Pengendalian sedimentasi di saluran irigasi dengan membangkitkan arus turbulensi

THE CONTROL OF SEDIMENTATION IN IRRIGATION CHANNEL USING

GENERATING OF TURBULENCE FLOW

SKRIPSI

Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik

Universitas Sebelas Maret

Disusun oleh:

M. Yushar Yahya Alfarobi

I.0106008

JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA

2010

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Air merupakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui keberadaannya. Semua

makhluk hidup memanfaatkan air untuk memenuhi kebutuhannya. Oleh karena

itu, keberadan air perlu dijaga agar dapat dimanfaatkan seterusnya. Sebagian besar

air berasal dari hujan, hujan yang jatuh ke permukaan bumi, sebagian akan

meresap ke bawah permukaan bumi dan sisanya akan mengalir di permukaan

bumi yang dikenal sebagai air limpasan (surface runoff). Air yang mengalir di

permukaan tergantung dari besarnya intensitas hujan dibandingkan terhadap laju

infiltrasi dari masing-masing daerah (Mamok Soeprapto dan Susilowati, 1987).

Setiap sungai memiliki daerah tangkapan air hujan yang umumnya disebut

sebagai Daerah Aliran Sungai (DAS). DAS adalah suatu kawasan lahan dimana

semua air baik dari air hujan maupun air salju, mengalir ke bawah menuju suatu

penampungan air, seperti sungai, danau, atau rawa.

Tata guna lahan sangat berperan dalam proses pengalihragaman hujan menjadi

aliran. Perubahan tata guna lahan yang tidak memperhatikan lingkungan

mengakibatkan semakin besarnya aliran permukaan dan semakin berkurangnya air

yang terinfiltrasi ke dalam tanah. Aliran permukaan ini akan langsung menuju

sungai.

Ada beberapa faktor yang menyebabkan perubahan tersebut, baik faktor alam

(natural factor) maupun faktor manusia (human factor). Namun, penyebab utama

kerusakan DAS tersebut kebanyakan akibat ulah manusia. Penebangan hutan,

pembuatan sistem terasering yang tidak tepat, industri yang tidak mengindahkan

lingkungan, dan eksploitasi material sungai secara berlebihan dapat menyebabkan

kerusakan pada DAS (Jurnalis KOMPAS, 2008). Keadaan yang kurang

menguntungkan tersebut dapat menyebabkan sedimentasi, erosi sungai, dan

pencemaran sungai. Beragam upaya sudah banyak dilakukan manusia untuk

melindungi sumber-sumber air dan menjaga keberlangsungan air agar dapat

dimanfaatkan secara berkelanjutan. Pengelolaan DAS yang baik dapat mencegah

munculnya masalah-masalah yang terkait dengan air di masa mendatang.

Salah satu upaya yang sering dilakukan manusia dalam pemanfaatan air adalah

dengan pembuatan bendung untuk meninggikan permukaan air sungai atau waduk

serba guna sebagai penampung air. Air permukaan dimanfaatkan manusia untuk

memenuhi beragam kebutuhannya. Salah satu pemanfaatan air terbanyak adalah

untuk memasok air ke daerah irigasi.

Pasokan air untuk irigasi diambilkan dari air permukaan atau sungai melalui

intake pada bangunan utama (bendung) yang dibangun melintang sungai. Setelah

melalui intake air mengalir ke awal saluran induk, berupa saluran penangkap

pasir.

Dengan meningkatnya angkutan sedimen di sungai banyak saluran irigasi

mengalami pendangkalan karena endapan. Pada umumnya, sedimentasi ini terjadi

akibat material yang terbawa air yang masuk saluran. Jika debit aliran ini rendah

maka akan terjadi proses pengendapan di saluran irigasi. Penumpukan material

terus berlangsung sehingga endapan semakin banyak dan akan membentuk delta.

Sedimentasi ini mengurangi kapasitas saluran sehingga kemampuan untuk

memasok air berkurang, dan pada akhirnya akan mengurangi produktivitas

tanaman.

Terjadinya pengendapan di awal beberapa saluran irigasi menarik untuk dikaji.

Gagasan ini diangkat berdasarkan hasil pengamatan di lapangan, yaitu di Bendung

Jati, Kali Madiun yang menunjukkan adanya masalah pengendapan di awal

saluran irigasi bahkan telah dipasang alat pengeruk sedimen di saluran penangkap

pasir, namun tetap tidak dapat mengembalikan fungsi saluran tersebut.

Dalam penelitian ini akan dicoba membangkitkan arus turbulensi di saluran

irigasi, sehingga tidak memberi kesempatan bagi sedimen untuk mengendap di

awal saluran irigasi. Upaya ini diajukan dalam penelitian, mengingat pintu

pembilas tidak dapat berfungsi dengan baik sehingga endapan semakin lama lebih

tebal dan padat.

1.2. Rumusan Masalah

Beberapa masalah yang dapat dirumuskan dalam penelitian ini adalah:

1. Apakah kecepatan aliran di awal saluran induk kurang tinggi sehingga

membentuk endapan?

2. Apakah dengan membangkitkan arus turbulensi dapat mencegah

sedimentasi?

3. Peralatan apa yang diperlukan untuk membangkitkan arus turbulensi?

1.3. Batasan Masalah

Hal-hal yang membatasi obyek penelitian agar langkahnya lebih sistematis dan

terarah adalah:

1. Penelitian dilakukan di laboratorium Hidrolika Jurusan Teknik Sipil

Fakultas Teknik UNS, dengan menggunakan open flume yang menjadi

model saluran irigasi dengan ukuran 7,7 x20x500 3cm ,

2. Aliran pada saluran irigasi dianggap tetap dan seragam (steady uniform

flow),

3. Dasar saluran irigasi dianggap kedap air dan pengaruh rembesan air

diabaikan,

4. Penelitian hanya dibatasi untuk sedimen non-cohesive, sedimen berupa

pasir dengan butiran seragam diameter 2,36 mm atau lolos ayakan no 8.

