BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Prasarana dan Sarana (infrastruktur)

Prasarana dan sarana atau infrastruktur diartikan sebagai fasilitas fisik suatu kota atau negara yang sering disebut pekerjaan umum (Grigg, 1988). Pekerjaan umum (public works) telah didefinisikan oleh American Public Works Association (APWA) sebagai berikut (Stone, 1974):

Public works are the physical structures and facilities that are developed or acquired by the public agencies to house governmental functions and provide water, power, waste disposal, transportation, and similar services to facilitate the achievement of common social and economic objectives.

Definisi yang lain deberikan oleh AGCA (Associated General Contractors of America), untuk semua aset yang berumur panjang yang dimiliki oleh pemerintah daerah, maupun pusat dan utilitas yang dimiliki oleh pengusaha (Kwiatkowski, 1986):

The nation's infrastrukture is its system of public facilities, both publicly or privately funded, which provide for the delivery of essential services and a sustained standard of living. This interdependent, yet self-contained, set of structures provides for mobility, shelter, services, and utilities. It is the nation's highways, bridges, railroads, and mass transit systems. It is our sewers, sewage, sewage treatment plants, water supply systems, and reservoirs. It is our dams, locks, waterways, and ports. It is our electric, gas, and power producing plants. It is our court houses, jails, fire houses, police stations, schools, post offices, and government buildings. America's infrastructures is the base upon which society rests. It is condition affects our life styles and security and each is threatened by its un answered decay (AGCA, 1982).

Departemen Permukiman dan Prasarana Wilayah (Depkimpraswil) mendefinisikan prasarana dan sarana sebagai berikut (CBUIM, 2002):

Prasarana dun sarana merupakan bangunan dasar yang sangat diperlukan untuk mendukung kehidupan manusia yang hidup bersama-sama dalam suatu ruaiig yang terbatas agar manusia dapat bermukim dengan nyaman dan dapat bergerak dengan mudah dalam segala waktu dan cuaca, sehingga dapat hidup dengan sehat dan dapat berinteraksi satu dengan lainnya dalam mempertahankan kehidupannya.

Secara Iebih lugas dapat dikatakan bahwa infrastruktur (perkotaan) adalah bangunan atau fasilitas-fasilitas dasar, peralatan-peralatan, dan instalasi-instalasi yang dibangun dan dibutuhkan untuk mendukung berfungsinya suatu sistem tatanan kehidupan sosial-ekonomi masyarakat. Infrastruktur merupakan aset fisik yang dirancang dalam sistem, sehingga mampu memberikan pelayanan prima kepada masyarakat. Sebagai suatu sistem, komponen infrastruktur pada dasarnya sangat luas dan banyak, namun secara umum terdiri dari 12 komponen sesuai dengan sifat dan karakternya, yaitu:

1) Sistem air bersih, termasuk bendungan, waduk, transmisi, instalasi pengolah air, dan fasilitas distribusinya.

2) Sistem manajemen air limbah, termasuk pengumpulan, pengolah, pembuangan

(disposal), dan sistem pakai ulang (reuse).

3) Fasilitas manajemen limbah padat atau persampahan.

4) Fasilitas transportasi, termasuk jalan raya, rel kereta api, dan lapangan terbang.

5) Sistem transit publik.

6) Sistem kelistrikan, termasuk produksi dan distribusinya.

7) Fasilitas gas alam.

8) Fasilitas drainase / pengendalian banjir

9) Bangunan umum, seperti pasar, sekolahan, rumah sakit, kantor polisi, dan fasilitas pemadam kebakaran.

10) Fasilitas perumahan

11) Taman, tempat bermain, fasilitas rekreasi, dan stadion.

12) Fasilitas telekornunikasi.

Dad keduabelas komponen tersebut, dapat dikelompokkan ke dalam 7 (tujuh) grup infrastruktur, yaitu:

1) Kelompok air; meliputi air bersih, sanitasi, drainase, dan pengendalian banjir.

2) Kelompok jalan ; meliputi jalan raya, jalan kota, dan jembatun. Kelompok sarana transportasi; meliputi terminal, jaringan rel dan stasiun kereta api, pelabuhan, dan pelabuhan udara.

3) Kelompok pengelolaan limbah; meliputi sistem manajemen limbah padat (persampahan).

4) Kelompok bangunan kota, pasar, dan sarana olah raga terbuka(outdoor sports).

5) Kelompok energi; meliputi produksi dan distribusi listrik dan gas.

6) Kelompok telekomunikasi.

Sebagai suatu sistem yang terdiri dari banyak komponen, maka perencanaan infrastruktur harus mempertimbangkan keterkaitan dan keterpengaruhan antar komponen, beserta dampak-dampaknya. Perencanaan infrastruktur merupakan proses dengan kompleksitas tinggi, multi disiplin, multi sektor, dan multi user. Oleh karena itu, perencanaan infrastruktur tidak bisa sektoral, namun juga tidak bisa terlalu global. Jika perencanaan terlau spesifik (bersifat sektoral) tanpa memperdulikan komponen lain, maka akan banyak bertabrakan dengan komponen lainnya. Sebaliknya jika terlalu global, hasilnya tidak akan efektif (Grigg, 1988). Perencanaan yang (mungkin) paling baik adalah yang berada diantaranya, yaitu perancanaan yang didasarkan pada pendekatan permasalahan secara global pada tingkatan yang tepat dengan mempertimbangkan secara matang segala dampak eksternalnya, namun masih berkonsentrasi secara spesifik pada persoalan utama yang ingin dipecahkan.

Mengingat begitu luasnya cakupan infrastruktur, maka tidak semua komponen infrastruktur dibahas dalam buku ini. Buku ini memfokuskan hanya pada sistem drainase perkotaan.

1.2 Tujuan dan Metode Penulisan Buku

Buku ini bertujuan untuk menuntun para pembaca dalam memahami permasalahan drainase di perkotaan, khususnya perkotaan di Indonesia, mulai dari pengertian, permasalahan, perencanaan, pembiayaan dan pola operasi, dan pemeliharaan.

Buku ini terbagi dalam 6 (enam) bab dengan metode penulisan sebagai berikut :

Bab pertama, Pendahuluan, membahas tentang kedudukan drainase perkotaan dalam infrastruktur perkotaan, gambaran umum drainase perkotaan, sejarah singkat drainase. perkotaan, serta permasalahan umum yang dihadapi.

Bab kedua, Hidrologi Perkotaan, mengupas tentang siklus hidrologi, presipitasi, hujan, statistik dalam hidrologi, debit rencana, dan hidrograf.

Bab ketiga, Perencanaan Hidraulika, berisi tentang dasar-dasar hukum hidraulika, bentuk saluran, jenis aliran, dimensi saluran, bangunanbangunan drainase, dan pompa, dilengkapi dengan contoh perhitungan.

Dalam bab keempat, Sistem Drainase Perkotaan, dibahas tentang langkah-langkah perencanaan drainase perkotaan, aspek yang ditinjau, serta drainase khusus, diantaranya drainase jalan raya, drainase polder, dan drainase lapangan terbang.

Bab kelima, operasi dan pemeliharaan drainase perkotaan.

Bab keenam, penerapan dasar-dasar teori yang dijelaskan dalam bab pertama sampai kelima. Studi kasus yang memberikan gambaran secara aktual kepada pembaca tentang perencanaan sistem drainase perkotaan, mulai dari perumusan permasalahan, alternatif penyelesaian, serta konsep operasi dan pemeliharaan yang berkelanjutan.

1.3 Infrastruktur Air PerkotaanInfrastruktur air perkotaan meliputi tiga sistem, yaitu sistem air bersih (urban water supply), sistem sanitasi (waste water), dan sistem drainase air hujan (storm water system). Ketiga sistem tersebut saling terkait, sehingga idealnya dikelola secara integral seperti diilustrasikan pada Gambar 1-1. Hal ini sangat penting untuk mengoptimalkan pemanfaatan sumberdaya dan fasilitas, menghindari ketumpang-tindihan tugas dan tanggung jawab, serta untuk keberlanjutan pemanfaatan sumberdaya air. Sebagai contoh, penanganan air hujan dapat dimanfaatkan (sistem drainase) untuk pengisian air tanah sebagai sumber air bersih.

Gambar 1.1 Sistern infrcistruktur air perkotaan (Grigg, 1996)

1) Sistem air bersih (urban water supply system)Sistem air bersih meliputi pengadaan (acquisition), pengolahan (treatment), dan pengiriman/pendistribusian (delivery) air bersih ke pelanggan, baik domestik, komersial, industri, maupun sosial. Sistem air bersih terdiri dari empat komponen pokok, yaitu sumber air baku, instalasi pengolahan, sistem distribusi, serta titik pemakai (Gambar 1-2).

Gambar 1.2 Sistem air bersih (grigg, 1996)

Sumber air baku dapat berasal dari air permukaan maupun air tanah. Sumber air permukaan berupa sungai, waduk, dan danau, sedangkan air tanah terdiri dari air tanah dangkal dan air tanah dalam.

Instalasi pengolahan bervariasi dari yang paling sederhana, yang tak lebih dari chlorinasi, sampai sistem proses yang rumit dan mahal. Di kota-kota besar digunakan sistem yang rumit, sedangkan di kota-kota kecil menggunakan air tanah dengan hanya dichlorinasi.

Sistem distribusi dapat dikatakan sebagai investasi tersembunyi dalam sistem air bersih, padahal investasinya dapat meliputi dua-pertiga dari keseluruhan investasi dan merupakan beban pemeliharaan yang cukup berat. Sistem distribusi meliputi perpipaan, katup-katup, pompa, tanki penampungan, dan bangunan-bangunan pendukungnya.

Titik pemakai merupakan bagian sistem air bersih yang dimiliki secara pribadi oleh pengguna, tetapi berpengaruh terhadap kualitas air.

2) Sistem sanitasi (Urban wastewater system)

Urban wastewater system dimulai dari titik keluarnya urban water supply system. Sistem pengumpul mengambil air buangan domestik, komersial, industri, dan public uses. Gambar 1.3 memperlihatkan komponen sistem menejemen air buangan (wastewater management system).

Ada dua istilah yang banyak dipakai untuk mendiskripsikan sistem air buangan (wastewater system) ini, yaitu "wastewater" dan "sewage". Wastewater digunakan untuk menunjukkan perpipaan, stasiun pompa, dan fasilitas yang menangani air buangan (wastewater). Sedangkan "sanitary sewage" merupakan peristilahan umum, yang biasanya untuk permukiman. Ada dua macam wastewater system, yaitu sistem kombinasi dan sistem terpisah. Sistem kombinasi menangani baik air buangan maupun air hujan dalam satu sistem. Sedangkan, sistem terpisah masingmasing dilayani oleh sistem tersendiri. Wastewater system inilah yang di Indonesia dikenal sebagai sistem drainase.

1.4 Drainase PerkotaanDrainase yang berasal dari bahasa Inggris drainage mernpunyai arti mengalirkan, menguras, membuang, atau mengalihkan air. Dalam bidang teknik sipil, drainase secara umum dapat didefinisikan sebagai suatu tindakan teknis untuk mengurangi kelebihan air, baik yang berasal dari air hujan, rembesan, maupun kelebihan air irigasi dari suatu kawasan/ lahan, sehingga fungsi kawasan/lahan tidak terganggu. Drainase dapat juga diartikan sebagai usaha untuk mengontrol kualitas air tanah dalam kaitannya dengan salinitas. Jadi, drainase menyangkut tidak hanya air permukaan tapi juga air tanah.

Secara umum, sistem drainase dapat didefinisikan sebagai serangkaian bangunan air yang berfungsi untuk mengurangi dan/atau membuang kelebihan air dari suatu kawasan atau lahan, sehingga lahan dapat difungsikan secara optimal. Dirunut dari hulunya, bangunan sistem drainase terdiri dari saluran penerima (interceptor drain), saluran pengumpul (collector drain), saluran pembawa (conveyor drain), saluran induk (main drain), dan badan air penerima (receiving waters). Di sepanjang sistem sering dijumpai bangunan lainnya, seperti goronggorong, siphon, jembatan air (aquaduct), pelimpah, pintu-pintu air, bangunan terjun, kolam tando, dan stasiun pompa. Pada sistem yang lengkap, sebelum masuk ke badan air penerima, air diolah dahulu di instalasi pengolah air limbah (IPAL), khususnya untuk sistem tercampur. Hanya air yang telah memenuhi baku mutu tertentu yang dimasukkan ke badan air penerima, sehingga tidak merusak lingkungan.

Drainase sering diabaikan oleh ahli hidraulik dan seringkali direncanakan seolah-olah bukan pekeijaan yang penting, atau paling tidak dianggap kecil dibandingkan dengan pekerjaan-pekerjaan pengendalian banjir. Padahal pekerjaan drainase merupakan pekeijaan yang rumit dan kompleks, bisa jadi memerlukan biaya, tenaga, dan waktu yang lebih besar dibandingkan dengan pekerjaan pengendalian banjir. Secara fungsional, kita sulit memisahkan secara jelas antara sistem drainase dan pengendalian banjir. Namun, secara praktis kita dapat mengatakan bahwa drainase menangani kelebihan air sebelum masuk ke alur-alur besar atau sungai.

Saat ini sistem drainase sudah menjadi salah satu infrastruktur perkotaan yang sangat penting. Kualitas manajemen suatu kota dapat dilihat dari kualitas sistem drainase yang ada. Sistem drainase yang baik dapat membebaskan kota dari genangan air. Genangan air menyebabkan lingkungan menjadi kotor dan jorok, menjadi sarang nyamuk, dan sumber penyakit lainnya, sehingga dapat menurunkan kualitas lingkungan, dan kesehatan masyarakat.

1.5 Sejarah Perkembangan Drainase Perkotaan

Manusia sudah mulai memikirkan tentang sistem pembuangan limpasan air hujan sejak jaman Romawi kuno. Bangunan drainase perkotaan pertama kali dibuat di Romawi berupa saluran bawah tanah yang cukup besar, yang digunakan untuk menampung dan membuang limpasan air hujan. Sejalan dengan perkembangan kota-kota di Eropa dan Amerika lJtara, sistem drainase berkembang secara intensif. Pada awalnya, sistem drainase dibangun hanya untuk menerima limpasan air hujan dan membuangnya ke badan air (receiving waters) terdekat. Disain dan pembangunannya belum dilakukan dengan baik. Saluran bawah tanah yang terbuat dari batu dan bata mengalami rembesan yang cukup besar, sehingga kapasitasnya jauh berkurang. Pada beberapa kasus, saluran tidak mempunyai kemiringan yang cukup, sehingga air tidak lancar (stagnant) dan terjadi genangan dalam saluran setelah terjadi hujan.

Pembuangan kotoran manusia dengan cara tradisional, yaitu dengan menyediakan WC umum dan alit angkut tinja tidak dapat dipertahankan lagi seiring dengan pertambahan penduduk yang cepat, khususnya setelah terjadinya revolusi industri. Kawasan perkampungan miskin (slumps), halaman gedung, dan kawasan hunian menjadi kumuh dan bau oleh kotoran manusia dan air buangan domestik. Selain itu, otoritas kesehatan maupun sipil mulai menyadari adanya hubungan antara kekumuhan tempat tinggal dan epidemi penyakit. Menyikapi hal tersebut, di London pada tahun 1815, dilakukan tindakan perbaikan dengan melakukan perubahan peraturan yang membolehkan membuang limbah domestik ke dalam sistem drainase. Sehingga, sistem drainase yang awalnya hanya diperuntukkan bagi air hujan menjadi sistem drainase tercampur yang menerima air hujan dan air buangan domestik. Peristiwa yang sama juga terjadi di Boston pada tahun 1833 dan di Paris pada tahun 1880.

Sebelum abad 19 berakhir, orang mulai menyadari sepenuhnya bahwa problem yang melingkupi kekumuhan sebenarnya belum terselesaikan, tetapi hanya dipindahkan dari lahan (tanah) ke badan air penerima. Kotakota yang dilewati dan/atau berdekatan dengan badan air penerima mulai berinisiatif untuk mengolah air limbah sebelum dibuang ke dalam sistem drainase. Kesadaran ini tentu saja tidak serta merta dapat direalisasikan dengan segera, terutama pada kota-kota besar dan tua yang sistemnya sudah terbangun dengan mapan. Hanya saja untuk semua bangunan baru diwajibkan melengkapi dengan sistem pembuangan air terpisah, yaitu satu untuk sanitasi dan satu lagi untuk drainase air hujan.

Sampai saat ini kota-kota di Indonesia masih menggunakan system drainase tercampur tanpa dilengkapi dengan fasilitas instalasi pengolah air limbah (IPAL). Hal ini tentu saja sangat mengkhawatirkan untuk masa mendatang, mengingat air limbah yang dibuang ke sistem drainase makin meningkat volumenya dengan kualitas yang makin menurun.

1.6 Permasalahan Drainase PerkotaanBanjir merupakan kata yang sangat populer di Indonesia, khususnya pada musim hujan, mengingat hampir semua kota di Indonesia mengalami bencana banjir. Peristiwa ini hampir setiap tahun berulang, namun permasalahan ini sampai saat ini belum terselesaikan, bahkan cenderung makin meningkat, baik frekuensinya, luasannya, kedalamnnya, maupun durasinya.

Jika dirunut ke belakang, akar permasalahan banjir di perkotaan berawal dari pertambahan penduduk yang sangat cepat, di atas rata-rata petumbuhan nasional, akibat urbanisasi, baik migrasi musiman maupun permanen. Pertambahan penduduk yang tidak diimbangi dengan penyediaan prasarana dan sarana perkotaan yang memadai mengakibatkan pemanfaatan lahan perkotaan menjadi acak-acakan (semrawut). Pemanfaatan lahan yang tidak tertib inilah yang menyebabkan persoalan drainase di perkotaan menjadi sangat kompleks. Hal ini barangkali juga disebabkan oleh tingkat kesadaran masyarakat yang masih rendah dan masih acuh tak acuh terhadap penting dan perlunya memecahkan permasalahan yang dihadapi kota. Sebagian besar masyarakat masih terfokus pada permasalahn yang lebih penting dan mendesak, yaitu pemenuhan kebutuhan primer. Selain itu, masih belum mengakarnya kesadaran terhadap hukum, perundangan, dan kaidah-kaidah yang berlaku. Belum konsistennya pelaksanaan hukum menambah komplek masalah yang di hadapi kota-kota di Indonesia. Kecenderungan ini timbul karena proses pembangunan yang selama ini berlangsung kurang melibatkan masyarakat secara aktif (Gambar 1.4). Oleh karena itu, mulai sekarang segala kebijakan publik harus melibatkan masyarakat, baik itu yang berupa pembangunan fisik maupun non fisik, sejak awal munculnya ide pembangunan infrastruktur sampai dengan pengoperasiaanya (Gambar 1.5).

Dalam siklus pembangunan, dulu dikenal SIDLAKOM (Survey, Identi fication, Design, Land Acquisition, Operation, and Maintenance), inertipakan siklus yang kurang lengkap, karena tidak mencantumkan evaluasi dan monitoring. Kurang lengkapnya siklus tersebut menyebabkun arcs informasi terputus, sehingga keberhasilan atau kegagalan hasil pembangunan, sistem drainase pada khususnya dan infrastruktur pada iiiiiiiinnya, yang telah lalu tidak terinventarisasi untuk dijadikan bahan pijukan dan pertimbangan dalam pengembangan di masa mendatang. Siklus pembangunan yang lengkap seperti terlihat pada Gambar 1.6.

