Modul 2

Ilmu Air Permukaan dan

Air Tanah

Pelajaran

9Geomorfologi Sungai

Tujuan Instruksional

Pada saat Penyelesaian Pelajaran ini, mahasiswa diharapkan dapat menguasai hal-hal berikut :

1. Komponen-komponen Sistem Fluvial.2. Mekanika dari erosi sedimen, transportasi dan proses

perpindahan material oleh sungai3. Penyebab agradasi dan degradasi pada dasar Sungai.4. Formasi Batang pada Sungai-sungai.5. Penyebab dari Lekukan Sungai (Meandering), Migrasi secara

lateral dan penyesuaian lebar sungai pada sungai-sungai.6. Hubungan antara Kecepatan, Batas keliling (perimeter),

kelandaian, kecepatan ,dll. dari Sungai-sungai dengan endapan (alluvial).

2.9.0 Pengenalan.

Pada pelajaran sebelumnya, kita membahas mekanika dari air yang mengalir. Dalam sistem bumi, air ini dapat di umpamakan sebagai air yang mengalir menuruni bukit setelah turun hujan, yang besertanya membawa sejumlah tanah yang telah terkikis karena gerakan aliran air. Aliran air sungai yang megalir turun ke laut juga membawa

sejumlah besar bahan sedimen yang telah terakumulasi dari sungai-sungai kecil lain yang tergabung ke sungai.

Pada umumnya, pergerakan air di atas permukaan tanah merupakan agensi yang dominan dalam perubahan bentuk lahan. Dekat permukaan proses Weathering menyediakan material angkutan sedimen untuk sungai-sungai kecil yang mengalir. Beberapa material angkutan sedimen mengendap sepanjang jalur sungai dan hanya sebagian dari total material sedimen yang terbawa sampai ke laut. Nyatanya, daratan berkembang karena pada dasarnya aliran air di atasnya dalam anak-anak sungai dan aliran kecil, yang bergabung membentuk sungai kecil, yang kemudian bergabung lagi membentuk sungai-sungai. Proses dari dari anakan sungai mengikis dan pengangkutan oleh air adalah proses yang kontinu dan telah berlangsung sejak terbentuknya planet ini dan elemen-elemen yang ada di sekelilingnya. Karena itu sungai-sungai selalu berubah namun dalam waktu hidup seorang manusia tidak begitu signifikan tergantung dari bentuk daerah yang dilewatinya. Tujuan utama dari “fluvial” (dari bahasa latin “fluvial” yang berarti sungai) adalah diterapkan untuk pekerjaan yang dibuat sungai dan sistem sungai diterapkan untuk semua area saluran sungai tertentu yang mebentang dari pembagian saluran di area sumber air dan sedimen, melewati ngarai dan lembah dari saluran lembah sungai, ke area endapan seperti pantai.

Pada pelajaran ini, di maksudkan untuk memahami perilaku aliran dan transpor sedimen pada saluran-saluran alami dan sungai-sungai. Teori-teori terapan lain dari dinamika sedimen dan aplikasinya pada sungai-sungai alami dan saluran-saluran buatan dibahas pada pelajaran 2.10 .

2.9.1 Sistem Fluvial.

Secara konsep sistem fluvial dari lembah sungai dapat dibagi menjadi tiga zona utama (gambar 1), dan di deskripsikan sebagai berikut :

1. Zona Erosi dari produksi limpasan dan sumber sedimen,2. Zona Transpor dari air dan pengangkutan sedimen, dan3. Zona Deposit dari kiriman limpasan dan sedimentasi.

Pada bagian pertama atau zona atas proses erosi mendominasi dan sungai kecil dan dasar sungai umumnya terdegradasi. Sungai-sungai kecil bergabung bersama dan lereng mereka umumnya curam. Material dasarnya khas terdiri dari batu-batu, berbatu atau kerikil.

Zona yang kedua (tengah) ditandai dengan kondisi ekuilibrium dekat antara Aliran masuk dan aliran keluar oleh air dan sedimen. Elevasi dasar di zona keseimbangan ini cukup konstan dan sungai umumnya mengalir dalam saluran tunggal, ada beberapa Confluences atau percabangan (seperti dalam zona terakhir) bahan

Gambar 1. Tiga Zona dari Sistem Fluvial.

sedimen umumnya tersusun atas kerikil dan pasir dari berbagai ukuran.

