BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Daerah Aliran Sungai (DAS) adalah suatu wilayah daratan yang dibatasi
oleh pemisah topografis yang berfungsi untuk menampung, menyimpan, mengalirkan dan selanjutnya mengalirkan seluruh air hujan yang jatuh di atasnya menuju ke sistem sungai terdekat dan pada akhirnya bermuara ke waduk, danau atau ke laut (Seyhan, 1990). DAS juga merupakan suatu sistem hidrologi yang di dalamnya terdapat parameter-parameter biotik (vegetasi dan manusia) dan abiotik (karakteristik fisik) yang saling berkaitan. Proses hidrologi DAS secara sederhana digambarkan dengan hubungan antara masukan berupa hujan, proses dan keluaran berupa aliran. Aliran air di sungai merupakan hasil dari beberapa proses hujan-aliran dalam DAS dan dikenal sebagai hasil siklus hidrologi DAS. Respon hidrologi DAS dengan hujan sebagai masukan menyangkut hasil air dalam siklus hidrologi DAS. Hujan yang jatuh pada permukaan tanah akan terdistribusi menjadi air infiltrasi dan aliran permukaan. Hasil aliran sungai dipengaruhi oleh kondisi iklim, morfometri dan karakteristik tutupan vegetasi DAS. Proses alih ragam hujan menjadi aliran sungai merupakan proses alamiah yang sangat kompleks yang dipengaruhi oleh beberapa faktor. Menurut Chow (1964 dalam Sudibyakto, 1991) terdapat dua faktor utama yang mempengaruhi debit aliran sungai yaitu faktor iklim dan faktor fisiografi. Faktor iklim menyangkut hubungan antara hujan dan evapotranspirasi. Faktor fisiografi menyangkut karakteristik sungai dan karakteristik DAS. Karakteristik sungai meliputi bentuk dan ukuran penampang sungai, kemiringan sungai, kekasaran dasar sungai dan panjang sungai. Karakteristik DAS meliputi faktor geometri berupa morfometri DAS dan faktor fisik berupa karakteristik tutupan lahan, tanah dan kondisi geologi.
1
Volume dan laju aliran permukan pada suatu DAS bergantung pada sifat meteorologi dan karakteristik DAS, serta pendugaan aliran memerlukan indeks yang mewakili faktor-faktor tersebut (Arsyad, 2010). Curah hujan merupakan sifat meteorologi yang penting dalam menentukan debit aliran sungai. Namun, karakteristik penggunaan lahan dan tanah merupakan sifat-sifat fisik DAS yang mempunyai pengaruh penting dalam menentukan aliran. Penggunaan lahan mempunyai pengaruh cukup dominan terhadap proses hujan-aliran DAS bersama dengan kondisi hidrologi tanah dan tingkat kelengasan yang dinyatakan dalam suatu indeks berupa Curve Number (CN). Penelitian ini dilakukan di Sub DAS Wuryantoro yang berada di Kabupaten Wonogiri, Provinsi Jawa Tengah. Sub DAS Wuryantoro merupakan bagian dari DAS Solo hulu dan memiliki peran penting karena sebagai daerah tangkapan air (DTA atau catchment area) dari waduk Wonogiri. Menuruk SK Menhutbun Nomor 284 Tahun 1999, DAS Solo hulu merupakan salah satu DAS dalam kondisi kritis karena erosi, sedimentasi besar, tekanan penduduk besar dan rawan banjir. Ekosistem DAS hulu merupakan bagian yang penting karena mempunyai fungsi perlindungan terhadap seluruh bagian DAS. Fungsi perlindungan tersebut menyangkut fungsi tata air termasuk dalam bentuk fluktuasi debit di bagian hilirnya, sehingga seringkali daerah hulu menjadi fokus perencanaan dalam pengelolaan DAS. Debit aliran sangat diperlukan untuk mengetahui potensi sumberdaya air dalam suatu DAS. Debit aliran hasil proses hujan-aliran terjadi ketika seluruh aliran permukaan dalam DAS mencapai titik outlet. Pengukuran debit aliran tersebut dapat diamati pada outlet. Akan tetapi, tidak semua DAS mempunyai data aliran dari stasiun pengamat hidrologi sehingga memerlukan model hidrologi untuk menentukan informasi debit aliran. Berbagai model telah dikembangkan untuk menirukan sistem DAS yang kompleks dengan membuat penyederhanaan. Selain itu, asumsi tersebut harus dipenuhi agar data masukan dan keluaran dari model diharapkan sesuai untuk sistem DAS yang sesungguhnya.
