metode pengukuran dan perhitungan evaporasi.docx

21
A. PENGERTIAN UMUM Penguapan (evaporation) adalah proses perubahan dari molekul air menjadi uap air dan kembali lagi ke ke atmosfer. Laju penguapan adalah laju neto ari zat cair berubah menjadi uap (the net rate of water transfer (loss)into (vapor state). Banyaknya air yang menguap dinyatakan sebagai laju penguapan (evaporation rate) yang pada umumnya dinyatakan dalam satuan milimeter persatuan waktu (mm/hari). Dengan satuan itu dimaksudkan agar mudah dibandingkan dengan data curah hujan (mm/hari) dan data debit (sebagai tebal aliran, mm/hari) serta data hidrologi lainnya. Faktor-Faktor Penguapan 1) Temperature (suhu) dimana jika suhu udara naik dan tanah naik maka E naik. 2) Angin dimana jika perubahan zat cair jadi uap air naik maka udara jenuh sehingga E turun dan terjadi kondensasi. 3) Tekanan udara, terjadi evaporasi bila ada perbedaan tekanan uap air antara permukaan dan udara di atasnya. Bila RH naik maka E turun karena kemampuan untuk menyerap udara berkurang. 4) Radiasi matahari, radiasi matahari merupakan sumber energi utama untuk terjadinya penguapan. Temperatur udara dan air bergantung pada radiasi matahari,

Upload: dani-mchls

Post on 29-Jan-2016

4.429 views

Category:

Documents


663 download

TRANSCRIPT

A. PENGERTIAN UMUM

Penguapan (evaporation) adalah proses perubahan dari molekul air

menjadi uap air dan kembali lagi ke ke atmosfer.

Laju penguapan adalah laju neto ari zat cair berubah menjadi uap (the net

rate of water transfer (loss)into (vapor state). Banyaknya air yang menguap

dinyatakan sebagai laju penguapan (evaporation rate) yang pada umumnya

dinyatakan dalam satuan milimeter persatuan waktu (mm/hari). Dengan satuan itu

dimaksudkan agar mudah dibandingkan dengan data curah hujan (mm/hari) dan

data debit (sebagai tebal aliran, mm/hari) serta data hidrologi lainnya.

Faktor-Faktor Penguapan

1) Temperature (suhu) dimana jika suhu udara naik dan tanah naik maka E

naik.

2) Angin dimana jika perubahan zat cair jadi uap air naik maka udara jenuh

sehingga E turun dan terjadi kondensasi.

3) Tekanan udara, terjadi evaporasi  bila ada perbedaan tekanan uap air antara

permukaan dan udara di atasnya. Bila RH naik maka E turun karena

kemampuan untuk menyerap udara berkurang.

4) Radiasi matahari, radiasi matahari merupakan sumber energi utama untuk

terjadinya penguapan. Temperatur udara dan air bergantung pada radiasi

matahari, suhingga diharapkan adanya korelasi antara temperatur udara dan

laju penguapan.

Kualitas air juga berpengaruh terhadap penguapan, adanya polusi

minyak di permukaan danau atau waduk dapat mengurangi penguapan sebesar

60%, air laut dengan kandungan garam sebesar 3,5% dan dapat mengurangi laju

penguapan sebesar 2-3% dibanding dengan air tawar. Pertambahan berat spesifik

air waduk atau danau sebesar 1% dapat mengurangi penguapan sebesar 1%.

Penguapan dari tanah dipengaruhi ole:

a) Kandungan air dalam tanah

b) Kedalaman muka air tanah

c) Warna tanh

d) Ada tidaknya vegetasi (Semakin rapat vegetasi maka evaporasi akan

semakin menurun tetapi tanspirasi meingkat.)

Penguapan permukaan tanaman disebut dengan transpirasi, terjadi pada

malam siang hari karena peda malam hari stomata menutup. Keterkaitan antara

proses transpirasi dan evaporasi dinamakan evapotranspirasi potansial.

B. ALAT UKUR PENGUAPAN

Penguapan dapat diukur dengan 2 metode:

1. Langsung (direct measurement), laju penguapan diukur dengan alat ukur

penguapan, misal dengan atmometer, evaporigraf, panci penguapan dan

logger penguapan.