Zona Bawah ditandai dengan sedimentasi bersih dan agradasi dasar sungai. Ada percabangan sungai ke saluran-saluran dan kemiringan saluran ini agak datar. Material dasar disusun dari pasir halus hingga lanau dan tanah liat.

2.9.2 Sediment erosion, transport and deposition by river

Gambar 2. Interaksi dari gaya-gaya diantara aliran dan dasar sungai

a. Gambaran umum

Aliran

Tegangan Geser

Tegangan Geser dari dasar sungai dengan aliran bawah menyebabkan kecepatan nol di dasar.

Gambar 2. Interaksi dari gaya-gaya antara aliran dan dasar sungai.

a. Gambaran Umum.b. Diagram Free Body menunjukan tegangan geser pada aliran dasar sungai.

b. Diagram tubuh bebas menunjukan tekanan geser pada dasar aliran dasar sungai antarmuka

Secara matematis, tegangan geser dapat diungkapkan pada istilah dari variabel-variabel aliran sungai. Jika S0 adalah kemiringan saluran. V adalah kecepatan aliran dan h adalah kedalaman air pada titik, kemudian tegangan geser (r0) diantara antarmuka air dan dasar sungai, maka ditunjukkan sebagai

Τ0= ρ. g. h. Sf (1)

Dimana Sf adalah kemiringan dari garis batas energi (GBE) ditunjukan pada gambar 3. GBE menunjukkan energi total pada berbagai titik seperti berikut:

E= Z+ h + V2/2g (2)

Untuk penjelasan istilah, dapat ditunjukkan pada Pelajaran 2.8, dan buku-buku hidrolik seperti buku Ven Te Chow “Hidrolik Saluran Terbuka” (1959: McGraw Hill).

Jika momentum dari perpindahan air, tekanan hidrostatiknya, komponen berat hilir airnya dan gesekan dasar disamakan, persamaannya menjadi:

Sf =S0−ϬhϬx

− vϬVgϬx

−1 ϬVg Ϭt

(3)

Dari persamaan (3) dapat ditemuka Sf dan tekanan geser (τ) dapat dievaluasi menggunakan persamaan (1).

Berasal dari persamaan (3) dapat diperkirakan bahwa variabel-variabel aliran tidak seragam dan goyah jika mereka tidak demikian maka derivatif sehubungan dimensi spasial x dan waktu t menghilang, hal ini menyederhanakan persamaan menjadi:

Sf=S0 (4)

Ini adalah kasus dari aliran yang seragam dan sesuai persamaan tekanan geser seperti diberikan

Τ0= ρ. g. h. S0 (5)

Demikian, dengan mengetahui tekanan geser, memungkinkan untuk mencari apakah cukup untuk mengeluarkan sebuah partikel dengan diameter ds dari dasar sungai dengan sebuah metode yang dianjurkan Shields (Julien, 1995)

Pertama, partikel tidak berdimensi d, ditemukan dengan formula berikut

Gambar 3. Diagram pergerakan partikel

dS0 : diameter partikel rata-rata (seukuran padi)

G : kerapatan relatif partikel

g :percepatan gravitasi

ɤ0 : berat unit sedimen

ɤ : berat unit air

V : kekentalan kinematis air

Τ0 : parameter Shields atau fungsi entrainment

Parameter τ0 yang diberikan pada gambar 3 adalah nilai kritis dari parameter Shields sesuai pergerakan awal (τ0=τe). Nilai tekanan geser ini τ0 pada ukuran-ukuran partikel tertentu sesuai tabel berikut

Tipe partikel Diameter ds (mm) Tekanan geser kritis τ0 (N/mm2)

Cobble (batu bulat) 130 111

d 1=d 2[ (G−1 ) gV 2 ] (6)

Dimana G adalah gravitasi spesifik dari partikel sedimen; v adalah kekentalan kinematis dari cairan dan g adalah percepatan sesuai gravitasi. Dalam beberapa buku, G adalah ungkapan dari Sg.