2
Model HEC-HMS merupakan model hidrologi yang menerangkan proses alih ragam hujan menjadi aliran dalam suatu DAS. HEC-HMS dirancang untuk mensimulasikan aliran sebagai keluaran DAS dari hujan dan karakteristik DAS sebagai komponen masukannya. HEC-HMS dapat menunjukkan besar debit aliran berupa hidrograf model pada outlet DAS dalam kurun waktu tertentu. Dengan model hidrologi, kajian hujan-aliran dapat dijadikan sebagai alat untuk memonitor dan mengevaluasi kondisi hidrologi DAS melalui masukan berupa hujan dan karakteristik DAS yang dikaji. 1.2
Perumusan Masalah Hidrograf banjir aliran (flood hydrograph) merupakan salah satu cara yang
cukup baik untuk analisis hujan-aliran DAS. Hidrograf banjir merupakan respon menyeluruh suatu DAS terhadap masukan berupa hujan. Menurut Sene (2008) hidrograf banjir akan sangat berguna untuk mempelajari fluktuasi volume sungai dan waktu debit puncak. Dengan hidrograf banjir akan diperoleh hubungan antara hujan dengan debit aliran sungai dalam rentang waktu tertentu. Data aliran yang digunakan untuk menyatakan hidrograf banjir tidak semua tersedia pada setiap DAS, terutama untuk DAS tidak terukur. Hal ini diakibatkan oleh berbagai kesulitan pengumpulan data aliran dari stasiun pengamat hidrologi. Hambatan utama adalah biaya yang tidak memungkinkan pencatatan data aliran di semua DAS. Dengan alasan kelangkaan ketersediaan data tersebut, maka analisis kuantitatif dapat dilakukan dengan model hidrologi. HEC-HMS merupakan salah satu model hidrologi yang dapat digunakan untuk penentuan proses alih ragam hujan-aliran dalam sistem DAS. HEC-HMS dapat menunjukkan besar debit aliran sungai sebagai keluaran dari sistem DAS. HEC-HMS untuk perhitungan hujan-aliran pada suatu DAS berdasarkan besaran hujan dan karakteristik yang mempengaruhi DAS sebagai unsur masukan. Karakteristik DAS tersebut menyangkut aspek morfometri DAS, karakteristik penggunaan lahan dan kondisi tanah. Metode hujan-aliran model HEC-HMS dapat digunakan untuk menentukan hidrograf banjir model yang mendekati nilainilai hidrologis dari sistem DAS sebenarnya.
3
Berdasarkan uraian yang dijelaskan di atas, penelitian ini dapat ditentukan rumusan pertanyaan penelitian sebagai berikut: 1. Bagaimana karakteristik fisik DAS berupa nilai Curve Number (CN) sebagai pengaruh dari penggunaan lahan, kondisi hidrologi tanah dan kelengasan tanah? 2. Bagaimana karakteristik aliran (debit puncak, volume outflow dan waktu puncak) antara hasil hidrograf banjir model HEC-HMS dengan hidrograf banjir terukur? 1.3
Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Mengetahui karakteristik fisik DAS berupa nilai Curve Number (CN) sebagai pengaruh dari penggunaan lahan, kondisi hidrologi tanah dan kelengasan tanah. 2. Mengetahui karakteristik aliran (debit puncak, volume outflow dan waktu puncak) antara hasil hidrograf banjir model HEC-HMS dengan hidrograf banjir terukur.
1.4
Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan dapat berguna bagi aspek pengelolaan
sumberdaya air yang mempunyai kepentingan untuk berbagai aspek pembangunan secara umum dan khususnya pengembangan pengelolaan DAS. Manfaat bidang keilmuan penelitian ini diharapkan dapat memacu pengembangan ilmu hidrologi secara umum dan pengembangan analisis ilmu hidrologi lebih lanjut terutama mengenai metode atau pendekatan hujan-aliran model HEC-HMS. Selain itu, penelitian ini dapat diterapkan untuk analisis DAS lain atau pengembangan model dengan parameter lain dengan mengintegrasikan analisis matematis dan spasial.