2. Tidak langsung (indirect measurement), laju penguapan diukur dari waduk

atau danau berdasarkan perhitungan neraca air waduk atau danau.

a) Atmometer

Prinsip kerja alat: mengukur evaporasi dari suatu bidang berpori yang

dibasahi oleh air.

Ada beberapa macam atmometer yang dikenal, diantaranya:

Piche atmometer, terdiri dari bejana kaca berskala, diisi dengan air, dibagian

bawah ditutup dengan kertas saringan yang dijepit dengan piringan.

livingstone atmometer, menggunakan pola porselain berpori sebagai bidang

penguapannya.

Black Bellni Atmometer, menggunakan plat porselain berpori pada penutup

bawah, sebagai bidang penguapan.

b) Evaporigraf

Merupakan alat yang secara otomatis dapat merekam data penguapan

sehingga laju penguapan setiap jam dapat diketahui. Alat ini terdiri dari

bejana penampung air, pipa vertikal yang ditutup dengan kertas isap, alat ukur

waktu, alat pencatat dan kertas grafik.

c) Panci Penguapan

Alat yang digunakan untuk mengukur evaporasi dari muka air bebas.

Terdapat tiga macam panci penguapan yang sering digunakan, yaitu

Panci penguapan kelas A

Maksud pemasangan bejana logam di atasa rangka kayu supaya

mengurangi terjadinya turbulensi angin yang dapat berpengaruh terhadap

kecepatan penguapan.

Panci penguapan tertanam

Panci penguapan terapung

C. PERHITUNGAN LAJU PENGUAPAN DATA PANCI PENGUAPAN

1. Pelaksanaan pengukuran

Pengukuran penguapan dari panci penguapan umumnya dilaksanakan

setiap hari antara pukul 07.00-08.00 pagi waktu setempat, bersama

dengan pengukuran data unsur iklim lainnya, termasuk membaca suhu

pada termometer apung maksimum dan minimum yang terapung di

permukaan panci penguapan.

2. Cara pengukuran dan perhitungan

Pengukuran penguapan dari panci kelas A dapat dilakukan dengan

ketentuan antara lain sebagai berikut:

a. Harus betul-betul memperhatikan elevasi dari titik tinggi pedoman

yang terdapat dalam tabung penenang.

b. Apabila titik –pedoman terbenam maka air yang di dalam panci

harus dikurangi sampai tinggi muka air panci satu level dengan

titik tinggi-pedoman, dan

c. Apabila titik tinggi pedoman muncul di atas muka air panci maka

harus ditambah air sampai mencapai satu level dengan titik tinggi-

pedoman. Tebal air yang ditambah atau diambil dari panci

penguapan yang diukur dengan tabung penakar (volume 1 takaran

= 1 mm tebal air dari panci), setelah dikoreksi dengan tebal hujan

(mm) (bila terjadi tebal hujan) merupakan laju penguapan

(mm/hari) yang diukur. Dapat dihitung dengan rumus:

Ep = H + At atau

Ep = H – Ak

Keterangan:

Ep = Penguapan dari panci (mm)

H = Tebal hujan (mm)

At = Penambahan air dalam panci sampai titik tinggi-pedoman (mm)

Ak = Pengurangan air dalam panci sampai titik tinggi-pedoman (mm)

Contoh A

Curah hujan = 1,8

Air ditambah = 4,0 mm (+)

Penguapan = 5,8 mm

Contoh B

Curah hujan = 6,9

Air dikurangi = -2,0 mm (-)

Penguapan = 4,9 mm

Contoh lain

Dari suatu daerah irigasi dipasang pos klimatologi dengan laju penguapan

dari panci penguapan kelas A sebesar 5 mm/hari, dengan koefesien panci sebesar

0,8. Apabila saluran irigasi itu mempunyai panjang 50 Km, dengan lebar rata-rata

sebesar 2 m, hitung berapa m³ kehilangan air karena penguapan pada hari itu.

Jawab:

Eo = Kp x Ep

= 0,8 x 5 mm/hari

= 0,4 mm/hari

Luas permukaan saluran adalah

A = b x L

= 2 x 50 x 100 m

= 100 x 10³ m²

Jadi besarnya kehilangan air karena penguapan adalah:

Eloss = 0,4 x 10-3 m/hari x 100 x 10³ m²

= 40 m3/hari

D. MENAKSIR LAJU PENGUAPAN MUKA AIR BEBAS

Beberapa pendekatan untuk menaksir laju penguapan, antara lain dapat

menggunakan metode:

1) Budget air (water budget method);

2) Budget energi (energy budget method);

3) Pemindahan-massa (mass-transfer method);

4) Gabungan (combination method).

