BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Saluran Terbuka 2.1.1. Aliran Pada Saluran Terbuka Aliran air dalam suatu saluran dapat berupa aliran saluran terbuka (open channel flow) maupun aliran-pipa (pipe flow). Kedua jenis aliran tersebut sama dalam banyak hal, namun berbeda dalam satu hal yang penting. Aliran saluran terbuka harus memiliki permukaan bebas (Gambar 2.1), sedangkan aliran pipa tidak demikian, karena air harus mengisi seluruh saluran (Gambar 2.2). 1 V1² 2g
y1
2 Garis energi
hf
Permu kaan a ir
V2² 2g
V1
Dasar
V2
y2
salura n
z1 Garis persamaan
Gambar 2.1 Aliran Saluran Terbuka
6
z2
7
1
2
V1² 2g
hf
Garis energi Garis deraja t hidro lik
V2² 2g
y1 V1
y2
Garis tengah pipa
V2
z1 Garis persamaan
z2
Gambar 2.2 Aliran Pipa Pada gambar 2.2 aliran pipa, dua tabung pizometer dipasangkan ke pipa pada penampang 1 dan 2. Permukaan air dalam tabung diatur dengan tekanan dalam pipa pada ketinggian yang disebut garis derajat hidrolik. Tekanan yang ditimbulkan oleh air pada setiap penampang pipa ditunjukkan dalam tabung yang bersesuaian dengan kolom air setinggi y diatas garis tengah pipa. Jumlah energi dalam aliran di penampang berdasarkan suatu garis persamaan adalah jumlah tinggi tempat z diukur dari garis tengah pipa, tinggi tekan y dan tinggi kecepatan V2/2g, dengan V adalah kecepatan rata-rata aliran. Energi ini dinyatakan dalam gambar dengan suatu garis derajat energi atau disingkat garis energi. Energi yang hilang ketika air mengalir dari penampang 1 ke penampang 2 dinyatakan dengan hf. Bagan yang serupa untuk aliran saluran terbuka diperlihatkan dalam gambar 2.1 aliran terbuka.
8 Energi yang terdapat pada aliran saluran terbuka dan aliran pipa diatas dapat dinyatakan dalam persamaan yaitu : z 1 + y1 +
V2 V12 = z 1 + y1 + 1 + h f 2g 2g
pers (2.1)
Persamaan diatas dikenal juga sebagai persamaan energi (energi equation) atau dapat disebut juga sebagai persamaan energi dari Bernoulli. Aliran pada saluran terbuka dapat diklasifikasikan menjadi berbagai tipe tergantung kriteria yang digunakan. Berdasarkan perubahan kedalaman dan/atau kecepatan mengikuti fungsi waktu, maka aliran dibedakan menjadi permanen (steady) dan tidak permanen (unsteady). Sedangkan berdasarkan fungsi, maka aliran dibedakan menjadi aliran seragam (uniform) dan tidak seragam/berubah (nonuniform or varied). Klasifikasi aliran pada saluran terbuka dapat dilihat pada gambar 2.3. Aliran (flow)
Aliran Permanen (steady)
Seragam (uniform)
Aliran tak Permanen (unsteady)
Berubah (varied)
Berubah Lambat Laun (gradually)
Seragam (uniform)
Berubah Tiba-Tiba (rapidly)
Fungsi Waktu
Fungsi Ruang
Berubah (varied)
Berubah Lambat Laun (gradually)
Berubah Tiba-Tiba (rapidly)
Gambar 2.3 Klasifikasi Aliran Pada Saluran Terbuka
9 a. Aliran Permanen dan Tidak Permanen Jika kecepatan aliran pada suatu titik tidak berubah terhadap waktu, maka aliran 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). b. Aliran Seragam dan Berubah Jika kecepatan aliran pada suatu waktu tertentu tidak berubah sepanjang saluran yang di tinjau, maka alirannya disebut aliran seragam (uniform flow). Namun, jika kecepatan aliran pada saat tertentu berubah terhadap jarak, maka aliran disebut aliran tidak seragam/berubah (nonuniform flow or varied flow). Berdasarkan laju perubahan kecepatan terhadap jarak, maka aliran dapat diklasifikasikan menjadi aliran berubah lambat laun (gradually varied flow) atau aliran berubah tiba-tiba (rapidly varied flow). c. Aliran Laminer dan Turbulen Jika partikel zat cair yang bergerak mengikuti alur tertentu dan aliran tampak seperti gerakan serat-serat atau lapisan-lapisan tipis yang paralel, maka alirannya disebut aliran laminer. Sebaliknya, jika partikel zat cair bergerak mengikuti alur yang tidak beraturan, baik ditinjau terhadap ruang maupun waktu, maka alirannya disebut aliran turbulen.
10 Faktor yang menentukan keadaan aliran adalah pengaruh relatif antara kekentalan (viskositas) dan gaya inersia. Jika gaya viskositas yang dominan, maka alirannya laminer, sedangkan jika gaya inersia yang dominan, maka aliran turbulen. Nisbah antara gaya kekentalan dan inersia dinyatakan dalam bilangan Reynold (Rey), yang didefinisikan seperti rumus berikut :
Rey =
V×L v
pers (2.2)
dimana : Rey
= bilangan Reynold
V
= kecepatan aliran (m/det),
L
= panjang karakteristik (m) pada saluran muka air bebas, L = R,
R
= jari-jari hidrolik saluran (m),
v
= kekentalan kinematik (m2/det).
Batas peralihan antara aliran laminer dan turbulen pada aliran bebas terjadi pada bilangan Reynold, Rey ± 600, yang dihitung berdasarkan jari-jari hidrolik sebagai panjang karakteristik. Dalam kehidupan sehari-hari, aliran laminer pada saluran terbuka sangat jarang ditemui. Aliran jenis ini mungkin dapat terjadi pada aliran yang kedalaman sangat tipis diatas permukaan gelas sangat halus dengan kecepatan yang sangat kecil.