4
1.5
Tinjauan Pustaka
1.5.1 Landasan Teori 1.5.1.1 Sistem Daerah Aliran Sungai (DAS) Pengertian DAS dalam Peraturan Pemerintah Nomor 37 Tahun 2012 adalah suatu wilayah daratan yang merupakan satu kesatuan dengan sungai dan anakanak sungainya, yang berfungsi menampung, menyimpan dan mengalirkan air yang berasal dari curah hujan ke danau atau ke laut secara alami, yang batas di darat merupakan pemisah topografis dan batas di laut sampai dengan daerah perairan yang masih terpengaruh aktivitas daratan. DAS juga dapat didefinisikan sebagai suatu wilayah daratan yang secara topografik dibatasi oleh punggungpunggung gunung yang menampung dan menyimpan air hujan untuk kemudian menyalurkannya ke laut melalui sungai utama (Asdak, 2010). Menurut Soewarno (1991) DAS besar yang bermuara ke laut merupakan gabungan beberapa DAS sedang (subDAS) dan subDAS tersebut merupakan gabungan subDAS kecil-kecil. Batasan pegertian suatu DAS umumnya mengacu pada batasan sistem. DAS merupakan suatu sistem yang mengalir, ditunjukkan pada Gambar 1.1. MASUKAN
STRUKTUR SISTEM
KELUARAN
Gambar 1.1 Sistem DAS (Seyhan, 1990)
DAS dapat dipandang sebagai suatu unit hidrologi (hydrologycal unit). Artinya, DAS berfungsi untuk mengalihragamkan masukan berupa hujan menjadi keluaran berupa aliran dan bentuk keluaran lainnya seperti sedimen, unsur-unsur hara dan sebagainya (Seyhan, 1990). Menurut Sudibyakto (1991) proses distribusi hujan menjadi aliran bersifat sangat kompleks karena melibatkan beberapa komponen fisik DAS, seperti faktor tanah, fisiografi dan sifat hujan sendiri. Asdak (2010) menjelaskan suatu sistem DAS dibagi menjadi daerah hulu, tengah dan hilir. Ekosistem DAS hulu merupakan bagian yang penting karena mempunyai fungsi perlindungan terhadap seluruh bagian DAS, antara lain perlindungan dari segi fungsi tata air. Apabila terdapat kegiatan pada DAS bagian hulu, maka aliran air pada bagian hilir dapat terpengaruh oleh kegiatan tersebut, 5
baik dari segi kuantitas maupun kualitas. Daerah hulu dan hilir mempunyai keterkaitan biogeofisik melalui daur hidrologi, sehingga seringkali daerah hulu menjadi fokus perencanaan pengelolaan DAS. 1.5.1.2 Siklus Hidrologi Lingkup Daerah Aliran Sungai Siklus hidrologi merupakan proses terus menerus dimana air bergerak dari bumi ke atmosfer kemudian kembali lagi ke bumi. Hubungan antara curah hujan, aliran dan penguapan dapat diterangkan melalui siklus hidrologi. Siklus hidrologi dalam lingkup DAS ditunjukkan Gambar 1.2. Precipitation evaporation transpiration
Vegetation
evaporation
Water body
Land surface
stemflow & troughfall
flood
infiltration cappilary rise
Soil percolation
overland flow interflow
Stream channel
baseflow
cappilary rise
Groundwater aquifer
recharge
Watershed discharge
Gambar 1.2 Siklus Hidrologi Lingkup DAS (Ward, 1975 dalam USACE, 2000a)
Pada kondisi alami siklus hidrologi bermula dari presipitasi yang berupa hujan. Menurut Asdak (2010) sebelum mencapai permukaan tanah air hujan akan tertahan oleh tajuk vegetasi. Sebagian air hujan akan tersimpan di permukaan tajuk atau daun selama proses pembasahan tajuk dan sebagian lainnya akan jatuh ke atas permukaan tanah melalui sela-sela daun (throughfall) atau mengalir ke bawah melalui permukaan batang pohon (stemflow). Sebagian kecil air hujan akan terevaporasi kembali ke atmosfer. 6