Permasalahan lain yang dihadapi dalam pembangunan drainase adalah lemahnya koordinasi dan sinkronisasi dengan komponen infrastruktur yang lain. Sehingga, sering dijumpai tiang listrik di tengah saluran drainase, dan pipa air bersih (PDAM) memotong saluran pada penampang basahnya. Sering juga dihadapai penggalian saluran drainase dengan tak sengaja merusak prasarana yang telah Iebih dulu tertanam dalam tanah karena tidak adanya informasi yang akurat, arsip/dokumen tidak ada, atau perencanaan dan/atau pematokan di lapangan tidak melibatkan instansi pengendali tata ruang.

Berikut ini disajikan beberapa foto yang memperlihatkan permasalahan genangan dan drainase perkotaan.

BAB 2

HIDROLOGI

PERKOTAAN

2.1 PendahuluanTanpa kita sadari bahwa pada sebagian bestir perencanaan bangunan sipil memerlukan analisis hidrologi. Analisis hidrologi tidak hanya diperlukan dalam perencanaan berbagai macam bangunan air, seperti bendungan, bangunan pengendali banjir, dan bangunan irigasi, tetapi juga bangunan jalan raya, lapangan terbang, dan bangunan lainnya. Kegagalan dalam perhitungan drainase jalan raya dapat berakibat terjadi keruntuhan dini jalan raya, demikian juga pada lapangan terbang, lapangan olah raga, dan lain-lain. Analisis hidrologi diperlukan untuk perencanaan drainase, culvert, maupun jembatan yang melintas sungai atau saluran. Komponen sistem transportasi lain yang memerlukan analisis hidrologi meliputi areal parkir, landasan pacu (runway) dan apron lapangan udara, jalur transportasi massal, serta jalur kereta api.

perencanaan fasilitas transportasi bukan satu-satunya kegiatan yang harus mempertimbangkan kelancaran air akibat hujan. Setiap kegiatan yang melibatkan lahan sebagai obyek, seperti perumahan, perkantoran, dan industri harus mempertimbangkan aliran air hujan. Perencanaan rumah harus menyediakan tidak hanya talang dan pelengkapnya, tetapi juga got/saluran yang meneruskan air hujan dari talang ke jaringan drainase, demikian juga bangunan-bangunan industri. Pada waktu pembukaan lahan, perlu diperhatikan pola drainase pasca pengembangan. Pengembangan lahan biasanya diikuti penambahan lapisan kedap air yang berakibat pada peningkatan laju dan volume aliran permukaan. Pada Iempat-tempat tertentu, perlu dibuat bangunan pengendali air hujan. Pada bagian alas lokasi dapat dibuat saluran sabuk untuk mengalirkan air menjauh dari lokasi dan langsung di alirkan ke saluran drainase atau stmgai. Pada beberapa lokasi pengembangan lahan, di mana penambahan lapisan kedap air bestir, pembangunan kolam penahan mungkin diperlukan untuk mengontrol kenaikan aliran permukaan. Di samping itu, yang tak kalah pentingnya dalam pembukaan lahan adalah penyediaan fasilitas pengendali sedimen untuk menjamin bahwa tanah yang tererosi tidak masuk ke saluran.

Apa yang diuraikan pada paragrap di atas merupakan gambaran sepintas, betapa analisis hidrologi perlu dipertimbangkan dalam perencanaan di hampir segala bangunan sipil.

Analisis hidrologi merupakan bidang yang sangat rumit dan kompleks. Hal ini disebabkan oleh ketidak pastian dalam hidrologi, keterbatasan teori dan rekaman data, dan keterbatasan ekonomi. Hujan adalah kejadian yang tidak dapat diprediksi. Artinya, kita tidak dapat memprediksi secara pasti seberapa besar hujan yang akan terjadi pada suatu periode waktu.

2.2 Siklus HidrologiSecara keseluruhan jumlah air di planet bumi ini relatif tetap dari masa ke masa. Air di bumi mengalami suatu siklus melalui serangkaian peristiwa yang berlangsung terus-menerus, di mana kita tidak tabu kapan dan dari mana berawalnya dan kapan pula akan berakhir. Serangkaian peristiwa tersebut dinamakan siklus hidrologi (hydrologic cycle) (Gambar 2.1).

Air menguap dari permukaan samudera akibat energi panas matahari. Laju dan jumlah penguapan bervariasi, terbesar teijadi di dekat equator, di mana radiasi matahari lebih kuat. Uap air adalah murni, karena pada waktu dibawa naik ke atmosfir kandungan garam ditinggalkan. Uap air yang dihasilkan dibawa udara yang bergerak. Dalam kondisi yang memungkinkan, uap tersebut mengalami kondensasi dan membentuk butirbutir air yang akan jatuh kembali sebagai presipitasi berupa hujan dan / atau salju. Presipitasi ada yang jatuh di samudera, di darat, dan sebagian langsung menguap kembali sebelum mencapai .ke permukaan bumi.

Presipitasi yang jatuh di permukaan bumi menyebar ke berbagai arch dengan beberapa cara. Sebagian akan tertahan sementara di permukaan bumi sebagai es atau salju, atau genangan air, yang dikenal dengan simpanan depresi. Sebagian air hujan atau lelehan salju akan mengalir ke saluran atau sungai. Hal ini disebut aliran / limpasan permukaan. Jika permukaan tanah porous, maka sebagian air akan meresap ke dalam tanah melalui peristiwa yang disebut infiltrasi. Sebagian lagi akan kembali ke atmosfer melalui penguapan dan transpirasi oleh tanaman (evapotranspirasi).

Di bawah permukaan tanah, pori-pori tanah berisi air dan udara. Daerah ini dikenal sebagai zona kapiler (vadoze zone), atau zona aerasi. Air yang tersimpan di zona ini disebut kelengasan tanah (soil moisture), atau air kapiler. Pada kondisi tertentu air dapat mengalir secara lateral pada zona kapiler, proses ini disebut interflow. Uap air dalam zona kapiler dapat juga kembali ke permukaan tanah, kemudian menguap.

Kelebihan kelengasan tanah akan ditarik masuk oleh gravitasi dan proses ini disebut drainase gravitasi. Pada kedalaman tertentu, pori-pori tanah atau batuan akan jenuh air. Batas atas zona jenuh air disebut muka air tanah (water table). Air yang tersimpan dalam zona jenuh air disebut air tanah. Air tanah ini bergerak sebagai aliran air tanah melalui batuan atau lapisan tanah sampai akhirnya keluar ke permukaan sebagai sumber air (spring) atau sebagai rembesan ke danau, waduk, sungai, atau laut.

Air yang mengalir dalam saluran atau sungai dapat berasal dari aliran permukaan atau dari air tanah yang merembes di dasar sungai. Konstribusi air tanah pada aliran sungai disebut aliran dasar (baseflow), sementara total aliran disebut debit (runoff). Air yang tersimpan di waduk, danau, dan sungai di sebut air permukaan (surface water). Dalam kaitannya dengan perencanaan drainase, komponen dalam siklus hidrologi yang terpenting adalah aliran permukaan. Oleh karena itu, komponen inilah yang ditangani secara baik untuk menghindari berbagai bencana, khususnya bencana banjir.

2.3 Presipitasi

Presipitasi adalah istilah umum untuk menyatakan uap air yang mengkondensasi dan jatuh dari atmosfir ke bumi dalam segala bentuknya dalam rangkaian siklus hidrologi. Jika air yang jatuh berbentuk cair disebut hujan (rainfall) dan jika berupa padat disebut salju (snow). Dalam bagian ini, hanya akan dibahas tentang hujan.

Hujan merupakan faktor terpenting dal4m analisis hidrologi. Intensitas hujan yang tinggi pada suatu kawasan hunian yang kecil dapat mengakibatkan genangan pada jalan-jalan, tempat parkir, dan tempattempat lainnya karena fasilitas drainase tidak didesain untuk mengalirkan air akibat intensitas hujan yang tinggi. Hujan lebat juga dapat mengakibatkan kerusakan tanaman. Sebaliknya, tidak ada hujan untuk jangka lama dapat berakibat mengecilnya aliran sungai dan turunnya air waduk dan danau. Pendek kata, hujan dengan kejadian ekstrim, baik ekstrim tinggi maupun ekstrim rendah, dapat menimbulkan bencana bagi makhluk di bumi.

Analisis dan desain hidrologi tidak hanya memerlukan volume atau ketinggian hujan, tetapi juga distribusi hujan terhadap tempat dan waktu. Distribusi hujan terhadap waktu disebut hyetograph. Dengan kata lain, hyetograph adalah grafik intensitas hujan atau ketinggian hujan terhadap waktu.

Kejadian hujan dapat dipisahkan menjadi dua grup, yaitu hujan aktual dan hujan rencana. Kejadian hujan aktual adalah rangkaian data pengukuran di stasiun hujan selama periode tertentu. Hujan rencana adalah hyetograph hujan yang mempunyai karakteristik terpilih. Hujan rencana bukan kejadian hujan yang diukur secara aktual dan kenyataannya, hujan yang identik dengan hujan rencana tidak pernah dan tidak akan pernah terjadi. Namun demikian, kebanyakan hujan rencana mempunyai karakteristik yang secara umum sama dengan karakteristik hujan yang terjadi pada masa lalu. Dengan demikian, menggambarkan karakteristik umum kejadian hujan yang diharapkan terjadi pada masa mendatang.

Karakteristik hujan yang perlu ditinjau dalam analisis dan perencanaan hidrologi meliputi:

· Intensitas i, adalah laju hujan = tinggi air persatuan waktu, misalnya mm/menit, mm/jam, atau mm/hari.

· Lama waktu (durasi) t, adalah panjang waktu di mana hujan turun dalam menit atau jam.

· Tinggi hujan d, adalah jumlah atau kedalaman hujan yang terjadi selama durasi hujan dan, dinyatakan dalam ketebalan air di atas permukaan datar, dalam mm.

· Frekuensi adalah frekuensi kejadian dan biasanya dinyatakan dengan kala ulang (return period) T, misalnya sekali dalam 2 tahun.

· Luas adalah luas geografis daerah sebaran hujan.

Hubungan antara intensitas, durasi dan tinggi hujan dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut.

Sedangkan intensitas rata-rata i dapat dirumuskan sebagai berikut. :

Secara kualitatif, intensitas curah hujan disebut juga derajad curah hujan, sebagaimana diperlihatkan dalam Table 2.1.

Tabel 2.1 Derajad curah hujan clan intensitas curah, hujan

2.3.1 Pengukuran Hujan

Di Indonesia, data hujan ditakar dan dikumpulkan oleh beberapa instansi, antara lain Dinas Pengairan, Dinas Pertanian, dan Badan Meteorologi dan Geofisika. Jenis dan tipe alat penakar hujan yang digunakan juga berbeda-beda. Secara umum alat penakar hujan dibedakan menjadi dua grup, yaitu penakar hujan manual dan penakar hujan otomatis.

Penakar Hujan Manual. Penakar hujan jenis ini menampung air hujan selama 24 jam.

Biasanya alat ini dibuka dan diukur secara teratur jumlah hujannya pada jam 09:00 pagi dan dicatat sebagai hujan yang .terjadi sehari sebelumnya pada formulir yang telah ditetapkan. Dengan cara ini, kedalaman hujan yang diperoleh . adalah kedalaman hujan total yang terjadi selama satu hari (24 jam). Berapa lama dan jam berapa terjadinya hujan tidak diketahui.

Penakar hujan manual merupakan alat ukur yang paling banyak digunakan. Alat ini terdiri dari corong dan bejana (Gambar 2.2). Ukuran diameter dan tinggi sangat bervariasi dari satu negara dengan negara lainnya dan hasilnya tidak dapat diperbandingkan. Oleh karena itu, dalam satu negara alat yang digunakan serta aturan pemasangannya harus seragam. Di Indonesia alat yang paling banyak digunakan adalah penakar hujan "Hellmann" dengan tinggi pemasangan 120 cm di atas muka tanah dan luas corong 200 cm2. jumlah air hujan yang tertampung diukur dengan gelas ukur atau bilah ukur (graduated stick).

Alat ukur hujan yang baku harus memperhatikan beberapa hal sebagai berikut:

1). Corong harus dibuat sedemikian rupa, sehingga dapat menghindari terjadinya percikan keluar corong atau sebaliknya.

2). Corong harus mempunyai lubang sekecil mungkin untuk mencegah terjadinya radiasi dan penguapan.

Data hujan harian banyak bermanfaat untuk sektor pertanian dan perkebunan, namun kurang bermanfaat untuk desain drainase. Hujan yang mengakibatkan banjir di perkotaan, biasanya berdurasi pendek, maka diperlukan data hujan dengan durasi waktu pendek, misalnya 5 menit, 15 menit, dan seterusnya yang dapat diperoleh dari penakar hujan otomatis.

Penakar Hujan Otomatis (ARR Automatic Rainfall Recorder). Dengan alat mi, hujan tidak perlu dicatat tiap han karena alat mi dilengkapi dengan pencatat jumlah akumulasi hujan terhadap waktu dalam bentuk grafik. Ada tiga jenis alat penakar hujan otomatis; weighing bucket, tipping bucket, dan float. 1). ARR dengan weighing bucket merupakan alat penakar hujan dengan bejana tampung

(receiver) yang dapat menampung air hujan secara kumulatif. Perekaman hujan dilakukan secara terus-menerus, sehingga semua hujan yang jatuh seluruhnya akan tertimbang dan terekam. Alat mi tidak dilengkapi dengan pengurasan otomatis.

2). ARR dengan tipping bucket (bejana goyang). Alat mi dilengkapi dengan saringan, dua bejana yang sama (kembar), dan saluran pembuang (Gambar 2.3). Air hujan yang jatuh ke dalam corong dan melewati saringan masuk ke dalam bejana. Makin tinggi muka air pada bejana mi, maka titik berat bejana bergeser perlahan-lahan sampai pada saat bejana penuh akan teijungkir dan menumpahkan semua air hujan yang tertampung. Kapasitas penuh bejana setara dengan 0,5 mm air hujan. Setiap kali tipping arus listrik akan terhenti dan signal ini diteruskan ke perekam yang menggambarkan grafik huj an.

3). ARR dengan float (pelampung). Sesuai dengan namanya, alat mi dilengkapi dengan pelampung dalam suatu bejana yang dihubungkan dengaim corong pciningkup liujan melalui pipa. Gerakan naik pelampung akibat pertambahan air dalam tabung diteruskan dengan mekanisme khusus yang dapat menggerakkan pena di atas kertas perekam. Alat mi dilengkapi dengan alat penguras. Pada waktu pelampung mencapai posisi tertinggi, maka air akan terbuang secara otomatis melalui pembuang dan pelampung kembali pada posisi paling bawah.

2.3.2 Analisis Hujan

2.3.2.1 Hfijan Kawasan (Daerah Tangkapan Air = DTA)

Data hujan yang diperoleh dan alat penakar hujan merupakan hujan yang terjadi hanya pada satu tempat atau titik saja (point rainlall). Mengingat hujan sangat bervariasi terhadap tempat (space), maka untuk kawasan yang luas, satu alat penakar hujan belurn dapat rnenggarnbarkan hujan wilayah tersebut. Dalam hal mi diperlukan hujan kawasan yang

diperoleh dan harga rata-rata curah hujan beberapa stasiun penakar hujan yang ada di dalam dan/atau di sekitar kawasan tersebut. Ada tiga macam cara yang umum dipakai dalam menghitung hujan ratarata kawasan: (1) rata-rata aljabar, (2) poligon Thiessen, dan (3) isohyet.

1) Rata-rata aljabarMerupakan metode yang paling sederhana dalam perhitungan hujan kawasan. Metode ini didasarkan pada asumsi bahwa sernua penakar hujan mempunyai pengaruh yang setara. Cara mi cocok untuk kawasan dengan topografi rata atau datar, alat penakar tersebar meratalhampir merata, dan harga individual curah hujan tidak terlalu jauh dan harga rata-ratanya. Hujan kawasan diperoleh dan persamaan

di mana P1, P2 P, adalah curah hujan yang tercatat di pos penakar hujan 1, 2,..., n dan n adalah banyaknya pos penakar hujan.

2) Metode Poligon Thiessen Metode mi dikenal juga sebagai metode rata-rata timbang (weighted mean). Cara ini memberikan proporsi luasan daerah pengaruh pos penakar hujan untuk mengakomodasi ketidakseragaman jarak. Daerah pengaruh dibentuk dengan menggambarkan garis-garis sumbu tegak lurus terhadap garis penghubung antara dua pos penakar terdekat (Gambar 2.4). Diasumsikan bahwa variasi hujan antara pos yang satu dengan lainnya adalah linier dan bahwa sembarang pos dianggap dapat inewakili kawasan terdekat. Flasil metode poligon Thiessen lebih akurat dibandingkan dengan metode rata-rata aijabar. Cara ini cocok untuk daerah datar dengan luas 500 - 5.000 km2, dan jumlah pos penakar hujan terbatas dibandingkan luasnya. Prosedur penerapan metode mi meliputi langkah-langkah sebagai berikut: 1) Lokasi pos penakar hujan diplot pada peta DAS. Antar pos penakar dibuat garis lurus penghubung. 2) Tank garis tegak lurus di tengah-tengah tiap garis penghubung sedemikian rupa, sehingga membentuk poligon Thiessen (Gambar 2.4). Semua titik dalam satu poligon akan mempunyai jarak terdekat dengan pos penakar yang ada di dalamnya dibandingkan dengan jarak terhadap pos lainnya. Selanjutnya, curah hujan pada Pos tersebut dianggap representasi hujan pada kawasan dalam poligon yang bersangkutan.3) Luas areal pada tiap-tiap poligon dapat diukur dengan planimeter dan luas total DAS, A, dapat diketahui dengan menjurnlahkan semua luasan poligon. 4) Hujan rata-rata DAS dapat dihitung dengan persamaan berikut:

di mana P1, P2 , P adalah curah hujan yang tercatat di pos penakar hujan 1, 2,..., n. A1, A2

A adalah luas areal poligon I, 2,..., n. n adalah banyaknya pos penakar hujan

Contoh 2.1

Hitung hujan rata-rata DAS dengan metode rata-rata aljabar dan poligon Thiessen untuk DAS seperti Gambar 2.4 dengan data pada Tabel 2.2.

3) Metode Isohyet

Melode mi merupakan mcode yang paling akurat untuk menentukan hujan rata-rata, namun diiperlukan keahlian dan pengalaman. Cara ini memperhitungkan secara aktual pengaruh tiap-tiap pos penakar hujan. Dengan kata lain, asumsi metode Thiessen yang secara membabi buta menganggap bahwa tiap-tiap pos penakar mencatat kedalaman yang sama untuk daerah sekitarnya dapat dikoreksi. Metode isohyet’ terdiri dan beberapa langkah sebagai berikut: - Plot data kedalaman air hujan untuk tiap pos penakar hujan pada peta. - Gambar kontur kedalaman air hujan dengan menghubungkan titiktitik yang mempunyai kedalaman air yang sama. Interval isohyet yang umum dipakai adalah 10 mm. - Hitung luas area antara dua garis isohyet denga’i planimeter. Kalikan masing-masing luas areal dengan antara dua isohyet yang berdekatan.