Rasio gaya gesek terhadap partikel dasar menjelaskan parameter Shields τ0 sebagai

τ 0= r 0(γ 0−γ ) ds

= u .2

(G−1 ) g .ds (7)

Dimana r0 adalah batas tekanan geser dan u. adalah kecepatan geser didefinisikan sebagai:

u .=√ r 0ρ

(8)

Pada persamaan (7), γ0 dan γ adalah berat spesifik memiliki partikel

sedimen dan masing-masing air. Perlu diingat τ. bergantung pada τ0,

dan yang lagi fungsi dari S0 (atau Sf). Apakah r. cukup kompeten

untuk mengeluarkan sebuah partikel berdasarkan nilai kritias dari

tekanan geser yang diberikan untuk partikel oleh diameter yang

diberikan dan kerapatan seperti yang diberikan pada gambar 3.

2.9.3 Degradasi Dasar Sungai

Degradasi saluran umumnya mengacu pada penurunan ketinggian dasar yang dikarenakan erosi. Dalam beberapa kasus, material dasar tidak terpengaruhi dan degradasi itu akan menghasilkan irisan saluran seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.

Sebelum

Sesudah

Gambar 4. Penampang sungai yang mengalami penurunan dasar. Lebar sungai w0 dan kedalaman sungai h0 sebelum penurunan ; Setelah penurunan lebar berubah menjadi w1 dan kedalaman menjadi h1.

Gambar 4. Penampang sungai untuk degradasi dasar. Lebar awal sungai (w0) dan kedalaman sungai sebelum terjadi degradasi (h0). Setelah itu lebar degradasi berubah (w1) dan untuk kedalaman sugai (h1).

Fenomena degradasi terjadi ketika beban sedimen yang diangkut oleh sungai kurang dari kapasitas pengangkutan sedimen dari sungai dan sedimen berlebih yang dibutuhkan untuk memenuhi kapasitas sungai akan diambil dari dasar sungai yang mudah tererosi. Hasil degradasi dalam potongan saluran dan lereng landai, sering fenomena ini diamati di hilir bendungan yang dibangun di sungai (Gambar 5)

Air bersih yang dikeluarkan dari bendungan juga menyebabkan degradasi di dasar bendungan yang membentuk kemiringan di bawah bendungan.

Ukuran dan besar dari degradasi yang terjadi di bawah bendungan tersebut didasarkan pada besar waduk dan operas serta besar dan ketersediaan alluvium di bawah dam

Fenomena yang berhubungan dengan degradasi dasar aliran adalah ARMOURING (Perlindungan?) dimana pengasaran ukuran material dasar yang ada terjadi selama degradasi dan partikel-partikel yang kecil terbawa arus. ketika tekanan daya geser yang ada di dasar

Dasar sungai semula

Penurunan dasar sungai

Gambar 5. Profil longitudinal sungai menampilkan penurunan dasar sungai sepanjang sungai di bawah sebuah bendungan.

di aplikasikan cukup besar untuk menggerakan partikel dasar yang besar, degradasi berlanjut ketika tekanan daya geser pada dasar tidak bisa menggerakkan partikel dasar yang kasar. Sebuah lapisan pelindung terbetuk di permukaan dasar.

Lapisan pelindung tersebut menjadi semakin kasar dan tebal ketika dasar mengalami degradasi sampai lapisan tersebut menjadi cukup tebal untuk mencegah degradasi yang lebih lanjut.

2.9.4 Peningkatan Dasar Saluran

Ketika aliranmembawa sedimen yang mengakibatkan kapasitas sungai berkurang hingga mencapai pada suatu titik. Akibatnya terjadi pengurangan kecepatan dan peningkatan penampang atau pengurangan kemiringan sungai, kelebihan sedimen tersimpan di dasar sungai. Sebagai hasil dasar sungai naik, fenomena yang disebut sebagai aggradation (pengendapan atau peningkatan dasar saluran). Seringkali fenomena ini terlihat pada hulu suatu bendungan (Gambar 6), di mana kecepatan air di waduk berkurang akibat dari peningkatan dasarsungai.