Air hujan yang dapat mencapai permukaan tanah, sebagian akan terserap ke dalam tanah (infiltration). Sedangkan air hujan yang tidak terserap dalam tanah akan tertampung sementara dalam cekungan-cekungan permukaan tanah (surface detention) untuk kemudian mengalir di atas permukaan yang lebih rendah (runoff), untuk selanjutnya masuk ke sungai. Air infiltrasi akan tertahan di dalam tanah oleh gaya kapiler yang akan membentuk kelembaban tanah. Apabila tingkat kelembaban tanah cukup jenuh maka air hujan yang baru masuk ke dalam tanah akan bergerak secara horizontal untuk selanjutnya pada tempat tertentu akan keluar lagi ke permukaan tanah (sub-surface flow) dan akhirnya mengalir ke sungai. Sebagian lainnya, air yang masuk ke dalam tanah bergerak vertikal ke tanah yang lebih dalam dan menjadi bagian dari airtanah (groundwater). Airtanah tersebut akan mengalir pelan-pelan ke sungai. Air infiltrasi (airtanah) tidak semua mengalir ke sungai, melainkan ada sebagian air tetap berada dalam lapisan tanah bagian atas (top soil). Selanjutnya air diuapkan kembali ke atmosfer melalui permukaan tanah (evaporation) dan melalui permukaan tajuk vegetasi (transpiration). 1.5.1.3 Transformasi Hujan Menjadi Aliran Hujan merupakan titik-titik air yang jatuh dari awan melalui lapisan atmosfer ke permukaan bumi secara proses alam. Hujan yang turun ke permukaan bumi didahului dengan adanya pembentukan awan, karena adanya penggabungan uap air yang ada di atmosfer melalui proses kondensasi, maka terbentuklah butirbutir air yang apabila lebih berat dari gravitasi bumi akan jatuh ke permukaan bumi berupa hujan (Hadisusanto, 2011). Proses transformasi hujan menjadi aliran terdapat beberapa sifat hujan yang penting yaitu tebal hujan selama hujan berlangsung, intensitas hujan, lama waktu hujan berlangsung, frekuensi hujan dan distribusi daerah hujan yang terwakili oleh suatu penakar hujan (Griend, 1979 dalam Setyowati, 2010). Intensitas hujan di suatu tempat diperoleh dari alat penakar hujan yang mampu mencatat besarnya jumlah hujan dan lama waktu hujan. Alat penakar hujan yang dimaksud dalam hal ini adalah alat penakar hujan otomatis (Asdak, 2010). 7
Sri Harto (1993) menjelaskan unsur hujan merupakan masukan yang paling penting dalam proses hidrologi. Hal tersebut dikarenakan kedalaman curah hujan (rainfall depth) yang turun dalam suatu DAS akan dialihragamkan menjadi aliran di sungai, melalui limpasan permukaan (surface runoff), aliran antara (interflow, sub-surface runoff), maupun aliran airtanah (groundwater flow). Hujan yang jatuh di atas DAS tidak semua akan menjadi aliran. Air yang jatuh ke bumi dalam bentuk hujan akan mengalami berbagai peristiwa. Hujan yang jatuh pada suatu daratan atau permukaan tanah sebagian hilang sebagai evapotranspirasi, infiltrasi, sisanya berupa hujan lebih (ranifall excess) yang akan mengalir pada permukaan tanah sebagai overlandflow (Suyono, 2002). Menurut Tivianton (2010) air yang mengalir di saluran sungai merupakan kombinasi dari limpasan permukaan, air hujan yang langsung jatuh di tubuh air sungai, aliran antara dan aliran dasar. Total masukan keseluruhan akan menjadi nilai debit keluaran dari suatu DAS. 1.5.1.4 Faktor yang Mempengaruhi Aliran Proses alih ragam hujan menjadi aliran dalam suatu DAS bersifat sangat kompleks dan dipengaruhi oleh karakteristik DAS, seperti morfometri DAS, tutupan vegatasi dan kondisi tanah, serta sifat hujannya sendiri. Masing-masing faktor memiliki pengaruh yang berbeda dalam pembentukan aliran, bergantung ciri khas dari DAS yang bersangkutan. Menurut Seyhan (1990) faktor-faktor yang mempengaruhi volume aliran permukaan dalam suatu DAS terdiri dari faktor iklim yang meliputi presipitasi dan evapotranspirasi serta faktor DAS yang meliputi luas DAS dan elevasi DAS. Sementara menurut Haridjaja, dkk. (1991) jumlah dan laju aliran permukaan dipengaruhi oleh iklim kondisi atau sifat DAS. Faktor iklim meliputi tipe hujan, intensitas hujan, lama hujan, distribusi hujan, curah hujan, temperatur, angin dan kelembaban sedangkan kondisi atau sifat DAS yang meliputi kadar air tanah awal, ukuran, bentuk, elevasi dan topografi DAS, vegetasi, geologi, serta tanah.