11 d. Aliran Subkritis, Kritis dan Superkritis Aliran dikatakan kritis (Fr = 1) apabila kecepatan aliran sama dengan kecepatan gelombang gravitasi dengan amplitudo kecil. Gelombang gravitasi dapat dibangkitkan dengan merubah kedalaman. Jika kecepatan aliran lebih kecil dari pada kecepatan kritis, maka alirannya disebut subkritis (Fr < 1), sedangkan jika kecepatannya alirannya lebih besar dari pada kecepatan kritis, maka alirannya disebut superkritis (Fr > 1). Parameter yang menentukan ketiga jenis aliran tersebut adalah nisbah antara gaya gravitasi dan gaya inersia, yang dinyatakan dengan bilangan Froude (Fr). Bilangan Froude untuk saluran berbentuk persegi didefinisikan sebagai : Fr =
V g×h
dimana : Fr = bilangan Froude V = kecepatan aliran (m/dt), h = kedalaman aliran (m), g = percepatan gravitasi (m2/dt).
pers (2.3)
12
2.1.2. Aliran Permanen Seragam a. Kualifikasi Aliran Seragam
Aliran seragam (uniform flow) dianggap memiliki ciri-ciri pokok yaitu : 1. Kedalaman, luas basah, kecepatan dan debit pada setiap penampang pada bagian seluran yang lurus adalah konstan, 2. Garis energi, muka air dan dasar saluran saling sejajar, berarti kemiringannya sama atau Sf = Sw = So = S. Aliran seragam dianggap sebagai suatu aliran permanen (steady flow). Aliran dalam saluran terbuka dikatakan permanen (steady) bila kedalaman aliran tidak berubah atau dianggap konstan selama suatu selang waktu tertentu. Bila air mengalir dalam saluran terbuka, air akan mengalami hambatan saat mengalir ke hilir. Hambatan ini biasanya dilawan oleh komponen gaya berat yang bekerja dalam air dalam arah geraknya. Aliran seragam akan terjadi bila hambatan ini seimbang dengan gaya berat. Besarnya tahanan bila faktor-faktor lain dari saluran dianggap tidak berubah, tergantung pada kecepatan aliran. Bila air memasuki saluran secara perlahan, kecepatan mengecil dan oleh karenanya hambatannya juga mengecil, dan hambatan lebih kecil dari gaya berat sehingga terjadi aliran percepatan di bagian yang lurus disebelah hulu.
13 Kecepatan dan hambatan akan meningkatkan lambat laun sampai terjadi keseimbangan antara hambatan dengan gaya-gaya berat. Pada keadaan ini dan selanjutnya aliran menjadi seragam. Bagian lurus di hulu yang diperlukan untuk membentuk aliran seragam dikenal sebagai zona peralihan (transitory zone). Dalam zona ini aliran dipercepat dan berubah. Bila saluran lebih pendek daripada panjang peralihan yang diperlukan untuk kondisi yang ditetapkan, maka tidak dapat terjadi aliran seragam. Pada bagian hilir saluran, hambatan mungkin akan terjadi lebih kecil dari gaya berat, sehingga aliran menjadi tidak seragam lagi atau berubah. Untuk menjelaskan hal ini, diperlihatkan suatu saluran panjang dengan tiga jenis kemiringan; subkritis, kritis dan superkritis (Gambar 2.4). Pada kemiringan subkritis (Gambar 2.4.(a)) permukaan air di zona peralihan tampak bergelombang. Aliran dibagian tengah saluran bersifat seragam namum kedua ujungnya bersifat berubah. Pada kemiringan kritis (Gambar 2.4.(b)) permukaan air dari aliran kritis ini tidak stabil. Dibagian tengah dapat terjadi gelombang tetapi kedalaman rata-ratanya konstan dan alirannya dapat dianggap seragam. Pada kemiringan subkritis (Gambar 2.4.(c)) permukaan air beralih dari keadaan subkritis menjadi superkritis setelah melalui terjunan hidrolik lambat laun. Di hilir zona peralihan aliran mendekati seragam. Kedalaman aliran seragam disebut kedalaman normal (normal depth). Pada gambar 2.4 tersebut, garis panjang terputusputus menyatakan garis kedalaman normal, disingkat dengan G.K.N.,
14 dan garis pendek terputus-putus atau garis titik-titik menyatakan garis kedalaman kritis atau G.K.K. Aliran Berubah Zona Peralihan
Aliran Seragam
Aliran Berubah Zona Peralihan
G.K.N G.K.K Kemiringan su bkritis So <
Sc
(a) Aliran Berubah Zona Peralihan
Dapat dianggap Aliran Seragam
G.K.N & G.K.K
Kemirin ga
n kritis
So = Sc
(b) Aliran Berubah Zona Peralihan
Aliran Seragam
G.K.K G.K.N Kemi ringa n
super kritis So > Sc
(c) Gambar 2.4. Pembentukan Aliran Seragam Pada Saluran
15 b. Kecepatan Rata-Rata Aliran Seragam
Untuk perhitungan hidrolika, kecepatan rata-rata aliran seragam dalam saluran terbuka biasanya dinyatakan dengan perkiraan yang dikenal dengan rumus aliran seragam (uniform flow formula). Sebagian besar rumus-rumus aliran seragam dapat dinyatakan dalam bentuk umum sebagai berikut : V = C Rx Sy
pers (2.4)
dimana : V = kecepatan rata-rata (m/det), C = faktor tahanan aliran yang bervariasi menurut kekasaran saluran, kekentalan dan berbagai faktor lainnya, R = jari-jari hidrolik (m), S = kemiringan energi/saluran, x,y = eksponen. Rumus aliran seragam yang baik untuk saluran aluvial dengan pengangkutan dan aliran turbulen harus memperhitungkan semua besaran-besaran berikut ini : •
Luas basah (A)
•
Kecepatan rata-rata (V)
•
Kecepatan permukaan yang maksimum (Vmaks)
•
Keliling basah (P)
•
Jari-jari hidrolis (R)
•
Kedalaman luas basah maksimum (y)
16 •
Kemiringan muka air (Sw)
•
Koefisien yang menyatakan kekasaran saluran (n)
•
Muatan sedimen yang melayang (Qs)
•
