjadi lebih besar dari evapotranspirasi aktual, akan terdapatkelebihan air yang mampu menambah kelengasan tanah sehingga tanah menjadijenuh dan akan melimpahkan kelebihan airnya dalam dua bentuk, yaitu sebagai aliranyang akan langsung menjadi aliran permukaan dan aliran yang mengisi tampungan airyang akan langsung menjadi aliran permukaan dan aliran yang mengisi tampungan air tanah. Aliran permukaan yang terjadi dari tampungan air tanah yang keluar kembalidisebut Base Flow.

Skema Perhitungan NRECAPREC,PET AET

Water Balance = Prec - AETExcess Moisture = (Water Balance)(Excess Moisture Ratio)Storage = Water Balance Excess Moisture

DirFlow = Excess Moist - RechGW

MOISTUREMOISTURESTORAGESTORAGE

EXCESSMOISTURE

DIRECTFLOW

DirFlow = Excess Moist - RechGW

RECHTOGWPSUBPSUB:

GROUNDWATERGROUNDWATER

GW

GROUNDWATER

SUkoefisien pengisian tampungan air tanah

GWF

GWFlow=(GWF)(EndGWStorage)

Total Flow =GROUNDWATER GROUNDWATER STORAGESTORAGE

GROUNDWATERFLOW

TOTALGWF

GWF: Koefisien karakteristik air tanah

RechGW= (PSUB)(Excess Moist)

Total Flow DirFlow + GWFlow

TOTALDISCHARGE

RechGW= (PSUB)(Excess Moist)

EndGWStorage = BeginGWStorage + RechGW

Menentukan Kelengasan TanahAgar tampungan akibat kelembaban tanah dapat terjadi, diperlukan nilai awalkelembaban tanah pada tingkat tertentu. Besarnya infiltrasi air hujan menuju tampungankelengasan tanah dapat dihitung dari neraca air sbb :kelengasan tanah dapat dihitung dari neraca air sbb.:

WATER BALANCE = RAIN EACT EACT = K1 x EPOT K1 = RAIN/EPOT (1 0 5 SM /SM ) + 0 5 SM /SM ) K1 = RAIN/EPOT (1 - 0,5 SMOLD/SMNOM) + 0,5 SMOLD/SMNOM)

dimana :EACT = evapotranspirasi aktual (mm)RAIN = curah hujan pada periode yang ditinjau (mm)K1 = rasio antara evapotranspirasi aktual dan evapotranspirasi potensialSMOLD = kelengasan tanah pada akhir periode sebelumnya (mm)OLD g p p y ( )SMNOM = kapasitas (nominal) kelengasan tanah (mm)EPOT = evapotranspirasi potensial (mm) Kc x EtoJik SM / SM 2 0 t RAIN/EPOT 1 0 k EACT EPOTJika SMOLD/ SMNOM 2,0 atau RAIN/EPOT 1,0 maka EACT = EPOT.

Menentukan Tampungan Air TanahPada saat hujan lebih besar dari evapotranspirasi aktual, akan terjadi infiltrasi menuju zona bawah sehingga akan menambah volume air tanah sebesar:

RECH = ESM x KRECH RECH = ESM x KRECH ESM = 0,5 x [1 + tgh (2 SMOLD/SMNOM - 2] x (RAIN-EACT)

dimana :RECH ti k t i i t i t h d i i t li i ( )RECH = tingkat pengisian tampungan air tanah dengan asumsi sistem linier (mm)KRECH = koefisien pengisian tampungan air tanahESM = kelebihan kelengasan tanah (mm)g ( )Besar kelebihan kelengasan tanah akan menjadi limpasan langsung yang besarnyadapat ditentukan sbb.:

QDIR = ESM RECHQ S CDengan demikian, besar tampungan (reservoir) air tanah (GW) akan bertambah sebesarRECH. Pada suatu saat sebagian air dari tampungan air tanah tersebut akan menjadialiran dasar yang besarnya dapat ditentukan sbb.:aliran dasar yang besarnya dapat ditentukan sbb.:

QBASE = (GWOLD + RECH) x KBASEdimana :GWOLD = kandungan awal air tanah (sisa periode sebelumnya)GWOLD = kandungan awal air tanah (sisa periode sebelumnya).

Total RunoffDengan diketahuinya besaran kedua tampungan tersebut, besarnya total Runoff pada model NRECA dapat diekspresikan dalam bentuk :

QTOT = QDIR + QBASE QTOT = QDIR + QBASE

Model F. J. Mock Analisis keseimbangan air untuk menghitung harga debit bulanan berdasarkan

tranformasi data curah hujan bulanan, evapotranspirasi, kelembaban tanah dantampungan air tanah berdasarkan metode empiris dari Dr FJ Mock (1973)tampungan air tanah berdasarkan metode empiris dari Dr. FJ. Mock (1973).