8
Suripin (2004) menjelaskan faktor-faktor yang dapat mempengaruhi aliran permukaan terdiri dari faktor meteorologi dan karakteristik daerah tangkapan saluran atau DAS. Faktor meteorologi merupakan karakteristik curah hujan yang meliputi intensitas hujan, durasi hujan dan distribusi hujan. Faktor karakteristik DAS meliputi luas dan bentuk DAS, topografi dan tataguna lahan. 1) Faktor Meteorologi a. Intensitas hujan Pengaruh intensitas hujan pada aliran permukaan tergantung pada kapasitas infiltrasi. Apabila intensitas hujan melebihi kapasitas infiltrasi, maka besarnya aliran permukaan meningkat sesuai dengan peningkatan intensitas curah hujan. Intensitas hujan berpengaruh pada debit maupun volume aliran permukaan. Akan tetapi, besarnya peningkatan aliran tidak sebanding dengan peningkatan curah hujan lebih yang disebabkan oleh efek penggenangan di permukaan tanah. b. Durasi hujan Apabila lamanya curah hujan kurang dari lamanya hujan kritis, maka lamanya aliran permukaan akan sama dan tidak tergantung dari intensitas curah hujan. Apabila lamanya curah hujan lebih panjang, maka lamanya aliran permukaan itu juga menjadi lebih panjang. c. Distribusi hujan Apabila kondisi-kondisi seperti topografi, tanah dan lain-lain dalam DAS itu sama dan jumlah curah hujan sama, maka curah hujan yang distribusinya merata yang mengakibatkan debit puncak yang minimum. Banjir pada suatu DAS yang besar terjadi oleh curah hujan lebat yang distribusinya merata dan sering kali terjadi oleh curah hujan biasa yang mencakup daerah luas meskipun intensitasnya kecil. Sebaliknya, pada DAS yang kecil debit puncak maksimum dapat terjadi oleh curah hujan lebat dengan daerah hujan yang sempit.
9
2) Faktor Karakteristik DAS a. Luas dan bentuk DAS Laju dan volume aliran permukaan semakin bertambah besar dengan bertambahnya luas DAS. Apabila aliran permukaan tidak dinyatakan sebagai jumlah total DAS melainkan sebagai laju dan volume per satuan luas, maka besarnya akan berkurang dengan bertambahnya luas DAS. Hal ini berkaitan dengan waktu yang diperlukan air untuk mengalir dari titik terjauh sampai titik kontrol (waktu konsentrasi) dan juga intensitas hujan. Bentuk DAS mempunyai pengaruh pada pola aliran sungai. Pengaruh bentuk DAS terhadap aliran permukaan ditunjukkan dengan hidrograf pada bentuk DAS yang berbeda tetapi mempunyai luas yang sama dan menerima hujan dengan intensitas yang sama, yang ditunjukkan pada Gambar 1.3.