Saluran aggradation (saluran yang mengalami pendangkalan ataupun peningkatan dasar saluran sungai) juga dapat terjadi dalam DAS dikarenakan alasan geologi (misalnya, peningkatan erosi daerah tangkapan) beban sedimen yang disalurkan melalui aliran sungai dari

Gambar 6. Profil sungai memanjang menunjukkan deposisi sedimen di dasar sungai di waduk belakang bendungan.

itu dapat dibawa oleh sungai.Akibatnya dasar sungai naik (Gambar 7a) dan memaksa saluran untuk membuka aliran baru (Gambar 7b)

Untuk (braided river) sungai berbentuk seperti berliku, ada kecenderungan aliran sungai memperluas dan menjadi sangat dangkal dengan tekanan air yang mengalami perubahan yang cepat dalam morfologi. Pada arus tinggi aliran dikepang memiliki liku yang rendah dan sering tampak lurus di aliran rendah.

Aggradasi(saluran yang mengalami pendangkalan ataupun peningkatan dasar saluran sungai) juga terjadi pada saluran ketika ada penurunan kemiringan dari dasar saluran misalnya sebagai sungai

Gambar 7. Pengaruh kenaikan beban sediment di sungai. (a) Pertambahan saluran. (b) Berliku/Bercabang

muncul bukit-bukit dan memasuki tanah relatif datar. Ini telah terjadi di sungai Kosi, yang telah memaksa sungai untuk mengubah arah dengan lebih dari seratus kilometer kearah barat dalam 200 tahun terakhir.

2.9.5 Pembentukan Bar di Sungai Aluvial

Bars merupakan bentuk dasar yang besar pada dasar sungai yang sering muncul ketika aliran rendah (Gambar 8), Tumpukan tanah yang tersimpan ini tidak statis dan sering berpindah ketika arus tinggi Bars dapat muncul kembali ketika aliran menurun tetapi tidak selalu pada posisi yang sama dengan sebelumnya

Bar Alternatif terbentuk di saluran yang cenderung lurus dengan gundukan yang beragam dari kanan ke kiri lereng saluran.Tipe Bar ini terbentuk ketika bilangan Froude dari aliran sungai tersebut tinggi dan parameter Shields dekat dengan gerakan yang baru terjadi.

Gambar (8) Pergerakan Bar di Sungai (a) Bar Alternative (b) Bar Point dan (c) Bar di tengah Saluran (Mid Channel Point Bars)

Point bars terbentuk ketika adanya aliran kedua pada belokan sungai (Gambar9)

Seperti yang dapat dilihat pada gambar belokan sungai yang ada diatas, dapat dilihat terdapat aliran yang nampak pada kemiringan yang tegak lurus dengan arah aliran sungai.Pada bagian luar pada lereng saluran, aliran kedua mengakibatkan erosi dan pada bagian dalam lereng saluran mengakibatkan

Tepi luar

Tepi dalam

Aliran garis di permukaan sungai

Aliran garis dekat sungai

Bagian A.A

penumpukan, sehingga mengakibatkan kenaikkan pada formasi Point Bar.Tempat paling dalam pada sungai pada jarak tertentu disebut Thalweg.Kebanyakan Thalwegs melewati beberapa Pools(Kolam) pada dasar saluran yang dipisahkan oleh Riffles yang bisa berupa pembentukan sedimentasi dari dasar atau tubir dari dasar. Pools dan Riffles dari dasar aliran ini menyebabkan Thalweg mempunyai kemiringan yang tidak sama, naik turun dengan arah aliran.

2.9.6 Sungai Berkelok-kelok

Sebuah sungai yang mengalir tidak dalam garis lurus, tetapi dalam pola sinusoidal (Gambar 10) disebut sungai yang berkelok-kelok.

Aliran ini terhubung dari aliran sekunder yang terbentuk di tikungan sungai yang menyebabkan erosi lebih lanjut di tepi luar dan deposit sedimentasi di tepi bagian dalam. Sungai yang berkelok meningkatkan panjang aliran dan cenderung mengurangi kemiringan lereng.

