JMS Vol. 6 No. 1, hal. 43 – 53 April 2001
Aplikasi Metode Geolistrik Untuk Alat Monitoring Rembesan Limbah (Penelitian Model Fisik di Laboratorium)
1)
Ngadimin1), Gunawan Handayani2) PMIPA Prodi Fisika FKIP Unsyiah, Jl. T.Nyak Arief Darussalam Banda Aceh-23111 2) Laboratorium Fisika Bumi, Departemen Fisika ITB, Jl. Ganesa 10 Bandung 40132 Diterima tanggal 11 Oktober 2000, disetujui untuk dipublikasikan 5 Januari 2001
Abstrak Metode geolistrik memanfaatkan variasi resistivitas listrik berdasarkan pengukuran beda potensial akibat arus listrik yang diinjeksikan kedalam bumi. Metode geolistrik dapat digunakan dalam pemetaan bawah permukaan, pencarian reservoir air, pencemaran air tanah dan eksplorasi geotermal. Dalam penelitian ini dibuat suatu model fisis di laboratorium, menggunakan metoda geolistrik sebagai alat monitoring transport limbah dalam pasir. Konfigurasi elektroda yang digunakan dalam penelitian ini adalah Wenner-Schlumberger dengan jarak elektroda potensial 5 cm. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa penyebaran polutan jonduktif dapat dideteksi berdasarkan variasi hambatan jenis listrik. Penambahan polutan kedalam medium pasir menyebabkan harga resistivitas listriknya berkurang, hal ini karena polutan yang digunakan bersifat konduktif. Setelah dilakukan monitoring melalui pengukuran sebanyak lima kali, dengan polutan yang diinjeksikan kedalam pasir bertambah masingmasing sebanyak 600 ml, jelas bahwa pola rembesan polutan meluas setiap selang pengukuran. Kata-kata kunci : Geolistrik, Monitoring, Transport Limbah. Abstract Geoelectrical method utilizes resistivity variation by measuring potential difference due to electrical current which is injected into the ground. The method can be imployed to characterize geological structure of the subsurface, to locate water reservoir, to monitor groundwater pollution and to explore geothermal reservoir. In this study, a laboratory physical model was used along with the geoelectric method as a means to monitor the pollutant transport in the sand of the model. The geoelectric method employed WennerSchlumberger configuration with electrode spacing of 5 cm. The result showed that the pollutant transport can be detected from the electrical resistivity variation. The addition conductive pollutant into the sand of the model caused the resistivity of the sand decreased, because the applied pollutant was conductive. After monitoring using five times measurement with pollutant interval application of 600 ml, the restivity measurement showed that the pollutant spreaded progressively at every measurement. Keywords: Geoelectric, Monitoring, Pollutant Transport.
43
44
JMS Vol. 6 No. 1, April 2001
1. Pendahuluan Salah satu metode yang digunakan dalam
eksplorasi geofisika adalah metode
geolistrik hambatan jenis. Geolistrik hambatan jenis memanfaatkan sifat resistivitas listrik batuan untuk mendeteksi dan memetakan formasi bawah permukaan. Metode ini dilakukan melalui pengukuran beda potensial yang ditimbulkan akibat injeksi arus listrik ke dalam bumi. Sifat-sifat suatu formasi dapat digambarkan oleh tiga parameter dasar yaitu konduktivitas
listrik,
permeabilitas
magnet,
dan
permitifitas
dielektrik1).
