PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2014 Optimalisasi Sains dan Aplikasinya Dalam Peningkatan Daya Saing Bangsa Makassar, 13 September 2014
Analisis dan Pemodelan Variabel Fisis (Momentum) Aliran Air Sungai Tondano Marthen Kumajas Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Manado
[email protected] kenaikan muka air (banjir), baik dikarenakan pertambahan kecepatan aliran air dan pertambahan kerapatan (density) massa air (Brody, et al, 2009, Taniguchi S., et al, 1992., Yugian L, 1992).
Sari Penelitian ini bertujuan untuk mendeskripsikan variabel fisis (momentum) aliran air Sungai Tondano di daerah sekitar muara, serta menentukan data dan menyajikan kurva (rating curve) distribusi momentum menurut kedalaman air, pada tiga tingkatan berdasarkan peningkatan kenaikan permukaan air sungai. Pengukuran dan pengambilan data yang berkaitan dengan momentum aliran air yakni berdasarkan data kerapatan massa air (ρ) serta data kecepatan aliaran air (v) yang dilakukan pada lokasi Kelurahan Ternate Baru Kecamatan Singkil Kota Manado Sulawesi Utara. Hasil pengukuran, perhitungan dan pemodelan data Momentumaliran air diperoleh persamaan kuadratik yakni: y = a + bx + cx2. Momentum aliran air terdiri dari dua fungsi, masing-masing untuk jarak dari dasar sungai : 0 < y ≤ y optimal dan y optimal< y ≤ h. Hasil ini menunjukkan bahwa posisi y optimal tergantung pada tingkat kenaikan muka air sungai sehingga pada tingkatan muka air yang membesar dapat berdampak negatif pada tebing sungai atau kondisi lingkungan sungai. Hasil penelitian ini penting dalam rangka adaptasi dan mitigasi terjadinya peningkatan kenaikan muka air sungai atau pada kondisi banjir.
Secara teoritis, peningkatan kenaikan muka air akan meningkatkan momentum yang disebabkan oleh aliran dengan muatan melayang (suspended load), di lain pihak dampak erosi dasar sungai semakin meningkat karena peningkatan momentum aliran dengan transport bahan alas (bed load transport). Pengukuran yang dilakukan oleh Pusat Pengelolaan Lingkungan Hidup Kementrian Negara Lingkungan Hidup (2007) di daerah muara sungai Tondano, menyimpulkan bahwa debit sedimen transport meningkat lebih signifikan dibandingkan dengan peningkatan debit aliran pada saat terjadi banjir. Balasch, et al.. (1992), menyatakan bahwa ketersediaan data hasil pengukuran variabel aliran serta mekanisme sedimentasi dari sumber sedimen ke outlet, merupakan informasi penting untuk konservasi lahan di daerah hulu dan juga merupakan informasi yang menjadi dasar bagi masyarakat dan pemerintah dalam rangka pengelolaan sumber daya alam. Permasalan lain yang muncul berkaitan dengan penyediaan data dan informasi kondisi sungai adalah ketersediaan dana, peralatan, metode, tim peneliti dan lain sebagainya. Selain membutuhkan peralatan yang mahal, pengamatan dan pengolahan data membutuhkan dana dan keahlian khusus.
Kata kunci : momentum aliran, muara sungai Tondano Pendahuluan Secara ekonomi Sungai Tondano memberikan manfaat untuk masyarakat dari hulu sungai sampai ke muara sungai. Pemanfaatan muara sungai Tondano dari waktu ke waktu semakin beragam dan kebutuhanya semakin besar. Pada daerah dekat muara, saat ini air sungai Tondano telah dimanfaatkan sebagai air minum masyarakat Kota Manado.