1.4. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Mengetahui kecepatan aliran di awal saluran induk,

2. Mengetahui pengaruh arus turbulensi terhadap terjadinya sedimentasi,

3. Mengetahui jenis peralatan yang diperlukan untuk dapat membentuk arus

turbulensi.

1.5. Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan dapat menambah informasi khususnya dalam

pengelolaan saluran irigasi dan diharapkan dapat menambah wahana dalam

bidang ilmu pengetahuan, khususnya bidang irigasi.

BAB 2

LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

2.1.1. Saluran Terbuka

Aliran air dalam suatu saluran terbuka merupakan aliran bebas (free flow) yang

dipengaruhi oleh tekanan udara. Pada semua titik di sepanjang saluran, tekanan

udara di permukaan air adalah sama. Ilustrasi aliran pada saluran terbuka dapat

dilihat pada Gambar-2.1.

Chow dkk., 1989, membedakan saluran terbuka menurut asalnya menjadi saluran

alam (natural) dan saluran buatan (artificial). Saluran alam meliputi semua alur

air yang terdapat secara alamiah di bumi, mulai dari anak sungai di pegunungan,

sungai besar, sampai ke muara sungai. Saluran buatan dibentuk oleh manusia,

seperti saluran banjir, saluran pembangkit listrik, dan saluran irigasi.

Gambar 2.1. Aliran pada saluran terbuka

2.1.2. Klasifikasi Aliran Saluran Terbuka

Berdasarkan perubahan kedalaman aliran sesuai dengan waktu dan ruang, aliran

dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu:

a. Aliran tunak (steady flow)

Aliran dikatakan tunak bila kedalaman aliran tidak berubah atau dapat

dianggap konstan selama selang waktu tertentu (lihat Gambar-2.2). Pada jenis

aliran tunak akan terjadi sifat aliran sebagai berikut:

1. Aliran seragam (uniform flow) yaitu terjadi bila kecepatan aliran tidak

berubah dan kedalaman saluran sama pada setiap penampang,.

2. Aliran tak seragam (non uniform flow) yaitu terjadi bila kecepatan aliran

berubah dan kedalaman saluran tidak sama pada setiap penampang.

Gambar 2.2. Steady flow

b. Aliran tak tunak (unsteady flow)

Aliran dikatakan tak tunak bila kedalaman aliran berubah sesuai dengan

waktu (lihat Gambar-2.3). Pada jenis aliran tidak tunak akan terjadi sifat

aliran sebagai berikut:

1. Aliran seragam (uniform flow) yaitu terjadi bila kecepatan aliran tidak

berubah dan kedalaman saluran sama pada setiap penampang.

2. Aliran tak seragam (non uniform flow) yaitu terjadi bila kecepatan aliran

berubah dan kedalaman saluran tidak sama pada setiap penampang.

Gambar 2.3. Unsteady flow

Chow dkk., 1989, menyatakan bahwa aliran seragam adalah aliran yang

mempunyai kecepatan konstan terhadap jarak, garis aliran lurus dan sejajar, dan

distribusi tekanan adalah hidrostatis serta luas penampang tidak berubah terhadap

ruang, baik besar maupun arahnya. Hal ini berarti bahwa saluran harus

mempunyai bentuk tampang identik. Aliran seragam tidak dapat terjadi pada

kecepatan aliran yang besar atau kemiringan saluran yang sangat besar. Aliran

dalam saluran irigasi termasuk dalam aliran yang seragam, dengan catatan tidak

ada perubahan penampang secara mendadak di saluran tersebut.

Ciri-ciri pokok aliran seragam adalah sebagai berikut:

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

pada saluran yang lurus adalah konstan.

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

kemiringanya sama.

Berdasarkan pengaruh gaya tarik bumi aliran dibedakan menjadi aliran sub kritis,

kritis, dan super kritis. Aliran disebut sub kritis apabila gangguan (misalnya batu

dilemparkan ke dalam aliran sehingga menimbulkan geombang) yang terjadi di

suatu titik pada aliran dapat menjalar ke arah hulu. Aliran sub kritis dipengaruhi

oleh kondisi hilir, dengan kata lain keadaan di hilir akan mempengaruhi aliran di

sebelah hulu. Apabila kecepatan aliran cukup besar sehingga gangguan yang

terjadi tidak menjalar ke hulu maka aliran disebut super kritis. Dalam hal ini

kondisi di hulu akan mempengaruhi aliran di sebelah hilir. Penentuan tipe aliran

dapat didasarkan pada nilai bilangan Froude Fr, yang mempunyai bentuk:

yg

VFr

.= .................................. (2.1)

dengan: Fr = Bilangan Froude v = Kecepatan rata-rata aliran (m/dt) g = Gaya gravitasi (9,81 m/dt2) y = Kedalaman hidrolik (m)

Gambar-2.4 menunjukkan perbandingan antara kecepatan aliran dan kecepatan

rambat gelombang karena adanya gangguan. Pada Gambar-2.4.a gangguan pada

air diam (V = 0) akan menimbulkan gelombang yang merambat ke segala arah.

Gambar-2.4.b menunjukkan aliran sub kritis dimana gelombang masih bisa

menjalar ke arah hulu. Pada kondisi ini bilangan Froude Fr < 1. Gambar-2.4.c

adalah aliran kritis dimana kecepatan aliran sama dengan kecepatan rambat

gelombang. Dalam keadaan ini Fr = 1. Sedangkan Gambar-2.4.d adalah aliran

super kritis dimana gelombang tidak bisa merambat ke hulu karena kecepatan

aliran lebih besar dari kecepatan rambat gelombang. Keadaan ini bilangan Froude

Fr > 1.