Sifat
konduktivitas batuan berpori dihasilkan oleh sifat konduktivitas dari fluida yang mengisi pori, interkoneksi ruang pori dan sifat konduktivitas dari interfase butiran dan fluida pori2). Berdasarkan pada harga resistivitas listriknya, suatu struktur bawah permukaan bumi dapat diketahui material penyusunnya3). Metode geolistrik cukup sederhana, murah dan sangat rentan terhadap gangguan sehingga cocok digunakan dalam eksplorasi dangkal. Desain sistem monitoring menggunakan resistivitas listrik sangat penting untuk mendeteksi aliran air tanah4). Penelitian ini merupakan model fisik
menggunakan geolistrik sebagai alat
monitoring untuk mendeteksi transport polutan di bawah permukaan tanah. Dalam artikel ini dilaporkan hasil pengukuran resistivitas listrik suatu medium pasir yang diinjeksi dengan polutan, serta penampang resistivitas listrik yang menggambarkan penyebaran polutan dibawah permukaan pasir. 2. Landasan Teori Sifat konduktivitas listrik batuan dekat permukaan bumi sangat dipengaruhi oleh jumlah air, kadar garam/salinitas air serta bagaimana cara air didistribusikan dalam batuan. Konduktivitas listrik batuan yang mengandung air sangat ditentukan terutama oleh sifat air, yakni elektrolit5). Larutan garam terdiri dari anion dan kation yang bergerak bebas dalam air. Adanya medan listrik eksternal menyebabkan kation dalam larutan elektrolit dipercepat menuju kutup negatif sedangkan anion menuju kutup positif. Tentu saja, batuan berpori yang berisi air, nilai resistivitas listriknya berkurang dengan bertambahnya kandungan air. Pendekatan paling sederhana dalam pembahasan gejala kelistrikan di dalam bumi adalah dengan menganggap bumi sebagai medium homogen isotropis. Dengan perlakuan tersebut kemudian medan listrik dari titik sumber di dalam bumi dianggap memiliki
JMS Vol. 6 No. 1, April 2001
45
simetri bola3). Harga resistivitas listrik suatu formasi dibawah permukan dapat ditentukan menurut persamaan 1. ρ=K
∆V I
(1)
Untuk pengukuran beda potensial antara titik M dan N dari sumber arus listrik A dan B dipermukaan, maka: ⎧⎛ 1 1 K = 2π ⎨⎜ − ⎩⎝ AM BM
1 ⎞⎫ ⎞ ⎛ 1 − ⎟⎬ ⎟−⎜ ⎠ ⎝ AN BN ⎠⎭
−1
(2)
Bila dibuat penampang melalui sumber A dan B, maka terlihat pola distribusi bidang equipotensial Gambar 1 di bawah. I L
A
M
#V
N
B
.
Gambar 1. Equipotensial dan garis arus dari dua titik sumber dipermukaan
3. Metode Pengukuran Dalam penelitian ini dilakukan pengukuran resistivitas listrik dengan alat resistivity meter tipe SS35XI,
menggunakan pasir sebagai medium yang dinjeksi polutan.
Penginjeksian polutan pada medium pasir dimaksudkan untuk melihat pola penyebarannya berdasarkan pada anomali resistivitas listrik. Polutan yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari air-limbah dengan nilai konduktivitas listrik yaitu 1200 µS/cm. Hasil tersebut diperoleh dari tes dengan alat conductivity-meter, sedangkan konduktivitas listrik air 100 µS/cm. Dari hasil tersebut berarti polutan yang digunakan lebih konduktif dibandingkan dengan air biasa. Dalam model fisik ini digunakan bak pasir terbuat dari bahan kaca berukuran panjang 2 meter, lebar 1,2 meter dan tinggi 0,6 meter seperti terlihat pada Gambar 2.
46
JMS Vol. 6 No. 1, April 2001
Polutan
Titik Injeksi
Pasir
Gambar 2. Pasir yang diinjeksi polutan Sebagai Pengukuran meliputi efek sounding dan profiling dengan menggunakan empat elektrode, masing-masing 2 elektrode arus A dan B, dan 2 elektrode potensial M dan N tersusun seperti Gambar 1. Jarak antara elektroda potensial MN=a = 5 cm, sedangkan jarak antara AM=BN= 5n, dengan n = 1 sampai dengan maksimum 16. Efek sounding digunakan untuk melihat grafik reistivitas listrik terhadap jarak AB/2 pada tiga titik vertical electode sounding (VES) yaitu pada titik injeksi, pada titik 5 cm dan pada 10 cm dari titik injeksi. Dari pengukuran arus dan potensial kemudian diplot kurva antara log resistivitas vs AB/2 untuk melihat pengaruh polutan pada ketiga titik tersebut. Kurva ini sebagai interpretasi awal dengan anggapan penetrasi kedalaman maksimun untuk konvigurasi Schlumberger yaitu sekitar 1/3 sampai ¼ jarak AB6). Untuk profiling digunakan prosedur konfigurasi Wenner-Schlumberger dengan melakukan pengukuran pada 32 titik elektroda yang terbentang sepanjang garis melalui titik tengah di permukaan atas bak pasir pada Gambar 2, hal ini untuk melihat profil penyebaran limbah dalam pasir yang digunakan sebagai model. Oleh karena pengukuran dilakukan pada wadah yang terbatas, maka pengaruh efek tepi terhadap nilai resistivitas listrik hasil pengukuran jelas ada. Untuk mendapatkan data dengan pengaruh efek tepi yang kecil, penempatan elektroda arus diusahakan tidak terlalu dekat dengan tepi bak kaca. Dalam penelitian ini jarak minimum antara elektroda arus dengan tepi bagian kiri dan kanan bak yaitu sekitar 20 cm. Selain itu kedalaman titik data yang diukur
diperkirakan tidak lebih dari setengah kali lebar bak, hal ini untuk
menghindari efek bias pada bagian bawah bak kaca.