1. Metode Budget Air (Metode Neraca Air/Persamaan Cadangan)

Pada metode budget air tampungan muka air bebas, seperti danau, waduk

dianggap sebagai lysimeter, semua fase angkutan air dievaluasi dalam suatu

periode waktu tertentu, misal dalam waktu 1 minggu atau lebih.

Persamaan budget air untuk muka air bebas, misalnya dari suatu danau

adalah:

Eo = H + Qi + Qg – Qo – I – Pa

Keterangan:

Eo = Laju penguapan dari muka air danau

H = Curah hujan yang jatuh langsung di dalam danau

Qi = Aliran permukaan air yang masuk muka danau

Qo = Aliran permukaan air yang keluar dari danau

Qg = Aliran air tanah yang masuk danau

I = Rembesan keluar danau

Pa = Perubahan air cadangan dalam muka air bebas (nilainya dapat + atau -)

Contoh soal:

Dari suatu waduk yang luasnya 20 Km², selama 30 hari tinggi muka air di dalam

waduk turun sebesar 20 cm, debit yang masuk waduk rata-rata 20m³/detik, dengan

curah hujan yang jatuh langsung di dalam waduk 60 mm, dan debit yang keluar

waduk rata-rata 18 m³/detik.

Apabila nilai rembesan dan aliran air tanah dianggap nol, hitung laju penguapan

rata-rata per hari selama 30 hari itu.

Jawab:

Karena nilai Qg dan I dianggap 0, maka:

Eo = H + Qi – Qo – Pa

- Unsur Qi = 20 m³/detik dan Qo = 18 m³/detik sehingga perbedaanya

sebesar = 2 m³/detik

- Perbedaan volume aliran masuk dan keluar selama 30 hari adalah:

2 m³/detik x 24 x 60 x 60 det/hari x 30 hari = 5,184 x 106 m3

Tebal aliran:

5,184 x106 x109

20 x1012 = 259 mm

- Unsur penurunan muka air waduk sebesar 20 cm selama 30 hari maka:

Pa = -200 mm

- Unsur curah hujan H = 60 mm

Maka:

Eo = H + Qi – Qo – Pa

Eo = 60 mm + 259 mm -200 mm

= 119mm/30hari

2. Metode Budget Energi

Secara sederhana energi yang diterima oleh suatu danau atau waduk dapat

dinyatakan sebagai:

Ri = Rs(i – α)- Rb + Ra

Secara sederhana energi yang dikeluarkan oleh suatu danau atau waduk

dapat dinyatakan sebagai:

Ro = Rh + Re + Rt

Keterangan:

Ri = Energi yang diterima (kal/cm²/hari)

Rs = Radiasi global (kal/cm²/hari)

α = Albedo

Rb = Radiasi gelombang panjang dari tubuh air (kal/cm²/hari)

Ra = Energi bersih pada tubuh air (kal/cm²/hari)

Ro = Energi yang keluar (kal/cm²/hari)

Rh = Pemindahan panas peka (kal/cm²/hari)

Re = Energi yang diperlukan (kal/cm²/hari)

Rt = Penambahan energi simpanan

Contoh soal:

Dari suatu waduk ddengan luas 10 Km², setelah dihitung besarnya energi

untuk penguapan rata-rata 200 kal/cm²/hari. Apabila pasa suhu 20°C diketahui

kerapatan air 0,99821 gram/cm³ dan panas laten untuk penguapan 586 kal/gram,

hitung laju penguapan dan volume penguapan dari waduk tersebut setiap hari

Jawab:

Eo = ℜ

τ x L

Eo = 200

0,99821 x 586

Eo = 0,342 cm/hari = 3,42 mm/hari

Volume penguapan = 3,42 x 10-3 m/hari x 10 x 106 m2 = 3,42 x 103 m3/hari

3. Metode Pemindahan Massa

Proses pemindahan massa dikenalkan Dalton pada abad ke 19. Persamaan

hukum Dalton tersebut dikenal dengan persamaan aerodinamika atau pemindahan

massa, yang dapat ditulis sebagai berikut:

Eo = k(es - ea )f (U)