Metode empiris tersebut digunakan apabila terdapat catatan debit sungai yang hilang. Prinsip metode Mock menyatakan bahwa hujan yang jatuh pada daerah tangkapan air,

b i k hil kib t t i i b i k l j di di tsebagian akan hilang akibat evapotranspirasi, sebagian akan langsung menjadi direct runoff dan sebagian lagi akan masuk ke dalam tanah atau terjadi infiltrasi. Infiltrasi inimula-mula akan menjenuhkan permukaan tanah, kemudian terjadi perkolasi ke air tanah dan akan keluar sebagai base flow Hal ini terdapat keseimbangan antara airtanah dan akan keluar sebagai base flow. Hal ini terdapat keseimbangan antara air hujan yang jatuh dengan evapotranspirasi, direct runoff, dan infiltrasi, dimana infiltrasiini kemudian berupa soil moisture dan ground water discharge. Aliran dalam sungaiadalah jumlah aliran yang langsung di permukaan tanah dan base flowadalah jumlah aliran yang langsung di permukaan tanah dan base flow.

Curah hujan rata-rata bulanan di daerah pengaliran sungai dihitung berdasarkan data pengukuran curah hujan dan evapotranspirasi yang sebenarnya dari data meteorologidengan menggunakan metode Penman dan karakteristik vegetasi Perbedaan antaradengan menggunakan metode Penman dan karakteristik vegetasi. Perbedaan antaracurah hujan dan evapotranspirasi mengakibatkan limpasan air hujan langsung (direct runoff), aliran dasar/air tanah dan limpasan air hujan lebat (storm runoff)

Konsep Model

Skema Perhitungan

Model Sacramento Model Sacramento merupakan salah satu model konseptual yang berupaya

memperhitungkan secara lebih detail pengaruh parameter tanah terhadap kandunganairnya atau kapasitas tampungan tanah terhadap aliran air permukaan Model iniairnya atau kapasitas tampungan tanah terhadap aliran air permukaan. Model inidikembangkan oleh National Weather Service Forecast Center di Sacramento, California, Amerika Serikat.

Konsep dasar Model Sacramento adalah menyatakan daerah pengaliran atas Konsep dasar Model Sacramento adalah menyatakan daerah pengaliran atasbeberapa waduk/tampungan yang saling berhubungan dan mempunyai kapasitastertentu. Dalam hal ini DAS dibagi dalam beberapa komponen yaitu terdiri dari :

zona atas- zona atas- zona bawah Perkolasi Aliran air tanah Evaporasi Debit sungai, terdiri dari

- aliran dari areal kedap air- aliran permukaan yang kedap air- interflow- base flow

Deskripsi Komponen Model1. LahanLahan dibagi atas lahan yang tidak kedap air (previous) dan lahan yang tidak kedap air (i i )(imprevious). Untuk lahan yang kedap air (imprevious), hujan langsung masuk ke dalamsaluran/sungai dari sitem drainase alami. Dengan catatan, pada lahan yang tidak kedapair (previous), sebelum air sampai di saluran, sebagian dari air hujan yang jatuh masukkedalam tanah sampai tanah menjadi jenuh. Dengan demikian, sistem drainase daribagian lahan yang previous dari daerah tangkapan dibagi menjadi :zona atas, yang menyatakan sistem tanah permukaan catchmentzona bawah, yang menyatakan sistem tampungan air tanahTanah pada kedua area tersebut mempunyai kandungan air (tension water) dan airTanah pada kedua area tersebut mempunyai kandungan air (tension water) dan air bebas (free water). Pada umumnya resapan air akan membentuk tension water sampaitanah menjadi jenuh, pada saat tanah menjadi jenuh, tension water mencapai nilaimaksimum dan resapan air langsung menjadi air tanahmaksimum, dan resapan air langsung menjadi air tanah.