JMS Vol. 6 No. 1, April 2001
47
Hasil pengukuran yang diperoleh adalah resistivitas listrik semu yang dihitung berdasarkan persamaan (1) di atas dengan K untuk konfigurasi Wenner_Schlumberger:
K = n(n + 1)πa ;
n = 1,2,3,...
(3)
Nilai resistivitas listrik hasil pengukuran disebut resistivitas listrik semu (apparent resistivity)
yang selanjutnya diolah menggunakan program RES2DINV untuk
mendapatkan penampang resistivitas listrik bawah permukaan. Penampang resistivitas listrik tersebut digunakan sebagai pedoman untuk interpretasi kuantitatif7). 4. Hasil dan pembahasan Dalam penelitian ini telah dilakukan penginjeksian polutan sebanyak 5 tahap, masing-masing sebanyak 0,6 liter. Penginjeksian polutan dilakukan pada kedalaman sekitar 10 cm di bawah permukaan pasir. Hal ini dimaksudkan agar elektroda tidak menyentuh polutan saat pengukuran yang dapat mengakibatkan hubungan arus singkat. Gambar 3 dan 4 di bawah menyatakan hubungan antara nilai log resistivitas semu terhadap jarak AB/2 di dua titik VES yaitu pada titik injeksi dan pada jarak 5 cm dari titik injeksi setelah penginjeksian polutan sebanyak : 0 liter (sebelum injeksi); 0,6 liter; 1,2
4 3,5
0 liter
3
0,6 liter
2,5
1,2 liter 1,8 liter
2 7,5
27,5
47,5
67,5
Jarak AB/2 (cm)
87,5
2,4 liter 3 liter
Log Rest (Ohm.m)
Log Rest(Ohm.m)
liter; 1,8 liter; 2,4 liter; dan 3 liter.
4 0 liter
3,5
0,6 liter
3
1,2 liter
2,5
1,8 liter
2
2,4 liter 7,5 27,5 47,5 67,5 87,5
3 liter
Jarak Ab/2(cm)
Gambar 3. Hubungan nilai log resistivitas Gambar. 4. Hubungan log resistivitas semu semu Vs Jarak AB/2 pada titik injeksi Vs Jarak AB/2 pada jarak 5 cm dari titik injeksi Keterangan grafik pada Gambar 3 dan 4: : yaitu sebelum diinjeksi polutan ;
: yaitu setelah diinjeksi polutan 0,6 lt; S: yaitu setelah diinjeksi polutan 1,2 lt; U :yaitu setelah diinjeksi polutan 1,8 lt; z :setelah diinjeksi polutan 2,4 lt, dan ; c: yaitu setelah diinjeksi polutan 3 lt.