Beberapa persamaan empiris yang dikembangkan berdasarkan persamaan Dalton

di antaranya:

a) Persamaan empiris Meyer

Eo = k(es - ea )[1+ W10 ]

Keterangan:

Eo = Penguapan (inci/hari)

K = Koefisien, untuk danau kecil 0,5 dan danau besar 0,36

es = Tekanan uap jenuh (inci Hg) pada temperatur muka air danau (Ts)

ea = Tekanan uap udara atas lapisan jenuh (inci Hg), temperatur udara (Ts)

W = Kecepatan angin harian rat-rata (mil/jam) pada ketinggian 25 feet

b) Persamaan empiris danau hefner

Eo = 0,129(es – e8) U8

Keterangan:

Eo = Penguapan (mm/hari)

es = Tekanan uap jenuh (inci Hg) pada temperatur permukaan air (Ts)

e8 = Tekanan uap aktual (mm Hg), temperatur h = 8 m di atas permukaan air.

U8 = Kecepatan angin (m/det) h = 8 m di atas permukaan air.

c) Persamaan empiris yang lain

Eo =0,35(0,5 + 0,54 U2) (es – ea)

Keterangan:

Eo = Penguapan (mm/hari)

es = Tekanan uap jenuh (mm Hg)

ea = Tekanan udara (mm Hg)

U2 = Kecepatan angin pada ketinggian 2 m (m/det)

Contoh soal:

Paa temperatur udara 8 m di atas muka air danau sebesar 22,5°C, maka tekanan

uap jenuh es pada elevasi itu dari dapat diketahui sebesar 20,43 mm Hg. Apabila

kelembaban relatif 30% maka tekanan aktualnya (ea) pada elevasi 8 m adalah:

e8 = RH x es = 0,3 x 20,43 = 6,12 mm Hg

Pada temperatur muka air danau besar 15,5°C, diketahui takanan uap jenuh es =

13,2 mm Hg, oleh karena itu

Eo = 0,129(es – e8) U8

Eo = 0,129(13,2 – 6,12) 3,5

Eo = 3,19 mm/hari

Apabila kelembaban relatif meningkat menjadi 90% maka:

Eo = 0,129(es – e8) U8

Eo = 0,129(13,2 – 18,27) 3,5

Eo = -2,28 mm/hari

4. METODE GABUNGAN

Untuk menaksir laju penguapan air bebas dari suatu waduk atau danau

Penman (1948) menggabungkan konsep budget energi dan metode pemindahan

massa yang umumnya disebut metode gabungan.

Persamaan Penman ditulis sebagai berikut:

Eo = δ x En+τ x Ea

δ+τ atau

a x En+Ea1+a

Keterangan:

δ = Kemiringan kurva tekanan uap jenuh antara Ta dan Tu (mbar/°C)

Eo = Laju penguapan (cm/hari)

En = Radiasi bersih yang setara dengan satuan laju penguapan (cm/hari)

Ea = Laju penguapan karena pemindahan massa panas (cm/hari)

a = δτ = faktor pembanding

Nilai En dapat dihitumg melalui persamaan berikut:

En = Rn

τ x L

Dimana τ = kerapatan air dan L = panas laten untuk penguapan

Karena persamaan Penman dikembangkan di luar negeri, terutama diperlukan

koreksi tentang konstanta yang perlu diteliti dengan cermat agar lebih sesuai

dengan kondisi khas Indonesia, sehingga diperolah nilai Ea dan En yang lebih

sesuai, misalnya:

a. Untuk mengoreksi konstanta dalam menentukan nilai Ea, setiap pos

klimatologi telah tersedia data suhu udara, suhu air, penguapan,

kelembaban, kecepatan engin sehingga kemungkinan dapat dilaksanakan;

b. Untuk mengoreksi persamaan dalam menentukan nilai En, hambatan yang

utama adalah menentukan radiasi bersih dari suatu muka air bebas.