Gambar 2.4. Pola penjalaran gelombang di saluran terbuka

Berdasarkan pengaruh kekentalan (viscosity), aliran dibedakan menjadi 3 jenis,

yaitu:

1. Aliran laminer, terjadi bila gaya kekentalan relatif sangat besar

dibandingkan dengan kelembamannya. Dalam aliran ini, butir-butir air

seolah-olah bergerak menurut lintasan tertentu yang teratur.

2. Aliran turbulen, terjadi bila gaya kekentalan relatif lemah dibandingkan

dengan kelembamannya. Pada aliran ini, butir-butir air bergerak menurut

lintasan yang tidak teratur dan tidak tetap membentuk aliran yang

berputar-putar, namun butir-butir tersebut tetap menunjukkan gerak maju

dalam aliran secara keseluruhan (Gerald Recktenwald, 2007).

3. Aliran transisi, merupakan aliran peralihan dari aliran laminer menjadi

aliran turbulen.

Ilustrasi aliran laminer dan turbulen dapat dilihat pada Gambar-2.5 berikut.

Gambar 2.5. Aliran laminer dan aliran turbulen

Pengaruh kekentalan terhadap kelembaman dinyatakan dengan Bilangan Reynolds

(Re) dan didefinisikan sebagai berikut:

uLv.

Re= .................................. (2.2)

dengan: v = kecepatan aliran, L = panjang karakteristik (pada saluran terbuka dianggap sama dengan

jari-jari hidrolis R), u = kekentalan kinematik (m2/det).

umr

=

.................................. (2.3)

dengan: m = kekentalan dinamik, r = rapat massa fluida.

Volker Gravemeier, 2003, mengatakan bahwa aliran disebut laminer apabila

bilangan Reynold kecil, ditandai dengan lintasan yang teratur. Dengan

peningkatan bilangan Reynold, aliran laminer menjadi tidak stabil dan terjadi

olakan-olakan kecil, sehingga aliran disebut transisi. Setelah melalui tahap

transisi, akan memasuki tahap dimana aliran disebut turbulen. Aliran akan terlihat

bergelombang dan tidak teratur. Nilai-nilai berikut merupakan batasan sifat aliran

fluida dalam aliran saluran terbuka.

Re £ 2000 = aliran laminer

2000 < Re £ 4000 = aliran transisi

Re > 4000 = aliran turbulen

Untuk saluran terbuka, termasuk saluran irigasi, umumnya jarang terjadi aliran

laminer. Fakta bahwa permukaan aliran tampak licin dan mengkilat bagi seorang

pengamat tidak boleh disimpulkan bahwa aliran tersebut bersifat laminer.

Kemungkinan besar hal ini menunjukkan bahwa kecepatan air di permukaan lebih

kecil dari yang diperlukan untuk menimbulkan gulungan-gulungan gelombang

(Chow dkk., 1992). Sehingga penelitian ini dicoba untuk membangkitkan arus

turbulensi di saluran irigasi dan pada akhirnya diharapkan tidak terjadi

sedimentasi di saluran tersebut.

2.1.3. Kecepatan Aliran Pada Saluran Terbuka

Kecepatan aliran pada saluran terbuka dapat ditentukan dengan rumus Chezy, dan

rumus Manning atau rumus Strickler. Kedua rumus tersebut hanya dibedakan

pada nilai koefisien kekasarannya. Rumus Chezy menggunakan nilai koefisien

kekasaran kekasaran C yang ditentukan oleh Ganguillet dan Kutter, H. Bazin, atau

Powell (Chow dkk., 1989).

Sedangkan rumus Manning yang memiliki nilai koefisien kekasaran n yang

dipengaruhi oleh kekasaran permukaan, tetumbuhan, ketidakteraturan saluran,

trase saluran, pengendapan dan penggerusan, hambatan, ukuran dan bentuk

saluran, serta taraf dan debit air (Chow dkk.,1989).

Dalam penelitian ini akan digunakan rumus Manning karena rumus tersebut

sering digunakan untuk penentuan kecepatan di saluran terbuka.

2.1.4. Perubahan Penampang Saluran

Secara teori, debit (Q) suatu aliran dalam saluran ditentukan oleh kecepatan aliran

(V) dan luas penampang saluran (A). Apabila luas penampang saluran kecil, maka

kecepatan aliran akan bertambah. Sebaliknya, jika luas penampang saluran besar,

maka kecepatan aliran akan berkurang. Selain itu, perubahan penampang saluran

juga dapat berpengaruh pada perubahan tekanan dan kecepatan aliran pada

saluran. Perubahan penampang saluran tersebut bisa berupa perbesaran saluran

maupun pengecilan saluran.

a. Perbesaran Penampang Saluran

Pada perbesaran mendadak dari aliran seperti yang ditunjukkan pada Gambar-

2.6 mengakibatkan kenaikan tekanan dari P1 menjadi P2 dan kecepatan aliran

akan menurun dari V1 menjadi V2. Pada tempat di sekitar perbesaran

penampang (Potongan 1) akan terjadi olakan dan aliran akan normal kembali

mulai dari potongan penampang 2.

Gambar 2.6. Perbesaran penampang saluran

b. Pengecilan Penampang Saluran

Pada pengecilan penampang yang mendadak seperti yang ditunjukkan pada

Gambar-2.7, garis aliran pada bagian hulu akan menguncup dan akan

mengecil pada vena kontrakta. Hal ini dapat mengakibatkan kenaikan

kecepatan dari V1 menjadi V2.

Gambar 2.7. Pengecilan penampang saluran

2.1.5. Geometri Saluran

Menurut Chow dkk., 1989, bahwa penampang saluran (channel section) adalah

potongan melintang saluran yang tegak lurus arah aliran. Penampang saluran

inilah yang menjadi tinjauan untuk menentukan geometri saluran. Penampang

saluran alam sangat tidak beraturan, kadang berbentuk parabola, lingkaran,

trapesium, persegi atau bentuk tidak beraturan lainnya. Namun dalam penelitian

ini digunakan asumsi penampang saluran berbentuk persegi.