48
JMS Vol. 6 No. 1, April 2001
Berdasarkan pada Gambar 3 dan 4 dapat dijelaskan bahwa volume polutan dalam pasir mempengaruhi nilai resistivitas listrik, hal ini ditunjukkan dari perbedaan grafik resistivitas listrik medium pasir sebelum dan sesudah diinjeksi polutan. Semakin banyak volume polutan di dalam pasir menyebabkan nilai resistivits listrik pasir menurun. Tampak pada Gambar 4 bahwa polutan mempengaruhi nilai resistivitas semu dibawah permukaan yang berjarak 5 cm dari titik injeksi. Pengaruh polutan terhadap resistivitas listrik pada jarak 5 cm dari tempat injeksi lebih kecil dibandingkan dengan di titik injeksi. Berdasarkan
pengolahan
data
menggunakan
program
RES2DINV
untuk
konfigurasi Wenner-Schlumberger dengan jarak spasi elektroda potensial 5 cm, diperoleh model inversi suatu penampang resistivitas listrik bawah pasir sebelum diinjeksi polutan seperti Gambar 5 dibawah.
Gambar 5. Penampang Resistivitas Pasir sebelum diinjeksi polutan. Gambar atas yaitu pseudosection apparent resistivity hasil pengukuran; gambar tengah yaitu pseudosection apparent reistivity menurut perhitungan; dan gambar bawah yaitu model resistivity hasil inversi. Selanjutnya model inversi yang dihasilkan setelah pasir diinjeksi polutan dapat dilihat pada Gambar 5 sampai dengan Gambar 9. Gambar 5 memperlihatkan penampang resistivitas listrik pasir setelah diinjeksi polutan 0,6 liter.
JMS Vol. 6 No. 1, April 2001
49
Gambar 6. Penampang resistivitas listrik pasir setelah diinjeksi polutan sebanyak 0,6 liter.
Nilai restitivitas listrik aktual pasir setelah diinjeksi polutan sebanyak 0,6 yaitu sekitar 253-589 Ω.m dengan kesalahan iterasi 10,5%. Gambar 7 dibawah menunjukkan penampang resistivitas listrik pasir setelah penginjeksian tahap kedua dengan volume kumulatif polutan di dalam pasir bertambah dari 0,6 liter menjadi 1,2 liter.
Gambar 7. Penampang resistivitas listrik pasir setelah penginjeksian tahap ke dua (volum kumulatif polutan di dalam pasir yaitu 1,2 liter).
50
JMS Vol. 6 No. 1, April 2001
Tampak pada Gambar 7 bahwa harga resistivitas listrik pasir setelah penginjeksian tahap kedua (volume kumulatif polutan didalam pasir 1,2 liter) yaitu sekitar 126-412 Ω.m dengan kesalahan 14,9%. Gambar 8 berikut menggambarkan penampang resistivitas listrik pasir setelah diinjeksi polutan tahap ketiga dengan volume kumulatif polutan di dalam pasir bertambah dari yang sudah ada 1,2 liter menjadi 1,8 liter.
Gambar 8. Penampang resistivitas listrik pasir setelah penginjeksian tahap ketiga dengan volume kumulatif polutan di dalam pasir 1,8 liter. Tampak pada Gambar 8, nilai resistivitas listrik actual pasir setelah penginjeksian polutan tahap ketiga (volume kumulatif polutan dalam pasir 1,8 liter) adalah sekitar 121389 Ω.m dengan kesalahan iterasi 17,7%. Gambar
9
memperlihatkan
penampang
resistivitas
listrik
pasir
setelah
penginjeksian tahap keempat dengan volume kumulatif polutan di dalam pasir sebanyak 2,4 liter.
JMS Vol. 6 No. 1, April 2001
51
Gambar 9. Penampang resistivitas listrik pasir setelah penginjeksian tahap keempat dengan volume kumulatif polutan di dalam pasir sebanyak 2,4 liter. Pada Gambar 9 tampak bahwa pasir yang diinjeksi polutan 2,4 liter diindikasikan dengan nilai resistivitas listrik actual sekitar 92,1-316 Ω.m dengan kesalahan iterasi 15,9% . Selanjutnya, Gambar 10 memperlihatkan penampang resistivitas listrik pasir setelah penginjeksian tahap kelima dengan volume kumulatif polutan di dalam pasir sebanyak 3 liter. Nilai resistivitas listrik actual yang mengindikasikan polutan sekitar 89,3338Ω.m dengan kesalahan iterasi 14,2%.