Hitung hujan rata-rata DAS dengan persamaan berikut:

Metode isohyet cocok untuk daerah berbukit dan tidak teratur dengan luas Iebih dan 5.000 km2.

2.3.2.2 Cara Mernilih Metode Lepas dan kelebihan dan kelemahan ketiga metode yang tersebut di atas, pemilihan metode mana yang cocok dipakai pada suatu DAS dapat ditentukan dengan mempertimbangkan tiga faktor berikut: I) Jaring-jaring pos penakar hujan dalam DAS 2) Luas DAS 3) Topografi DAS.

2.3.3 Analisis Frekuensi dan Probabilitas

Sistem hidrologi kadang-kadang dipengaruhi oleh peristiwa-peristiwa yang luar biasa (ekstrim), seperti hujan lebat, banjir, cian kekeringan. Besaran peristiwa ekstrim berbanding terbalik dengan frekuensi kejadiannya, peristiwa yang luar biasa ekstrim kejadiannya sangat langka. Tujuan analisis frekuensi data hidrologi adalah berkaitan dengan besaran peristiwa-peristiwa ekstrim yang berkaitan dengan frekuensi kejadiannya melalui penerapan distribusi kemungkinan. Data hidrologi yang dianalisis diasumsikan tidak bergantung (independent) dan terdistribusi secara acak dan bersifat stokastik. Frekuensi hujan adalah besarnya kemungkinan suatu besaran hujan disamai atau dilampaui. Sebaliknya, kala-ulang (return period) adalah waktu hipotetik di mana hujan dengan suatu besaran tertentu akan disamai atau dilampaui. Dalam hal mi tidak terkandung pengertian bahwa kejadian tersebut akan berulang secara teratur setiap kala ulang tersebut. Misalnya, hujan dengan kala-ulang 10 tahunan, tidak berarti akan terjadi sekali setiap 10 tahun akan tetapi ada kemungkinan dalam jangka 1000 tahun akan terjadi 100 kali kejadian hujan 10 tahunan. Ada kemungkinan selama kurun waktu 10 tahun terjadi hujan lO-tahunan lebih dan satu kali, atau sebaliknya tidak terjadi sama sekali. Analisis frekuensi diperlukan sen data hujan yang diperoleh dan pos penakar hujan, baik yang manual maupun yang otomatis. Analisis frekuensi mi didasarkan pada sifat statistik data kejadian yang telah lalu untuk memperoleh probabilitas besaran hujan di masa yang akan datang. Dengan anggapan bahwa sifat statistik kejadian hujan yang akan datang masih sama dengan sifat statistik kejadian hujan masa lalu.

Ada dua macam seri data yang dipergunakan dalarn aralisis frekuensi, yaitu: 1) Data maksimum tahunan: tiap tahun diambil hanya satu besaran maksimum yang dianggap berpengaruh pada analisis selanjutnya. Seri data seperti ini di kenal dengan seridata maksimum(maximum annual series). Jumlah data dalam sen akan sama dengan panjang data yang tersedia. Dalarn cara in besaran data maksimum kedua dalam suatu tahun yang mungkin lebih besar dan besaran data maksimum dalam tahun yang lain tidak diperhitungkan pengaruhnya dalam analisis. Hal mi oleh beberapa pihak dianggap kurang realistis, apalagi jika diingat bahwa perhitungan permulaan tahun hidrologi tidak selalu seragam, ada yang berdasar musim ada pula yang mengikuti kalender masehi. Oleh karena itu, beberapa ahli menyarankan menggunakan cara seri parsial.

2) Seri parsial: dengan menetapkan suatu besaran tertentu sebagai batas bawah, selanjutnya sernua besaran data yang lebih besar dan batas bawah tersebut diambil dan dijadikan bagian seri data untuk kemudian dianalisis seperti biasa. Pengambilan batas bawah dapat dilakukan dengan sistem peringkat, di mana sernua besaran data yang cukup besar diambil, kemudian diurutkan dan besar ke kecil. Data yang diambil untuk analisis selanjutnya adalah sesuai dengan panjang data dan diambil dan besaran data yang paling besar. Dalam hal mi dimungkinkan dalam satu tahun data yang diambil lebih dan satu data, sementara tahun yang lain tidak ada data yang diambil. Dalam analisis frekuensi, hasil yang diperoleh tergantung pada kualilas dan panjang data. Makin pendek data yang tersedia, makin hesar penyimpangan yang terjadi.

2.4 Limpasan (runoff)

Sebagaimana telah diuraikan da1am sikius hidrologi, bahwa air hujan yang turun dan

atmosfir jika tidak ditangkap oleh vegetasi atau oleh permukaan-permukaan buatan seperti

atap bangunan atau lapisan kedap air lainnya, maka akan jatuh ke perrnukaan bumi dan

sebagian akan menguap, berinfiltrasi, atau tersimpan dalam cekungan-cekungan. Bi Ia

kehilangan seperti cara-cara tersebut telah terpenuhi, maka sisa air hujan akan mengalir

Iangsung di atas permukaan tanah menuju alur aliran terdekat. Dalam perencanaan

drainase, bagian air hujan yang menjadi perhatian adalah aliran perrnukaan (surftice

runoff), sedangkan untuk pengendalian banjir tidak hanya aliran perrnukaan, tetapi

limpasan (runoff). Limpasan merupakan gabungan antara aliran perrnukaan, aliranaliran

yang tertunda pada cekungan-cekungan, dan aliran bawah permukaan (subsurface flow).

2.4.1 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Limpasan

Aliran pada saluran atau sungai tergantung dan berbagai faktor secara bersamaan. Dalam

kaitannya dengan Ii rnpasan, faktor yng berpengaruh secara umum dapat dikelompokkan

menjadi 2 kelompok, yaitu faktor meteorologi dan karakteristik daerah tangkapan saluran

atau daerah aliran sungai (DAS).

2.4.1.1 Faktor Meteorologi

Faktor-faktor meteorologi yang berpengaruh pada limpasan lerutarna adalah karakteristik

hujan, yang meliputi:

1). Intensitas hujan

Pengaruh intensitas hujan terhadap limpasan perrnukaan sangat tergantung pada laju

infiltrasi. Jika intensitas hujan melebihi laju infiltrasi, maka akan terjadi limpasan

permukaan sejalan dengan peningkatan intensitas curah hujan. Namun demikian,

peningkatan limpasan permukaan tidak selalu sehanding dengan peningkatan intensitas

hujan karena adanya penggenangan di permukaan tanah. Intensitas hujan berpengaruh pada

delit maupun volume limpasan.

2). Durasi hujan

Total limpasan dan suatu hujan berkaitan langsung dengan durasi hujan dengan intensitas

tertentu. Setiap DAS mempunyai satuan durasi hujan atau lama hujan kritis. Jika hujan

yang terjadi lamanya kurang dan lama hujan kritis, maka lamanya limpasan akan sama dan

tidak tergantung pada intensitas hujan.

3). Distribusi curah hujan

Laju dan volume limpasan dipengaruhi oleb distribusi dan intensitas hujan di seluruh DAS.

Secara umurn, laju dan volume limpasan maksimum terjadi jika seluruh DAS telah

memberi konstribusi aliran. Namun demikian, hujan dengan intensitas tinggi pada sebagian

DAS dapat rnenghasilkan limpasan yang lebih besar dibandingkan dengan hujan hiasa yang

meliputi selurub DAS.

Jika kondisi topografi, tanah, dan lain—lain di seluruh DAS seragam, untuk jumlah hujan

yang sama, maka curah hujan yang distribusinya merata menghasilkan debit puncak yang

paling minimum. Karakteristik distribusi hujan dinyatakan dalam “koefisien distribusi”,

yaitu nisbah antara hujan tertinggi di suatu titik dengan hujan rata— rata DAS.

2.4.1.2 Karakteristik DAS

Karakteristik DAS yang berpengaruh besar pada aliran permukaan meliputi (1) luas dan

bentuk DAS, (2) topografi, dan (3) tata guna lahan.

I). Luas dan bentuk DAS

Laju dan volume aliran permukaan inakin bertarnbah besar dengan hertambahnya luas

DAS. Tetapi, apabila aliran perrnukaan tidak dinyatakan sebagai jurnlah total dan DAS,

melainkan sebagai laju dan volume per satuan luas, besarnya akan berkurang dengan

hertambah luasnya DAS. mi berkaitan dengan waktu yang diperlukan air untuk mengalir

dan titik terjauh sampai ke titik kontrol (waktu konsentrasi) dan juga penyebaran atau

intensitas hujan.

Bentuk DAS mempunyai pengaruh pada pola aliran dalam sungai. Pengaruh bentuk DAS

terhadap aliran permukaan dapat ditunjukkan dengan memperhati kan hidrograf-hidrograf

yang terjadi pada dua huah DAS yang bentuknya berbeda narnun mempunyai luas yang

sama dan menerirna hujan dengan intensitas yang sama (Gambar 2-12).

Gambar 2.12 Pengaruh bentuk DAS pada alira permukaan

Bentuk DAS memanjang dan sempit cenderung menghasilkan laju aliran permukaan yang

lebih kecil dibandingkan dengan DAS yang berbentuk melebar atau melingkar. Hal ini

terjadi karena waktu konsentrasi DAS yang memanjang lebih lama dibandingkan dengan

DAS yang melebar, sehingga terjadinya konsentarsi air dititk kontrol lebih lambat yang

berpengaruh pada laju dan volume aliran permukaan. Faktor bentuk juga dapat berpengaruh

pada aliran permukaan apabila hujan yang terjadi tidak serentak diseluruh DAS, tetapi

bergerak dari ujung yang satu keujung lainnya, misalnya dari hilir ke hulu DAS. Pada DAS

memanjang laju aliran akan lebih kecil karena aliran permukaan akibat hujan dihulu belum

memberikan konstribusi pada titik kontrol ketika aliran permukaan dari hujan dihilir telah

habis, atau mengecil. Sebaliknya pada DAS melebar datangnya aliran permukaan dari

semua titik di DAS tidak terpaut banyak, artinya air dari hulu telah tiba sebelum aliran dari

hilir mengecil atau habis.

2). Tofografi

Tampakan rupa muka bumi atau tofografi seperti kemiringan lahan, keadaan dan kerapatan

parit dan atau saluran, dan bentuk-bentuk cekungan lainnya mempunyai pengaruh pada laju

dan volume aliran permukaan. DAS dengan kemiringan curam disertai parit/saluran yang

rapat akan menghasilkan laju dan volume aliran permukaan yang lebih tinggi dibandingkan

dengan DAS ang landai denga parit yang jarang dan adanya cekungan-cekungan. Pengaruh

kerapatan parit. Yaitu panjang parit per satuan luas DAS, pada aliran permukaan adala

memperpendek waktu konsentrasi, sehingga memperbesar laju aliran permukaan. (gambar

2-13)

Gambar 2.13 Pengaruh Kerapatan parit/saluran pada hidrograf aliran permukaan

3). Tata Guna Lahan

Pengaruh tata guna lahan pada lairan permukaan dinyatakan dalam koefisien aliran

permukaan ©, yaitu bilangan yang menunjukkan perbandinan antara besarnya aliran

permukaan dan besarnya curah hujan. Angka koefisien aliran permukaan ini merupakan

salah satu indicator untuk menentukan koefisien fisik suatu DAS. Nilai C berkisar antara 0

sampai 1. Nilai C = 0 menunjukkan bahwa semua air hujan terintersepsi dan terinfiltrasi ke

dalam tanah, sebaliknya untuk nilai C = 1 menunjukkan bahwa semua air hujan mengalir

sebagi aliran permukaan. Pada DAS yang masih baik, harga C mendekati nol dan semakin

rusak suatu DAS, maka harga C makin mendekati satu.

2.4.2 Memperkirakan Laju Aliran Puncak

Ada beberapa metode untuk memperkirakan aju aliran puncak (debit banjir). Metode yang

dipaka pada suatu lokasi lebih banyak ditentukan oleh ketersediaan data. Gambar 2.114

memberikan resume kronologis perkiraan debit banjir berdasarkan ketersediaan data.

Dalam praktek, perkiraan debit banjir dilakukan dengan beberapa metode dan debit banjir

rencana ditentukan berdasarkan pertimbangan teknis (engineering judgement). Secara

umum, metode yang umum dipakai adalah (1) Metode Rasional dan (2) Metode Hidrograf

banjir.

Gambar 2.14 Metoda yang digunakan dalam memperkirakan debit banjir berdasarkan

ketersediaan data

2.4.2.1 Metode Rasional

Metode untuk memperkirakan laju aliran permukaan puncak yang umum dipakai adalah

metode rasional USSCS (1973). Metode ini sangat simple dan mudah penggunaannya,

namun penggunaannya terbatas untuk DAS-DAS dengan ukuran kecil, yaitu kurang dari

300 ha (Goldman et.al,,1986). Karena model ini merupakan model kotak hitam maka tidak

dapat menerangkan hubungan curah hujan dan aliran permukaan dalam bentuk hidrograf.

Persamaan matematik metode rasional dinyatakn dalam bentuk

Qp = 0,000278 CIA

dimana Qp adalah laju aliran permukaan (debit) puncak dalam m3/detik. C adalah koefisien

aliran permukaan (0<C<1), I adalah intensitas hujan dalam mm/jam, dan A adalah luas

DAS dalam hektar

Metode Rasional dikembangkan berdasarkan asumsi bahwa hujan yan terjadi mempunyai

intensitas seragam dan merata di seluruh DAS selama paling sedikit sama dengan waktu

konsentrasi ( tc ) DAS. Jika asumsi ini dipenuhi, maka curah hujan dan aliran permukaan

DAS tersebut dapat digambakan dalam grafik pada gambar 2.15. GAmbar 2.15

mennjukkan bahwa hujan dengan intensitas seragam dan merata seluruh DAS berdurasi

sama dengan waktu konsentrasi (tc). Jika hujan yang terjadi lamanya kurang dari tc, maka

debit puncak yang terjadi lebih kecil dari Qq Karenna seluruh DAS tidak dapat

memberikan kontribusi aliran secara bersama pada titik control (outlet). Sebaliknya, jika

hujan yang terjadi lebih lama dari tc, maka debit puncak aliran permukaan akan tetap sama

dengan Qp.

Gambar 2.15 Hubungan curah hujan dengan aliran permukaan untuk durasi hujan yang

berbeda

Koefisien aliran permukaan [C]. koefisien C didefinisikan sebagai nisbah antara puncak

aliranpermukaan terhadap intensitas hujan. Factor ini merupakan factor yang paling

menentukan hasil perhitungan debit banjir. Pemilihan harga C yang tepat memerlukan

pengalaman hidologi yang luas. Faktor utama yang mempengaruhi C adalah laju infiltrasi

tanah atau prosentase kedap air, kemiringan lahan, tanaman penutup tanah, dan intnsitas

hujan.permukaan kedap air, seperti permukaan aspal dan atap bangunan, akan

menghasilkan hampir 100% setelah permukaan menjadi basah, seberapapun

kemiringannya.

Koefisien limpasanjuga tergantung pada sifat dan kondisi tanah. Laju infiltrasi menurun

pada hujan yang terus menerus dan juga dipengaruhi oleh kondisi kejenuhan air

sebelumnya. Faktor lain yang mempengaruhi C adalah air tanah derajat kepadatan tanah,

porositas tanah, dan simpanan depresi. Harga C untuk berbagai tipe tanah dan penggunaan

lahan disajikan dalam tabel 2.25.

Harga C yang di tampilkan tabel 2.25 belum memberikan rincian masing-masing faktor

yang berpengaruh terhadap besarnya nilai C.oleh karena itu, Hassing (1995) menyajikan

cara penentuan faktor C yang mengintegrasikan nilai yang merepresentasikan beberapa

faktor yang mempengaruhi hubungan antara hujan dan aliran, yaitu topografi, permeabilitas

tanah, penutup lahan,dan tataguna tanah. Nilai koefisien C merupakan kombinasi dari

beberapa faktor yang dapat dihitung berdasarkan tabel 2.26

Tabel 2.25 Koefisien limpasan untuk metode rasional

Tabel 2.26 Koefisien aliran untuk metode rasional (dari Hassing, 1995)

Tabel 2.25 dan 2.26 menggambarkan nilai C untuk penggunaan lahan yang seragam, di

mana kondisi ini sangat jarang dijumpai untuklahan yang relatif luas. Jika DAS terdiri dari

berbagai macam penggunaan lahan dengan koefisien aliran permukaan yang berbeda. Maka

C yang dipakai adalah koefisien DAS yang dapat dihitung dengan persamaan berikut:

Dimana :

Ai = luas lahan dengan jenis penutup tanah i ,

Ci = koefisien aliran permukaan jenis penutup tanah i

n = jumlah jenis penutup lahan.

Cara lain penggunaan rumus Rasional untuk DAS dengan tata guna lahan tidak homogen

adalah dengan subtitusi persamaan (2.53 ) kedalam persamaan ( 2.52 ) sebagai berikut ini.

(2.54 )

Waktu konsentrasi ( tc). Waktu konsentrasi suatu DAS adalah waktu yang diperlukan

oleh air hujan untuk mengalir dari titik terjauh sampai ke tempat keluaran DAS (titik

kontrol ) setelah tanah menjadi jenuh dan depresi-depresi kecil terpenuhi. Dalam hal ini

diasumsikan bahwa jika durasi hujan sama dengan waktu konsentrasi, maka setiap bagian

DAS secara serentak telah menyumbangkan aliran terhadap titik kontrol. Salah satu metode

untuk memperkirakan waktu konsentrasi adalah rumus yang dikembangkan oleh Kirpich

(1940 ), yang dapat ditulis sebagai berikut.

(2.55)

Dimana adalah waktu konsentrasi dalam jam, L panjang saluran utama dari hulu sampai

penguras dalam km, dan S kemiringan rata-rata saluran utama dalam m/m.

Waktu konsentrasi dapat juga dihitung dengan membedakannya menjadi dua komponen,

yaitu ( l ) waktu yang diperlukan air untuk mengalir di permukaan lahan saluran terdekat to

dan ( 2 ) waktu perjalanan dari pertama masuk saluran sampai titik keluaran td, sehingga

tc = to + td (2.56 )

dimana

(2.57 )

dan

(2.58 )

dimana

n = angka kekasaran Manning

S = kemiringan lahan

L = panjang lintasan aliran di atas permukaan lahan (m)

Ls = panjang lintasan aliran di dalam saluran / sungai (m)

V = kecepatan aliran di dalam saluran (m/detik ).

Selain rumus Kirpich, ada beberapa rumus waktu konsentrasi yang lain yang telah

dikembangkan, sebagaimana tercantum dalam Tabel 2.27.

Intensitas hujan ( I ). Intensitas hujan untuk tc tertentu dapat dihitung dengan rumus

Mononobe ( pers. 2.51 ) atau dari lengkung Intensitas-Durasi –Frekuensi Hujan (Gambar

2.11 )

Diagram langkah – langkah perhitungan laju aliran dengan menggunakan rumus Rasional

diperlihatkan pada Gambar 2.16.