Dari paparan di atas memperlihatkan bahwa perlunya suatu pemodelan mengenai variabel fisis aliran air sungai yaitu kerapatan massa air, kecepatan, dan momentum. Dengan mengetahui pemodelan variabel fisis tersebut diharapkan mendapatkan gambaran mengenai profil vertikal kecepatan, kerapatan, dan momentum aliran berdasarkan atas variasi kedalaman air. Interaksi kegiatan manusia dan lingkungan hampir selalu membawa dampak positif maupun negatif sepanjang waktu. Dampak positif interaksi kegiatan manusia dan lingkungan dapat diwujudkan dengan meningkatnya welfare bagi kehidupan manusia, sedangkan dampak negatif dapat berupa eksternalitas yang merugikan bagi lingkungan dan juga manusia itu sendiri. Permasalahan lingkungan muncul ketika eksploitasi sumberdaya alam mengabaikan prinsip-prinsip pengelolaan sumberdaya alam dan lingkungan yang berkelanjutan (PP No 37 Tahun 2012 Tentang Pengelolaan DAS). Hal ini telah menjadi isu global serta menjadi perhatian para peneliti maupun para pengambil keputusan. Untuk itu perlunya dilakukan model analisis terhadap momentum aliran air pada beberapa tingkat kenaikan permukaan air.
Di sisi lain, pada saat kenaikan muka air karena banjir sungai Tondano telah berulang kali menyebabkan kerugian material bagi masyarakat sekitar, bahkan masyarakat umum(Euripidou (2004)). Akibat bencana ini adalah kerugian yang cukup besar dengan rusaknya bangunan pemerintah, rumah penduduk, rumah ibadah, dan lain-lain. Dalam tahun : 1996, 2000, 2005, 2006, 2010, (Nanlohy (2008) dan 2014 setiap banjir akan menggenangi lokasilokasi pemukiman di Kota Manado. Penanggulangan dampak lingkungan banjir sungai Tondano, khususnya di daerah sepanjang muara masih merupakan permasalahan yang perlu dipecahkan dan diantisipasi (Corburn (1994)). Masalah kerusakan pemukiman, genangan, pengikisan tebing sungai, hancurnya tanggul pencegah erosi dan lain sebagainya, secara fisis berhubungan erat dengan momentum aliran air. Besaran fisis ini, kuantitasnya akan menjadi sangat besar pada saat terjadinya peningkatan
115
PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2014 Optimalisasi Sains dan Aplikasinya Dalam Peningkatan Daya Saing Bangsa Makassar, 13 September 2014 Metoda
Tingkat Banjir 1
Penelitian ini dilakukan di area Daerah Aliran Sungai (DAS) Tondano yang terletak di Kota Manado Propinsi Sulawesi Utara. Data penelitian diukur pada lokasi muara sungai Tondano Kompleks Jembatan Kelurahan Ternate Baru Kecamatan Singkil Kota Manado. Data yang diukur meliputi Kerapatan yang berdasarkan massa air dan volume air, kedalaman, serta kecepatan aliran air.Alat analisis yang digunakan untuk perubahan variabel fisis momentum, digambarkan pada tiap kedalaman, menggunakan pendekatan curve fitting atau pengepasan kurva. Adapun model persamaan yang sesuai (dalam pemodelan statisitka) yaitu model linier, logaritma, inverse, kuadratik, compound, power, S, growth, exponential, dan logistic. Model yang terpilih dalam curve fit adalah model yang memiliki nilai R Square terbesar.Model yang terpilih adalah model yang dapat memetakan titik sedekat mungkin dengan garis. Ukuran yang menentukan dekatnya titik dari garis adalah ukuran R2. Nilai R-Square tersebut berada pada nilai 0 sampai 1 atau 0% hingga 100%. Semakin dekat dengan 100%, semakin baik model yang diperoleh.Misalkan model kuadratik berikut: y = a + bx + cx2 dengan x adalah jarak dengan dasar sungai, dan y adalah variabel fisis momentum. Untuk menentukan nilai y optimal, diperoleh dengan menyamakan
70,00 Momentum (gr.cm-2.det-1)
60,00 50,00 40,00 y = -0.0084x2 + 1.3439x + 4.9157 R² = 0.9434
30,00 20,00 10,00 0,00 0
50
100
150
Jarak dari dasar sungai (cm)
Gambar 1. Grafik hubungan antara kedalaman dan perubahan variabel momentum pada tingkatan tinggi muka air 108-112 cm (1) Keterangan: titik-titik pada Gambar mengindikasikan data pengukuran, dan garis mengindikasikan persamaan hubungan yang diperoleh (bentuk kuadratik)
x = -b/2c Persamaan kuadratik yang diperoleh dari model matematik yakni:
(Santoso, 2002). Disamping itu, untuk membandingkan momentum pada tiga tingkatan tinggi muka air sungai digunakan ANOVA. Analysis of Ragam atau ANOVA. ANOVA digunakan untuk membandingkan nilai pada lebih dari dua kelompok, yang identik dengan uji-t. Asumsi ANOVA yang digunakan dalam analisis ini adalah asumsi normalitas dan homogenitas ragam yang identik pengujiannya pada ujit.ANOVA digunakan untuk menguji perbedaan nilai ratarata antar kedua atau lebih grup/kelompok berdasarkan atas satu variabel penelitian, dimana variabel diukur dalam skala interval/rasio. (Sugiyono, 2007).
