1

BAB II

DASAR TEORI DAN METODE

Teknik Pengukuran

Teknologi yang dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi sedimen

tersuspensi yaitu mekanik (trap sampler, bottle sampler), optik (optical beam

transmissometer, optical backscatter), dan akustik (ADCP). Teknologi mekanik

merupakan metode pengukuran yang paling terandalkan. Kelemahan teknologi ini

adalah kemampuan pengambilan dan pengolahan data membutuhkan waktu yang

lama. Pengukuran dilakukan dengan mengambil contoh air yang mengandung

sedimen. Instrumen yang menggunakan teknologi akustik dan optik merupakan

pengukuran konsentrasi sedimen tersuspensi secara tak langsung. Penggunaan kedua

metode ini harus dikalibrasi dengan menggunakan teknologi mekanik untuk estimasi

konsentrasi sedimen tersuspensi. Teknologi akustik memiliki keunggulan dibanding

teknologi lainnya. Keunggulannya yaitu resolusi spasial serta temporal yang

dihasilkan jauh lebih baik dibanding teknologi lainnya dan penggunaannya tidak

mengganggu pergerakan air.

Prinsip Kerja Instrumen

ADCP mengukur kecepatan arus dengan memancarkan gelombang akustik.

Gelombang akustik tersebut bergerak di medium air. Kemudian ADCP merekam

frekuensi dan intensitas pantulan balik dari partikel-partikel pemantul (scatterers)

yang tersuspensi di dalam air. Partikel-partikel tersebut diasumsikan bergerak dengan

kecepatan yang sama dengan arus (Gambar 2.2) (RD Instruments, 1996). Pergerakan

partikel-partikel mendekati atau menjauhi transduser ADCP menyebabkan perubahan

frekuensi. Perubahan frekuensi ini yang digunakan untuk menghitung kecepatan

partikel.

ADCP merekam data kecepatan dan intensitas pantulan balik setiap lapisan air

yang dinamakan bin. Sedangkan kolom pengukuran disebut ensemble (Gordon, 1996).

Ketebalan bin Δd diatur oleh selang waktu Δt dan ukuran bin dapat diatur ADCP

2

(Gambar 2.3). Satu ensemble terdiri atas rekaman satu atau rata-rata beberapa ping.

Pada tugas akhir ini, ketebalan bin dan ensemble yaitu 0,5 m dan 1 detik.

Gambar 2.1 Acoustic Doppler Current Profiler 600 kHz (Simpson, 2001)

Gambar 2.2 Perambatan gelombang akustik

(dimodifikasi dari Simpson, 2001)

Gambar 2.3 Proses penggerbangan waktu

(Poerbandono, 2006)

3

Keterandalan Data

Walaupun banyak keunggulan yang dimiliki, ADCP juga memiliki

keterbatasan (Gambar 2.4). Keterbatasan disebabkan terutama sifat fisik gelombang

akustik serta kemampuan transduser dalam mengirim dan menerima gelombang.

Gelombang akustik yang ditembakkan dari transduser membentuk pancaran utama

dan pancaran sisi. Kedudukan transduser miring membentuk sudut sebesar 20°

terhadap sumbu vertikal. Pancaran sisi akan sampai di dasar perairan terlebih dahulu,

sehingga bin terbawah akan terjadi interferensi gelombang (Simpson, 2001).

Gambar 2.4 Keterbatasan ADCP

(Poerbandono, 2006)

Saat awal pengukuran, letak bin harus direduksi terhadap muka air karena

kedudukan transduser berada di bawah muka air. Selain itu, setiap kali memancarkan

gelombang akustik, transduser membutuhkan waktu untuk menerima intensitas

akustik pada lapisan air yang terdekat (recovery time). Koreksi yang diberikan yaitu

transducer near field correction.

Nilai intensitas pantulan balik sebanding dengan konsentrasi material

pemantul. Oleh sebab itu, data intensitas pantulan balik merupakan informasi

kualitatif yang sangat berharga untuk estimasi konsentrasi sedimen tersuspensi. Saat

ini telah banyak dikembangkan persamaan / model untuk mengubah intensitas

pantulan balik menjadi konsentrasi absolut sedimen tersuspensi. Besaran absolut

konsentrasi sedimen tersuspensi dapat diperoleh jika pemodelan sifat perambatan

gelombang akustik dan sifat fisik sedimen tersuspensi diketahui.

4

Sifat perambatan gelombang akustik yang perlu dikenali adalah mekanisme

kehilangan intensitas akustik (Transmission Losses) karena sebaran geometrik

(Geometrical Spreading) dan pelemahan akustik (Acoustic Attenuation). Geometrical

Spreading atau Beam Spreading (BS) disebabkan gelombang akustik yang

dipancarkan dari sumber akan menyebar ke segala arah. Bidang sebaran gelombang

semakin membesar, sedangkan energi yang dipancarkan tetap. Besarnya nilai Beam

Spreading untuk 2 kali perambatan gelombang yaitu:

BS 20 Log (R) ……….….…………………..(1)

dengan, R merupakan jarak miring (slant distance) sumber gelombang (m)

merupakan transducer near field correction (Downing et al., 1995).

Gelombang akustik merambat pada medium air akan mengalami pelemahan

energi. Energi yang dipancarkan sebagian diubah menjadi panas. Oleh karena itu,

nilai intensitas pantulan balik juga harus dikoreksi karena adanya Absorpsi (A).

Persamaan Absorpsi untuk 2 kali perambatan gelombang akustik yang digunakan (RD

Instruments, 1996) yaitu:

A 2R ..........................................................(2)

dengan, merupakan koefisien pelemahan energi (Attenuation).