Contoh 2.9

Suatu DAS seluas 450 ha dengan komposisi tata guna lahan seperti pada Tabel 2.28.

Masing-masing penggunaan lahan terpencar di seluruh DAS.

Perkiraan debit puncak yang terjadi jika intensitas hujan dengan kala ulang 25-tahunan

sebesar 90 mm/jam.

Penyelesaian :

1). Dengan menggunakan rumus CDAS ( pers. 2-53 )

Sehingga, debit yang terjadi

2). Dengan menggunakan persamaan (2.54 ) akan diperoleh hasil yang sama yaitu :

Sehingga

DAS dengan beberapa Sub-DAS. Metode Rasional juga dapat di pergunakan untuk DAS

yang tidak seragam ( homogen ), dimana DAS dapat dibagi – bagi menjadi beberapa

Sub_DAS., yang seragam atau pada DAS dengan sistem saluran yang bercabang-sabang,

Metode Rasional digunakan untuk menghitung debit dari masing- masing Sub-DAS

Perhiungan dilakukan dengan menggunakan dan aturan berikut :

1). Metode Rasional dipergunakan utuk mengitung debit puncak pada tiap-tiap daerah

masukkan (inlet area ) pada ujung hulu Sub-DAS.

2). Pada lokasi dimana drainase berasal dari dua atau lebih daerah masukan, maka waktu

konsentrasi terpanjang yang dipakai untuk intensitas hujan rencana, koefisien dipakai

CDAS, dan total area drainase daerah masukan.

Perhatikan, persamaan (2.52) tidak untuk menghitung debit dari tiap daerah masukkan

kemudian dijumlahkan. Hal ini akan mengabaikan perbedaan waktu debit puncak yang

terjadi pada masing-masing sub-area. Sebagai gambaran langkah-langkah prosedur

perhitungan diberikan pada contoh 2.12 berikut.

Contoh 2.10

Suatu DAS terdiri dari beberapa SubDAS dengan karakteristik seperti tertera pada

Gambar 2.17. Lengkung intensitas hujan dengan kala ulang 25-tahunan mengikuti

persamaan .

Hitung debit yang terjadi pada masing-masing segmen saluran.

Penyelesaian ;

Karena waktu konsentrasi pada inlet 1 kurang dari 15 menit, maka durasi 15 menit akan

dipakai untuk memperkirakan intensitas hujan dari persamaan yang ada pada Gambar 2,11.

Pada hujan kala ulang 25-tahunan dengan durasi 15 menit, maka intensitas hujan I = 251,87

mm/jam, Sehingga debit puncak di inlet I :

Aliran dari inlet 1 mengalir melalui pipa sepanjang 200 meter dengan waktu perjalanan

(travel time) 2 menit. Debit puncak ke inlet dari sub area 2 dapat dihitung dengan Rasiona :

Namun demikian pipa antara inlet 2 dan 3 tidak perlu didesain untuk mampu menampung

jumlah debit dari inlet 1 dan 2 ( 7,00 + 19,20 = 26,20 m 3 / detik ). Sub area 1 dan 2

mempunyai waktu konsentrasi yang berbeda dan debit dari inlet 1 harus menempuh

perjalanan selama 2 menit untuk mencapai inlet 2. Dengan demikian pipa antara inlet 2 dan

3 tidak harus manampung keduanya sekaligus . Namun, harus dilakukan perhitungan ulang

dengan menggunakan koefisien aliran gabungan dan intensitas hujan berdasarkan waktu

konsentrasi terpanjang. Koefisien aliran gabungan sub- area 1 dan 2 adalah :

Waktu konsentrasi terpanjang yang berlaku untuk kedua sub-area merupakan penjumlahan

waktu konsentrasi sub-area 1 dan waktu perjalanan dalam pipa antara 1 dan 2 yaitu 15 – 2

= 17 menit. Intensitas hujan yang sesuai dengan tc = 17 menit adalah 243,96 mm/jam. dan

menghasilkan debit puncak sebesar :

Debit dipakai untuk mendesain pipa antara inlet 2 dan 3.

Debit dari su- area 3 adalah sebesar :

Namun demikian beban pipa yang digunakan untuk men-drain ke-3 sub-area harus dihitung

sebagai berikut :

Waktu konsentrasi terpanjang tc = 15 + 2 + 3 = 20 menit, sehingga intensitas hujan menjadi

232,99 mm / jam. Debit untuk seluruh area menjadi :

Jumlah debit dari ke-3 sub-area jauh lebih besar dari debit gabungan ( 7,00 + 19,20 + 27,58

= 53,78 m3/detik versus 48,22 m3/detik ). Cara perhitungan dengan pendekatan Cgabungan dan

Intensitas hujan berdasar waktu konsentrasi terpanjang merupakan cara yang realistis.

Hasilnya sama di setiap titik.

Hasil perhitungan di atas dapat diringkas secara skematis seperti ditunjukkan pada gambar

2.18

2.4.2.2 Mertode Hidrograf

Hidrograf dapat didefinisikan sebagai hubungan antara salah satu unsur aliran terhadap

waktu. Berdasarkan definisi tersebut di kenal ada dua macam hidrograf, muka air dan

hidrograf debit. Hidrograf muka-air tidak lain adalah data atau grafik hasil rekaman AWLR

( Auotomatic Water Level Recorder ). Sedangkan hidrograf debit, yang dalam pengertian

sehari-hari disebut hidrograf, diperoleh dari hidrograf muka-air dan lengkung debit. Dalam

pembicaraan selanjutnya, yang dimaksud hidrograt adalah hidrograt debit.

Hidrograf tersusun dari dua komponen, yaitu aliran permukaan, yang berasal dari aliran

langsung air hujan dan aliran dasar ( base flow ). Aliran dasar berasal dari air tanah yang

pada umumnya tidak memberikan respon yang cepat terhadap hujan. Hujan juga dapat

dianggap terbagi dalam dua komponen yaitu hujan efektif dan kehilangan (losses). Hujan

efektif adalah bagian hujan yang menyebabkan terjadinya aliran permukaan. Kehilagan

hujan merupakan bagian hujan yang menguap, masuk kedalam tanah kelembaban tanah dan

simpanan air tanah.

Hidrograf aliran langsung dapat diperoleh dengan memisahkan hidrograf dari aliran

dasarnya. Ada beberapa cara yang dapat dilakukan, di antaranya adalah metode garis lurus

( straight line method ), metode panjang dasar tetap ( fixed base method ), dan metode

kemiringan berbeda (variable slope method ).

Metode garis lurus merupakan metode yang paling sederhana. Garis lurus ditarik dari titik

terendah sisi resesi hidrograf sebelumnya ( A ) , sampai titik di sisi resesi hidrograf yang

ditinjau ( B ). Titik B didapat dari penggambaran sisi resesi tersebut dalam kertas berskala

semi logaritmis. Titik B merupakan titik penyimpangan terendah garis tersebut terhadap

garis lurus yang dianggap mewakili saat terjadinya aliran dasar ( Gambar 2.19a )

Metode panjang dasar tetap hampir sama dengan metode sebelumnya. Dalam merode ini

diperhatikan adanya perbedaan kecepatan respon anatara ait permukaan dan air bawah

permukaan. Oleh sebab itu , pada saat ait permukaan naik, aliran dasar turun terus sampai

dianggap mencapai titik terendah di bawah titik puncak aliran permukaan ( Gambar 2.19b).

Selanjutnya titik B diperoleh dari persamaan ( Linsley,1988 ) :

T = A0,2

Dimana

T = waktu dalam hari

A= luas DAS dalam mil persegi.

Metode kemiringan berbeda dianggap sebagai metode yang paling teliti diantara ketiga

metode. Metode ini merupakan penggabungan dari kedua metode terdahulu. Kesulitan yang

dihadapi pada metode ini adalah dalam menentukan aliran dasar titik A dan C (Gambar

2.19c ). Tidak ada pedoman khusus yang dapat digunakan untuk menentukan metode mana

yang harus dipakai karena dipandang dari sudut ketelitian yang diperoleh dibandingkan

dengan debit puncak pengaruhnya sangat kecil. Oleh karena itu metode mana pun dapat

dipakai.

2.4.2.3 Hidrograf Satuan

Hidrograf satuan adalah hidrograf limpasan langsung yang dihasilkan oleh hujan efektif

yang terjadi merata di seluruh DAS dan dengan intensitas tetap selama satu satuan waktu

yang ditetapkan, yang disebut hujan satuan.Hujan satuan adalah curah hujan yang lamanya

sedemikian rupa sehingga lamanya limpasan permukaan tidak menjadi pendek, meskipun

curah hujan itu menjadi pendek. Jadi hujan satuan yang dipilih adalah yang lamanya sama

atau lebih pendek dari periode naik hidrograf ( waktu dari titik permulaan aliran permukaan

sampai puncak ). Periode limpasan dari hujan satuan semuanya adalah kira-kira sama dan

tidak ada sangkut pautnya dengan intensitas hujan.

Hidrograf satuan merupakan model sederhana yang menyatakan respon DAS terhadap

hujan. Tujuan dari hidrograf satuan adalah untuk memperkirakan hubungan antara hujan

efektif dan aliran permukaan. Konsep hidrograf satuan kali dikemukakan oleh Sherman

pada tahun 1932. Dia menyatakan respon DAS terhadap suatu masukan tertentu yang

berdasarkan pada tiga prinsip :

1). Pada hujan efektif berintensitas seragam pada suatu daerah aliran tertentu, intensitas

hujan yang berbeda tetapi memiliki durasi sama,akan menghasilkan limpasan dengan

durasi sama, meskipun jumlahnya berbeda. Ini merupakan aturan empiris yang

mendekati kebenaran dan digambarkan pada Gambar 2.20a.

2). Pada hujan efektif berintensitas seragam pada suatu daerah aliran tertentu, intensitas

hujan yang berbeda tetapi memiliki durasi sama, akan menghasilkan hidrograf

limpasan, di mana ordinatnya pada sembarang waktu memiliki proposi yang sama

dengan proporsi intensitas hujan efektifnya. Dengan kala lain, ordinat hidrograf satuan

sebanding dengan volume hujan efektif yang menimbulkannya. Hal ini berarti bahwa

hujan sebanyak n kali lipat dalam suatu waktu tertentu akan menghasilkan suatu

hidrograf dengan ordinat sebesar n kali lipat ( Gambar 2.20b ).

3). Prinsif superposisi dipakai pada hidrograf yang dihasilkan oleh hujan efektif

berintensitas seragam yang memiliki periode-periode yang berdekatan dan / atau

tersendiri. Jadi, hidrograf yang merepresentasikan kombinasi berbeda kejadian aliran

permukaan adalah jumlah dari ordinat hidrograf tunggal yang memberi kontribusi

( Gambar 2.20c )

Ketiga asumsi ini secara tidak langsung menyatakan bahwa tanggapan DAS terhadap hujan

adalah linier, walaupun sebenarnya kurang tepat. Namun demikian, penggunaan hidrograf

satuan telah banyak memberikan hasil yang memuaskan untuk berbagai kondisi. Sehingga

teori hidrograf satuan banyak dipakai dalam menentukan dibit atau banjir rencana.

Begitu hidrograf satuan untuk suatu DAS sudah diturunkan, hidrograf satuan tersebut dapat

dipakai untuk memperkirakan limpasan permukaan untuk sembarang hujan badai melalui

proses konvolusi ( convolution ). Gambar 2.21 memperlihatkan definisi hidrograf satuan

dan konvolusinya. Proses konvolusi dapat ditabulasikan dalam bentuk matriks seperti pada

Tabel 2.30.

Bentuk umum rumus konvolusi untuk hyetograf hujan efektif N dan jumlah pulsa debit M

dapat dinyatakan secara tabelaris seperti pada Tabel 2.31 berikut.

Penurunan hidrograf satuan

Hidrograf satuan suatu DAS dapat diturunkan dari hidrograf asli yang dihasilkan dari setiap

hujan yang turun di seluruh bagian DAS dan yang berintensitas cukup seragam. Kejadian

tersebut tidak akan pernah terjadi pada DAS yang cukup besar (misalnya 5000 km2 ). Oleh

karena itu, DAS tersebut harus dibagi-bagi menjadi DAS-DAS kecil dan hidrograf-

hidrograf satuan untuk setiap sub-DAS ditentukan secara terpisah.

Langkah – langkah yang harus dilakukan dalam penurunan hidrograt satuan adalah sebagai

berikut :

1). Memilih kejadian-kejadian banjir yang data hujan dan data muka airnya tersedia

lengkap, hidrografnya mempunyai puncak tunggal, dan intensitas hujannya cukup

tinggi.

2). Hidrograf muka air terpilih diubah menjadi hidrograf dengan menggunakan lengkung

debit yang sesuai, kemudian diplot ke dalam kertas grafik.

3). Memisahkan komponen limpasan dasr dari limpasan permukaan ( seperti telah

dijelaskan sebelumnya ) dan menggambarkan limpasan langsung dan grafik hujannya

pada dasar waktu yang sama.

4). Menghitung volume limpasan ( aliran permukaan ), yaitu luas kurva di bawah hidrograf

setelah dikurangi aliran dasar.

5). Memperkirakan tinggi hujan rata-rata dan interval waktunya, kemudian menentukan

hujan efektifnya.

6). Melakukan pengontrolan terhadap jumlah hujan efektif pada DAS tersebut dan jumlah

limpasan dibawah hidrograf. Hasilnya harus sama dan salah satu dari keduanya

mungkin perlu penyesuain.

Aturan umum yang banyak dipakai adalah penurunan hidrograf satuan sebaiknya

menggunakan hujan efektif dengan periode kurang lebih seperempat dari waktu puncak,

sehingga variasi hujan dapat tergambarkan dalam hidrograf.

Hidrograf satuan dari hujan berbagai periode

Secara umum kejadian hujan badai sangat kompleks, durasi dan intensitasnya bervariasi,

dan hidrograf satuan harus dapat menyelesaikan permasalahan tersebut. Limpasan

permukaan dapat diprediksi dengan konvolusi hidrograf satuan dan hujan efektif. Proses

penurunan hidrograf satuan dari hujan badai yang bervariasi ini dinamakan dekonvolusi.

Persamaan yang ada di dalam Tabel 2.31 dapat ditulis dalam bentuk lain sebagai berikut :

, dan seterusnya.

Contoh 2.11

Turunkan hidrograf satuan dengan periode satu jam dari data rekaman hujan efektif dan

limpasan seperti tertera dalam Tabel 2.32.

Dari Tabel 2.32 terlihat bahwa hyetograf hujan efektif (HHE) dan hidrograf limpasan

permukaan ( HLP ) mempunyai M = 3 dan N = 11 pulsa. Sehingga jumlah pulsa dalam

hidrograf satuan N-M+1 = 11-3+1 = 9. Dengan mensubstitusikan ordinat HHE dan HLP ke

dalam persamaan dalam Tabel 2.31 akan diperoleh 11 persamaan secara simultan.

Persamaan – persamaan ini dapat diselesaikan dengan eliminasi Gauss untuk mendapatkan

ordinat hidrograf satuan . Persamaan-persamaan tersebut dapat diselesaikan satu per satu

dari atas ke bawah, sebagai berikut :

; = 4,44 m3/detik.cm

; = 11,78 m3/detik.cm

Dengan cara yang sama akan diperoleh :

Contoh 1-12.

Hitung hidrograf limpasan permukaan untuk hujan badai dengan hujan efektif sebesar 100

mm dengan disribusi jam-jaman, yaitu 30 mm, 50 mm dan 20 mm berturut-turut untuk jam

pertama, kedua dan ketiga. Gunakan hidrograf satuan pada Contoh 2.11. Chek bahwa total

kedalaman limpasan permukaan sama dengan total hujan efektif bila luas

DAS adalah 34,88 km2.

Penyelesaian :

Penyelesaian dilakukan dengan mengunakan proses konvolusi secara tabelaris sebagai

berikut :

Jumlah hujan efektif 100 mm dengan luas DAS 34,88 km2.

Volume limpasan adalah 100 x 10-3 x 34,88 x 106 m3 = 3.488.000 m3

Jumalah aliran sama dengan luas bidang di bawah hidrograf = 969 x 3.600 = 3.488.000 m3 .

2.4.2.4. Hidrogaraf Satuan Sintetis

Sebagaimana diuraikan sebelumnya bahwa untuk menurunkan hidrograf satuan diperlukan

rekaman data limpasan dan data hujan, padahal sering kita jumpai ada beberapa DAS tidak

memiliki sama sekali catatan limpasan. Dalam kasus ini, hidrograf satuan diturunkan

berdasarkan data-data dari sungai DAS yang sama atau DAS terdekat yang mempunyai

karakteristik sama. Hasil dari penurunan hidrograf satuan ini dinamakan hidrograf satuan

sintetis ( HSS ). Ada tiga jenis hidrograf satuan sintetis, yaitu (1 ) HSS yang mengkaitkan

karakteristik hidrograf ( debit puncak, waktu dasar, dsb ) dengan karakteristik DAS

( Snyder, 1938; Gray, 1961 ); (2) HSS berdasarkan hidrograf satuan tak berdimensi ( SCS,

1972); dan (3) HSS berdasarkan model simpanan DAS (Clark, 1943). Dalam kesempatan

ini hanya dibahas tipe (1) dan (2).

HSS Snyder

Berdasarkan data-data DAS di Amerika Serikat, yang berukuran 30 sampai 30.000 km2,

Snyder (1983) menemukan tiga parameter hidrograf: lebar dasar, debit puncak dan

kelambatan DAS ( basin lag ) yang cukup memadai untuk mendefinisikan hidrograf satuan

( Gambar2.23).

Snyder beranggapan bahwa karakteristik DAS yang mempunyai pengruh kuat terhadap

hidrograf satuan sintetik adalah luas DAS bentuk DAS, topografi, kemiringan

saluran,kerapatan sungai dan daya tampung saluran. Selanjutnya dia mendefinisikan

standar hidrograf satuan sebagai kaitan antara hujan tr dengan keterlambatan DAS tp dalam

bentuk

tp =5,5 tr (2.59 )

Dengan menggunakan hidrograf satuan standar didapatkan :

1) Keterlambatan DAS ( basin log )

tp = C1Ct ( LLc )0,3 (2.60 )

Dimana :

tp = keterlambatan DAS ( jam )

L = panjang sungai utama dari outlet ke batas hulu (km),

Lc = jarak antara outlet ke titik pada sungai yang terdekat dengan titik

pusat

( centriod ) DAS.

CI = 0,75 ( CI = 1 untuk sistem Inggris ),

Ct = koefisien yang diturunkan dari DAS yang memiliki data pada daerah

yang sama.

2) Debit puncak per satuan luas dari hidrograf satuan standart adalah

( 2.61 )

Dimana

C2 = 2,75 (640 untuk sistem Inggris ).

Cp = koefisien yang diturunkan dari DAS yang dimiliki data pada daerah

yang sama.

Harga L dan Lc diukur dari peta DAS untuk menghitung Ct dan Cp pada DAS yang terukur.