y = 4.915 + 1.343 x – 0.008 x2 Adapun hasil pengujian pada persamaan di atas diperoleh sebagai berikut: Pada titik x=10 cm, diperoleh momentum y = 17.52 gr.cm-2.det-1. Pada titik x=110 cm, diperoleh momentum y = 51.59 gr.cm-2.det-1. Momentum terbesar berada di titik optimum (dy/dx=0) yaitu x= -1.343/2*(0.008)=80 cm, dengan momentum y = 58.93 gr.cm-2.det-1. Dari hasil persamaan di atas, mengindikasikan bahwa momentum terbesar berada pada posisi 80 cm dihitung dari dasar sungai. Berikut disajikan grafik hubungan antara jarak pengukuran dari dasar sungai dengan perubahan momentum yang dialami pada kedalaman (tinggi muka air) 208-212 cm(Gambar 2), dengan jarak pengukuran dari dasar sungai antara 20-212 cm.
Hasil Data pengukuran variabel fisis berupa momentum aliran air (gr.cm-2.det-1) dilakukan di Muara Sungai Tondano. Pengujian model hubungan antara jarak pengukuran dari dasar sungai dengan perubahan momentum yang didasarkan pada tinggi muka air (108-112) cm (Gambar 1), dengan metode curve fit (pengepasan kurva) terlihat bahwa dari nilai koefisien determinasi tertinggi (R Square) terpilih model regresi kuadratik (quadratic).
116
PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2014 Optimalisasi Sains dan Aplikasinya Dalam Peningkatan Daya Saing Bangsa Makassar, 13 September 2014
100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
Tingkat Banjir 3 120,00 100,00
y=
0
-2 Momentum Momentum (gr.cm .det-1)
(gr.cm-2.det-1) Momentum Momentum
Tingkat Banjir 2
-0.0031x2
100
+ 0.926x + 22.147 R² = 0.958
200
80,00 60,00
y = -0,0029x2 + 0,9335x + 24,733 R² = 0,9565
40,00 20,00 0,00 0
300
100
200
300
Jarak dari dasar sungai (cm)
Jarak dari dasar sungai
Jarak dari dasar sungai (cm)
Gambar 2. Grafik hubungan antara kedalaman dan perubahan variabel momentum pada tingkatan tinggi muka air 208-212 cm (2)
Gambar 3 Grafik hubungan antara kedalaman dan perubahan variabel momentum pada tingkatan tinggi muka air 214-218 cm (3)
Keterangan: titik-titik pada Gambar mengindikasikan data pengukuran, dan garis mengindikasikan persamaan hubungan yang diperoleh (bentuk kuadratik)
Keterangan: titik-titik pada Gambar mengindikasikan data pengukuran, dan garis mengindikasikan persamaan hubungan yang diperoleh (bentuk kuadratik)
Model matematiknya yang diperoleh adalah persamaan kuadratik yakni:
Model matematik ini berbentuk persamaan kuadratik, adapun hasil pengujian pada persamaan di atas diperoleh sebagai berikut: Pada titik x=21 cm, diperoleh momentum y = 43.05 gr.cm-2.det-1. Pada titik x=218 cm, diperoleh momentum y = 89.53 gr.cm-2.det-1. Momentum terbesar berada di titik optimum (dy/dx=0) yaitu x=-0.933/2*(0.002) = 160 cm, dengan besar momentum y = 99.38 gr.cm-2.det-1. Dari hasil persamaan di atas, mengindikasikan bahwa momentum terbesar berada pada posisi 160 cm dihitung dari dasar ke permukaan sungai.