Banyak ilmuwan telah mengemukakan alasan yang berbeda mengapa sungai tersebut menjadi berkelok-kelok. Prinsip-prinsip hipotesis eksternal telah digunakan untuk menjelaskan fenomena varians

Gambar 10. Sungai berkelok-kelok

minimum yang diusulkan oleh Langbein dan Leopold pada tahun 1962. dalam teori ini melibatkan geometri planimetris dan faktor kedalaman hidrolik, kecepatan dan kemiringan lokal. Penjelasan matematis juga telah dibuat oleh Yang pada tahun 1976 yang menjelaskan tentang pembentukan aliran yang berkelok-kelok. Lain seperti Maddock (1970) dan Chang (1984) menggunakan prinsip kekuatan aliran minimum, Julien (1985) menganggap sungai yang berkelok-kelok sebagai masalah variasi dimana integrasi energi sesuai dengan masalah fungsi variasional yang disolusikan dari kurva sinus yang dihasilkan .

secara Kuantitatif, ilmuwan seperti Chitale (1970) berpendapat bahwa penyebab utama dari sungai yang berkelok-kelok adalah kelebihan beban total sedimen selama pengaliran. Sebuah sungai cenderung membuat lereng yang curam dengan mengendapkan sedimen di dasar sungai ketika beban sedimen melebihi dari yang diperlukan untuk mencapai keseimbangan. Peningkatan lereng mengurangi kedalaman dan meningkatkan lebar saluran sungai jika tepi tidak menahan erosi. Hanya sedikit penyimpangan dari aliran aksial seragam yang diperlukan untuk mengalirkan lebih aliran ke satu tepi dari pada yang lain. Aliran tambahan ini langsung tertarik ke tepi sebelumnya, kemudian mengarah ke kumpulan aliran sepanjang naiknya kelengkungan aliran dan akhirnya menyebabkan kelok-kelok di akhir aliran.

2.9.7. Gerakan Menyamping Sungai-sungai dan Ketidakstabilan Tepi Sungai

Saluran yang berkelok-kelok adalah hasil dari sebuah kelangsungan perubahan dasar dan tepi sungai oleh aliran dengan sendirinya membentuk saluran endapan dengan demikian kondisi

sungai yang berkelok-kelok tersebut bertambah seiring berjalannya waktu.

Dari gambar di atas, sudah jelas bahwa peningkatan dari nilai kekelokan dari sungai yang berliku-liku adalah berhubungan dengan mundurnya tepi sungai. Dalam beberapa sungai, seperti Sungai Kosi telah berubah atau berpindah posisi secara menyamping sampai jarak yang jauh (lebih dominan pada arah barat). Dari sini juga pengaruh karena mundurnya tepi sungai, walaupun sungai tersebut tidak menunjukkan kekelokan dengan jelas oleh karena itu erosi pada tepi sungai berhubungan erat dengan perubahan posisi lateral sungai.

Erosi tepi sungai terdiri dari pemisahan butiran atau kumpulan-kumpulan butiran dari tepi sungai, diikuti oleh penggabungan materi fluvial. Walaupun dasar sungai kemungkinan terbentuk dari material endapan non-kohesif di tepi-tepi sungai, di samping itu, kemungkinan terbentuk dari tanah non-kohesif atau kohesif. Kohesif, butiran halus material dari tepi mudah terkikis oleh penyapuan dari agregat-agregat atau remah-remah dari tanah daripada partikel-partikel individu, yang terikat dengan kuat bersama-sama oleh kekuatan-kekuatan kohesif elector-mekanis. Material tepi non-kohesif biasanya terpisah butir demi butir dan kemungkinan meninggalkan torehan pernyataan menandakan tahap puncak tercapai.

(Figure 1.1. Kekelokan untuk sungai lurus dan sungai berliku-liku. (a) Lurus: Kekelokannya = 0 ; (b) Kekelokannya = 1.1 ; (c) Kekelokannya = 1.5)

Ketika bagian dari garis tepi runtuh dan jatuh banyak dari material di tepi longsor atau jatuh menuju bagian bawah dari tepi. Material-material tersebut kemungkinan tertinggal di sana sampai hancur di tempat tersebut atau tersapu oleh arus. Massa keruntuhan bias dianalisa dalam istilah geoteknik kestabilan lereng atau sebagai hasil dari gaya gravitasi dan fluvial, yang mengatasi menahan gaya gesekan, kohesi dan penggabungan, beberapa model dari keruntuhan tepi ditunjukkan dalam Gambar 12.