Berdasar hidrograf satuan yang diturunkan, dapat diperoleh harga durasi efektif tR dalam

jam, kelambatan DAS tpR dalam jam, dan debit puncak per satuan luas ppR dalam

m3/dt.km2.cm. Jika tpR = 5,5 tR, maka

tr = tR

tp = tpR dan qp = qpR

Ct dan Cp dihitung dari persamaan ( 2.60 ) dan (2.61). Jika tpR jauh dari 5,5 tR, maka

kelambatan DAS standar adalah :

( 2.62 )

dan persamaan (2.58) dan (2.61) diselesaikan secara simulasi untuk tr dan tp. Nilai C1 dan

Cp kemudian dihitung dari persamaan (2.59) dan (2.60) dengan qpR = qp dan tpR = tp.

Jika DAS tidak terukur mempunyai kemiripan dengan DAS terukur, maka koefisien C t dan

Cp DAS terukur dapat dipakai pada persamaan tersebut di atas untuk DAS tak terukur.

3) Hubungan antara qp dan debit puncak per satuan luas qpR hidrograf yang diperlukan

adalah :

4) Waktu dasar tb hidrograf satuan ( dalam jam ) dapat ditentukan berdasarkan

kenyataan bahwa luas di bawah hidrograf satuan adalah ekivalen dengan limpasan

langsung 1 cm. Kita asumsiakan hidrograf satuan berbentuk segitiga, waktu dasar

dapat diperkirakan dari

dimana C3 = 5,56 ( 1290 untuk sistem Inggris )

Lebar hidrograf satuan ( dalam jam ) pada debit sama dengan persentase tertentu dari

debit puncak qpR adalah :

( 2.65 )

Dimana Cw = 1,22 ( 440 untuk sistem satuan Inggris) untuk 75% lebar dan 2,14 ( 770

sistem Inggris ) untuk 50% lebar. Biasanya sepertiga dari lebar ini terdistribusi sebelum

waktu puncak hidrograf satuan dan dua pertiga setelah puncak.

Contoh 2.13

Dari pada suatu DAS dapat diperoleh data-data panjang sungai utama L = 50 km, jarak

antara outlet ketitik disaluran terdekat centroid Lc = 25 km, luas DAS 2.000 km2. Dari

hidrograf satuan yang diturunkan untuk DAS tersebut, diperoleh tR = 7,5 jam, tpR = 24 jam,

dan debit puncak 80 m3/dt.cm. Tentukan koefisien Ct dan Cp untuk hidrograf satuan DAS

tersebut.!

Penyelesaian :

Dari data diperoleh 5,5 tR = 5,5 x 7,5 = 41,25 jam yang sangat jauh dari tpR ( 24 jam).

Dengan memasukkan harga-harga yang diketahui ke dalam persamaan (2.62) dapat

diperoleh

dan dikombinasikan dengan persamaan ( 2.59 )

tp = 5,5 tr

dapat diperoleh nilai tr dan tb sebagai berikut :

(5,5 x 4 ) tr = 24 x 4 + tr – 12

(22 – 1 ) tr = 96 – 12

tr = 4 jam

tp = 22 jam

Gunakan persamaan (2.60 ) untuk menghitung Cr

tp = C1Ct ( LLc )0,3

22 = 0,75Ct(50x25)0,3

Ct = 3,45

Debit puncak per satuan luas adalah :

Koefisien Cp dapat dihitung dari persamaan (2.61) dengan qp = qpR dan tp = tpR sebagai

berikut

Cp = 0,35

Contoh 2.14

Suatu DAS mempunyai luas 500 km², L = 15 km, dan Lc = 10 km. Hitung hidrograf satuan

5 jaman,jika DAS tersebut merupakan Sub-DAS dari Contoh 2.13.

Penyelesaian:

Karena Sub-DAS ini merupkan bagian dari DAS pada contoh 2.13, maka harga-harga

Ct = 3,45 dan Cp = 0,35 yang diperoleh dari contoh 2.13 dapat dipakai sub DAS ini

sehingga dari persamaan (2.61 ) diperoleh :

tp = 0,75 x 3,45 x (15 x 10 )0.3 = 11,63 jam

dan dari persamaan (2.59 ) diperoleh :

Hidrograf satuan 5-jaman , maka tR = 5 jam dan dari persamaan (2.62 ) diperoleh :

Dari persamaan (2.61 ) diperoleh :

Dan dari persamaan (2.63 ) diperoleh :

Sehingga debit puncak hidrograf satuan adalah :

Qp = 0,078 x 500 = 38,97 m³/dt.cm.

Lebar hidrograf satuan dapat dihitung dari persamaan (2.65 ) adalah :

W75 = 1,22 x 0,078-1.08 = 19,18 jam

W50 = 2,14 x 0,078-1.08 = 33,65 jam

Lebar dasar hidrograf satuan dapat dihitung dari persamaan ( 2-64 ) adalah :

HSS tak bedimensi SCS

Hidrograf tak berdimensi SCS ( Soil Conservation Services ) adalah hidrograf satuan

sintetis, dimana debit dinyatakan sebagai nisbah debit q terhadap debit puncak qp dan waktu

dalam nisbah waktu t terhadap waktu naik dari hidrograf satuan Tp. Jika debit puncak dan

waktu kelambatan dari suatu durasi hujan efektif diketahui, maka hidrograf satuan dapat

diestimasi dari hidrograf sintetis tak berdimensi untuk suatu DAS. Gambar 2.25a

memperlihatkan hidrograf tak berdimensi, yang dipersiapkan dari berbagai DAS. Harga qp

dan Tp dapat diperkirakan dari model sederhana hidrograf satuan segitiga seperti pada

Gambar 2.25b, dimana waktu dalam jam dan debit dalam m³ / det.cm.

Contoh 2.15

Buat HSS-SCS 10 menitan untuk DAS seluas 5 km² dan waktu konsentrasi 1,5 jam.

Penyelesaian :

Durasi hujan tr = 10 menit = 0.166 jam

Lag time tp = 0,6Tc = 0,6x 1,5 = 0,9 jam

Waktu naik Tp = ½.tr + tp = ½.x 0.166 + 0,90 = 0,983 jam

Dari persamaan (2.66 ) maka :

Hidrograf tak berdimensi pada Gambar 2.25 dapat dikonversikan ke dalam dimensi yang

diperlukan dengan mengalikan nilai pada sumbu horizontal dengan Tp dan sumbu vertikal

dengan qp.

Hidrograf satuan segitiga dapat digambar dengan

Tb = 2,67 Tp = 2,27 x 0,986 = 2,238 jam.

Kedalaman aliran permukaan dichek dan harus sama dengan 1 cm.

2.5 Pasang Surut

Pasang surut adalah gerakan naik-turunnya muka air laut dimana amplitudo dan fasenya

berhubungan langsung terhadap gaya geofisika yang periodik, yakni gaya yang ditimbulkan

oleh gerak reguler benda-benda angkasa, terutama bulan , bumi dan matahari. Naik

turunnya muka laut akibat gaya geofisika ini disebut pasang surut gravitasi ( gravitational

tides). Disamping itu, gerak muka laut juga dipengaruhi oleh adanya variasi tekanan

atmosfir dan angin. Sistem gerak ini disebut pasang surut meteorologi (meteorological tides

). Pasang surut meteorologi sangat tergantung dari iklim dan kejadiannya tidak periodik,

sehingga tidak akan dibahas di sini.

2.5.1 Gaya Penggerak Pasang Surut (Tide Generating Forces )

Dari semua benda angkasa yang mempengaruhi proses pembentukan pasang surut air laut ,

hanya bumi dan bulan yang sangat berpengaruh, melalui tiga gerakan utama, yaitu :

1) Revolusi bulan terhadap bumi.

# Orbit lintasan bulan mengelilingi bumi tidak bulat melainkan berbentuk elips.

Akibat ketidak seragaman jarak antara bumi dan bulan, gaya tarik yang

ditimbulkannya terhadap bumi juga bervariasi. Pada saat bulan pada posisi paling

dekat dengan bumi disebut perigee, maka gaya penyebab pasang surut yang

dihasilkan naik 20% di atas harga rata-rata. Pada saat bulan pada posisi terjauh

dari bumi desebut apogee, maka gaya penyebab pasang surut yang dihasilkan

turun 20% dibawah harga rata-rata Interval antara perigee berturut-turut adalah

27,5hari.

# Waktu revolusi 29,5 hari

# Bidang orbit bulan tidak sebidang dengan equator bumi, tetapi membentuk sudut

28o terhadap ekliptik.

2) Revolusi bumi terhadap matahari.

# Orbit lintasan bumi mengelilingi matahari tidak bulat melainkan berbentuk elips.

Akibat ketidak seragaman jarak antara bumi dan matahari, gaya tarik yang

ditimbullkannya terhadap bumi juga bervariasi. Pada saat matahari pada saat

posisi paling dekat dengan bumi disebut perihelion dan pada saat matahari pada

posisi terjauh dari bumi disebut aphelion. Perbedaan jarak antara perihelion dan

aphelion hanya 4 %, sedangkan antara apogee dan perigee sebesar 13%.

# Waktu revolusi 365,24 hari.

# Sumbu bumi membentuk sudut 66,5o terhadap bidang orbit bumi terhadap

matahari.

3) Perputaran bumi terhadap sumbunya sendiri ( rotasi bumi ).

# Waktu putar 24 jam (one day solar ).

Dalam keadaan sebenarnya massa matahari lebih besar dibandingkan bulan, jarak bumi-

matahari kiri-kira 360 kali jarak bumi –bulan, maka gaya tarik Newton pengaruh gaya tarik

matahari menjadi lebih kecil ( hanya 46 % dari gaya tarik bulan ). Berdasarkan Hukum

Newton, gaya tarik-menarik antara dua benda berbanding langsung dengan massa benda,

tetapi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda-benda tersebut.

Pemahaman interaksi antara pasang surut bulan dan pasang surut matahari akan lebih

mudah jika kita mengasumsikan bahwa deklinasi bulan maupun matahari adalah nol.

Gambar 2.27 memperlihatkan diagram pasang surut bulan dan pasang surut matahari

dilihat dari kutub utara bumi. Lama siklus yang dilalui adalah 29,5 hari.

Gambat 2.27 (a) gaya penggerak pasang surut dari bulan dan matahari bekerja pada arah

yang sama dan keseimbangan pasang surut bulan dan matahari bertepatan. Pasang surut

yang dihasilkan lebih besar, yakni pasangnya lebih tinggi dan surutnya lebih rendah dari

rata-rata. Pasang surut yang demikian dinamakan pasang surut tinggi (spring tides ).

Ketika spring tides terjadi, posisi bulan dan matahari berdekatan ( conjunction, terjadi pada

bulan purnama – Gambar 2-27(a)). Posisi bulan pada kedua kondisi tersebut dikatakan

sebagai posisi Syzygy.

Dalam Gambar 2-27 (b) matahari dan bulan pada posisi saling tegak lurus, dan pasang surut

yang ditimbulkannya saling melemahkan. Pasang surut yang ditimbulkannya lebih kecil

dari pasang surut rata-rata dan disebut pasang surut rendah atau Perbani (neap tides).

Posisi pada pasang surut perbani dinamakan quadrature.

2.5.2 Tipe Pasang Surut

Walaupun telah diketahui bahwa penyebab timbulnya pasang surut adalah gaya gravitasi,

namun masih banyak faktor lain yang mempengaruhi, memodifikasi dan mengontrol

pasang surut. Secara umum faktor-faktor tersebut dibagi dalam 2 (dua) kelompok, yaitu

tidak tetap dan tetap (konstan ). Faktor tidak tetap disebabkan oleh tekanan atmosfir dan

angin, sedangkan faktor konstan disebabkan oleh rotasi dan revolusi dari matahari-bumi,

bulan-bumi dan interaksi di keduanya. Doodson (1920 ) telah mengidentifikasi sebanyak

390 faktor konstan yang biasa disebut tidal constituents.

Tipe pasang surut dapat dibedakan menjadi 3 (tiga ) bentuk dasar berdasarkan pada nilai

Farmzahl, F yang diperoleh dari persamaan :

(2.66 )

dimana

F = nilai Farmzahl

K1 dan O1 = konstanta pasang surut harian utama,

M2 dan S2 = konstanta pasang surut ganda utama.

Berdasarkan nilai Farmzahl, F tersebut maka pasang surut dapat dibedakan menjadi :

1) Pasang surut ganda (semi diurnal tides ): F < 0,25

Dalam satu hari pasang surut ( 24 jam 52 menit ) terjadi dua kali pasang (ait tinggi )

dan dua kali surut (air rendah ).

2) Pasang surut campuran : 0,25 < F<3,00

Dalam satu hari pasang surut kadang-kadang terjadi dua kali pasang dan dua kali

surut tidak sama tinggi, kadang-kadang terjadi hanya satu air pasang dan satu air

rendah. Lebih lanjut, tipe campuran ini dapat dibedakan lagi menjadi pasang surut

campuran dominan ganda ( mixed-dominant semi diurnal ) untuk 0,25 < F ≤ 0,50 dan

pasang surut campuran dominan tunggal (mixed-dominant diurnal ) untuk 0,50 < F ≤

3,00.

3) Pasang surut diurnal : F > 3,00

Dalam satu hari pasang surut terjadi satu kali ait pasang dan satu kali air surut.

2.5.3 Beberapa Definisi Permukaan Air Laut

Akibat adanya pasang surut, maka permukaan air laut selalu berubah setiap saat seirama

dengan pergerakan pasang surut. Oleh karena itu, diperlukan suatu elevasi permukaan laut

tertentu yang dapat digunakan sebagai referensi. Sampai saat ini ada berbagai macam

permukaan laut yang dapat dipakai sebagai referensi, di antaranya :

MHWL : Mean Highest High Water Level, tinggi rata-rata dari air tinggi yang terjadi

pada pasang surut purnama atau bulan mati ( spring tide ).

MLLWL : Mean Lowest Low Water Level, tinggi rata-rata dari air rendah yang terjadi

pada pasang surut purnama atau bulan mati (spring tide ).

MHWL : Mean High Water Level, tinggi rata-rata dari air tinggi selama periode 19,6

tahun.

MLWL : Mean Low Water Level, tinggi air rata-rata dari air rendah selama18,6

tahun.

MSL : Mean Sea Level, tinggi rata-rata dari muka air laut pada setiap tahap pasang

surut selama periode 18,6 tahun biasanya ditentukan dari pembacaan jam-

jaman.

HWL : High Water Level (High Tide ), elevasi maksimum yang dicapai oleh tiap air

pasang.

HHWL : Highest High Water Level, air tertinggi pada saat pasang surut purnama atau

bulan mati (spring tides ).

LWL : Low Water Level ( Low Tide ), elevasi minimum yang dicapai oleh tiap air

surut.

LLWL : Lowest Low Water Level, air terendah pada saat pasang surut bulan

purnama atau bulan mati (spring tides )

2.5.4 Pengamatan Pasang Surut

Data pasang surut yang berulang untuk penentuan elevasi muka air laut diperoleh

dari rekaman data terus – menerus sepanjang 19 tahun. Hal itu dalam perencanaan

bangunan pantai (yang belum terpasang alat pengukur pasang surut) sulit dilakukan

kerena keterbatasan waktu. Dalam hal ini elevasi muka air laut

(MHWL,MLWL,MSL ) ditentukan berdasarkan pengukuran pasang surut selama

minimal 15 hari. Pengukuran dilakukan dengan sistem topografi lokal di lokasi

pekerjaan.

Dengan pengamatan selama 15 hari tersebut, telah tercakup satu siklus pasang surut

yang meliputi pasang purnama ( spring tide ) data pasang perbani ( neap tide ).

Pengamatan lebih lama ( 30 hari atau lebih ) akan memberikan data yang lebih

lengkap.

Selain untuk menentukan elevasi muka air laut, pengamatan pasang surut juga

bertujuan untuk hal-hal berikut :

1) Memberikan data untuk peramalan pasang surut dan arus serta mempublikasikannya

dalam tabel tahunan untuk pasang surut dan arus.

2) Menyelidiki perubahan kedudukan air laut dan gerakan kerak bumi.

3) Menyediakan infomasi yang menyangkut keadaan pasang surut untuk proyek teknik.

4) Memberikan data yang tepat untuk studi muara sungai

5) Melengkapi informasi untuk penyelesaian masalah hukum yang berkaitan dengan

batas-batas wilayah yang ditentukan berdasar pasang surut.

Pengamatan pasang surut atau muka air laut pada umumnya dapat dlakukan dengan alat

Manual ( tide staff ), yaitu pengamatan langsung untuk jangka pendek atau secara otomatis

(automatic water level recorder ), yaitu dengan floating gauge atau pressure tide gauge.

Pengamatan secara manual dilakukan pembacaan dengan interval satu jam selama 24

jam/hari.

1) Tide Staff

Jenis tide gauge yang paling sederhana adalah palm staff atau board dengan nama

umum rambu pasut, yang memiliki ketebalan antara 2,5 – 5 cm dengan lebar 10 – 15

cm, dengan pembagian skala sistem meter. Panjang rambu pasut harus meliputi muka

pasut terendah sampai muka tertinggi di daerah tersebut. Skala nol rambu harus

terletak di bawah permukaan air laut pada saat air rendah terendah dan bacaan skala

masih dapat dibaca pada saat terjadi air tinggi tertinggi.

Berikut ini pedoman pemasangan alat pengmat pasang surut palm staff untuk

mendapatkan data pengamatan yang baik.

a. Terletak di daerah terbuka, tetapi terlindung dari hempasan gelombang.

b. Kecepatan arus tidak melebihi 0,25 m/detik

c. Proses pendangkalan di dekat lokasi harus dihindari

d. Tidak terletak di daerah akresi maupun erosi

e. Pada sisi dermaga yang tidak dilewati kapal

f. Kedalaman air di lokasi harus menjangkau LLWL

g. Diikatkan ke titik tetap yang sudah ada dan mempunyai ketinggian MSL

h. Tidak dipengaruhi aliran sungai yang dapat merubah densitas air pada siklus

pasang surut.

i. Tidak terletak di muara sungai.

j. Lokasi tidak dipengaruhi oleh pantulan gelombang oleh adanya struktur

bangunan pantai.

2) Floating Tide Gauge

Prinsip kerja alat ini berdasarkan gerakan naik dan turunnya permukaan air laut yang

dapat diketahui melalui palampung yang dihubungkan dengan alat pencatat (

recording unit ). Alat ini harus dipasang pada lokasi yang pengaruh pergerakan air

laut tidak begitu besar, sehingga pelampung dapat bergerak vertikal dengan bebas.

3) Pressure Tide Gauge

Prinsip kerja alat ini hampir sama dengan floating tide gauge, namun perubahan naik-

turunnya permukaan air laut derekam melalui perubahan tekanan dasar laut yang

dihubungkan dengan alat pencatat (recording unit ).

2.5.5 Permukaan Air Laut Rata-rata

Permukaan air laut rata-rata (mean sea level ) merupakan permukaan air laut yang

dianggap tidak dipengaruhi oleh keadaan pasang surut.

Permukaan tersebut biasanya dipakai sebagai referensi ketinggian titik-titik di atas

permukaan bumi. Kedudukan permukaan air laut rata-rata setiap saat berubah sesuai

dengan perubahan dari posisi benda-benda langit, serta kerapatan air laut di tempat

tersebut sebagai akibat perubahan suhu air, salinitas dan tekanan atmosfir.