Radiasi bersih dapat ditulis dengan persamaan berikut:

Rn =Rs(1 – α) – Rb

Persamaan untuk menentukan nilai Rs adalah:

Rs = Ra[p+q( nN )]

Sedangkan persamaan untuk menentukan nilai Rb adalah:

Rb = β x T a4 ¿

Keterangan:

β = Konstanta Stefan – Boltzmann

ea = Tekanan uap aktual

Ta = Suhu udara (Kelvin)

Nilai x, y, w dan z konstanta empiris, bergantung lokasi.

nN

= Durasi penyinaran matahari relatif

Di Indonesia dapat dikatakan setidaknya sampai saat ini (1997), belum ditentukan

nilai x, y, w dan z yang merupakan hasil penelitian menggunakan data klimatologi

di Indonesia. Beberapa rumus empiris dari negara lain, di antaranya:

- di Belanda:

Rb = β x T a4 ¿

Keterangan:

Rb = Radiasi gelombang panjang (kal/cm2/hari)

β = Konstanta Stefan – Boltzmann = 117,74 x 10-9 kal/cm2/hari/°Kelvin4

Ta = Suhu rata-rata Kelvin (°t Kelvin = 273,15 + °t C)

ea = Tekanan uap aktual pada suhu (mm Hg) pada suhu Ta (°C)

N = Lamanya penyinaran matahari teoretis

N = Lamanya penyinaran matahari aktual dari pos klimatologi

- di Inggis:

Rb = β x T a4 ¿

Keterangan:

Rb = Radiasi gelombang panjang setara penguapan (mm/hari)

β = Konstanta Stefan – Boltzmann = 2,01 x 10-9 mm/hari setara penguapan

ea = Tekanan uap aktual (mBar)

Ta = Suhu udara (Kelvin)

- Standar dari FAO:

Rb = β x T a4 ¿

Keteranngan:

Rb = Radiasi gelombang panjang (MJ/m2/hari)

β = Konstanta Stefan – Boltzmann = 4,90 x 10-9 MJ/m2/K-4/hari

ea = Tekanan uap aktual (kPa)

Ta = Suhu udara (Kelvin)

Nilai konversi:

1 kal/cm2/hari = 1

58,6 mm/hari setara penguapan

1 MJ/m2/hari = 23,884 kal/cm2/hari

1 MJ/m2/hari = 0,408 mm/hari setara penguapan

1 kPa = 10 mBar

1 mBar = 0,75 mm Hg

Contoh soal:

Dari suatu waduk dipasang pos klimatologi dengan data iklim sebagai berikut:

- Suhu udara di permukaan waduk, Ta = 30°C

- Kelembaban relatif, RH = 80%

- Kecepatan angin 2 m di atas permukaan waduk U2 = 100 Km/hari

- Lama penyinaran matahari aktual n = 6 jam dan N = 12 jam

Albedo air permukaan waduk = 0,06. Nilai raadiasi teoretis pada garis lintang

tersebut serta pada bulan saat pendataan itu adalah Ra = 550 kal/cm2/hari. Untuk

menentukan radiasi gelombang pendek dari hasil penelitian menunjukkan bahwa

konstanta p = 0,29 dan q = 0,48. Hitung laju penguapan air waduk itu

menggunakan metode Penman.

Jawab:

Ta = 30°C, maka diperoleh eo = 31,82 mm Hg

= 31,82 mm Hg x 1,33 mBar

= 42,32 mBar

Laju penguapan sebagai akibat dari pemindahan massa:

Ea = (0,013 + 0,00016 x 100) 42,32 x 100−80

100

= 0,245 cm/hari

Rs = Ra[ p+q( nN )]

= 550[0,29+0,48( 612 )]

= 292 kal/cm2/hari

Kelembaban relatif RH = 80%, tekanan uap jenuh pada suhu udara di atas

permukaan waduk Ta = 30°C adalah sebesar 31,82 mm Hg, maka tekanan uap

aktualnya adalah:

ea = RH x eo

= 0,8 x 31,82 mm Hg

= 25,45 mm Hg

Nilai β = 117,4 x 10-9 kal/cm2/hari/°Kelvin4

Ta = 30°C

= 30 + 273

= 303°C

Rb = 117,4 x 10-9 x 3034 ¿

= (989,55)(0,0815)(0,6)

= 48,41 kal/cm2/hari

Rn = Rs (1 – α) – Rb

= 292(1 - 0,06) – 48,41 = 226,07 kal/cm2/hari

En = 226,07 kal / cm² /hari

0,995 gram /cm3 x 580,4 kal / gram

= 0,391 cm/hari

Eo = a x En+Ea

1+a

= 3,57 x0,391+0,245

1+3,57

= 3,6 mm/hari