y = 22.14 + 0.926 x – 0.003 x2 Adapun hasil pengujian pada persamaan di atas diperoleh sebagai berikut: Pada titik x=20 cm, diperoleh momentum y = 39.44 gr.cm-2.det-1. Pada titik x=212 cm, diperoleh momentum y = 92.15 gr.cm-2.det-1. Momentum terbesar berada di titik optimum (dy/dx=0) atau x=-0.926/2*(0.003) =156 cm, dengan momentumy = 92.15 gr.cm-2.det-1 Dari hasil persamaan di atas, mengindikasikan bahwa momentum terbesar berada pada posisi 156 cm dihitung dari dasar ke permukaan sungai. Berikut disajikan grafik hubungan antara jarak pengukuran dari dasar sungai dengan perubahan momentum yang dialami pada tingkatan tinggi muka air 214-218 cm(Gambar 3). Pada tingkatan ini pengukuran dilakukan pada kedalaman (tinggi muka air) 214-218 cm, dengan jarak dari dasar sungai antara 21-218 cm. Model matematik yang diperoleh adalah:
Perbandingan ketiga model pengaruh dampak peningkatan muka air terhadap perubahan variabel momentum di Muara Sungai Tondano disajikan secara grafik sebagai berikut (Gambar 4). Dari Gambar 4 terlihat bahwa grafik momentum aliran air tingkat muka air 1 (hijau), momentum maximumnya adalah 58,93 gr.cm-2.det.-1 pada posisi kedalaman 80 cm dari dasar sungai. Momentum aliran air tingkat muka air 2 (kuning) pada posisi kedalaman 156 cm dari dasar sungai, momentum maximumnya adalah 92,15 gr.cm-2.det.-1 dan momentum aliran air tingkat 3 (merah) pada posisi kedalaman 160 cm dari dasar sungai, momentum maximumnya adalah 99,38 gr.cm-2.det.-1, yang mengindikasikan bahwa dengan meningkatnya tinggi
y = 24.73 + 0.933 x – 0.002 x2
117
PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2014 Optimalisasi Sains dan Aplikasinya Dalam Peningkatan Daya Saing Bangsa Makassar, 13 September 2014 pada tingkatan 1. Pengujian perbedaan momentum pada tingkatan 1 dengan tingkat kenaikan muka air (tingkat 3) dengan perbedaan momentum adalah 36.55 gr.cm-2.det-1, diperoleh nilai Sig t sebesar 0.001. Karena nilai Sig t < 0.05 (tingkat kesalahan 5%) mengindikasikan adanya perbedaan momentum yang signifikan pada tingkat banjir 1 dan 3.
120,00 y=24,73 + 0.933 x – 0,002 x2
(gr.cm-2.det-1) MomentumMomentum
100,00
80,00 y = 22,14 + 0,926 x – 0,003 x2
Terlihat bahwa pada tingkat kenaikan muka air 3 memiliki momentum yang lebih tinggi dibandingkan momentum pada tingkatan 1. Pengujian perbedaan momentum pada tingkatan muka air 2 dengan tingkatan 3 dengan perbedaan momentum adalah 6.18 gr.cm-2.det-1, diperoleh nilai Sig t sebesar 0.115. Karena nilai Sig t > 0.05 (tingkat kesalahan 5%) mengindikasikan tidak adanya perbedaan momentum.
60,00 40,00 y = 4,915 +1,343 x – 0,008 x2
20,00 0,00 0
100
200
Hal ini mengindikasikan momentum pada tingkat kenaikan muka air 2 dan 3 adalah sama. Sehingga dapat disimpulkan di Muara Sungai Tondano pada Lokasi pengukuran, bahwa momentum aliran air pada tingkat kenaikan muka air 2 dan 3 adalah sama tingginya, tetapi pada tingkat kenaikan muka air 1 memiliki momentum aliran air yang lebih rendah daripada tingkat kenaikan muka air 2 dan 3.