Permukaan air laut rata-rata biasanya ditentukan melalui pengamatan terus-menerus

kedudukan air laut dalam setiap jam, hari, bulan dan tahun. Macam kedudukan

muka laut rata-rata disesuaikan dengan lamanya pengamatan yang dipakai untuk

mengitung kedudukannya., seperti muka laut rata-rata harian, bulanan, dan tahunan.

Dalam survei hidrografi dikenal istilah MSL sementara dan sejati. MSL sementara

dibagi menjadi MSL sementara harian dan MSL sementara bulanan.

MSL harian pada umumnya ditentukan melalui pengamatan kedudukan muka air

laut setiap jam selama satu hari, dari jam 00.00 sampai jam 23.00 waktu setempat,

sehingga diperoleh 24 harga pengamatan. MSL harian ini juga selalu berubah.

MSL sementara bulanan melaui nilai rata-rata MSL harian untuk waktu satu bulan.

MSL sejati atau dikenal sebagai MSL tahunan, besarnya ditentukan dari MSL untuk

satu tahun. Harus diadakan pengamatan kedudukan permukaan laut selama 18,6

tahun untuk mendapatkan MSL sejati.

2.5.6 Pasang Surut di Estuari dan Muara

Pasang surut di estuari dan muara lebih banyak ditentukan oleh pasang surut di

basin penerima dan kondisi setempat, daripada pengaruh langsung dari gaya tarik

benda-benda angkasa. Kecepatan rambat pasang surut di estuari tergantung pada

kedalaman air, seperti ditunjukkan dalam rumus berikut ini :

( 2.67 )

Dimana C adalah kecepatan rambat gelombang pasanag surut, m/dt dan H adalah

kedalaman air , m.

Berkurangnya kedalaman air menyebabkan kecepatan rambat pasang surut

berkurang. Akibatnya, puncak air pasang merambat lebih cepat dibanding lembah

air surut, sehingga terjadi ketidaksimetrisan bentuk gelombang selama periode

pasang surut, dimana periode air pasang ( interval antara air rendah dan air tinggi

berikutnya ) relatip lebih singkat dibanding air surut ( interval antara air tinggi dan

air rendah berikutnya ).

Pada waktu air pasang, kecepatan air ( aliran kearah hulu ) berangsur meningkat

sampai suatu saat menurun dan pada saat ketinggian maksimum V = 0. Selanjutnya

pada waktu air surut, kecepatan air ( aliran kearah hilir ) kecepatan berangsur

bertambah dan pada suatu saat menurun sampai V=0. Dalam hal ini ada

kemungkinan muka air mulai naik, tetapi arah aliran masih turun ke hilir.

2.5.7 Pengaruh Pasang Surut terhadap Sistem Drainase

Pasang surut mempunyai pengaruh yang cukup besar terhadap sistem drainase di wilayah

perkotaan yang terletak di kawasan pantai, khususnya untuk daerah yang datar dengan

elevasi muka tanah yang tidak cukup tinggi. Permasalahan yang dihadapi antara lain :

1) Terjadinya genangan pada kawasan – kawasan yang elevasinya berada di bawah

muka air pasang.

2) Terhambatnya aliran air/banjir pada saluran yang langsung berhubungan dengan laut

atau sungai ( yang terpengaruh pasang surut ) akibat naiknya permukaan air pada saat

terjadi air pasang.

3) Drainase sistem gravitasi tidak dapat bekerja dengan penuh, sehingga perlu bantuan

pompa dan dilengkapi pintu otomatis pada outlet - outlet yang berfungsi untuk

mencegah masuknya air laut pada saat pasang, sehingga biaya konstruksi maupun

operasi dan pemeliharaan sistem drainase menjadi mahal.

4) Bangunan – bangunan air, khususnya yang terbuat dari metal, mudah berkarat dan

rusak akibat terkena air laut. Hal ini akan meningkatkan biaya pemeliharaan.

Perencanaan sistem drainase yang dipengaruhi oleh pasang surut perlu memperhatikan hal

– hal sebagai berikut :

1) Tinggi dan tipe pasang surut

2) Elevasi kawasan yang menjadi obyek drainase.

BAB 3

PERENCANAAN

HIDRAULIKA

3.1 Konsep Dasar

3.1.1 Pendahuluan

Zat cair dapat diangkut dari suatu tempat ke tempat lain melalui bangunan

pembawa alamiah ataupun buatan manusia. Bungunan pembawa ini dapat terbuka

maupun tertutup bagian atasnya. Saluran yang tertutup bagian atasnya disebut

saluran tertutup(closed conduits).Sedangkan yang terbuka bagian atasnya disebut

saluran terbuka(open channels).Sungai saluran irigasi. selokan. estuari merupakan

saluran terbuka. sedangkan terowongan pipa aquaduct gorong-gorong dan siphon

merupakan saluran tertutup.

Dalam bab ini Akan dibahas tentang dasar-dasar hidraulika saluran terbuka

dan saluran tertutup terutama yang ada kaitannya dengan perencanaan sistem

drainase. Pada saluran terbuka akan dibahas klasilikasi Aliran, terminologi dan

sifat-sifat saluran,serta perencanaan saluran. Pembahasan saluran dalam pipa

dikhususkan pada pengenalan bangunan yang terkait dengan sistem drainase. misalnya

gonrong-gorong dan siphon.

3.1.2 Definisi

AIiran dalarn saluran terbuka maupun saluran tertutup yang mampunyai

permukaan bebas disebut aliran permukaan bebas ( free surface flow) atau aliran

saluran terbuka (open channel flow). dalam buku ini keduanya mempunyai arti yang

sama atau sinonim. Permukaan bebas mempunyai tekanan sama dengan tekanan

atmosfir. Jika pada aliran tidak terdapat permukaan bebas dan .aliran dalam

saluran penuh, maka Aliran yang terjadi disebut aliran dalam pipa (pipe .flow)

atau aliran tertekan (pressurized flow). Aliran dalam pipa tidak mempunyai tekanan

atmosfir, tetapi tekanan hidraulik (Gambar 3.1).

Dalam saluran tertutup kemungkinan dapat terjadi aliran bebas maupun aliran tertekan

pada saat yang berbeda,misalnya gorong-gorong untuk drainase,pada saat normal

alirannya bebas.sedang pada saat banjir karena hujan tiba-tiba air akan memenuhi

gorong-gorong sehingga alirannya tertekan.dapat juga terjadi pada ujung saluran tertutup

yang satu terjadi aliran bebas sementara ujung yang lain alirannya tertekan.kondisi in I

dapat terjadi jika ujung hilir saluran terendam (submerged).

Zat cair yang mengalirr pada saluran terbuka mempunyai bidang kontak hanya

pada dinding dan dasar saluran.saluran terbuka dapat berupa:

1) Saluran alamiah atau buatan,yang terdiri dari:

· Galian tanah dengan atau tanpa lapisan penahan,

· Terbuat dari pipa,beton,bata,atau material lain

· Dapat,berbentuk.persegi,segitiga,trapezium,lingkaran,tapal.kuda,atau.tidak

beraturan

Bentuk-bentuk saluran terbuka,baik saluran buatan maupun alamiah,yang dapat kita

jumpai diperlihatkanpada gambar 3.2.berikut:

3.1.3. Klasifikasi Aliran

Aliran permukaan bebas dapat diklasifikasikan menjadi berbagai type tergantung

criteria yang digunakan.Berdasarkan perubahan kedalaman dan atau kecepatan

mengikuti fungsi waktu,maka aliran dibedakan menjadi aliran permanen (steady) dan

tidalk permanen (unsteady)sedangkan berdasarkan fungsi ruang,maka aliran dibedakan

menjadi aliran seragam (uniform) dan tidak seragam (non-uniform).

3.1.3.1. Aliran permanen dan tidak permanen

Jika kecepatan aliran pada suatu titik tidak berubah terhadap waktu,maka

alirannya disebut aliran permanen atau tunak (steady flow),jika kecepatan pada suatu

lokasi tertentu berubah terhadap waktu,maka alirannya disebut aliran tidak permanen

atau tidak tunak (unsteady flow)

Dalam hal-hal tertentu dimungkinkan mentransformasikan aliran permanen

menjadi aliran permanen dengan mengacu pada koordinat referensi yang bergerak.

Penyederhanaan ini menawarkan beberapa keuntungan, seperti kemudahan visualisasi.

kernudahan penulisan persamaan yang terkait, dan sebagainya. Penyederhanaan ini

hanya mungkin jika bentuk gelornbang tidak berubah dalarn perambatannya. Misalnya.

bentuk gelombang kejut (surge) tidak berubah ketika merambat pada saluran halus

dan konsekuensinya perambatan gelombang kejut yang tidak permanen dapat

dikonversi menjadi aliran permanen dengan koordinat referensi yang bergerak

dengan kecepatan absolut gelombang kejut.Hal irti ekivalen dengan pengamat yang

bergerak disamping gelombang kejut sehingga gelombang kejut terlihat stasioner atau

tetap oleh pengarnat jadi aliran dapat dianggap sebagai aliran permanen. Jika bentuk

gelombang berubah selama perambatannya. maka tidak mungkin mentransformasikan

gerakan gelombang tersebut menjadi aliran permanen. Misalnya. gelombang banjir

yang merambat pada sungai alamiah tidak dapat ditransformasikan menjadi Aliran

permanen karena bentuk gelombang termodifikasi dalam perjalanannya sepanjang

sungai.

3.1.3.2 Aliran seragam dan berubah

Jika kecepatan aliran pada suatu waktu tertentu tidak berubah sepanjang saluran

yang ditinjau.maka alirannya disebut aliran seragam (uniform flow).Namun. jika

kecepatan aliran pada saat tertentu berubah terhadap jarak, maka alirannya disebut aliran

tidak seragam atau aliran berubah (nonuniform flow or varied flow)

Berdasarkan laju perubahan kecepatan terhadap jarak, maka aliran dapat

diklasilikasikan menjadi aliran berubah lambat laun (gradually varied flow) atau

aliran berubah tiba-tiba (rapidly varied flow).

3.1.3.3 Aliran Laminer dan turbulen

Jika partikel zat cair yang bergerak mengikuti alur tertentu dan aliran tampak

seperti gerakan serat-serat atau lapisan-tapisan tipis yang paralel. maka alirannya

disebut aliran laminer. Sebaliknya. jika parlikel zat cair bergerak mengikuti alur yang

tidak beraturan. baik ditinjau terhadap ruang maupun Waktu. maka alirannya disebut

aliran turbulen.

Faktor yang menentukan keadaan aliran adalah pengaruh relatif antara gaya

kekentalan (viskositas) dan gaya inersia.Jika gaya viskositas yang dominan, maka

alirannya laminer. sedangkan jika gaya inersia yang dominan.maka alirannya

turbulen.

Nisbah antara gaya kekentalan dan inersia dinyatakan dalam bilangan Reynold

(Re), yang didefinisikan seperti rumus berikut:

(3.1)

dengan

V = kecepatan aliran (m/det),

L = panjang karakter is t ik (m) , pada sa luran muka a i r bebas L

= R,

R = Jari-jari hidraulik saluran,

v = kekentalan kinematik (m2/det)

Tidak seperti aliran dalam pipa,di mana diameter pipa biasanya dipakai

sebagai panjang karakteristik,maka pada aliran bebas dipakai.kedalaman hidraulik

atau jari-jari hidraulik sebagai panjang karakteristik. Kedalaman hidraulik

didefinisikan sebagai luas penampang basah dibagi lebar permukaan air, sedangkan

jari-jari hidraulik didefinisikan sebagai luas penampang basah dibagi keliling basah.

Batas peralihan antara aliran laminer dan turbulen pada Arah bebas terjadi pada

bilangan Reynold, Re ±600. yang dihitung berdasarkan jari jari hidraulik sebagai

panjang karakteristik.

Dalam kehidupan sehari-hari, aliran laminer pada saluran terbuka sangat

jarang ditemui. Aliran jenis ini mungkin dapat terjadi pada aliran dengan kedalaman

sangat tipis di atas permukaan gelas yang sangat halus dengan kecepatan yang sangat

keeil.

3.1.3.4 Aliran Subkritis, Kritis, dan Super kritis

Aliran dikatakan kritis apabila kecepatan aliran sama dengan kecepatan

gelombang gravitasi dengan amplitudo kecil. Gelombang gravitasi dapat dibangkitkan

dengan merubah kedalaman.Jika kecepatan aliran kecil daripada kecepatan kritis,

maka alirannya disebut subkritis, sedangkan jika kecepatan alirannya lebih besar

dari pada kecepatan kritis, maka alirannya disebut superkritis.

Parameter yang menentukan ketiga jenis aliran tersebut adalah nisbah antara gaya

gravitasi dan gaya inertia, yang dinyatakan dengan bilangan Froude (Fr). Bilangan

Froude untuk saluran berbentuk persegi didlefinisikan sebagai:

(3.1)

Dengan

V = kecepatan Aliran (rn/det)

h= kedalaman aliran (m)

g = percepatan gravitasi (m/det2).

3.1.4 Definisi dan Terminologi

Saluran dapat alamiah atau buatan.Ada beberapa macam istilah untuk saluran

alamiah.Saluran panjang dengan kemiringan sedang yang dibuat dengan menggali

tanah disebut kanal (canal). Saluran yang disangga di atas permukaan tanah dan

terbuat dari kayu, beton, atau logam disebut flum (flume). Saluran yang sangat curam

dengan dinding hampir vertikal disebut chute. Terowongan {tunnel) adalah saluran

yang digali melalui bukit atau gunung. Saluran tertutup pendek yang mengalir tidak

penuh disebut culvert. Potongan yang diambil tegak lurus arah aliran disebut

potongan melintang (cross section), sedangkan potongan yang diambil searah aliran

disebut potongan memanjang (Garnhar 3.4).

Gambar 3.4 Definisi potongan melintang dan memanjang saluran

Keterangan Gambar 3.4

h = kedalaman al iran vert ikal , adalah jarak vert ikal antara t i t ik

terendah pada dasar saluran dan permukaan air (m),

d = kedalaman air normal, adalah kedalaman yang diukur tegak lurus

terhadap garis aliran (m),

Z = adalah elevasi atau jarak vertikal antara permukaan air dan garis referensi

tertentu (m),

T = lebar potongan meIintang pada permukaan air (m),

A = Iuas penampang basah yang diukur tegak lurus arah aliran (m2),

P = keliling basah,yaitu panjang garis persinggungan antara air dan dinding

dan/ Atau dasar saluran yang diukur tegak lurus arah

R = Jari-jari hidraulik,R=A/P (m),dan

D = Kedalaman hidraulik,D= A/T (m)

3.1.5 Distribusi Kecepatan

Kecepatan aliran dalarn saluran biasanya sangat barvariasi dari satu titik ke

titik lainnya. Hal ini disebabkan adanya tcgangan geser didasar dan dinding saluran

dan keberadaan permukaan bebas. Gambar 3.5 memperlihatkan tipikal distribusi

kecepatan pada beberapa tipe potongan rnelintang saluran.

Kecepatan aliran rnempunyai tiga kornponen arah rnenurut koordinat kartesius.

Namun, komponen arah vertikal dan lateral biasanya kecil dan dapat diabaikan.

Sehingga. hanya kecepatan aliran yang searah dengan arah aliran yang diperhitungkan.

Komponen kecepatan ini bervariasi terhadap kedalarnan dari permukaan air. Tipikal

variasi kecepatan terhadap kedalaman air diperlihatkan dalam Gambar 3.6.

Gambar 3.5 Distribusi kecepatan pada berbagai bentuk potongan me1intang saluran

(Chow, 1959)

Garnbar 3.6 Pola distribusi kecepatan sebagai fungsi kedalaman

3.1.6 Distribusi Tekanan

Distribusi tekanan dalam penampang saluran tergantung pada kondisi aliran.

Kita tinjau beberapa kemungkinan kasus yang terjadi, mulai dari yang paling sederhana

dan kemudian diikuti yang lebih kompleks.

3.1.6.1 Kondisi Statis

Kita perhatikan kolom air yang mempunyai penampang ∆A, seperti terlihat

pada Gambar 3.7. Komponen horisontal dan vertikal resultan gaya yang bekerja pada

kolom air adalah nol karena air dalam kondisi stasioner. Gaya tekan yang bekerja pada

dasar kolom air dengan arah vertikal = p∆A Berat air dalam kolom bekerja vertikal ke

bawah. Karena resultante gaya vertikal sama dengan nol maka dapat ditulis:

p∆A = ρgh∆A

atau

p = ρgh (3.3)

Dengan kata lain,intensitas tekanan berbanding langsung dengan kedalaman air dari

permukaan air.Hubungan antara intensitas tekanan dan kedalaman adalah linier (garis

lurus )apabila rapat massa air, ρ,adalah constant

3.1.6.2 Aliran Horisontal, Paralel

Dengan asumsi tidak ada percepatan Ke arah aliran dan kecepatan aliran sejajar

dengan dasar saluran dan seragam di seluruh penampang saluran. sehingga garis aliran

sejajar dasar saluran..Karena tidak. ada percepatan ke arah aliran, maka resultante

komponen gaya ke arah ini adalah nol. Resultante komponen gaya vertikal juga sama

dengan nol, sehingga:

ρ.g.y.∆A = p.∆A

atau

p = ρgh = γh (3.4)

di mana γ adalah berat spesifik air. Perlu dicatat bahwa distribusi tekanan adalah sama

jika air dalam kondisi stasioner dan hal ini disebut sebagai distribusi tekanan

hidrostatis.

Gambar 3.8 Distribusi tekanan pada aliran horizontal / sejajar

3.1.6.3 Aliran Permanen tidak seragam

Jika aliran permanen yang tidak seragam,misalnya pada

tikungan,maka garis aliran tidak selalu sejajar dasar saluran.Distribusi

tekanan tidak hidrostatis karena adanya percepatan atau perlambatan

Jika jari-jari kelengkungan (Curvature) garis aliran = r dan kecepatan aliran V,

maka percepatan sentrifugal. ac adalah:

ac = V2/r (3.5)

dan gaya sentrifugal, Fc adalah:

Fc = ρ hs ∆A V2/r (3.6)

Tinggi tekan yang bekerja pada dasar kolom air akibat percepatan sentrifugal

adalah:

ha=1/g hs V2/r (3.7)

Tekanan akibat gaya sentrifugal bekerja searah dengan gaya berat air untuk

lengkung konvek dan arahnya berlawanan untuk lengkung kokaf (Gambar 3.9),

sehingga total tinggi tekan yang bekerja pada dasar kolom air adalah:

(3.8)

Tanda positif untuk garis aliran konvek dan negatif untuk bentuk

garis aliran konkaf

3.2 Hukum Konservasi

3.2.1 Pendahuluan

Pada sub-bab berikut akan di bahas konservasi massa,konservasi

momentum dan konservasi energy untuk aliran permanen pada per mukaan

bebas. Pembahasan dibatasi pada aliran satu dimensi dan kecepatan aliran hanya.

ke arah arus (memanjang saluran).