Gambar 10. Penampang resistivitas listrik pasir setelah penginjeksian tahap kelima dengan volume kumulatif polutan di dalam pasir sebanyak 3 liter.
52
JMS Vol. 6 No. 1, April 2001
Berdasarkan hasil inversi
diperoleh nilai resistivitas listrik actual listrik pasir
sebelum diinjeksi polutan paling rendah sekitar 526 Ω.m. Setelah pasir diinjeksi polutan, nilai resistivitas listrik pada daerah sekitar titik injeksi menjadi lebih rendah, yaitu antara 253-457 Ω.m untuk polutan 0,6 liter dan 92,1-316 Ω.m untuk polutan 3 liter. Menurunnya nilai resistivitas listrik pasir tersebut dikarenakan larutan polutan yang bersifat konduktif mengisi ruang interfase pasir menggantikan udara. Berdasarkan hasil inversi, nilai resistivitas actual pasir yang diinjeksi polutan tampak lebih rendah dibandingkan nilai resistivitas actual pasir yang diinjeksi air, hasil tersebut dapat diperlihatkan pada tabel 1 di bawah. Tabel 1. Nilai resistivitas listrik actual yang mengindikasikan air dan polutan berdasarkan hasil inversi. Volume Kumulatif (liter)
Resistivitas listrik actual pasir Diinjeksi Air (Ω.m)
Diinjeksi Polutan (Ω.m)
0,6
296-494
253-457
1,2
259-458
126-412
1,8
249-437
121-389
2,4
219-392
92,1-316
3
209-379
89,3-338
Hasil ini sesuai dengan tes awal seperti pada pembahasan sebelumnya bahwa polutan yang digunakan lebih konduktif (1200 µS/cm) dibandingkan dengan air biasa (100 µS/cm). Dengan kata lain resistivitas listrik polutan yang digunakan dalam penelitian ini lebih kecil dibandingkan dengan resistivitas listrik air. Dari hasil ini berarti untuk skala laboratorium, metoda resistivitas listrik dapat dipakai sebagai alat monitoring rembesan limbah. Namun demikian penggunaan dilapangan masih perlu dikaji secara lebih mendalam. 5. Kesimpulan Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa rembesan polutan yang diinjeksikan kedalam pasir dapat dideteksi menggunakan metode geolistrik. Penginjeksian polutan kedalam pasir menyebabkan nilai resistivitas listrik pasir menurun, hal ini karena
JMS Vol. 6 No. 1, April 2001
53
polutan yang bersifat konduktif mengisi ruang interfase pasir yang sebelumnya berisi udara. Setelah dilakukan monitoring melalui pengukuran sebanyak lima kali, dengan polutan yang diinjeksikan kedalam pasir bertambah masing-masing sebanyak 600 ml, jelas bahwa pola rembesan polutan meluas setiap selang waktu pengukuran. Hal ini tampak dari penampang resistivitas hasil pengolahan data inversi resistivity 2 dimensi. Daftar Pustaka 1. Williams, R.E., “Schlumberger, Formation Evaluation Conference”, Indonesia, 1986. 2. Revil, A., “Nature of Surface Electrical Conductivity in Natural Sand, Sandstones, and Clays”, Geophysical Research, 25, 691-694, (1998). 3. Telford. W.M.., Sheriff, R.E., Geldart, L.P., “Applied Geophysics”, 2nd ed. New York, Cambridge University Press. 1990. 4. White, P.A., “Electrode arrays for measuring groundwater flow direction and velocity”, Geophysics, 59, 192-201, (1994). 5. Schon, J.H., “Physical Properties of Rocks, Fundamentals and Principles of Petrophysics”. Institute of Aplied Geophysics, Leoben, Austria, 1996. 6. Osella, A., Favetto, A., Martinelli, P., Cernadas, D., “Electrical imaging of an alluvial aquifer at the Antinaco-Los Colorados tectonic valley in the Sierras Pampeanas, Argentina”, J. Applied Geophysics, 41, 359-368, (1999). 7. Loke, M.H., “Electrical Imaging Surveys for Environmental and Engineering Studies, A practical guide to 2-D and 3-D surveys”, Penang – Malaysia, 1999.