Muatan dasar (Qb) Banyak sekali rumus-rumus praktis mengenai aliran seragam
yang telah dibuat dan dipublikasikan tetapi tidak satupun dari rumusrumus tersebut memenuhi persyaratan rumus yang baik. Rumus yang paling terkenal dan banyak dipakai adalah rumus Manning. c. Rumus Manning
Pada tahun 1889 seorang insinyur Irlandia, Robert Manning mengemukakan sebuah rumus yang akhirnya diperbaiki menjadi rumus yang sangat dikenal sebagai. V=
1 2 3 12 R S n
pers (2.5)
dimana : V = kecepatan rata-rata (m/dt), R = jari-jari hidrolik (m), S = kemiringan saluran, n = kekasaran dari Manning. Rumus ini dikembangkan dari tujuh rumus yang berbeda, berdasarkan data percobaan Bazin yang selanjutnya dicocokkan dengan 170 percobaan. Akibat sederhananya rumus ini dan hasilnya yang memuaskan dalam pemakaian praktis, rumus Manning menjadi sangat banyak dipakai dibandingkan dengan rumus aliran seragam
17 lainnya untuk menghitung aliran saluran terbuka. Nilai-nilai n dari Manning dapat dilihat pada Lampiran A. 2.2. Irigasi
Irigasi adalah suatu usaha penyediaan dan pengaturan air untuk menunjang pertanian, baik air permukaan (berasal dari saluran irigasi) maupun air tanah. Irigasi bertujuan untuk membantu para petani dalam mengolah lahan pertaniannya, terutama bagi para petani di pedesaan yang sering kekurangan air. 2.2.1. Saluran Irigasi
Saluran irigasi adalah saluran yang membawa atau mengalirkan air ke daerah irigasi. Saluran irigasi utama terbagi atas 3 jenis yaitu : a. Saluran primer Saluran primer adalah saluran yang membawa air dari jaringan utama ke saluran sekunder dan ke petak-petak tersier yang diairi. Petak tersier adalah kumpulan petak-petak kuarter, petak kuarter memiliki luas kurang lebih 8-15 ha. Sedangkan petak tersier memiliki luas antara 50-150 ha. b. Saluran sekunder Saluran sekunder adalah saluran yang membawa air dari saluran primer ke petak-petak tersier yang dilayani oleh saluran sekunder tersebut.
18 c. Saluran tersier Saluran tersier adalah saluran yang membawa air dari bangunan sadap tersier dari jaringan utama ke dalam petak tersier saluran kuarter. Saluran kuarter membawa air dari boks bagi kuarter melalui bangunan sadap tersier atau parit sawah ke sawah-sawah. 2.2.2. Kebutuhan Air Irigasi
Analisis kebutuhan air irigasi merupakan salah satu tahap penting yang diperlukan dalam perencanaan dan pengelolaan sistem irigasi. Kebutuhan air tanaman didefinisikan sebagai jumlah air yang dibutuhkan oleh tanaman pada suatu periode untuk dapat tumbuh dan produksi secara normal. Kebutuhan air nyata untuk areal usaha pertanian meliputi evapotranspirasi (ET), sejumlah air yang dibutuhkan untuk pengoperasian secara khusus seperti penyiapan lahan dan penggantian air, serta kehilangan selama pemakaian. Sehingga kebutuhan air dapat dirumuskan sebagai berikut (Sudjarwadi 1990): KAI = ET + KA + KK
pers (2.6)
dimana : KAI = kebutuhan air irigasi ET
= evapotranspirasi
KA
= kehilangan air
KK
= kebutuhan khusus
Untuk memenuhi kebutuhan air irigasi terdapat dua sumber utama. yaitu pemberian air irigasi (PAI) dan hujan efektif (HE). Disamping itu
19 terdapat sumber lain yang dapat dimanfaatkan adalah kelengasan yang ada di daerah perakaran serta kontribusi air bawah permukaan. Pemberian Air Irigasi dapat dipandang sebagai kebutuhan air dikurangi hujan efektif dan sumbangan air tanah. PAI = KAI -HE – KAT
pers (2.7)
dimana : PAI = pemberian air irigasi KAI = kebutuhan air HE = hujan efektif KAT = kontribusi air tanah 2.2.3. Kebutuhan Air Sawah Untuk Padi
Kebutuhan air di sawah untuk padi ditentukan oleh faktor-faktor berikut : 1. Penyiapan lahan 2. Penggunaan konsumtif 3. Perkolasi dan rembesan 4. Pergantian lapisan air 5. Curah hujan efektif Kebutuhan total air di sawah (GFR) mencakup faktor 1 sampai 4. Kebutuhan bersih air di sawah (NFR) juga memperhitungkan curah hujan efektif. Kebutuhan air di sawah dinyatakan dalam mm/hari atau l/dt.ha. Tidak disediakan kelonggaran untuk efisiensi irigasi di jaringan tersier dan
20 utama. Efisiensi juga dicakup dalam memperhitungkan kebutuhan pengambilan irigasi (m3/dt). 1. Penyiapan Lahan Untuk Padi
Kebutuhan air untuk penyiapan lahan umumnya menentukan kebutuhan maksimum air irigasi pada suatu proyek irigasi. Faktorfaktor penting yang menentukan besarnya kebutuhan air untuk penyiapan lahan adalah: a. Lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan pekerjaan penyiapan lahan. Faktor-faktor penting yang menentukan lamanya jangka waktu penyiapan lahan adalah: -
Tersedianya tenaga kerja dan ternak penghela atau traktor untuk menggarap tanah,
-
Perlu memperpendek jangka waktu tersebut agar tersedia cukup waktu untuk menanam padi sawah atau padi ladang kedua. Faktor-faktor tersebut saling berkaitan. Kondisi sosial
budaya yang ada di daerah penanaman padi akan mempengaruhi lamanya waktu yang diperlukan untuk penyiapan lahan. Untuk daerah-daerah proyek baru, jangka waktu penyiapan lahan akan ditetapkan berdasarkan kebiasaan yang berlaku di daerah-daerah di dekatnya. Sebagai pedoman diambil jangka waktu 1,5 bulan untuk menyelesaikan penyiapan lahan di seluruh petak tersier.