3.2.2 Konservasi Massa (Persamaan Kontinuitas)

Kita tinjau aliran zat cairtidak mampu mapat di d a l a m s u a t u pias

saluran terbuka untuk menjabarkan persamaan kontinuitas. scperti pada gambar

3.10. Pada saluran tersebut tidak teriadi aliran masuk atau keluar menernbus

dinding saluran dan alirannya adalah permanen. Apabila debit yang lewat pada

penampang potongan 3-3 besarnya sama dengan Q dan mempunyai kedalaman aliran

h pada∆, maka besarnva aliran He n° yang lewat pada pias tersebut selama wakat At

dapat didefinisiktin sobagai:

3.2.2 Konservasi Massa (Persamaan Kontinuitas)

Kita tinjau aliran zat cair tidak mampu mapat didalam suatu pias sluran

terbuka untuk menjabarkan persamaan kontinuitas. seperti pada gambar 3.10. Pada

saluran tersebut tidak tejadi aliran masuk atau keluar menembus dinding saluran

dan alirannya adalah permanen. Apabila debit yang lewat pada penampang potongan

3-3 besarnya sama dengan Q dan mempunyai kedalaman aliran h pada Δt, maka

besarnva aliran netto yang lewat pada pias tersebut selama waktu Δt dapat

didefinisikan sebagai:

(3.9)

Apabila luas penampang dipotong 1-1 adalah A dengan lebar muka air

T,maka jumlah pertambahan volume pada pias tersebut selama adalah :

(3.10)

Gambar 3.10 Kontinuitas aliran dalam suatu pias

Prinsip kontinuitas menyatakan bahwa jumlah pertambahan volume sama dengan

besarnya aliran netto yang lewat pada pias tersebut. sehingga dengan menyamakan

persamaan (3.9) dan (3.10) akan diperoleh persamaan berikut

(3.11)

Pada aliran tetap (steady) luas penampang basah tidak berubah selama sehingga

integrasi persamaan (3.11) menghasikan:

Q = konstan atau

Q1 =Q 2 —> A1 V1 = A2V2 (3.12)

3.2.3 Konservasi Energi (Persamaan Energi)

Hukum Bernoulli menyatakan bahwa jumlah energi air dari setiap aliran yang

melalui suatu penampang saluran dapat dinyatakan sebagai .jumlah fungsi air, tinggi

tekanan, dan tinggi kecepatan.

(3.13)

Menurut prinsip kekekalan energi, jumlah tinggi fungsi energi pada penampang I di

hulu akan sama dengan jumlah fungsi energi pada penampang 2 di hilir dan fungsi hf

di antara kedua penampang tersebut.

(3.14)

Gambar 3.11 Energi dalam aliran saluran terbuka

Apabila kemiringan saluran kecil, θ≈0, maka persamaan (3-14) menjadi:

(3.15)

Dimana

Z = fungsi titik diatas garis referensi,

h = fungsi tekanan disuatu titik,

v = kecepatan aliran

g = gaya gravitasi bumi

3.2.4 Konservasi Momentum (Persamaan Momentum)

Hukum Newton II tentang gerakan menyatakan bahwa besarnya perubahan

momentum persatuan waktu pada suatu persamaan adalah sama dengan besarnya

resultante semua gaya-gaya yang bekerja pada pias tersebut.

(3.16)

Berdasar Gambar 3-12, maka persamaan konservasi momentum tersebut dapat ditulis

sebagai:

(3.17)

di mana

P = tekanan hidrostatis,

W = Berat volume pada pias (1)-(2).

S0 = kemiringan dasar saluran

Fa = tekanan udara pada muka air bebas.

Ff = gaya geser yang terjadiakibat kekasaran dasar.

Gambar 3.12 Penerapan dalil momentum

Persamaan momentum sangat besar kegunaannya terutama pada hitungan di suatu

pias yang mengalami kehilangan energi. misalnya pada loncat air. Pada keadaan

tersebut prinsip konservasi energi sudah tidak dapat dipakai lagi.

3.3 Aliran Permanen Seragam (Steady uniform flow)

Aliran seragam adalah aliran yang mempunyai kecepatan konstan

terhadap jarak, garis aliran lurus dan sejajar, dan distribusi tekanan adalah

hidrostatis.Aliran permanen berarti Pula bahwa kecepatan adalah konstan terhadap

waktu, dengan kata lain percepatan sama dengan nol, dan gaya-gaya yang bekerja

pada pias air adalah dalam kondisi seimbang.Kemiringan dasar saluran S 0 ,permukaan

air, Sw ,dan gradien energi, Sf,adalah sama

Memperhatikan gambar 3.13 dan berdasarkan Hukum Kekekalan Energi atau

yang dikenal dengan hukum Bernaully,maka:

(3.18)

Dimana

P1 = γh1cosθ

P2 = γh2cosθ

Sehingga

(3.19)

Pada kebanyakan saluran alamiah harga θ sangat kecil,y Cos θ =h,sehingga persamaan

(3.19) menjadi :

(3.20)

Dan kemiringan dasar saluran,muka air, dan gradien energi berturut-turut adalah:

(3.21)

(3.22)

(3.23)

Gambar 3.13 pias aliran tetap seragam

Aliran permanen seragam adalah konsep ideal di mana sebenarnya jarang ditemuukan di

alam.bahkan di Laboratorium sekalipun. Penampang saluran alami biasanya

berbentuk tidak teratur, sehingga untuk debit aliran yang tetap. tidak di dapati garis

muka air yang sejajar dengan garis dasar saluran. Pada pemakaian praktis. jika

alirannya permanen dan perubahan lebar. kedalaman air, dan arah saluran adalah

kecil. maka aliran dapat dianggap seragam.

3.3.1 Tegangan Geser dan Distribusi Kecepatan

Tegangan geser τ adalah tegangan internal fluida yang melawan

deformasi/perubahan bentuk. Tegangan geser ada hanya pada fluida yang bergerak.

Tegangan ini merupakan tegangan tangensial. berbeda dengan tekanan yang

merupakan tegangan normal.

3.3.1.1 Aliran Laminer

Aliran laminer terjadi apabila .

Tegangan geser lokal pada pertemuan antara bidang batas dan fluida dapat

ditentukan dengan mudah untuk bidang batas yang halus, yaitu jika kekasaran pada

bidang batas tenggelam dalam lapisan kekentalan (viscous sublayer) seperti terlihat

pada Gambar 3.14. Dalam hal ini, tebal lapisan laminer dilambngkan δ.dalam aliran

laminer,tegangan geser pada bidang batas adalah :

pada h=0 (3.24)

Untuk h = z maka persamaan (3.24) menjadi

(3.25)

Gambar 3.14 bidang batas hidraulik halus

Pada aliran permanen beraturan,tegangan geser pada h = z adalah:

(3.26)

Pada saluran yang sangat lebar b= ∞ ; R = h

Syarat batas untuk z=0,maka Vz = 0,jadi c = 0,sehingga

(3.27)

Debit persamaan lebar saluran q,dq = vz dz

sehingga

untuk saluran sangat lebar (3.28)

untuk bentuk sembarang (3.29)

3.3.1.2 Aliran Turbulen

Aliran turbulen terjadi apabila

Menurut teori panjang percampuran yang dikembangkan oleh Prandtl (1926)

(3.30)

Dimana

L= Panjang percampuran = χz

Χ = Kappa = konstanta universal von karman (=0,40)

Dengan asumsi di dekat dasar τz = τ0

Sehingga

(3.31)

Rumus tersebut merupakan rumus distribusi kecepatan Prandtl-von karman.Apabila nilai

kappa = 0,4 maka

(3.32)

Walaupun rumus tersebut di atas diturunkan pada suatu titik dekat dasar. tetapi

percobaan mentunjukkan bahwa rumus tersebut berlaku pada seluruh kedalaman

h.

Rumus tersebut tidak berlaku pada daerah batas laminer karena pada lapisan

batas laminer nilai viskositas lebih penting.Pada daerah batas laminer ini rumus

dijabarkan sebagai berikut:

Untuk τ z=τ0 maka

Jadi,

(3.33)

Pada batas daerah laminer z = δ maka

Karena

(3.34)

Pada dasarnya, tidak terdapat perubahan mendadak pada batas laminer, yaitu dari

logaritmic ke linier melainkan transisi dari batas atas (Gambar 3.18).

Harga z0 tergantung pada kondisi kekasaran dasar saluran. Jika k adalah diameter

kekasaran butiran dasar dan a adalah jari-jari butiran, dengan

Membandingkan diameter kekasaran dan tebal lapisan batas laminer, maka dasar saluran

dapat diklasifikasikan menjadi:

1) Hidraulik licin/halus (a<<δ/7)

Dengan

Dimana

Dan harga c berkisar antara 100 sampai 107.Nikuradse memakai c=107 untuk dasar

licin,sedangkan di Indonesia biasanya dipakai 104 sehingga persamaan (3.33) menjadi:

(3.35)

Dan kecepatan rata-rata pada z=0,4h adalah :

(3.36)

2) Hidraulik kasar (a>> δ/7)

Harga c berkisar antara 30 sampai 33 maka untuk c=33 diperoleh persamaan berikut:

(3.37)

Dan apabila kecepatan rata-rata pada z=0,4 diperoleh persamaan berikut:

(3.38)

Colebrooke dan white menggabung kedua rumus kecepatan rata-rata tersebut menjadi satu

dalam bentuk sebagai berikut :

(3.39)

(3.40)

Dimana:

Vz = Kecepatan pada jarak z Bari dasar (m/det)

V* = kecepatan geser (m/det)

H = kedalaman air (m)

V = viskositas kenematic (m2 /det)

k = diameter kekasaran dasar (m)

a = jari-jari butiran (m).

3.3.2 Rumus Empiris Kecepatan Rata-rata

Karena sulit menentukan tegangan geser dan distribusi kecepatan dalam a1iran

turbulen, maka digunakan pendekatan empiris untuk menghitung kecepatan rata-

rata. Beberapa rumus empiris kecepatan rata-rata akan kita bahas pada bagian berikut

3.3.2.1 Rumus Chezy (1769)

Seorang insinyur Francis yang bernama Antoine Chezy pada tahun 1769

merumuskan kecepatan untuk aliran seragam yang sangat terkenal dan masih banyak

dipakai sampai sekarang. dalam penurunan rumus Chezy. digunakan beherapa asumsi

berikut ini:

- Aliran adalah permanen.

– Kemiringan dasar saluran adalah kecil,

– Saluran adalah prismatik.

Perhatikan sepotong aliran (control volume) sepanjang ∆X. seperti terlihat pada

Gambar 3.16. resultan gaya-gaya yang bekerja pada control volume tersebut ke arah

bawah adalah:

d i m a n a

p 1 d a n P 2 = t e k a n a n h i d r o s t a t i s

F f = g a y a g e s e r a n t a r a d a s a r / d i n d i n g s a l u r a n

d a n a i r τ 0 P ∆ x

Fa = gaya geser antara permukaan air dan udara = 0.

W = berat air dalam segmen yang ditinjau = γA∆x

Gambar 3.16 Pias aliran seragam

Apabila aliran seragam P 1 d a n P 2 , m a k a p e r s a m a a n ( 3 . 4 1 ) m e n j a d i :

W s i n θ = τ P d x

A d x γ s i n θ = τ P d x

τ = γ R S 0 ( 3 . 4 2 )

d i m a n a

τ = gaya geser tiap satuan luas dinding/dasar saluran (N/m2)

γ = berat jenis air (N/m3)

R = jari-jari hidraulik = A/P (m)

A = Iuas penampang basah (m2)

P = keliling basah (m)

So = kemiringan dasar saluran. apabila θ kecil maka S0=Sinθ.

Berdasarkan analisis dimensi. persamaan (3.42) dapat ditulis sebagai berikut:

τ0 = kρV 2 (3.43)

di mana k adalah konstanta tidak berdimensi yang bergantung pada bilangan

Reynolds, kekasaran dasar dan dinding saluran, dan sebagainya sehingga dari

persamaan (3.42) dan (3.43) diperoleh persamaan

(3.44)

Atau

(3.45)

dimana

V= kecepatan rata-rata (m/detik),

S0 = kemiringan dasar saluran.

C = faktor tahanan aliran yang disebut koefisien Chezy.

berikut ini beberapa rumus yang telah dikembangkan untuk menentukan koefisien

Chezy C.

1) Bazin

Pada tahun 1897 H. Bazin, seorang ahli hidraulika Prancis. merumuskan suatu

persamaan untuk menghitung koefisien Chezy C sebagai fungsi jari-jari hidraulik,

R, dan berat jenis fluida, γ, sebagai berikut

(3.46)

2) Ganguillet dan Kuetter

Pada tahun 1869,dua insinyur Swiss, Ganguillet dan Kuetter mengumumkan

rumus yang menyatakan besarnya C sebagai fungsi kemiringan, S, jari-jari

hidraulik, R, dan koefisien kekasaran. m, dalam bentuk sebagai berikut:

(3.47)

Koefisien m dalam rumus ini terkenal dengan sebutan nilai m dari Kuetter.

3) Colebrook

(3.48)

Hidraulik kasar

K>6δ (3.49)

Hidraulik halus

K>3,5δ (3.50)

Atau (3.51)

Dimana

V = kecepatan (m/det)

C = koefisien chezv (m1/2/det)

R = jari-jari hidrolis (m)

S = kemiringan energi (-)

n = koefisien kekasaran Manning (del/m1/3)

m = koefisien kekasaran. harganya tergantung jenis bahan saluran (-)

υ = kekentalan kinematik (m2/det).

4) Darcy — Weisbach

Bandingkan persamaan Chezy (3.45) untuk saluran terbuka dengan persamaan

gesekan untuk pipa dari Darcy-Weisbach.

(3.52)

Untuk saluran terbuka D=4R dan S =

(3.53)

atau (3.54)

Dimana

hf = kehilangan energi akibat geseran (m)

f = faktor geseran dari Darcy-Weisbach (-)

L = panjang pipa (m)

D = diameter pipa (m)

V = kecepatan rata-rata (m/det)

G = percepatan gravitasi (m/det

R = radius hidrolik (m)

S = kemiringan energi (-).

3.3.2.2 Manning (1889)

Seorang insinyur Irlandia bernama Robert Manning (1889) mengemukakan sebuah

rumus yang akhirnya diperbaiki menjadi rumus yang sangat terkenal sebagai

berikut:

(3.55)

di mana n dikenal sebagai koefisien kekasaran Manning. Perlu dicatat bahwa n

bukan bilangan nondimensional. tetapi berdimensi TL -1/3

Dari kedua rumus kecepatan Chezy dan Manning dapat ditarik suatu korelasi

antara koefisien Chezy dan koefisien Manning sebagai berikut:

(3.56)

Nilai koefisien n Manning untuk berbagai macam saluran secara lengkap dapat dilihat

di berbagai referensi, di sini hanya ditampilkan beberapa yang dianggap paling

sering dipakai dalam perencanaan praktis (lihat Tabel 3.1).

Tabel 3.1 Tipikal harga koefisien kekasaran Manning, n, yang sering •

di,gunakan

No Type saluran dan jenis bahan Harga n

Minimum normal maksimum

1 Beton

· Gorong-gorong lurus dan bebas kotoran 0,010 0,011 0,013

· Gorong-gorong dengan lengkungan dan 0,011 0,013 0,014

sedikit kotoran atau gangguan

· Beton dipoles 0,011 0,012 0,014

· Saluran pembuangan dengan bak kontrol 0,013 0,015 0,017

2 Tanah,lurus dan seragam

· Bersih baru 0,016 0,018 0,020

· Bersih telah melapuk 0,018 0,022 0,025

· Berkerikil 0,022 0,025 0,030

· Berumput pendek,sedikit tanaman 0,022 0,027 0,033

pengganggu

3 Saluran alam

· Bersih lurus 0,025 0,030 0,033

· Bersih,berkelok-kelok 0,033 0,040 0,045

· Banyak tanaman penggangu 0,050 0,070 0,08

· Dataran banjir berumput pendek-tinggi 0,025 0,030 0,035

· Saluran di belukar 0,035 0,050 0,07

3.3.2.3 Konstanta Manning Ekivalen

Sejauh ini kita mengasumsikan bahwa penampang melintang saluran mempunyai

kekasaran yang Sama sepanjang keliling basah. Hal ini tidak selalu benar.

Misalnya, saluran yang dinding dan dasarnya terbuat dari material yang

berbeda, maka angka n Manning untuk dinding , dan dasar saluran akan berbeda.

Perlu di tentukan harga n ekuivalen, ne yang berlaku untuk keseluruhan

penampang basah untuk memudahkan perhitungan.

Luas basah dimisalkan dbagi menjadi N sub bagian dengan keliling basah

masing-masing P1, P2, ...,PN dan koefisien kekasaran n1, n2,…,nn untuk penentuan

kekasaran ekuivalen..

Horton dan Einstein (1942) menganggap bahwa setiap bagian mempunyai

kecepatan rata-rata sama dengan kecepatan rata-rata untuk seluruh penampang,

yakni V1= V2= …….= Vn=V. Berdasar anggapan ini, maka kekasaran ekuivalen

dapat dihtung dari persamaan:

atau

Luas total sama dengan jumlah luasan dari semua bagian yaitu:

Sehingga koefesien Manning ekuivalen ne,adalah :

(3.57)

Lotter menganggap bahwa jumlahdebit aliran sama dengan jumlah debit dari

masing-masing bagian luas penampang sehingga koefesien kekasaran

ekuivalen adalah:

(3.58)

di mana ni angka kekasaran Manning ekuivalen. N jumlah bagian (pias),P i, Ri ,dan

ni adalah masing- masing keliling basah, jari-jari hidrolis, dan angka kekasaran

Manning hagian i

3.4 Bentuk saluran yang paling ekonomis

Potongan melintang saluran yang paling ekonomis adalah saluran yang dapat

melewatkan debit maksimum untuk luas penampang basah. kekasaran, dan

kemiringan dasar tertentu. Berdasarkan persamaan kontinuitas, tampak jelas bahwa

untuk luas penampang melintang tetap, debit maksimum dicapai .jikat kecepatan

aliran maksimum. Dari rumus Manning maupun Chezy dapat dilihat bahwa untuk

kemiringan dasar dan kekasaran tetap, kecepatan maksimum dicapai jika jari-jari

hidraulik, R, maksimum. Selanjutnya, untuk luas penampang tetap, jari-jari

hidraulik maksimum jika keliling basah, P, minimum. Kondisi seperti yang telah

kita pahami tersebut memberi jalan untuk menentukan dimensi penampang melintang

saluran yang ekonomis untuk berbagai macam bentuk, seperti dijabarkan berikut.

3.4.1 Penampang Berbentuk Persegi yang ekonomis

Pada penampang melintang saluran berbentuk persegi dengan lebar dasar B dan

kedalaman air h (Gambar 3.17). 1uas penampang basah. A. dan keliling basah, P dapat

dituliskan sebagai berikut:

A = Bh (3.59)

atau

B= A/h (3.60)

Gambar 3.17 Penampang persegi panjang

P= B +2h (3.61)

Substitusi persamaan (3.60) ke dalam persamaan (3.61). maka diperoleh persamaan:

P= A/h +2h (3.62)

Dengan asumsi luas penampang, A adalah konstan. maka persamaan (3.62)

dapat dideferensialkan terhadap h dan dibuat sama dengan nol untuk

memperoleh harga P minimum.