Definisi dari beberapa unsur geometri saluran yang penting adalah sebagai

berikut:

a. Jari-jari hidraulik (hydraulic radius)

Adalah rasio luas basah dengan keliling basah, secara matematis yaitu:

PA

R = ................................... (2.4)

dengan: R = jari-jari hidraulik, A = luas penampang basah, P = keliling basah.

b. Kedalaman hidraulik (hydraulic depth)

Adalah rasio luas basah dengan lebar puncak, secara matematis yaitu:

TA

D = ................................... (2.5)

dengan: D = kedalaman hidrolik, A = luas penampang basah, T = lebar puncak.

Untuk lebih jelas dalam memahami penampang geompetris saluran lihat Tabel-2.1

berikut, yang merupakan daftar beberapa bentuk penampang geometris saluran

yang sering dipakai.

Tabel 2.1. Unsur-unsur geometris penampang saluran

Penampang Luas (A)

Keliling Basah

(P)

Jari –jari Hidrolik

(R)

Lebar Puncak

(T)

Kedalaman Hidrolik

(D)

B.h B+2.h hB

hB.2

.+

B h

(B+z.h).h 21..2 zhB ++

21..2

)..(

zhB

hhzB

++

+

B+2.z.h hzB

hhzB

..2

)..(

++

(Sumber: Chow dkk., 1989)

2.1.6. Saluran Irigasi

Saluran irigasi merupakan salah satu contoh dari saluran terbuka yang berfungsi

membawa air dari sumbernya (bendung, bendungan) ke petak-petak sawah guna

memenuhi kebutuhan air bagi tanaman. Saluran irigasi diupayakan lurus dengan

dimensi dan kemiringan sedemikian rupa sehingga memenuhi syarat tidak terjadi

endapan maupun penggerusan (KP-03 Standar Perencanaan Irigasi, 1986).

Mengingat kondisi topografi yang sering kali tidak sesuai dengan perencanaan,

maka kadang diperlukan lining (pada tanah percus atau mudah longsor), bangunan

(pada persilangan jalan, sungai, selokan, lembah) maupun belokan (menghindari

kampung, kuburan, mencari kontur yang lebih sesuai). Walaupun demikian

bangunan maupun belokan yang dimaksud harus tetap dapat memenuhi syarat

teknis agar tidak terjadi gerusan pada belokan dan tidak kehilangan energi pada

bangunan yang dapat mengakibatkan penurunan muka air yang cukup tinggi.

Penurunan muka air ini mengakibatkan berkurangnya luas areal yang dilayani.

2.1.7. Dimensi Saluran irigasi

Dimensi saluran dan bangunan yang direncanakan harus mampu mengalirkan

debit rencana. Debit rencana adalah jumlah air per satuan waktu yang

direncanakan untuk dialirkan. Untuk mengetahui besarnya debit rencana, terlebih

dahulu perlu dihitung kebutuhan air di sawah dan kehilangan air yang mungkin

terjadi.

Mamok Soeprapto, 2000, menentukan dimensi saluran irigasi berdasarkan faktor-

faktor berikut:

a. Kemiringan saluran

Kemiringan dasar saluran pada umumnya ditentukan oleh kondisi topografi

dan kemiringan garis energi yang diperlukan aliran. Di dalam penentuan

kemiringan dasar saluran ini harus di jaga agar kehilangan energi sekecil

mungkin. Penentuan besarnya kemiringan adalah tahap awal dalam penentuan

dimensi saluran. Kemiringan dasar saluran yang diambil harus sedemikian

rupa, sehingga dimensi saluran yang dihasilkan sesuai dengan keadaan di

lapangan.

Pedoman perencanaan dimensi saluran dapat mengacu pada Tabel-2.2

berikut.

Tabel 2.2. Pedoman perencanaan dimensi saluran

Debit (m3/dt) Kemiringan

Dinding 1 : m Perbandingan

b/h

0,15 - 0,30 1 1,0 0,30 - 0,50 1 1,0 - 1,2 0,50 - 0,75 1 1,3 - 1,5

1,00 - 1,50 1 1,5 - 1,8 1,5 - 3,00 1,5 1,8 - 2,3 3,00 - 4,5 1,5 2,3 - 2,7 4,5 - 5,00 1,5 2,7 - 2,9

5,00 - 6,00 1,5 2,9 - 3,1 6,00 - 7,50 1,5 3,1 - 3,5 7,50 - 9,00 1,5 3,5 - 3,7 9,00 - 10,00 1,5 3,7 - 3,9

10,00 - 11,00 2 3,9 - 4,2 11,00 - 15,00 2 4,2 - 4,9 15,00 - 25,00 2 4,9 - 6,5

25,00 - 40,00 2 6,5 - 9,0 (Sumber: KP-03 Standar Perencanaan Irigasi, 1986)

b. Tinggi Air Saluran

Tinggi saluran dapat dibedakan atas dua macam, yaitu:

1. Tinggi air normal, yaitu tinggi air saluran yang diperhitungkan atas

dasar 100% Q rencana.

2. Tinggi air rendah, yaitu tinggi saluran yang diperhitungkan atas dasar

70% Q rencana

Tinggi air saluran harus diperhitungkan pada dua keadaan tersebut. Hal ini

dimaksudkan agar pada saat aliran maksimal, saluran mampu mengalirkan

air, dan pada saat air rendah, saluran dan bangunan-bangunan masih tetap

berfungsi dengan baik. Selain itu perlu adanya perencanaan tinggi jagaan

dimaksudkan untuk menghindari terjadinya luapan di saluran. Untuk lebih

jelasnya dapat melihat Gambar-2.8 berikut.