Konsep Model

Skema ModelET DEMAND

ET

PRECIPITATION INPUT

PERVIOUS AREA IMPERVIOUSDIRECTRUNOFF

ET

PERVIOUS AREA IMPERVIOUS

TENSION WATER UZTWM

UPPER ZONESURFACERUNOFF

RUNOFF

ET

ET

FREE WATER UZFWM

PERCOLATIONZPERC x REXP

STREAMDISTRIBUTIONTOTAL

INTERFLOW

ET

PFREE1-PFREE

LOWER ZONE

STREAMFLOW

DISTRIBUTIONFUNCTION

TOTALCHANNEL

FLOW

ET TENSION WATERLZTM

FREEP

LZTM

FREES

LZTM

RSERVTOTAL

SUPLEMENTALBASE FLOW

PRIMARY BASE FLOW

TOTALBASEFLOW

SIDESUBSURFACEDISCHARGE

2. Zona AtasTension water pada zona atas menyatakan volume air hujan yang masih dapatditampung tanah pada keadaan kering sampai terjadinya pelepasan air oleh tanahtersebut. Jika kapasitas maksimum tampungan zona atas terlampaui, maka selebihnyag ymenjadi air bebas yang dapat menjadi interflow ke saluran atau menjadi perkolasi kezona bawah.Interflow terjadi hanya jika curah hujan melampaui laju perkolasi. Zona atas dianggapj y j j p j p gg psebagai tampungan linear yang dikuras secara eksponensial. Besarnya Interflow adalahsbb.:Qinterflow = UZFWC * UZKQinterflowdimana :UZFWC = volume air bebas pada zona atasUZK k fi i t k tUZK = koefisien pengosongan untuk zona atasJika curah hujan melampaui intensitas perkolasi dan kapasitas drainase interflowmaksimum, maka tampungan zona atas bebas akan terisi penuh dan terjadilah aliran

kpermukaan.

3. Zona BawahTension Water pada zona bawah merupakan sisa volume air yang diperlukan untukkelembaban tanah yang terjadi akibat daya tarik molukeler tanah. Dalam hal ini, volume air yang dimaksud tidak termasuk air tanah bebas yang mengisi pori-pori tanah. Volume y g y g g p pair ini dinyatakan dengan LZTM.

4. Intensitas PerkolasiLaj perkolasi dari ona atas ke ona ba ah bergant ng pada keb t han ona ba ahLaju perkolasi dari zona atas ke zona bawah bergantung pada kebutuhan zona bawah, yaitu kebutuhan yang ditentukan oleh isi zona bawah relatif terhadap kapasitasnya. Kebutuhan perkolasi zona bawah yang minimal terjadi jika ketiga tampungan zona bawahtelah terisi penuh Selanjutnya dengan prinsip kontinuitas laju perkolasi adalah samatelah terisi penuh. Selanjutnya dengan prinsip kontinuitas, laju perkolasi adalah samadengan aliran air tanah dari tampungan utama dan tambahan yang sudah penuh. Jikakebutuhan minimum adalah PBASE, maka :PBASE = LZFPM*LZPK + LZFSM * LZSKPBASE = LZFPM LZPK + LZFSM LZSKdimana :PBASE = Percolation BaseLZFPM = kapasitas tampungan air bersih bebas utama zona bawahLZFPM kapasitas tampungan air bersih bebas utama zona bawahLZPK = faktor drainase tampungan utamaLZFSM = kapasitas tampungan air bebas tambahan zona bawahLZSK = faktor drainase tampungan tampungan tambahanp g p gKebutuhan perkolasi zona bawah yang maksimum terjadi jika tampungan zona bawah dalam keadaan kosong. Besarnya perkolasi maksimum ini adalah :PERC maks.kebutuhan = PBASE * (1 + ZPERC)dimana pada umunya ZPERC >>1. Sedangkan perkolasi yang aktual adalah :PERC akt. = PBASE * (1 + ZPERC * G)dimana :G = (A/B) * REXPA = jumlah dari seluruh kapasitas zona bawah - isi zona bawahB = jumlah dari seluruh kapasitas zona bawah

5. Aliran Air TanahJumlah aliran diasumsikan sebagai tampungan yang mempunyai sistem yang berprilakulinear, sehingga dapat dituliskan sbb.:Q BASE = LZFPC * LZPK + LZFSC * LZSKdimana :LZFPC = isi zona air bebas utamaLZFSC = isi zona air bebas tambahanF kt d i LZPK d LZSK d t dit t k d d h d i k iFaktor drainase LZPK dan LZSK dapat ditentukan dengan mudah dari kurva resesihidrograf, dengan menggambarkan pada kertas semi logaritmik, dan berdasarkanpersamaan berikut :K = (QPt / Q Po) (1/dt)K = (QPt / Q Po) (1/dt)dan LZPK = 1 Kdengan :dengan :K = koefisien resesidt = waktu (misalnya hari)Qpo = debit awal resesiQpo debit awal resesiQPt = debit pada waktu setelah ituIsi maksimum dari zona air bebas bawah adalah :LZFPM = QPmaks/LZPKLZFPM QPmaks/LZPKDimanaQPmaks = nilai maksimum aliran rendah utama

6. EvaporasiE aporasi potensial terjadi di s ngai dana dan t mb han air E aporasi dari bagianEvaporasi potensial terjadi di sungai, danau dan tumbuhan air. Evaporasi dari bagianlahan lainnya ditentukan oleh banyaknya air yang berada di zona tertekan. Jika ED adalah evapotranspirasi potensial dan E1 adalah evapotranspirasi aktual, maka :E1 = ED * UZTWC/UZTWME1 = ED UZTWC/UZTWMJika E1 < ED, maka air diambil dari zona bawah sebagai berikut :E2 = (ED - E1) * LZTWC/(UZTWM + LZTWM)Selanjutnya jika evapotranspirasi terjadi pada kondisi dimana rasio kapasitas tampunganSelanjutnya jika evapotranspirasi terjadi pada kondisi dimana rasio kapasitas tampunganair bebas melebihi isi tampungan tertekan, maka air dialirkan ke tampungan tertekansampai terjadi keseimbangan.