300
Jarak dari Jarak dari dasar sungai (cm)dasar sungai Gambar 4 Dampak peningkatan muka air pada perubahan variabel momentumpada tingkatan 1, 2, dan 3
Diskusi
Keterangan: Garis warna hijau, kuning dan merah menunjukkan grafik momentum aliran air pada tingkatan kenaikan muka air, dan persamaan adalah bentuk persamaan matermatik yang diperoleh (bentuk kuadratik).
Untuk menguji apakah terdapat perbedaan yang signifikan perubahan momentum pada tiga tingkatan peningkatan muka air menggunakan alat Analysis of Variance (ANOVA), memperlihatkan nilai F sebesar 69.007, dan Sig F sebesar 0.001.Karena nilai Sig F < 0.05 (tingkat kesalahan 5%) mengindikasikan bahwa terdapat perbedaan yang signifikan antara perubahan momentum akibat dari dampak peningkatan muka air pada tingkat yang berbeda. Perbandingan perbedaan rata-rata momentum akibat dari dampak peningkatan muka air 1, 2, dan 3 yaitu :rata-rata momentum pada tingkatan 1 adalah 46.45 gr.cm-2.det-1, rata-rata momentum pada tingkatan 2 adalah 76.83 gr.cm2 .det-1, dan rata-rata momentum pada tingkatan 3 adalah 83.01 gr.cm-2.
Hasil analisis memperlihatkan bahwa secara umum, model variabel fisis momentum aliran air memiliki pola kuadratik dimana terjadi peningkatan seiring meningkatnya jarak dari dasar sungai, akan tetapi mengalami penurunan pada kondisi jarak dari dasar sungai yang lebih jauh dengan kata lain Momentum aliran air terdiri dari dua fungsi, masingmasing untuk jarak dari dasar sungai hingga y optimal (0 < y ≤ y optimal) dan dari y optimal ke permukaan aliran air (y optimal< y ≤ h).Hasil evaluasi menunjukkan bahwa pada kondisi peningkatan muka air yang tidak terlalu besar atau pada kondisi banjir yang sedang, daerah sekitar pengukuran menjadi daerah pengendapan; di lain pihak peningkatan muka air yang besar atau banjir yang besar, dapat menyebabkan erosi permukaan dasar sungai, erosi tebing sungai (Ven Te Chow, 1984; Allen, 1990). Hal ini terjadi karena meningkatnya momentum aliran air. Hal ini menunjukkan bahwa permukaan dasar sungai pada lokasi penelitian bersifat labil dan dapat berubah karena hubungan banjir.Material yang diendapkan di dasar sungai dapat dengan mudah terbawa aliran; bahkan pada saat peningkatan muka air yang besar atau banjir besar, terjadi pergeseran antara bagian dangkal dengan yang lebih dalam menurut arah lebar sungai.
Untuk menguji perbedaan ketiga tingkatan peningkatan muka air dilakukan pengujian lanjutan dari ANOVA yaitu Uji Tukey atau biasa dikenal dengan uji BNT (beda nyata terkecil), sebagai berikut: Pengujian perbedaan momentum pada tingkatan 1 dengan tingkatan banjir 2 dengan perbedaan momentum adalah 30.37 gr.cm-2.det-1, diperoleh nilai Sig t sebesar 0.001. Karena nilai Sig t < 0.05 (tingkat kesalahan 5%) mengindikasikan adanya perbedaan momentum yang signifikan pada tingkat kenaikan muka air 1 dan 2. Terlihat bahwa pada tingkatan 2 memiliki momentum yang lebih tinggi dibandingkan momentum
Grafik momentum menunjukkan bahwa peningkatan kenaikan muka air menyebabkan kenaikan momentum aliran, dan lapisan yang mengalami peningkatan lebih besar adalah lapisan tengah hingga dekat permukaan. Peningkatan momentum aliran air yang lebih besar pada lapisan tengah hingga dekat permukaan, memberikan kesimpulan bahwa peningkatan kenaikan muka air sungai, lebih berpotensi menyebabkan erosi tebing dari pada erosi dasar sungai. Secara fisik dapat dilihat bahwa erosi tebing sungai di sekitar lokasi penelitian tergolong tinggi, bahkan pada saat tingkat muka air membesar sering terjadi
permukaankarena kenaikan muka air (permukaan air sungai) posisi momentum terbesar bergeser atau bergerak dari tengah ke permukaan yang berdampak pada kerusakan bagian tebing sungai, tiang penyangga bangunan, talud dan lain sebagainya.