Gambar 2.8. Tinggi air dan tinggi jagaan pada saluran irigasi

Perencanaan Irigasi Departemen Pekerjaan Umum RI, mensyaratkan

tinggi jagaan minimum seperti pada Tabel-2.3 berikut.

Tabel 2.3. Tinggi jagaan minimum untuk saluran dari tanah dan dari

pasangan batu

Besarnya debit Q (m3/det)

Tinggi jagaan (m) untuk pasangan batu

Tinggi jagaan (m) saluran dari tanah

< 0,50 0,50 – 1,50 1,50 – 5,00 5,00 – 10,00 10,00 – 15,00

> 15,00

0,20 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50

0,40 0,50 0,60 0,75 0,85 1,00

(Sumber: Departemen Pekerjaan Umum RI)

y

B

w

2.1.8. Sedimentasi di Saluran Irigasi

Sedimentasi pada saluran irigasi akan terjadi jika kapasitas angkut sedimen

berkurang. Dengan kata lain, kecepatan aliran tidak mampu mengangkut partikel

sedimen. Untuk itu kecepatan aliran saluran irigasi harus dijaga. Berdasarkan

buku KP – 03 tentang Standar Perencanaan Irigasi, 1986, kecepatan minimum

yang diijinkan adalah kecepatan terendah yang tidak akan menyebabkan

pengendapan dengan diameter maksimum sediman yang diijinkan (0,06 – 0,07

mm).

Bagian awal dari saluran induk irigasi adalah saluran penangkap pasir yang

berfungsi untuk mencegah masuknya sedimen ke dalam jaringan saluran irigasi.

Namun, pada kenyataanya banyak saluran penangkap pasir daerah irigasi saat ini

tidak berfungsi dengan baik. Salah satunya penyebabnya adalah meningkatnya

jumlah dan ukuran butiran sedimen yang terangkut air sungai akibat kerusakan

DAS. Sedimen terendap di saluran penangkap pasir dan dengan cepat saluran

tersebut dipenuhi dengan endapan. Sedimen ini lama kelamaan semakin banyak

dan menjadi padat, pada akhirnya akan membentuk delta-delta di saluran irigasi.

Hal inilah, yang akan mendasari penelitian ini untuk membangkitkan arus di

saluran penangkap pasir sehingga sedimentasi dapat dicegah.

2.1.9. Transpor Sedimen di Saluran Irigasi

Transpor sedimen adalah perpindahan tempat partikel sedimen oleh air yang

mengalir pada suatu tampang aliran yang secara umum bergerak searah aliran

(Alfan Widyastanto, 2006).

Dalam pola aliran air yang berputar-putar (turbulence flow) energi yang

diakibatkan oleh kecepatan aliran air tersebut akan diteruskan ke arah aliran yang

lebih lambat oleh gulungan-gulungan air yang berawal dan berakhir secara tidak

menentu. Gulungan-gulungan aliran air ini akan mengakibatkan terjadinya bentuk

perubahan dari energi kinetis yang dihasilkan oleh adanya gerakan aliran air

tersebut menjadi tenaga panas, artinya ada tenaga yang hilang oleh adanya

gulungan-gulungan air tersebut (Kironoto, 2003).

Menurut Bagnold, 1973, bahwa kecepatan transpor sedimen merupakan fungsi

dari kecepatan aliran air dan ukuran partikel sedimen. Partikel berukuran kecil

dapat diangkut aliran air dalam bentuk terlarut (wash load). Sedangkan partikel

yang lebih besar, antara lain pasir cenderung bergerak dengan cara melompat.

Partikel yang lebih besar dari pasir, misalnya kerikil bergerak dengan cara

menggelinding di dasar saluran (bed load) seperti terlihat pada Gambar-2.9.

Gambar 2.9. Transpor sedimen dalam aliran air

Dengan bertambahnya kecepatan aliran, kapasitas angkutan sedimen akan

bertambah dan terbentuk konfigurasi dasar. Bentuk konfigurasi dasar yang terjadi

biasanya mempunyai karakteristik seperti bukit-bukit pasir. Menurut Zhou Liu,

2001, bentuk bukit-bukit pasir tersebut sering dikenal sebagai “ripples” dan

“dunes”.

Ripples mempunyai amplitudo, Hr, relatif kecil terhadap panjang gelombang, Lr,

dan bentuknya relatif simetris (lihat Gambar-2.10) sedangkan dunes mempunyai

bentuk yang kurang teratur dan asimetris dengan gelombang dengan sisi sebelah

hulu lebih landai dan sisi sebelah hilir lebih curam (lihat Gambar-2.11).

Gambar 2.10. Bentuk ripples

Gambar 2.11. Bentuk dunes

2.1.10. Ukuran Partikel Sedimen

Menurut Pragnyono Mardjikoen, 1987, bahwa penentuan ukuran sedimen

menggunakan berbagai macam cara sesuai jenis sedimennya, yaitu:

a. Batu, kerakal, kerikil : pengukuran langsung dari isi atau beberapa

diameter

b. Kerikil, pasir : analisis saringan

c. Pasir halus, lumpur : analisis mikroskopik atau sedimentasi

Sedimen umumnya berasal dari disintegrasi atau dekomposisi batuan.

a. Lempung : pecahan feldspar dan mica

b. Lumpur : silikat

c. Pasir : kuarts

d. Kerikil dan batu : pecahan batuan asal

Rapat massa butiran sedimen umumnya (< 4 mm) tidak banyak berbeda. Karena

pasir yang paling bayak terdapat di sedimen alam, rata-rata dapat dianggap rapat

massanya ρs = 2650 kg/m3. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel-2.4.