7. Debit Aliran SungaiDebit aliran sungai terdiri dari komponen-komponen sebagai berikut : Aliran dari areal yang kedap airy g p Aliran permukaan dari permukaan yang tidak kedap air

InterflowBase flow

Daerah pengaliran sungai yang dikaji dapat dimodelkan dalam sebuah segmen, ataulebih. Penelusuran (propagation) hidrograf aliran dapat dilakukan dengan berbagai carasebagai berikut : Penjumlahan outflow dari masing-masing segmen Pada outflow setiap segmen dilakukan pendekatan hidrograf satuan Dengan pendekatan lapisan (layered) yang masing-masing mempunyai koefisien

tiroutingPada umumnya cara pertama, yaitu penjumlahan outflow dari masing-masing segmenbanyak digunakan sebab dapat dipandang sebagai yang paling alami.

8. Parameter Model Sacramento8. Parameter Model SacramentoDengan demikian, untuk dntuk dapat memodelkan kondisi aliran sungai dengan baiksesuai dengan konsep tersebut di atas, maka Model Sacramento menggunakanbeberapa parameter sebagai berikut di bawah ini beserta nilai-nilainya yang lazimbeberapa parameter sebagai berikut di bawah ini, beserta nilai nilainya yang lazimdigunakan.UZTWM =Upper zone tension water maximum (25 - 75 mm)UZFWM =Upper zone free water maximum (10 100 mm)UZFWM =Upper zone free water maximum (10 - 100 mm)LZTWM =Lower zone tension maximum (75 - 600 mm)LZFSM =Lower zone free secondary maximumLZFPM =Lower zone free primary maximumUZK =Upper zone koefisien (0,18 - 1,0 ; dengan nilai awal sampai 0,4)LZSK =Lower Zone Secondary KoefisienLZSK =Lower Zone Secondary KoefisienLZPK =Lower Zone Primary KoefisienZPERC =Percolation rate increaseREXP E t f th l ti t (1 0 3 0 d il i l 1 8)REXP =Exponent of the percolation rate (1.0 3.0, dengan nilai awal 1,8)PFREE =Bagian percolated yang menjadi free water (0 s/d 0.4, dengan nilai awal 0,20)RSERV =Bagian LZFW yang tidak dapat menguap (0 - 0,4 ; dengan nilai awal 0,30)PCTIM =Bagian lahan yang imprevious (permanen)ADMIMP=Bagian lahan yang imprevious jika semua kebutuhan air terikat dipenuhiSARVA =Bagian lahan yang berair (sungai danau) dan tanaman di sepanjang sungaiSARVA =Bagian lahan yang berair (sungai, danau) dan tanaman di sepanjang sungaiSIDE =Bagian dari base flow yang berasal dari atau keluar catchment lain

Kalibrasi dan Verifikasi Model Kalibrasi adalah proses memperkirakan parameter model. Untuk proses kalibrasi

diperlukan data debit aliran permukaan dari DAS yang akan dicari besaran parametermodel tersebut Seringkali data debit dari sungai yang akan diprediksi debit andalannyamodel tersebut. Seringkali data debit dari sungai yang akan diprediksi debit andalannyatidak begitu lengkap, untuk itu, sebagai pendekatan, kalibrasi dilakukan denganmenggunakan data debit sungai yang memiliki DAS serupa dengan DAS dari sungaiyang akan diprediksi debit andalan sintesisnya. Kalibrasi dilakukan denganyang akan diprediksi debit andalan sintesisnya. Kalibrasi dilakukan denganmembandingkan debit hasil pemodelan dengan data debit yang ada. Kalibrasidilakukan sampai terjadi korelasi yang baik antara debit hasil model dan debitpengukuran, yaitu yang mendekati angka 1. p g , y y g g

Setelah kalibrasi, dilakukan verifikasi, yaitu pemodelan aliran permukaan pada DAS yang akan dicari debit andalannya dengan menggunakan parameter model yang diperoleh pada proses kalibrasi. Pemodelan/prediksi debit sintesis dilakukan setelahdiperoleh pada proses kalibrasi. Pemodelan/prediksi debit sintesis dilakukan setelah verifikasi memberikan hasil yang memuaskan yaitu mendekati besarnya debit pengukuran.