Gambar 1.3 Pengaruh Bentuk DAS terhadap Bentuk Hidrograf (Seyhan, 1990)
b. Topografi DAS dengan kemiringan curam disertai dengan saluran yang rapat akan menghasilkan laju dan volume aliran yang lebih besar dibandingkan dengan DAS yang landai dengan saluran yang jarang dan terdapat banyak cekungan. Saluran yang rapat pada suatu DAS akan memperpendek waktu konsentrasi sehingga meningkatkan volume dan laju aliran permukaan. c. Tataguna lahan Daerah dengan vegetasi yang rapat akan menghasilkan aliran yang kecil karena kapasitas infiltrasinya besar. Apabila vegetasi daerah tersebut dihilangkan dan dibiarkan menjadi lahan kosong, maka akan menyebabkan terjadinya pemampatan tanah sehingga infiltrasi akan menjadi terhambat.
10
Hal tersebut dapat menghasilkan aliran yang lebih besar. Air hujan akan cepat terakumulasi pada sungai-sungai dengan kecepatan tinggi dan dapat menyebabkan banjir. 1.5.1.5 Aspek Hidrolika Daerah Aliran Sungai 1.5.1.5.1 Hidrograf Aliran Hidrograf aliran didefinisikan sebagai grafis yang menyatakan hubungan antara debit aliran dengan waktu (Chow, dkk., 1998). Parameter hidrograf dapat berupa kedalaman aliran (elevasi) atau debit aliran, sehingga terdapat hidrograf muka air dan hidrograf aliran. Hidrograf muka air dapat ditransformasikan menjadi hidrograf aliran dengan menggunakan lengkung aliran (rating curve). Hidrograf aliran dianggap sebagai gambaran menyeluruh dari karakteristik fisiografi dan hujan yang menunjukkan respon menyeluruh DAS terhadap masukan berupa hujan. Subarkah (1980) menyatakan hidrograf aliran terdiri dari beberapa sumber air, diantaranya adalah: 1. Limpasan permukaan (surface flow), merupakan air yang mencapai sungai tanpa melalui lapisan airtanah dihitung berdasarkan selisih curah hujan dengan infiltrasi, tampungan dan genangan. 2. Limpasan sub permukaan (sub-surface flow), merupakan air yang mengalami infiltrasi dan mencapai lapisan airtanah tidak tertekan (unconfined groundwater) yang kemudian mencapai sungai. Aliran ini berlangsung sama cepatnya dengan aliran permukaan sehingga nilainya digabungkan dengan aliran permukaan. 3. Aliran airtanah
(groundwater), merupakan
kelanjutan
aliran sub
permukaan yang terus terinfltrasi hingga sampai lapisan airtanah tertekan (confined groundwater). Pergerakan menuju sungai membutuhkan waktu yang lama. 4. Curah hujan dalam saluran air (channel precipitation), merupakan curah hujan yang turun langsung pada permukaan saluran air. Nilainya cukup kecil untuk penambahan jumlah debit aliran sungai.
11
1.5.1.5.2 Hidrograf Satuan Hidrograf aliran sungai selau berubah tergantung sifat masukannya. Hal ini terjadi karena sistem DAS sebenarnya bersifat non-linear menurut waktu, artinya masukan air dalam DAS dapat terjadi kapan saja dan dalam jumlah yang berbedabeda. Penyederhanaan diasumsikan DAS sebagai sistem linear terhadap waktu, sehingga menunjukkan masukan yang terjadi setiap saat akan mengakibatkan aliran yang sama. DAS akan mempunyai respon tertentu terhadap masukan dengan besaran tertentu. Konsep demikian dalam model hidrologi disebut dengan hidrograf satuan (unit hydrograph). Hidrograf satuan adalah hidrograf aliran langsung (direct runoff) hasil dari hujan efektif yang terjadi secara merata di seluruh DAS dengan intensitas tetap dalam satu satuan waktu yang ditetapkan (Sri Harto, 1993). Menurut Sujono (1999) besaran hujan efektif sebesar 1 mm sementara Griend (1974 dalam Sobriyah, 2003) menyebutkan besaran hujan efektif sebesar 1 inchi. Walaupun berbeda nilai tetapi dasar dari pembuatan hidrograf satuan harus memenuhi syarat hujan jatuh secara merata di seluruh DAS dan selama hujan menghasilkan suatu lengkung tunggal hidrograf. Hidrograf satuan difungsikan untuk menggambarkan proses hujan menjadi aliran dengan karakteristik DAS yang mempengaruhinya dalam bentuk grafik kurva tunggal. Hidrograf menunjukkan beberapa komponen seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.4. 1. Time to peak (Tp), yaitu waktu pada saat dimulainya hujan (excess rainfall) hingga terjadinya debit puncak (Qp). 2. Recession time (Tr), yaitu waktu setelah terjadinya debit puncak (Qp) hingga akhir limpasan. 3. Time base (Tb), yaitu waktu dari awal hingga akhir limpasan untuk satu hidrograf. 4. Time lag (tL), yaitu waktu dari saat hujan hingga terjadinya debit puncak. 5. Time concentration (tc), yaitu waktu dari saat berakhirnya hujan hingga pada titik belok tertentu di kurva turun hidrograf.