Tabel 2.4. Klasifikasi butiran menurut AGU

Ukuran (mm) Klas Keterangan 4000-2000 2000-1000 1000-500 500-250

Very large boulder Large bulder Medium boulder Small boulder

Boulder

250-130 130-64

Large cobles Small cobles

Cobles

64-32 32-16 16-8 8-4 4-2

Very coarse gravel Coarse gravel Medium gravel Fine gravel Very fine gravel

Gravel

2-1 1-0,5

0,5-0,25 0,25-0,125

0,125-0,062

Very coarse sand Coarse sand Medium sand Fine sand Very fine sand

Sand

0,062-0,031 0,031-0,016 0,016-0,008 0,008-0,004

Coarse silt Medium silt Fine silt Very fine silt

Silt

0,004-0,002 0,002-0,001 0,001-0,0005

< 0,0005

Coarse clay Medium clay Fine clay Very fine clay

Clay

(Sumber: American Geophysical Union)

2.1.11. Awal Gerak Butiran Sedimen

Tiga faktor yang berkaitan dengan awal gerak butiran sedimen:

1. Kecepatan aliran dan diameter/ukuran butiran,

2. Gaya angkat yang lebih besar dari gaya berat butiran,

3. Gaya geser kritis.

Shields mengemukakan suatu diagram untuk awal gerak butiran pada material

dasar seragam (Hoffmans, 1997) dengan parameter mobilitas kritis Shields yang

dipengaruhi oleh:

1. Massa jenis zat cair (fluid density)

2. Massa jenis sediment (sediment density)

3. Viskositas kinematik (kinematic viscosity)

4. Ukuran butiran (grain size)

5. Tegangan geser dasar saluran (bed shear stress)

Pragnyono Mardjikoen, 1987, mencermati sebuah butir sedimen di atas dasar

yang licin dan datar yang terdiri atas sedimen berukuran sama (uniform grains),

maka gaya yang bekerja pada butir tersebut adalah:

1. Gaya Vertikal

a. Gaya berat di udara (W) = weight force

b. Gaya apung (B) = bouyant force

c. Gaya angkat hidrodinamik = hydrodynamic lift force

2. Gaya Horisontal

a. Gaya gesek (Ffr) = friction force

b. Gaya seret hidrodinamik (FD) = hidrodynamic drag force

Ketika kondisi permulaan gerak butiran (initiation of particle motion) salah satu

yang mampu menggerakkan butir sedimen adalah kecepatan. Menurut Einstein

kecepatan yang efektif untuk menggerakkan butir di dasar adalah zu , dipengaruhi

oleh gravitasi, jari-jari hidraulik, dan kemiringan dasar saluran.

2.1.12. Kekuatan Aliran (Stream Power)

Kekuatan aliran adalah energi dari suatu aliran untuk menggerakan butiran

sedimen. Knight, 1999, mendefinisikan bahwa energi yang dihasilkan berasal dari

energi potensial aliran tersebut, energi ini pada akhirnya akan berubah menjadi

energi kinetik.

Menurut Knight, 1999, faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan aliran adalah

sebagai berikut:

1. Berat jenis air

2. Debit aliran

3. Kemiringan saluran

2.1.13. Gaya Terapung Suatu Benda

Komponen gaya tekan horizontal (Fx; Fy) yang bekerja pada gaya apung suatu

benda adalah sama tetapi berlawanan arah sehingga saling meniadakan.

Sedangkan gaya vertikal (Fd; Fu) yang bekerja pada benda yang terapung tidak

saling meniadakan (Bambang Triatmodjo, 1996).

Hukum Archimedes menyatakan bahwa benda yang terapung dalam zat cair akan

mengalami gaya apung yang besarnya sama dengan berat zat cair yang

dipindahkan benda tersebut. Dengan kata lain, apabila benda terapung dalam zat

cair, resultan gaya yang bekerja padanya adalah sama dengan perbedaan antara

tekanan ke atas oleh zat cair pada benda dan gaya ke bawah karena berat benda.

Seperti yang ditunjukan pada Gambar-2.12.

Fu

Fd

FxFy

Gambar 2.12. Gaya-gaya pada benda terapung

Bambang Triatmodjo, 1996 menyatakan gaya tekanan ke bawah pada permukaan

atas benda (Fd) tidak sama dengan gaya tekanan ke atas (Fu) yang bekerja pada

permukaan bawah benda. Hal ini disebabkan karena kedalaman rerata permukaan

atas benda lebih kecil dari kedalaman rerata permukaan bawah benda. Dengan

demikian gaya yang bekerja ke bawah pada permukaan atas benda adalah lebih

kecil dari gaya ke atas pada permukaan bawah benda. Perbedaan antara gaya

tekanan ke atas dan ke bawah adalah gaya apung (FB) pada benda.

2.2. Dasar Teori

2.2.1. Pengaliran Air di Saluran Irigasi

Debit aliran pada umumnya diberi notasi Q, dengan satuan meter kubik per detik

(m3/dt). Secara teori, debit dalam suatu aliran dalam saluran irigasi ditentukan

oleh kecepatan aliran dan luas penampang saluran. Apabila luas penampang

saluran kecil, maka kecepatan aliran akan bertambah. Sebaliknya, jika luas

penampang saluran besar, maka kecepatan aliran akan berkurang. Sehingga

hubungan antara luas penampang saluran dengan kecepatan aliran ditulis:

Q = A . v ................................. (2.6)

dengan: Q = debit aliran (m3/dt), A = luas penampang (m2), v = kecepatan aliran (m/dt).

Dengan bertambahnya kecepatan aliran (V) maka besarnya angkutan sedimen

akan bertambah sehingga mengurangi sedimen yang terjadi di saluran. Begitu juga

apabila kecepatan aliran (V) kecil maka besarnya angkutan sedimen akan

berkurang sehingga akan menimbulkan proses sedimentasi. Oleh karena itu, salah

satu upaya untuk mengendalikan sedimen yang terjadi dalam saluran irigasi yaitu

dengan memperkecil penampang saluran irigasi.