21 Bilamana untuk penyiapan lahan diperkirakan akan dipakai peralatan mesin secara luas, maka jangka waktu penyiapan lahan akan diambil satu bulan. Perlu diingat bahwa transplantasi (pemindahan bibit ke sawah) mungkin sudah dimulai setelah 3 sampai 4 minggu di beberapa bagian petak tersier dimana pengolahan lahan sudah selesai. b. Jumlah air yang diperlukan untuk penyiapan lahan. Pada umumnya jumlah air yang dibutuhkan untuk penyiapan lahan dapat ditentukan berdasarkan kedalaman serta porositas tanah di sawah. Rumus berikut dipakai untuk memperkirakan kebutuhan air untuk penyiapan lahan: PWR =
(S
a
-S
b
) N ⋅ d + Pd + Fl
10 4
pers (2.8)
dimana : PWR = kebutuhan air untuk penyiapan lahan (mm), Sa
= derajat kejenuhan tanah setelah penyiapan lahan dimulai (%),
Sb
= derajat kejenuhan tanah sebelum penyiapan lahan dimulai (%),
N
= porositas tanah dalam % pada harga rata-rata untuk kedalaman tanah
d
= asumsi kedalaman tanah setelah pekerjaan penyiapan lahan (mm),
22 Pd
= kedalaman genangan setelah pekerjaan penyiapan lahan (mm),
Fl
= kehilangan air di sawah selama 1 hari (mm).
Untuk tanah bertekstur berat tanpa retak-retak kebutuhan air untuk penyiapan lahan diambil 200 mm ini termasuk air untuk penjenuhan dan pengolahan tanah. Pada permulaan transplantasi tidak akan ada lapisan air yang tersisa di sawah. Setelah transplantasi selesai, lapisan air di sawah akan ditambah 50 mm. secara keseluruhan, ini berarti bahwa lapisan air yang diperlukan akan menjadi 250 mm untuk penyiapan lahan dan untuk lapisan air awal setelah transplantasi selesai. Bila lahan telah dibiarkan bera selama jangka waktu yang lama (2,5 bulan atau lebih), maka lapisan air yang diperlukan untuk penyiapan lahan diambil 300 mm, termasuk yang 50 mm untuk penggenangan setelah transplantasi. c. Kebutuhan air selama penyiapan lahan. Untuk perhitungan kebutuhan irigasi selama penyiapan lahan, digunakan metode yang dikembangkan oleh van de Goor dan Zijlstra (1968). Metode tersebut didasarkan pada laju air konstan dalam 1/dt selama periode penyiapan lahan dan menghasilkan rumus berikut: IR =
M ek ek −1
(
)
pers (2.9)
23 dimana : IR = kebutuhan air irigasi di tingkat persawahan (mm/hari), M = kebutuhan
air
untuk
mengganti/mengkompensari
kehilangan air akibat evaporasi dan perkolasi di sawah yang sudah dijenuhkan M = Eo + p (mm/hari), Eo = evaporasi air terbuka yang diambil 1,1 ETo selama penyiapan lahan (mm/hari), p
= perkolasi (mm/hari),
k =
M×t , s
t
= jangka waktu penyiapan lahan (hari),
s
= kebutuhan air, untuk penjenuhan ditambah dengan lapisan air 50 mm, mm yakni 200 + 50 = 250 mm seperti yang sudah diterangkan di atas (mm),
e
= bilangan eksponensial : 2,7182.
2. Penggunaan Konsumtif
Penggunaan air untuk kebutuhan tanaman dapat didekati dengan menghitung evapotranspirasi tanaman, yang besarnya dipengaruhi oleh jenis
tanaman,
umur
tanaman
dan
faktor
klimatologi.
Nilai
evapotranspirasi merupakan jumlah dari evaporasi dan transpirasi. Yang dimaksud dengan evaporasi adalah proses perubahan molekul air di permukaan menjadi molekul air di atmosfir. Sedangkan transpirasi adalah proses fisiologis alamiah pada tanaman, dimana air yang dihisap
24 oleh akar diteruskan lewat tubuh tanaman dan diuapkan kembali melalui pucuk daun. Nilai evapotranspirasi dapat diperoleh dengan pengukuran di lapangan atau dengan rumus-rumus empiris. Untuk keperluan perhitungan kebutuhan air irigasi dibutuhkan nilai evapotranspirasi potensial (ETo) yaitu evapotranspirasi yang terjadi apabila tersedia cukup air. Kebutuhan air untuk tanaman adalah nilai ETo dikalikan dengan suatu koefisien tanaman. ETc = c x ETo
pers (2.10)
dimana : ETc = evapotranspirasi tanaman (mm/hari), ETo = evapotranspirasi tanaman acuan (mm/hari), c
= koefisien tanaman.