A=2h2=Bh

Atau

B=2h atau h=B/2 (3.63)

Jari-jari hidraulik

atau

(3.64)

Perhatikan,bentuk penampang melintag persegi yang paling ekonomis adalah jika

kedalaman air setengah dari lebar dasar saluran. atau jari-jari hidrauliknya setengah dari

kedalarnan air

3.4.2 Penampang berbentuk Trapesium yang ekonomis

L u a s p e n a m p a n g m e l i n t a n g , A d a n k e l i l i n g b a s a h P s a l u r a n d e n g a n

penampang melintang yang berbentuk trapesium dengan (char dasar B. kedalaman

aliran h. clan ketniringan dinding I in (C;ambar 3.18), dapat dirumuskan schaeai

beriktit:

(3.65)

(3.66)

Atau

(3.67)

Nilai B pada persamaan (3.67) disubtitusikan ke dalam persamaan (3.65) maka

diperoleh persamaan sebagai berikut:

Atau

(3.68)

Gambar 3.18 Penampang melintang saluran berbentuk trapesium

Kita asumsikan bahwa Iuas pcnampang. A, dan kemiringan m, adalah konstan,

maka persamaan (3.68) dapat clideferensialkan terhadap h dan dibuat sama dengan nol

untuk memperoleh kondisi P minimum.

(3.69)

Atau

(3.70)

Dengan menganggap h konstan,mendeferensial persamaan (3.70) dan membuat sama

dengan nol maka diperoleh persamaan sebagai berikut:

(3.71)

Atau

(3.72)

Nilai m disubtitusikan kedalam persamaan (3.70),maka persamaan yang diperoleh

adalah :

(3.73)

Jika nilai m disubtitusikan kedalam persamaan (3.67),maka persamaan yang

diperoleh adalah:

(3.74)

Selanjutnya jika nilai m disubtitusikan kedalam persamaan (3.65) maka diperoleh

persamaan berikut:

(3.75)

Jadi,penampang trapezium yang paling efesien adalah jika kemiringan dindingnya,m=

(1/√3),atau θ=60.Trapesium yang terbentuk berupa setengah segio enam beraturan

(heksagonal)

3.4.3 Penampang Berbentuk Segitiga yang Ekonomis

Pada potongan melintang saluran yang berbentuk segitiga dengan kemiringan sisi

terhadap garis vertikal.θ.dan kedalaman air.h (Gambar 3.19). maka penampang

basah. A. dan keliling basah. P,dapat ditulis sehagai berikut

A =h2tanθ

Atau

(3.76)

(3.77)

Gambar 3.19 penampang melintang berbentuk segitiga

Substitusi nilai h. dari persamaan (3.76) ke dalam persamaan (3.77), maka

diperoleh persamaan berikut:

(3.78)

Pada luas penampang. A. konstan, dengan mendeferensial persamaan (3.78)

terhadap 0 dan dibuat sama dengan nol, maka diperoleh persamaan berikut:

atau

karena sec θ =0, maka

atau

(3.79)

Jadi,V = 450. Atau m = 1.

Dengan demikian, saluran berbentuk segitiga yang paling ekonomis adalah jika

kemiringan dindingnya membentuk sudut dengan garis vertikal.

3.5 Energi Spesifik

Konsep energi spesifik diperkenalkan oleh Bakhrneteff pada tahun 1912. Konsep ini

sangat berguna bagi penerapan persamaan Bernoulli_ Energi spesifik adalah tinggi

tenaga pada sembarang tampang diukur dari dasar saluran atau tenaga tiap satuan

berat air pada sembarang tampang diukur dari dasar saluran. Jadi, yang dimaksud

dengan energi spesifik secara maternatis dapat ditulis sebagai berikut:

(3.80)

di mana α = koefisien Coriolis

= 1 s/d 1,1

Ki ta t in jau lebih dahulu sa luran yang mempunyai potongan mel in tang

berbentuk persegi dengan kecepatan seragam. Yakni harga α = 1 untuk mempermudah

pemahaman konsep energi spesifik. Jika lebar saluran adalah B dan debit saluran

Q, maka debit per satuan lebar saluran atau disebut debit satuan adalah q = Q/B dan

V= q/h. Persamaan (3.80) dapat ditulis kembali menjadi persamaan berikut:

E = h + (3.81)

Atau

(E – h)h2 = (3.82)

Pada debit satuan spesifik tertentu,maka sebelah kanan persamaan (3.82) adalah

konstan. Sehingga. persamaannya dapat ditulis sebagai berikut:

Eh2 – h3 = konstan (3.83)

Persamaan ini menyatakan hubungan antara energi spesifik E dan kedalaman air h

untuk debit satuan q. Lengkung yang menggambarkan persamaan di atas diplot dalam

Gambar 3.20. Secara matematis dapat Dibuktikan bahwa lengkung E-h mempunyai dua

asimptotis. yaitu: E – h = 0 dan h=0. Asismptot pertama diwakili oleh garis lurus yang

ditarik melewati titik 0.0 dan membentuk sudut 45 dengan sumbu horisontal,sedangkan

asimptot kedua adalah sumbu horisontal.

Sebagaimana dinyatakan dalam Persamaan (3.80) bahwa energi spesifik.E terdiri dari

dua komponen. Yaitu kedalaman aliran, h. dan tinggi kecepatan, V2/2g. Pada

debit satuan. q, yang sama. maka nilai V akan menurun jika kedalaman. h.

meningkat. dengan kata lain menurunkan harga tinggi kecepatan. Dengan mengacu

Gamhar 3.20. maka lengan bagian atas kurva mendekati garis lurus. E = h. saat

tinggi kecepatan menjadi sangat kecil untuk nilai h yang sangat besar. Dengan cara

yang sama, maka meningkatnya nilai V akan menurunkan harga h dan meningkatkan

nilai tinggi kecepatan. Jika h mendekati nol, maka tinggi kecepatan cenderung menjadi

tak terhingga dan lengan bawah kurva mendekati sumbu horisontal.

Persamaan (3.83) adalah berderajad tiga dari h terhadap E. Persamaan ini mungkin

mempunyai tiga akar yang berbeda. Satu di antaranya selalu negatif. Namun

secara fisik (riil) kedalaman negatif tidak mungkin terjadi, sehingga hanya

mempunyai dua nilai h untuk harga E tertentu. Dua kedalaman.katakan saja h1 dan

h2,dinamakan kedalaman selang- seling (alternate depths). Pada kondisi khusus,

dimungkinkan h1 = h2 . Yaitu pada titik C Gambar 3.20. Kedalaman pada titik ini

dinamakan kedalaman kritis, hc, dan dinamakan aliran kritis.

Keberadaan akar negatif untuk harga E tertentu pada kurva E-h untuk harga q

tertentu diperlihatkan pada gambar 3.20 sebagai garis putus-putus.

Gambar 3.20 Lengkung energi spesilik untuk debit satuan tertentu.

Pada persamaan (3.81) terlihat bahwa jika harga q naik, maka harga E akan

meningkat untuk harga h tertentu. Dengan kata lain, jika kita menggambar garis

sejajar dengan sumbu-X untuk sembarang harga h. maka kurva E-h untuk q1 akan

berpotongan di sebelah kiri perpotongan q jika q1 < q. Sebaliknya, perpotongan

dengan q2 akan berada di sebelah kanan perpotogan q jika q2 > q. Perhatikan

gambar 3.21 untuk jelasnya.

Sekarang kita perhatikan saluran atau sungai dengan bentuk potongan melintang

sembarang, persamaan (3.80) menjadi persamaan (3-84) herikut:

E = h +α (3.84)

di mana V2= Q2/A2.

Kita asumsikan bahwa distribusi tekanan adalah hidrostatis dan kecepatan ahran

adalah seragam untuk memudahkan penurunan rumus, sehingga energi spesifik

menjadi sebagai berikut:

E= h +α

Gambar 3.21 Kurva energi spesifik untuk debit satuan yang berbeda

Energi. E, minimum terjadi jika dE/dh = 0. sehingga dengan mendeferensasialkan

persamaan (3.85) terhadap h akan diperoleh persamaan berikut :

dE/dh = 1 +(Q2/2g) dA/A3dh (3.86)

karena dA/dh = T, maka persamaan (3.86) dapat ditulis kembali menjadi

persamaan herikut:

atau

1- (3.87)

(3.88)

dimana

E = total energi, m

A = luas tampang melintang, m2

T = lebar atas saluran, m

D = kadalaman hidraulik, m.

Persamaan (3.88) menunjukkan bahwa tinggi energi adalah setengah dari kedalaman

hidraulik. Dari persamaan (3.88) dapat diturunkan persamaan bilangan Froude. Fr,

sebagai berikut :

Fr = (3.89)

3.6 Kedalaman Kritis

3.6.1 Pendahuluan

Sebagaimana dibahas sebelumumnya. kedalaman di mana energi spesifiknya

minimum disebut kedalaman kritis dan alirannya dinamakan aliran Aliran kritis

mempunyai beberapa sifat-sifat yang spesifik. Dalam bagian ini akan dibahas sifat-

sifat tersebut dan aplikasinva dalam bidang teknik sipil.

3.6.2 Sifat-sifat Aliran kritis

Pertama. ditinjau saluran dengan potongan melintang yang paling sederhana, yaitu

berbentuk persegi, kemudian dikembangkan ke bentuk umum.

3.6.2.1 Saluran berbentuk Persegi

Energi spesifik. Sebagaimana diuraikan di depan bahwa untuk saluran persegi

dengan distribusi tekanan hidrostatis dan kecepatan seragam. diperoleh persamaan

berikut:

E = h + (3.90)

Secara matematis diketahui bahwa dE/dht = 0. maka harga E akan maksimum

atau minimum. Sehingga, dengan mendeferensialkan persamaan (3.90), diperoleh

persamaan berikut:

= 1 - = 0 (3.91)

Berdasarkan definisi sebelumnya, kedalaman di mana E minimum dinamakan

kedalaman Dari persamaan (3.91) dapat diturunkan persamaan untuk menghitung

kedalamankritis sebagai berikut:

hc (3.92)

Jika dE/dh= 0. maka harga F. kemungkinan maksimum atau minimum.

Dalam hal E minimum, maka nilai d 2 E/dh2 positif pada kedalaman tersebut.

Dengan mendeferensialkan persamaan (3.91) terhadap h untuk h = h; . maka diperoleh

persamaan herikut:

= (3.93)

Dengan mensubstitusikan persamaan (3.92) ke dalam persamaan (3.93), maka

diperoleh persamaan:

= (3.94)

Komponen sebelah kanan dari persamaan (3.94) selalu bernilai positif. s ehingga E

minimum pada h =hc

Persamaan (3.94) dapat ditulis dalam bentuk lain sebagai berikut:

q2 = gh 3 (3,95)

Dengan menamakan untuk kecepatan pada aliran kritis., maka persamaan

(3.95) dapat ditulis sebagai berikut:

(3.96)

Dapat dikatakan bahwa tinggi kecepatan pada aliran kritis sama dengan setengah

kedalaman kritis. Dengan mensubstitusikan persamaan (3.96) ke dalam persamaan

(3.90), maka diperoleh persamaan:

E = hc + atau

hc = (3.97)

Artinya, kedalaman kritis sama dengan dua per tiga energi spesifik minimum.

Persamaan (3.96) dapat juga ditulis dalam bentuk persamaan berikut:

Atau bilangan Froude adalah:

Fr = (3.98)

Persamaan ini menunjukkan bahwa bilangan Froude. Fr = I, untuk aliran kritis.

Debit spesifik. Tulis kembali persamaan (3.90) dalam bentuk persamaan berikut untuk

menentukan variasi debit spesifik q dengan h untuk harga E tertentu.

q2=2gEh2- 2 g h 3 (3.99)

Debit satuan. Dari persamaan (3.99) tampak jelas bahwa q = 0 jika h=0 atau jika h

=E,sehingga kita punya dua titik pada kurva q-h untuk E tertentu.Tentukan lokasi

maksimurn dan minimum kurva ini dan nilai pada titik-titik ini untuk mengetahui

bentuk kurva ini. Harga q akan maksimum atau minimum jika dq/dh = 0. Dengan

mendeferensialkan persamaan (3.99) terhadap h. maka diperoleh persamaan berikut:

2q

atau

q (3.100)

Persamaan (3.100) dapat disederhanakan menjadi persamaan berikut ini karena dq/dh=0.

h(2E-3h)=0 (3.101)

Persarnaan (3.101) mempunyai dua akar. yaitu h= 0 dan h = 2/3E. Telah ditunjukkan

bahwa q = 0 untuk h = 0. sehingga tidak ada informasi lain yang didapat dari akar

pertarna ini. Akar kedua merupakan kedalarnan kritis (persamaan 2.101). Kita harus

rnenentukan tanda d2q/dh2 untuk mengetahui apakah aliran maksimum atau minimum pada

Kedalaman ini, kita harus menentukan tanda. Dengan mendeferensialkan persamaan

(3.101) terhadap h, kita peroleh:

q (3.102)

Substitusikan dq/dh =0 danh= 2/3E ke dalam persamaan (3.102), rnaka

menghasilkan persamaan:

(3.103)

Dari persamaan (3.103) tampak jelas bahwa turunan kedua dari q

terhadap h selalu negatif. sehingga untuk harga E tertentu, debit satuan, q, akan

mencapai maksimum pada kedalaman kritis, hc. Ekspresi besarnya debit maksimum

dapat diperoleh dengan mensubstitusikan h= 2/3 E ke dalam persamaan (3.99),

sehingga didapat persamaan berikut:

q2= 2gE

atau

q = (3.104)

Tipikal kurve q-h untuk harga E tertentu disajikan dalam Gambar 3.22.

Pada gambar yang sama, juga diperlihatkan dua kurve q-h untuk harga energi

spesifik yang berbeda, sehingga E1<E<E2.

Gambar 3.22 Variasi debit satuan

3.6.2.2 Saluran Berbentuk Nonpersegi (sembarang)

Sekarang kita bahas aliran kritis pada saluran dengan penampang melintang

prismatik reguler nonpersegi, misalnya trapesium, segitiga, lingkaran,parabola, dan

bentuk sembarang. Saluran kita katakan berpenampang reguler jika lebar permukaan

air. T, merupakan fungsi h menerus, dan saluran tidak mempunyai bantaran.

Energi spesifik. Asumsikan bahwa distribusi tekanan adalah hidrostatis dan

kecepatan seragam untuk menyederhanakan penurunan persamaan, sehingga energi

spesifiknya adalah:

E= h + (3.105)

Energi, E, minimum terjadi jika dE/dh=0, sehingga dengan mendeferensialkan

persamaan (3.105) terhadap h akan diperoleh persamaan berikut:

(3.106)

Karena dA/dh=T, maka persamaan (3.106) dapat ditulis kembali

menjadi persamaan berikut:

1-

atau

(3.107)

Mengingat

maka kita dapat membuat kurva hubungau antara A3/B - h seperti ditunjukkan

dalam Gambar 3.23. Apabila debit, Q, tertentu, maka dapat kita hitung Q2/g. Secara

grafis, kedalaman kritis h dapat diketahui dengan menarik garis vertikal sejajar sumbu

h pada sumbu X = Q2/g sampai memotong kurva pada kurva .A3/B – h, kemudian

ditarik ke kiri sejajar sumbu X sampai memotong sumbu h.Garnbar 3.23 alur

penarikan garis ini diperlihatkan dengan garis putus-putus.

Gambar 3.23 Hubungan antara Q2/g, A3/B dan kedalaman air h

Contoh 3.1

Saluran drainase berbentuk trapesium mengalirkan debit sebesar 10m 3/det.

Kemiringan dasar saluran 1:5.000.Dinding saluran dilining dengan koefisien

kekasaran n= 0,012. Tentukan dimensi potongan melintang saluran yang paling

ekonomis.

Penelesaian:

Bentuk trapezium yang paling ekonomis adalah setengah heksagonal.

Berdasarkan persamaan (3.73dan3.75) diperoleh persamaan berikut:

P= 2h R’=

A= h2

Dengan menggunakan persamaan Manning,maka

Q= A x V

Q= h2 x

Q= 10 m3/det ;n= 0,012;S=

10=h2 x

h = 7,78

h= 2,16 m

dari persamaan (3-74) diperoleh: Gambar contoh 3

B=

Jadi, dimensi saluran yang ekonomis adalah lebar dasar B=2,49 m dan tinggi air

h= 2,16m, seperti terlihat pada gambar di atas.

Contoh 3.2

Saluran drainase utama berbentuk trapesium dengan kemiringan dinding m = 2.

mempunyai kedalaman air 2.5 meter, lebar dasar 5 meter, dan koefisien kekasaran

Manning n = 0,025. Hitung kemiringan dasar saluran jika debit yang mengalir

sebesar 75 m3/det.

Penyelesaian:

Kita terapkan persamaan Manning berikut:

V=

A= (B+mh)h = (5+2x2)2 = 18 m2

P= B+ 2h (m2+1)0.5 = 5+2x2(4+1)0.5 = 13,94 m

R=

V=

417=

S = 0,0879

Jadi, kemiringan dasar saluran S = 0,0077

Contoh 3.3

Saluran drainase terbuat dari buis beton dengan bentuk dan ukuran seperti pada

gambar. Jika kemiringan dasar saluran 1:2.500, dan koefisien Chezy 60. Hitung debit

yang akan di tampung?

Penyelesaian:

A= 1,50m

P= 0,25m

R= 0,75m

Rumus Chezy:

Q= A x C

Dengan memasukkan harga-harga yang sudah diketahui, maka di peroleh:

Q= 1,258 x 60

Contoh3.4

Aliran seragam subkritis mempunyai kedalaman 5 m mengalir pada saluran

persegi dengan lebar 10m. Angka kekasaran Manning, n = 0,015, dan kemiringan

dasar saluran 1/1000.

a). Hitung peninggian dasar saluran supaya terjadi aliran kritis?

b). Hitung lebar maksimum supaya terjadi aliran kritis?

Penyelesiaan:

Hitung, debit yang mengalir

Q = A x R

A= 10 x 5 = 50 m2

P = 2 x 5 + 10 = 20 m2

R = 50/20 = 2.5 m

Q=50

Hitung energi spesifik

Es = h0 + , Es=5+

Emin = 3/2 her

hc = m

Emin = 1,5 x 3,37 = 5,06m

Peninggian dasar saluran adalah:

Gambar 3.24 Pembentukan aliran kritis dengan peninggian dasar saluran

Diasumsikan tidak ada kehilangan energi sepanjang segmen saluran yang

ditinjau dengan demikian tidak terjadi perubahan tinggi energi, Emin= E

hcr = 2/3 Emin

= 2/3 x 5,77 = 3,85 m

hcr = h =

Contoh 1.7

Debit sebesar 28 m3/detik mengalir pada saluran dari pasangan berbentuk trapesium

dengan lebar dasar 3 meter, kemiringan dinding saluran m = 2, dan angka kekasaran

Manning n = 0,022.

a) Hitung kedalaman kritis?

b) Hitung kelandaian dasar kritis? Penyelesaian:

a) Kedalaman kritis

Persamaan (3.59) dapat ditulis dalam bentuk :

atau

Dengan memasukan harga-harga yang diketahuimaka

diperoleh persamaan berikut:

Dengan cara trial and error,diperoleh hc=1,5m

b) Kelandaian kritis dapat dihitung dari kecepatan

kritis berikut:

atau

Scr =

Sehingga diperoleh kemiringan kritis Scr= 0,0019