2.2.2. Kecepatan Aliran Seragam di Saluran Irigasi

Untuk saluran buatan, seperti saluran irigasi karakteristik aliran di sepanjang

saluran adalah seragam. Kecepatan aliran seragam dalam saluran irigasi biasanya

dinyatakan dengan perkiraan yang dikenal dengan ”Rumus Aliran Seragam

(Uniform Flow Formula)”. Bentuk umum dari rumus aliran seragam turbulen

adalah sebagai berikut:

V = C. Rx. Sy ................................. (2.7)

dengan: V = Kecepatan aliran seragam (m/dt), C = Faktor tahanan aliran, R = Jari-jari hidrolik (m), S = Kemiringan energi, x, y = eksponen.

Sebenarnya banyak sekali variasi rumus kecepatan mengenai aliran seragam.

Namun, rumus kecepatan aliran seragam yang sering digunakan adalah Rumus

Manning sehingga dalam penelitian ini digunakan juga rumus tersebut.

Seperti yang telah dicantumkan pada tinjauan pustaka bahwa bentuk dari rumus

Manning adalah sebagai berikut:

21

32

..49,1

SRn

V = ................................. (2.8)

n = (n0 + n1 + n2 + n3 + n4) . m5 ................................. (2.9)

dengan: V = kecepatan aliran (m/dt), R = jari-jari hidraulik (m), S = kemiringan garis energi, n = koefisien kekasaran, n0 = nilai dasar dari n untuk saluran yang lurus, seragam dan halus

menurut bahan-bahan alamiah yang dikandungnya, n1 = nilai untuk mengoreksi efek ketidakteraturan permukaan, n2 = nilai untuk variasi bentuk dan ukuran penampang saluran, n3 = nilai untuk hambatan, n4 = nilai untuk kondisi tumbuhan dan aliran, m5 = faktor koreksi bagi belokan-belokan di saluran.

Nilai-nilai n tersebut dapat dilihat pada Tabel-2.5 berikut.

Tabel 2.5. Nilai n untuk penentuan koefisien Manning

Keadaan Saluran Nilai-nilai Tanah 0,020 Batu pecah 0,025 Kerikil halus 0,024

Bahan Pembentuk

Kerikil kasar

n0

0,028 Sangat kecil 0,000 Sedikit 0,005 Sedang 0,010

Derajat Ketidakteraturan

Besar

n1

0,020 Bertahap 0,000 Kadang berganti 0,005

Variasi Penampang Melintang Saluran

Sering berganti

n2

0,010-0,015 Dapat diabaikan 0,000

Kecil 0,010-0,015 Cukup 0,020-0,030

Efek Relatif dari Hambatan

Besar

n3

0,040-0,060 Rendah 0,005-0,010 Sedang 0,010-0,025 Tinggi 0,025-0,050

Tumbuhan

Sangat Tinggi

n4

0,050-0,100 Kecil 1,000 Cukup 1,150 Derajat Kelokan Besar

m5 1,300

(Sumber: Chow dkk., 1989)

Koefiesien kekasaran Manning dipengaruhi oleh beberapa faktor. Faktor ini

adalah faktor-faktor yang digunakan untuk memperkirakan nilai n pada persamaan

(2.10) di atas. Faktor-faktor tersebut terangkum dalam Tabel-2.6 berikut.

Tabel 2.6. Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai Manning

No. Faktor yang Mempengaruhi Koefisien Kekasaran

Nilai n Manning

1 Kekasaran Permukaan · Butir kasar · Butir halus

Besar Kecil

2 Tumbuhan · Belukar atau bakau · Rerumputan

Besar Kecil

3 Ketidakteraturan Saluran · Teratur · Tidak teratur

Kecil Besar

4 Trase Saluran · Lurus · Berbelok-belok

Kecil Besar

5 Pengendapan dan Penggerusan · Lumpur · Kerikil

Kecil Besar

6 Hambatan · Hambatan kecil · Hambatan besar

Besar Kecil

7 Ukuran dan Bentuk Saluran · Saluran kecil · Saluran besar

Besar Kecil

8 Taraf Air · Air dangkal · Air dalam

Besar Kecil

9 Debit Air · Debit kecil · Debit besar

Besar Kecil

(Sumber: Chow dkk.,1989)

2.2.3. Awal Gerak Butiran Sedimen

Salah satu yang mampu menggerakkan butir sedimen pada awal geraknya adalah

kecepatan. Kecepatan efektif untuk menggerakan butiran dapat ditulis dalam

rumus:

SRgux ..= .................................... (2.10)

dengan: *u = kecepatan geser (m/dt),

g = gravitasi (m/dt2), R = jari-jari hidraulik (m), S = kemiringan dasar saluran.

Kecepatan geser tersebut digunakan untuk menentukan bilangan Reynolds yang

terjadi. Rumus bilangan Reynolds adalah sebagai berikut:

us

e

DuR

.*= .................................... (2.11)

dengan: Re = bilangan Reynolds, *u = kecepatan geser (m/dt), Ds = diameter butiran sedimen (m), υ = viskositas (m2/dt).

Bilangan Reynolds digunakan untuk menentukan dimensi tegangan geser ( *F )

dengan menggunakan diagram Shields pada Gambar-2.13. Rumus dimensi

tegangan geser adalah sebagai berikut:

ss

c

DF

).( ggt-

=* .................................... (2.12)

dengan: *F = dimensi tegangan geser, ct = tegangan geser kritis (kg/m2),

sg = berat jenis butiran sedimen (kg/m3),

g

= berat jenis air (kg/m3), Ds = diameter butiran sedimen (m).

Tegangan geser dirumuskan sebagai berikut:

SRgw ...0 rt = .................................... (2.13)

dengan: τ0 = dimensi tegangan geser (kg/m2), g =gravitasi (m/dt2), ρw = massa jenis air (kg/m3), R = jari-jari hidraulik (m), S = kemiringan dasar saluran.