Kebutuhan air konsumtif ini dipengaruhi oleh jenis dan usia tanaman (tingkat pertumbuhan tanaman). Pada saat tanaman mulai tumbuh,
nilai
kebutuhan
air
konsumtif
meningkat
sesuai
pertumbuhannya dan mencapai maksimum pada saat pertumbuhan vegetasi maksimum. Setelah mencapai maksimum dan berlangsung beberapa saat menurut jenis tanaman, nilai kebutuhan air konsumtif akan menurun sejalan dengan pematangan biji. Pengaruh watak tanaman terhadap kebutuhan tersebut dengan faktor tanaman (c). Nilai koefisien pertumbuhan tanaman ini tergantung jenis tanaman yang ditanam. Untuk tanaman jenis yang sama juga berbeda menurut varietasnya. Sebagai contoh padi dengan varietas unggul masa
25 tumbuhnya lebih pendek dari padi varietas biasa. Pada Tabel 2.1 disajikan harga-harga koefisien tanaman padi dengan varietas unggul dan varitas biasa menurut Nedeco/Prosida dan FAO. Tabel 2.1 Harga-Harga Koefisien1) Tanaman Padi Nedeco/Prosida
FAO
Bulan
Varietas2) biasa
Varietas3) unggul
Varietas biasa
Varietas unggul
0,5
1,20
1,20
1,10
1,10
1
1,20
1,27
1,10
1,10
1,5
1,32
1,33
1,10
1,05
2
1,40
1,30
1,10
1,05
2,5
1,35
1,30
1,10
0,95
3
1,24
0
1,05
0
3,5
1,12
0,95
4)
4 0 0 Sumber: Dirjen Pengairan, Bina Program PSA 010, 1985 1) Harga-harga
koefisien
evapotranspirasi
Penman
ini
akan
yang
dipakai
sudah
dengan
rumus
dimodifikasi,
dengan
menggunakan metode yang diperkenalkan oleh Nedeco/Prosida atau FAO, 2) Varietas padi biasa adalah varietas padi yang mana tumbuhnya lama, 3) Varietas unggul adalah varietas padi yang jangka waktu tumbuhnya pendek, 4) Selama setengah bulan terakhir pemberian air irigasi ke sawah dihentikan; kemudian keofisien tanaman diambil “nol” dan padi akan menjadi masak dengan air yang tersedia
26 Yang dimaksud ETo, adalah evapotranspirasi tetapan yaitu laju evaportranspirasi dari suatu permukaan luas tanaman rumput hijau setinggi 8 sampai 15 cm yang menutup tanah dengan ketinggian seragam dan seluruh permukaan teduh tanpa suatu bagian yang menerima sinar secara langsung serta rumput masih tumbuh aktif tanpa kekurangan air. Evapotranspirasi tetapan disebut juga dengan evapotranspirasi referensi/keluar. Terdapat beberapa cara untuk menentukan evapotranspirasi tetapan, salah satunya seperti yang diusulkan oleh Kriteria Perencanaan Irigasi 1986 sebagai berikut : ETo = Kp . Epan
pers (2.11)
dimana : ETo = Evaporasi tetapan/tanaman acuan (mm/hari), Epan = Pembacaan panci Evaporasi, Kp
= koefisien panci.
3. Perkolasi
Laju perkolasi sangat bergantung kepada sifat-sifat tanah. Pada tanah-tanah lempung berat dengan karakteristik pengolahan (puddling) yang baik, laju perkolasi dapat mencapai 1-3 mm/hari. Pada tanahtanah yang lebih ringan; laju perkolasi bisa lebih tinggi Dari hasil-hasil penyelidikan tanah pertanian dan penyelidikan kelulusan, besarnya laju perkolasi serta tingkat kecocokan tanah untuk pengelohanan tanah dapat diterapkan dan dianjurkan pemakaiannya. Guna menentukan laju perkolasi, tinggai muka air tanah juga harus di
27 perhitungkan. Perembesan terjadi akibat meresapnya air melalui tanggul sawah. 4. Penggantian Lapisan Air
Setelah pemupukan, usahakan untuk menjadwalkan dan menganti lapisan air menurut kebutuhan. Jika tidak ada penjadwalan semacam itu, lakukan penggantian sebanyak 2 kali, masing-masing 50 mm (3,3 mm/hari selama setengah bulan) selama sebulan dan 2 bulan setelah transplantasi. 5. Curah Hujan Efektif
Untuk irigasi padi curah hujan efektif bulanan diambil 70% dari curah hujan minimum tengah-bulanan dengan periode ulang 5 tahun. Re = 0,7 ×
1 × R (setengah bulan) 5 15
pers (2.12)
dimana : Re
= curah hujan efektif (mm/hari),
R(setengah bulan)5 = curah hujan minimum tengah bulanan dengan periode ulang 5 tahun/mm. Di daerah-daerah yang besar dimana tersedia data-data curah hujan harian, harus dipertimbangkan untuk diadakan studi simulasi untuk menghasilkan criteria yang lebih terinci. 2.2.4. Kebutuhan Air Sawah Untuk Tanaman Selain Padi
Tanaman selain padi yang dibudidayakan oleh petani pada umumnya berupa palawija. Yang dimaksudkan dengan palawija adalah
28 berbagai jenis tanaman yang dapat ditanam di sawah pada musim kemarau ataupun pada saat kekurangan air. Lazimya tanaman palawija ditanam di lahan tegalan. Dari jumlah air yang dibutuhkan, palawija dapat dibedakan menjadi 3 (tiga) jenis, yaitu. a) palawija yang butuh banyak air, seperti bawang, kacang tanah, ketela, b) palawija yang butuh sedikit air, misalnya cabai, jagung, tembakau dan kedelai, c) palawija yang membutuhkan sangat sedikit air, misalnya ketimun dan lembayung. Maksud analisis kebutuhan air untuk tanaman palawija terutama untuk mengetahui luas lahan yang direncanakan untuk tanaman padi maupun palawija berkaitan dengan ketersedian air pada bangunan pengambilan sehingga kegagalan usaha pertanian dapat dihindari. Dengan kata lain hitungan kebutuhan air untuk palawija digunakan sebagai dasar untuk melakukan usaha pertanian sesuai dengan jumlah air yang tersedia. Pemberian air untuk palawija akan ekonomis jika sampai kapasitas lapang, lalu berhenti dan diberikan lagi sampai sebelum mencapai titik layu. Analisis kebutuhan air untuk tanaman palawija dihitung seperti untuk tanaman padi, namun ada dua hal yang membedakan, yaitu pada tanaman palawija tidak memerlukan genangan serta koefisien tanaman yang digunakan sesuai dengan jenis palawija yang ditanam.