118
PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2014 Optimalisasi Sains dan Aplikasinya Dalam Peningkatan Daya Saing Bangsa Makassar, 13 September 2014 longsoran tebing sungai dan kerusakan konstruksi meliputi talud, bronjong, dan penyangga bangunan dan lain sebagainya.
Ven, Te Chow. 1986. Handbook of Applied Hydrology. McGraw_Hill Book CO., Toronto. Yugian L, 1992. The Design and Operation of Sediment Transport Measurements Programmes in River Basins: the Chinese Experience. Proceedings of the International Symposium on Erosion and Sediment Transport Monitoring Programs in River Basin, Oslo, Norway, 24 – 28 August 1992, p : 373-378.
Kesimpulan Dari hasil penelitian mengenai kondisi fisis momentum aliran air terhadap peningkatan kenaikan permukaan air sungai, maka kesimpulan yang diperoleh sebagai berikut:Hasil analisis pemodelan variabel fisis momentum aliran air menunjukkan bahwa deangan meningkatnya kenaikan muka air maka momentum maksimum sungai akan bergeser kearah permukaan air sungai.yang berpotensi pada rusaknya kondisi lingkungan sungai. Daftar Pustaka Anonim, 2007.PusatPengelolaan Lingkungan Hidup, Kementrian Negara LingkunganHidup.http://sumapapua.menlh.go.id/index. php?Option=comcontent&view=artica;&id=54&Itemid =110.26 sepetember 2010. Balasch J. C., X. Castelltort, P.Llorens and Gallart F, 1992. Hydrological and Sediment Dynamics Network Design in a Mediterranean Mountains Area Subject to Gully Erosion. Proceedings of the International Symposium on Erosion and Sediment Transport Monitoring Programs in River Basin, Oslo, Norway, 24 – 28 August 1992, p : 433-442. Brody, S.D, Zahran, S, Highfield, W.W, Bernhardts, S.P., and Vedlitcz A. 2009. Policy Learning for Flood Mitigation: A Longitudinal Assessment of the Community Rating System in Florida. Risk Annal. Vol 29. pp 912-929. Coburn, A.W., Spence R.J.S, and Pomonis A. 1994. Disaster Mitigation, 2nd ed. Cambridge, UK: Cambridge Architectural Research Limited. Euripidou, E, and V. Murray. 2004. Public Health Impact of Floods and Chemical Contamination. Journal of Public Heatl (Oxf), Vol 26, pp.376-383. Nanlohy, J.B., Jayadi, R, and Istiarto. 2008. Studi Alternatif Pengendalian Banjir Sungai Tondano di Kota Manado. Forum Teknik Sipil Vol 18. Resnick, R. and D. Halliday. 1985. Physics. Terjemahan oleh Silaban P. danSuciptoE.Erlangga – Jakarta. Santoso. 2002. SPSS: Mengolah Data StatistikSecaraProfesional. PTElexMediaKomputindo, Jakarta. Seyhan, E. 1990.dasar-DasarHidrology. McGraw-Hill Pub Co.Ltd, New Delhi Sugiyono, 2007.Metode Penelitian (Pendekatan Kuantitatif, Kualitatif, dan R & D). Bandung: Alfabeta. 23 Taniguchi S., Y. Itakura, K. Miyamoto, and J. Kurihara, 1992. A New Aqustic Sensor for Sediment Discharge Measurement. Proceedings of the International Symposium on Erosion and Sediment Transport Monitoring Programs in River Basin, Oslo, Norway, 24 – 28 August 1992, p : 135-141.
119