Gambar 2.13. Diagram Shields

Awal gerak butiran sedimen tergantung besarnya tegangan geser yang terjadi.

Apabila:

τ0 > τc maka butiran bergerak

τ0 = τc maka butiran mulai bergerak (kondisi kritis)

τ0 < τc maka butiran diam

2.2.4. Keseimbangan Benda Terapung

Suatu benda terapung dalam keseimbangan stabil apabila pusat beratnya berada di

bawah pusat apung. Rumus-rumus berikut untuk menentukan keseimbangan

benda terapung dalam bentuk silinder.

Berat benda dalam air dirumuskan sebagai berikut:

bendalG HDF gp ....41 2= .................................... (2.14)

dengan: FG = berat benda dalam air (N), D = diameter benda (cm), H = tinggi benda (cm),

bandalg = berat jenis bandal (gr/cm3).

Berat air yang dipindahkan dirumuskan sebagai berikut:

airB dDF gp ....41 2= .................................... (2.15)

dengan: Fb = berat benda (N), D = diameter benda(cm), d = kedalaman benda yang terendam (cm), airg = berat jenis air (gr/cm3).

Untuk rumus momen inersia tampang silinder adalah sebagai berikut:

40 .

64DI

p= .................................... (2.16)

dengan: I0 = momen inersia (cm4), D = diameter benda (cm).

Dari rumus-rumus di atas, keseimbangan suatu benda dalam zat cair dapat

diketahui. Dalam keadaan mengapung berlaku FG = FB.

2.2.5. Kekuatan Aliran (Stream Power)

Kekuatan aliran untuk menggerakan butiran sedimen dirumuskan sebagai berikut:

SQ..g=W .................................... (2.17)

dengan: Ω = kekuatan aliran (N/dt), γ = berat jenis air (N/m3),

Q = debit aliran (m3/dt), S = kemiringan dasar saluran.

2.2.6. Analisis Sedimen

a. Berat Jenis Tanah (Specify Grafity)

Berat jenis tanah didapat dari perbandingan antara berat butir tanah dengan

berat air di udara pada volume yang sama dan temperatur tertentu.

Penelitian berat jenis butiran tanah (Gs) ini dilakukan berdasarkan ASTM

D 854-92.

Pada percobaan ini digunakan alat piknometer, yaitu botol gelas dengan

leher sempit dan bertutup yang berlubang kapiler, dengan kapasitas 50 cc.

Untuk mendapatkan besar berat jenis butiran tanah (specify gravity),

digunakan rumus sebagai berikut:

223114

12

).().(

)(

tWWtWW

WWGs ---

-= .................................. (2.18)

dengan:

Gs = Berat jenis butiran tanah, W1 = Berat piknometer kosong (gr), W2 = Berat piknometer + sampel tanah kering (gr), W3 = Berat piknometer + sampel tanah kering + aquades (gr), W4 = Berat piknometer + aquades (gr), t1 = Suhu pada W4 (

0C), t2 = Suhu pada W3 (

0C).

b. Analisis Saringan (Sieve Analysis)

Analisis saringan ini dimaksudkan untuk menentukan distribusi ukuran

butir tanah yang memiliki diamter lebih bsar dari 0,075 mm (tertahan di

atas saringan no. 200 ASTM) dengan cara penyaringan.

Tanah kering oven disaring pada serangkaian saringan dengan ukuran

diameter lubang saringan tertentu dari mulai yang kasar hingga yang halus

disusun dari atas kebawah. Dengan demikian butiran tanah akan terpisah

menjadi beberapa bagian dengan batas ukuran yang diketahui yaitu sesuai

dengan diameter lubang saringan.

Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut:

Persentase tanah tertahan (% tertahan) = %100´total

tertahan

W

W ......... (2.20)

Persentase tanah lolos (% lolos) = 100% - % tertahan ....... (2.21)

c. Porositas

Porositas h, didefenisikan sebagai persentase dari ruang pori terhadap

volume sedimen total (bulk).

a = ´-

100 %( )volumetotal volume partikel

volumetotal ................................. (2.24)

Disamping porositas, h, dikenal juga istilah void ratio (v.r) dan bulk

density. Void ratio didefinisikan sebagai perbandingan antara volume

ruang pori terhadap volume partikel, atau:

v rvolumeruang pori

volume partikel. %= ´ =

-100

1aa

.............................. (2.25)

Sedangkan bulk density dihitung menurut persamaan:

sb rar )1( -= . ................................. (2.26)

dengan: r b = bulk density,

r s = mass density.

Secara umum dapat dikatakan bahwa material dengan ukuran butiran halus

akan mempunyai porositas lebih besar dibandingkan dengan butiran

ukuran besar. Beberapa porositas dari material sedimen dapat dilihat pada

Tabel-2.7.

Tabel 2.7. Angka porositas dari berbagai jenis tanah

Kelas tanah h (Porositas)

q e (Porositas Efektif)

Sand 0.437 0.374-0.500

0.417 0.354-0.480

Loamy sand 0.437 0.363-0.506

0.401 0.329-0.473

Sandy loam 0.453 (0.351-0.555)

0.412 (0.283-0.541)

Loam 0.463 (0.375-0.51)

0.434 (0.334-0.534)

Silt loam 0.501 (0.420-0.582)

0.486 (0.394-0.578)

Sandy clay loam 0.398 (0.332-0.464)

0.33 (0.235-0.425)

Clay loam 0.464 (0.409-0.519)

0.3 (0.279-0.501)

Silty clay loam 0.471 (0.418-0.524)

0.432 (0.347-0.517)

Sandy clay 0.43 (0.370-0.490)

0.321 (0.207-0.435)

Silty clay 0.479 (0.425-0.533)

0.423 (0.334-0.512)

Clay 0.475 (0.427-0.523)

0.385 (0.269-0.501)

(Sumber: Chow dkk., 1988)