29 a. Penyiapan Lahan
Masa prairigasi diperlukan guna menggarap lahan untuk ditanami dan untuk menciptakan kondisi kelembaban yang memadai untuk persemaian tanaman. Jumlah air yang dibutuhkan tergantung pada kondisi tanah dan pola tanam yang diterapkan. Kriteria Perencanaan Irigasi mengusulkan air untuk pengolahan lahan sejumlah 50 -120 mm untuk tanaman ladang dan 100 -120 mm untuk tanaman tebu, kecuali jika terdapat kondisi-kondisi khusus misalnya ada tanaman lain yang segera ditanam setelah tanaman padi b. Penggunaan Konsumtif
Untuk menentukan penggunaan konsumtif cara yang digunakan seperti pada tanaman padi hanya koefisien tanaman yang berbeda. Nilai koefisien beberapa jenis tanaman yang direkomendasikan oleh Kriteria Perencanaan Irigasi seperti terlihat pada Tabel 2.2. Sedangkan nilai koefisien tanaman tebu diperlihatkan pada Tabel 2.3.
30 Tabel 2.2 Harga-Harga Koefisien Tanaman Untuk Beberapa Palawija Setengah
Koefisien Tanaman
bulan ke
Kedelai
Jagung
Kac.Tanah
Bawang
Buncis
Kapas
1
0,50
0,50
0,50
0,50
0,50
0,50
2
0,75
0,59
0,51
0,51
0,64
0,50
3
1,00
0,96
0,66
0,69
0,89
0,58
4
1,00
1,05
0,85
0,90
0,95
0,75
5
0,82
1,02
0,95
0,95
0,88
0,91
6
0,45
0,95
0,95
-
-
1,04
7
-
-
0,55
-
-
1,05
8
-
-
0,55
-
-
1,05
9
-
-
-
-
-
1,05
10
-
-
-
-
-
0,78
11
-
-
-
-
-
0,65
12
-
-
-
-
-
0,65
13
-
-
-
-
-
0,65
Sumber : Kriteria Perencanaan Irigasi, KP-01 Tabel 2.3 Harga-Harga Koefisien Tanaman Untuk Tebu Umur Tanaman
RH < 70% min Tahap Pertumbuhan
RH < 20% Min
Angin kecil s/d sedang
Angin kencang
Angin kecil s/d sedang
Angin kencang
saat tanam sd 0,25 rimbun
0,55
0,6
0,4
0,45
2,5 -3,5
0,25 -0,5 rimbun
0,8
0,85
0,75
0,8
2 -2,5
3,5 -4,5
0,5 -0,75 rimbun
0,9
0,95
0,95
1,0
2,5 -4
4,5 -6
0,75 – rimbun
1,0
1,1
1,1
1,2
4 -10
6 -17
Penggunaan air puncak
1,05
1,15
1,25
1,3
10 -11
17 -22
Awal berbunga
0,8
0,85
0,95
1,05
11 -12
22 -24
Menjadi masak
0,6
0,65
0,7
0,75
12 bulan
24 bulan
0 -1
0 -2,5
1-2
Sumber : Kriteria Perencanaan Irigasi, KP – 01
31
2.2.5. Debit Rencana
Debit rencana adalah debit yang akan digunakan sebagai debit saluran dalam perancangan saluran. Besaran debit rencana dipengaruhi oleh kebutuhan bersih air sawah, luas area yang diairi dan efisiensi irigasi saluran. Debit rencana sebuah saluran dihitung dengan rumus umum sebagai berikut : Q rencana =
NFR A petak
Q rencana =
Q petak
E
E
pers (2.13)
pers (2.14)
dimana : Qrencana = debit rencana (l/dt), Qpetak
= debit petak (l/dt),
NFR
= kebutuhan bersih (netto) air sawah (m.l/t.ha),
Apetak
= luas daerah yang diairi (ha),
E
= efisiensi saluran.
a. Kebutuhan air di sawah
Kebutuhan air di sawah ditentukan oleh faktor-faktor berikut: •
Cara penyiapan lahan,
•
Kebutuhan air untuk tanam,
•
Perkolasi dan rembesan,
•
Pergantian lapisan air,
•
Curah hujan efektif.
32 Kebutuhan total air di sawah (GFR) mencakup faktor 1 sampai 4. Kebutuhan bersih (netto) air di sawah (NFR) juga memperhitungkan curah hujan efektif. Besarnya kebutuhan air di sawah bervariasi menurut tahap dan pertumbuhan tanaman dan bergantung kepada cara pengolahan lahan. Besarnya kebutuhan air di sawah dinyatakan dalam mm/hari. b. Efisiensi
Untuk tujuan-tujuan perencanaan, dianggap bahwa seperempat sampai sepertiga dari jumlah air yang diambil akan hilang sebelum air itu sampai di sawah. Kehilangan air disebabkan oleh kegiatan eksploitasi, evaporasi, dan perembesan. Pada umumnya kehilangan air di jaringan irigasi dapat dibagibagi sebagai berikut : •
15 - 22,5% dipetak tersier, antara bangunan sadap tersier dan sawah,
•
7,5 – 12,5% di saluran sekunder,
•
7,5 – 12,5% di saluran primer.