Pada tugas akhir ini, nilai koefisien pelemahan energi yang digunakan pada saat

pengukuran yaitu 0,139 dB/m.

Model matematika yang digunakan untuk memperoleh intensitas pantulan

balik (EI), yaitu:

EI SL 2.TL TS .................................................(3)

dengan, SL merupakan intensitas akustik pada saat dipancarkan oleh transducer

TL merupakan mekanisme kehilangan intensitas akustik

TS merupakan kekuatan target

5

Nilai kekuatan target (Target Strength) berkaitan sifat fisik, struktur internal maupun

eksternal objek, dan karakteristik sinyal yang dipancarkan. Untuk memperoleh

kekuatan target diperlukan analisis ukuran partikel (grain size analysis). Analisis

ukuran partikel dilakukan untuk mengetahui ukuran, bentuk serta jenis partikel. Oleh

karena itu, kekuatan target diabaikan.

EI SL 2.TL ....................................................(4)

atau EI SL BS A ..................................................(5)

Persamaan Empirik untuk Estimasi Konsentrasi Sedimen Tersuspensi

Data intensitas pantulan balik dalam dB merupakan nilai relatif konsentrasi

sedimen tersuspensi. Untuk memperoleh nilai absolut konsentrasi sedimen tersuspensi

dalam kg/m³, maka harus dilakukan konversi dengan persamaan (pendekatan)

tertentu. Untuk memperoleh konsentrasi sedimen tersuspensi, persamaan empirik

yang digunakan pada tugas akhir ini yaitu Gartner (2002):

10 log(c) a.EI b ................................................(6)

Konstanta a dan b dari persamaan empirik Gartner (2002) diperoleh dengan

melakukan regresi linier. Kalibrasi dilakukan terhadap sampel sedimen tersuspensi

yang diperoleh di lapangan (direct sampling). Pengambilan sampel sedimen

tersuspensi menggunakan water sampler. Pada saat pengambilan sampel sedimen

tersuspensi, water sampler harus terletak pada kedalaman yang sama dengan

kedalaman bin yang diamati (Gambar 2.5).

Untuk merepresentasikan konsentrasi sedimen tersuspensi pada suatu kolom

pengukuran, maka digunakan konsentrasi rata-rata terbobot (Wall et al., 2006), yaitu:

crata 2

n

ciui

i 1 ...........................................................(7)n

ui i 1

A e u

6

dengan, crata 2

ci

ui

merupakan konsentrasi rata-rata sedimen tersuspensi

merupakan konsentrasi sedimen tersuspensi setiap bin

merupakan kecepatan arus setiap bin

Gambar 2.5 Proses kalibrasi menggunakan ADCP dan water sampler

(dimodifikasi dari Wall et al., 2006)

Teknik Evaluasi

Untuk uji kualitas hasil estimasi, konsentrasi sedimen tersuspensi yang

diperoleh dari persamaan empirik Gartner (2002) dibandingkan dengan sampel

konsentrasi sedimen tersuspensi. Hasil evaluasi dinyatakan dalam kesalahan rata-rata

absolut (kg/m³), kesalahan rata-rata relatif (%), dan tingkat kesesuaian / discrepancy

factor. Kesalahan rata-rata absolut merupakan nilai rata-rata simpangan antara

konsentrasi sedimen tersuspensi hasil estimasi

tersuspensi hasil direct sampling (cu ) .

(ce ) dan konsentrasi sedimen

k 1

c c n ........................................................(8)

Kesalahan rata-rata relatif dinyatakan dalam nilai rata-rata simpangan konsentrasi

sedimen tersuspensi hasil estimasi(ce ) dan konsentrasi sedimen tersuspensi hasil

7

ce cu

direct sampling terhadap nilai yang dianggap benar. Konsentrasi sedimen

tersuspensi hasil direct sampling merupakan nilai yang dianggap benar.

k 1

Rn c 100% ..................................................(9)

Tingkat kesesuaian / discrepancy factor (rf ) merupakan kemampuan persamaan

empirik yang digunakan untuk memprediksi nilai konsentrasi yang dihasilkan (ce )

terhadap nilai konsentrasi sedimen tersuspensi yang diperoleh dari direct sampling

(cu ) (Poerbandono, 2003).

r ce ..............................................................(10)

fcu

Estimasi Laju Angkutan dan Debit Sedimen Tersuspensi

Laju angkutan sedimen tersuspensi ( qZ ) menyatakan banyaknya massa

sedimen yang melewati suatu penampang setiap detik. Jika konsentrasi sedimen

tersuspensi dan kecepatan arus diketahui, maka laju angkutan sedimen dapat dihitung.

Laju angkutan sedimen tersuspensi di satu titik pengamatan ditentukan sebagai

produk (perkalian) antara konsentrasi sedimen tersuspensi dengan kecepatan arus di

titik tersebut.

qZ u(z).c(z) ........................................................(11)

Untuk laju angkutan rata-rata sedimen tersuspensi, yaitu:

qrata 2 crata 2 .u .......................................................(12)

u

h 2

8

muka air

b

dasar perairan

1 n 1 1u

i 1ui ui 1 zi 1 zi .............................................(13)

dengan, h merupakan kedalaman perairan

z merupakan tinggi pengukuran

Estimasi debit sedimen tersuspensi (QS ) pada suatu penampang diperoleh dari

perkalian laju angkutan (q )Z terhadap luas penampang pengukuran (Gambar 2.6).

b n1S Z

Q q0 1

dzdb ………….…...……………..(14)

dengan, q merupakan laju angkutan rata-rata antar binZ

z merupakan ketinggian pengukuran

b merupakan lebar penampang

Profil debit sedimen

z

Gambar 2.6 Skema estimasi debit sedimen pada suatu penampang