2.9.8 Penyesuaian lebar sungai

Dengan kenaikan atau penurunan aliran dominan dan beban sedimen dari sungai , ada perubahan di permukaan lapisan sungai , seperti yang dibahas dalam 2.9.2 dengan 2.9.4 . Meskipun perubahan saluran secara mendalam yang disebabkan oleh aggradasi atau degradasi dasar sungai dapat disimulasikan , perubahan lebar tidak bisa. Ketika mencoba untuk model sistem murni seperti morfologi

Gambar 12. Model dari Keruntuhan Tepi

fluvial ini adalah keterbatasan penting karena saluran penampang biasanya berubah pada waktu , dan penyesuaian dari kedua lebar dan kedalaman ( selain perubahan planform , kekasaran dan atribut lainnya ) cukup umum .Penyelarasan sungai dapat terjadi karena berbagai perubahan morfologi dan tanggapan saluran . Ini mungkin pelebaran ( Gambar 13 ) atau penyempitan ( Gambar 14 ) .

Lebar T1Potongan Bagian A-A

Lebar T2

Gambar Tampak Potongan Bagian A-A

Lebar T1

Lebar T2

Lebar T1

Lebar T2

Lebar T1

Lebar T2

Lebar T1

Lebar T2

Erosi

Endapan

Gambar 13. Cara-Cara dari Pelebaran Saluran

Adaptasi dari ASCE Task Committe, dokumen 1998

Potongan Bagian A-A

Lebar T1

Lebar T2

Lebar T1

Lebar T2

Lebar T1

Lebar T2

Lebar T1

Lebar T2

Erosi

Endapan

Gambar 14. Cara-Cara dari Pembatasan Saluran

Adaptasi dari ASCE Task Committe, dokumen 1998

Pelebaran dapat terjadi oleh erosi dari satu atau kedua pinggriran sungai tanpa pengikisan besar (Gambar 13a). Pelebaran di saluran berliku-liku dapat terjadi ketika luar retret pinggiran sungai, seperti pada saluran berkelok-kelok l Gambar 13b. Di jalinan sungai, erosi pinggiran sungai dengan arus dibelokkan di sekitar tumbuh jalinan penghalang adalah penyebab utama dari pelebaran (Gambar 13c). Di sungai mengurangi pelebaran sering mengalir pengikisan saluran ketika tinggi meningkat dan kecuraman pinggiran sungai kemudian menyebabkan menjadi tidak stabil (Gambar 13d). Pelebaran berserat kasar, saluran aggrading dapat terjadi ketika percepatan aliran karena luas penampang menurun, ditambah dengan defleksi saat sekitar penghalang berkembang, pemicu erosi pinggiran sungai (Gambar 13e).

Penyempitan sungai dapat terjadi melalui pembentukan di-saluran tanggul, atau Branches pada margin (Gambar 14a). Berms atau benches sering tumbuh ketika tingkat lapisan dasar stabil setelah periode degradasi dan akhirnya dapat menyebabkan penciptaan baru, ketinggian rendah banjir dan pembentukan saluran keseimbangan kuasi sempit. Penyempitan di saluran berliku-liku terjadi ketika tingkat alternatif atau titik pertumbuhan penghalang melebihi laju dibandingkan potongan pinggiran sungai (Gambar 14b). Dalam jalinan saluran, penyempitan dapat mengakibatkan anabranch marjinal (pada saluran cabang) dalam jalinan sistem diabaikan (Gambar 14c). Sedimen diendapkan dalam saluran diabaikan sampai menyatu ke dataran banjir. Juga, jalinan penghalang atau pulau-pulau dapat menumpuk di dataran banjir, terutama menyusul penurunan debit formatif (Gambar 14d). Island tops bertentangan dengan elevasi dataran banjir dan pinggiran sungai dibangun hingga elevasi dataran banjir karena deposisi sedimen di permukaan tanggul, sering berkaitan dengan pembentukan vegetasi.