2.3. Perancangan Saluran Untuk Aliran Seragam 2.3.1. Geometri Saluran
Penampang saluran terbagi atas dua, yang pertama adalah penampang saluran alam dan kedua adalah saluran penampang buatan. Penampang saluran alam umumnya sangat tidak beraturan, biasanya
33 bervariasi dari bentuk seperti parabola sampai trapesium. Sedangkan penampang saluran buatan biasanya di rancang berdasarkan geometris yang umum seperti persegi panjang, trapesium, segitiga, lingkaran, parabola, persegi panjang sisi dibulatkan dan segitiga dasar dibulatkan. Penampang yang paling umum digunakan adalah penampang yang berbentuk trapesium, sebab penampang ini mempunyai stabilitas kemiringan dinding yang dapat disesuaikan untuk saluran pasangan ataupun saluran tanpa pasangan (tanah). Dibawah ini adalah unsur-unsur geometris untuk penampang saluran berbentuk trapesium. T w 1
y
z P b
Gambar 2.5 Unsur geometris penampang saluran berbentuk trapesium Q = V×A
pers (2.15)
1 2 3 12 R S A n
pers (2.16)
A = ( b + zy ) y
pers (2.17)
2 P = b + 2y 1 + z
pers (2.18)
Q =
R =
(b + zy) y A = P b + 2y 1 + z 2
T = b + 2zy
pers (2.19)
pers (2.20)
34
D =
Z =
A (b + zy) y = b + 2zy T A1,5 T
=
[(b + zy) y]1,5 b + 2zy
pers (2.21)
pers (2.22)
dimana : Q = debit saluran (m3/det), V = kecepatan rata-rata (m/det), A = luas penampang melintang (m2), P = keliling basah (m), R = jari-jari hidrolik (m), T = lebar puncak (m), D = kedalaman hidrolik (m), Z = faktor penampang, b = lebar dasar (m), y = tinggi air/tinggi saluran (m) z
= kemiringan talut,
w = tinggi jagaan (m). 2.3.2. Saluran Tahan Erosi
Sebagian besar saluran yang diberi lapisan dan saluran yang bahanbahannya merupakan hasil rakitan pabrik dapat menahan erosi dengan baik, sehingga dianggap tahan erosi (nonerodible). Saluran tanpa lapisan biasanya peka erosi, kecuali digali pada dasar yang keras misalnya dasar yang terbuat dari batu. Dalam merancang saluran tahan erosi, faktor-faktor
35 seperti kecepatan maksimum yang diizinkan dan gaya tarik yang diizinkan tidak perlu dipertimbangkan. Perancang cukup menghitung ukuran-ukuran saluran dengan rumus aliran seragam, kemudian memutuskan ukuran akhir berdasarkan efisiensi hidrolika, atau hukum pendekatan untuk penampang terbaik, praktis dan ekonomis. Faktor-faktor yang harus dipertimbangkan dalam perancangan adalah jenis bahan yang membentuk tubuh saluran; yang menentukan koefisien kekasaran; kecepatan minimum yang diizinkan untuk mencegah pengendapan bila air mengangkut lanau (silt) atau serpihan kasar lainnya; kemiringan dasar saluran dan kemiringan dinding; jagaan (freeboard); dan penampang yang paling efisien, ditentukan secara hidrolika maupun secara pendekatan. 2.3.3. Kecepatan Maksimum yang Diizinkan
Kecepatan maksimum yand diizinkan adalah kecepatan aliran (ratarata) maksimum yang tidak akan menyebabkan erosi/gerusan terhadap permukaan saluran. Kecepatan-kecepatan maksimum berikut ini dianjurkan pemakaiannya dapat dilihat pada tabel 2.4 dibawah ini. Tabel 2.4 Kecepatan Maksimum yang Diizinkan Kecepatan Maksimum (m/dt) Pasangan batu 2 Pasangan beton 3 Dapat dilihat pada Pasangan Tanah Lampiran B Sumber : Standar Perencanaan Irigasi : KP-03 Pasangan
36 2.3.4. Kecepatan Minimum yang Diizinkan
Kecepatan minimum yang diizinkan atau kecepatan tanpa pengendapan merupakan kecepatan terendah yang tidak menimbulkan sedimentasi dan mendorong pertumbuhan tanaman air dan ganggang. Kecepatan ini sangat tidak menentu dan nilainya yang tepat tidak dapat ditentukan dengan mudah. Bagi air yang tidak mengandung lanau, hal ini tidak membawa pengaruh besar kecuali terhadap pertumbuhan tanaman. Umumnya dapat dikatakan bahwa kecepatan rata-rata 0,5 m/dt sampai 1 m/dt dapat digunakan bila persentase lanau ditunjukkan dalam saluran kecil dari 0,75 m/dt dapat mencegah pertumbuhan tanaman air yang dapat mengurangi kapasitas saluran tersebut. 2.3.5. Kemiringan Saluran
Kemiringan memanjang dasar saluran biasanya diatur oleh keadaaan topografi dan tinggi energi yang diperlukan untuk mengalirkan air. Dalam berbagai hal, kemiringan ini dapat pula tergantung pada kegunaan saluran. Misalnya saluran yang digunakan sebagai distribusi air seperti yang dipakai dalam irigasi, persediaan air minum, penambangan hidrolika dan proyek pembangkit dengan tenaga air, memerlukan taraf yang tinggi pada titik penghantar, sebab itu diusahakan kemiringan yang sekecilkecilnya untuk menjaga agar kehilangan tinggi tekan akan sekecil-kecilnya. Kemiringan dinding saluran terutama tergantung pada jenis bahannya. Tabel 2.5 memuat kemiringan yang dapat dipakai untuk berbagai jenis bahan.
37 Tabel 2.5 Kemiringan Dinding Saluran Bahan
Batu Tanah gambut (peat), rawang (muck) Lempung teguh atau tanah berlapis beton Tanah berlapis batu, atau tanah bagi saluran yang lebar Lempung kaku atau tanah bagi parit kecil Tanah berpasir lepas Lempung berpasir atau lempung berpori Sumber : Open-Channel Hydraulics(Chow, Ven Te)
Kemiringan dinding Hampir tegak lurus 1:¼ 1 : ½ sampai 1 : 1
1:1 1 : 1½ 1:2 1:3
2.3.6. Tinggi Jagaan
Tinggi jagaan suatu saluran adalah jarak vertikal dari puncak saluran ke permukaan air pada kondisi rancang. Jarak ini harus cukup mencegah gelombang atau kenaikan muka air yang melimpah ke tepi. Tinggi jagaan minimum dapat dilihat pada tabel 2.6. Tabel 2.6 Tinggi Jagaan Debit Tinggi Jagaan (m3/dt) (m) < 0,5 0,40 0,5 – 1,5 0,50 1,5 – 5,0 0,60 5,0 – 10,0 0,75 10,0 – 15,0 0,85 > 15,0 1,00 Sumber : Standar Perencanaan Irigasi : KP-03 2.3.7. Penampang Hidrolik Terbaik
Telah diketahui bahwa hantaran suatu penampang saluran akan meningkat sesuai dengan peningkatan jari-jari hidrolik atau berkurangnya keliling basah. Dari segi pandangan hidrolika maka penampang saluran
38 yang memiliki basah terkecil akan memiliki hantaran maksimum; penampang seperti ini disebut penampang hidrolik terbaik. Penampang
hidrolik
terbaik
juga
dapat
diartikan
sebagai
penampang 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 jika kecepatan aliran maksimum. Dari rumus Manning dapat dilihat bahwa untuk kemiringan saluran dan kekasaran tetap, kecepatan maksimum dicapai jika jari-jari hidrolik (R) maksimum. Selanjutnya, untuk luas penampang tetap, jari-jari hidrolik maksimum jika keliling basah (P) minimum. Dari penjelasan rumus Manning diatas, persamaan dapat ditulis A = min maka R = max →
A bilamana P → minimum P
Dari hal tersebut dapat ditunjukkan bahwa persoalannya ekivalen dengan melakukan minimizing untuk suatu harga A yang konstan. A = ( b + zy ) y
pers (2.17)
= by + zy2
pers (2.23)
P = b + 2y 1+ z 2
pers (2.18)
b = P - 2y 1 + z 2
pers (2.24)
Nilai b pada pers (2.24) dapat disubtitusi ke nilai A pada pers (2.23), menjadi :
(
)
A = P − 2 y 1 + z 2 y + zy 2
39
P =
A + 2 y 1 + z 2 − zy y
P minimum bilamana
pers (2.25)
dP =0 dy
)
(
dP A = − 2 + 2 1+ z2 − z = 0 dy y
(
)
(
)
A = 2 1+ z2 − z y2 A = 2 1 + z 2 y 2 − zy 2
pers (2.26)
Nilai A pada pers (2.26) merupakan disubtitusikan nilai P ke pers (2.25) akan menghasilkan persamaan sebagai berikut :
(2 1 + z )y 2
P =
2
+ 2 y 1 + z 2 − zy
y
)
(
)
(
− zy 2
(
)
= 2 1 + z 2 y − zy + 2 y 1 + z 2 − zy
)
(
= 2 2 y 1 + z 2 − 2zy
(
)
= 4 y 1 + z 2 − 2zy
pers (2.27)
Nilai A pada pers (2.26) dan nilai P pada pers (2.27) merupakan luas penampang dan keliling basah untuk penampang hidrolik terbaik. Nilai A dan P dapat disubtitusikan ke persamaan geometris lain untuk mendapatkan unsur geometris penampang hidrolis terbaik pada penampang berbentuk trapesium. Unsur-unsur geometris penampang hidrolis terbaik untuk penampang saluran berbentuk trapesium dapat dilihat pada tabel 2.7.
40 Tabel 2.7 Unsur-unsur Geometris Penampang Hidrolis Terbaik Untuk Penampang Saluran Berbentuk Trapesium Unsur Geometris Debit saluran (Q)
Kecepatan rata-rata (V)
Luas penampang (A) Keliling basah (P) Jari-jari hidrolik (R) Lebar puncak (T) Kedalaman hidrolik (D)
Faktor penampang (Z)
Persamaan
)
( (
2 ⎧ ⎫ 3 1 ⎪ ⎪⎛ 1 ⎞ ⎡ 2 1 + z 2 y 2 − zy 2 ⎤ 2 2 2 2 Q = ⎨⎜ ⎟ ⎢ ⎥ (S) ⎬ × 2 1 + z y − zy 2 ⎪⎝ n ⎠ ⎢⎣ 4 y 1 + z − 2zy ⎥⎦ ⎪ ⎩ ⎭
)
( (
{(
)
2 2 2 ⎛ 1 ⎞ ⎡ 2 1 + z y − zy ⎤ V = ⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎝ n ⎠ ⎣⎢ 4 y 1 + z 2 − 2zy ⎦⎥
2
3
)
)
}
(S) 12
)
(
A = 2 1 + z 2 y 2 − zy 2
) ( (2 1 + z )y − zy R= (4y 1 + z )− 2zy T = (4 y 1 + z ) − (2 y 1 + z ) (2 1 + z )y − zy D= (4y 1 + z )− (2y 1 + z ) [(2 1 + z )y − zy ] Z= (4y 1 + z )− (2y 1 + z ) P = 4 y 1 + z 2 − 2zy 2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1, 5
2
2.4. Metode Numerik
Metode numerik adalah teknik dimana masalah matematik diformulasikan sedemikian rupa sehingga dapat diselesaikan oleh pengoperasian aritmatika. Metode-metode yang dapat sering digunakan dalam penyelesain masalah dalam analisa numerik antara lain metode langsung, metode grafik, metode bagidua, metode Newton-Raphson dan metode Secant. Dalam penelitian ini, digunakan
41 metode bagidua dalam penyelesain masalah matematik dalam perhitungan penampang saluran ekonomis. Metode Bagidua (biseksi) disebut juga pemotongan biner (binary chopping), pembagian 2 (interval halving) atau metode Bolzano. Metode Bagidua
adalah suatu jenis pencarian inkremental dimana interval senantiasa dibagi separuhnya. Kalau suatu fungsi berubah tanda sepanjang interval, harga fungsi ditengahnya di evaluasi. Letak akarnya kemudian ditentukan ada ditengah-tengah subinterval dimana perubahan tanda terjadi. Proses ini diulang untuk memperoleh taksiran yang diperhalus. Langkah-langkah penyelesain masalah matematik dalam metode Bagidua yaitu : •
Langkah 1 : Memilih taksiran terendah (xi) dan tertinggi (xu) untuk akar fungsi berubah tanda sepanjang interval. Ini dapat diperiksa dengan : f(xi) f(xu) < 0.
•
Langkah 2 : Taksiran pertama akar xr ditentukan oleh : xr =
•
xi + xu 2
Langkah 3 : Buat evaluasi yang berikut untuk menentukan subinterval, di dalam mana akar terletak : o Jika f(xi) f(xr) < 0, akar terletak pada subinterval pertama, maka xu = xr,
dan lanjutkan ke step 2, o Jika f(xi) f(xr) > 0, akar terletak pada subinterval kedua, maka xi = xr,
dan lanjutkan ke step 2, o Jika f(xi) f(xr) = 0, akar = xr, komputasi selesai.