12
Gambar 1.4 Komponen Hidrograf (Chow, dkk., 1998)
Sesuai dengan sifat dan perilaku DAS, hidrograf selalu berubah sesuai dengan besarnya dan waktu terjadinya masukan. Menurut Subarkah (1980) bentuk dan lengkung hidrograf tergantung pada karakteristik hujan yang mengakibatkan terjadinya aliran. Semakin besar intensitas hujan akan berpengaruh terhadap puncak hidrograf yang tinggi, demikian pula semakin lama waktu efektif hujan maka puncak hidrograf yang dicapai akan lebih lama. Linsley, dkk. (1996) menjelaskan bahwa pola aliran menurut daerah dapat menimbulkan variasi dalam bentuk hidrograf. Apabila daerah yang alirannya tinggi terletak dekat dengan outlet DAS, maka akan dihasilkan kenaikan hidrograf yang cepat dan puncak yang tajam. Sebaliknya, aliran yang lebih tinggi di bagian hulu DAS tersebut menghasilkan kenaikan hidrograf yang lambat dan puncak yang lebih rendah dan lebar. 1.5.1.5.3 Hidrograf Satuan Sintetik Konsep hidrograf satuan sintetik digunakan untuk mensintesiskan hidrograf dari DAS yang tidak terukur. Hidrograf satuan sintetik ditentukan apabila pada suatu DAS yang ditinjau tidak ada pencatatan tinggi muka air. Chow, dkk. (1998) menyebutkan terdapat tiga tipe hidrograf satuan sintetik, yaitu sebagai berikut: 1. Berdasarkan hubungan karakteristik hidrograf satuan (puncak dan waktu puncak) dengan karakteristik DAS, contohnya hidrograf satuan Snyder. 2. Berdasarkan hidrograf satuan yang tidak berdimensi, contohnya hidrograf satuan SCS. 3. Berdasarkan metode perhitungan simpanan DAS, contohnya hidrograf satuan Clark dan pemodelan modifikasi Clark’s (ModClark). 13
Penentuan hidrograf satuan sintetik terlebih dahulu menentukan parameterparameter DAS yang diperlukan untuk menentukan hidrograf sintetik tersebut. Parameter-parameter DAS tersebut antara lain waktu konsentrasi untuk mengetahui waktu dari pusat hujan pada hietograf hingga mulai kenaikan air banjir, waktu untuk mencapai puncak banjir, waktu dasar (time base) hidrograf, panjang sungai utama, kemiringan DAS, luas DAS, koefisien aliran dan sebagainya (Hadisusanto, 2011). Menurut Soemarto (1995) hidrograf satuan sintetik merupakan hidrograf satuan yang dihasilkan dari parameter-parameter fisik DAS. Penentuan hidrograf satuan sintetik asal usulnya dihasilkan dari beberapa hubungan rumus empiris. Parameter-parameter yang digunakan untuk menentukan hidrograf satuan sintetik seharusnya disesuaikan dengan karakteristik DAS yang ditinjau. 1.5.1.6 Model HEC-HMS Model dalam hidrologi dapat diartikan simplifikasi dari sistem hidrologi yang kompleks baik berupa model fisik, analog atau matematik (Sri Harto, 2000). Ponce (1989 dalam Sobriyah, 2003) menyatakan sebagai model matematik yang menyatakan hubungan antar fase-fase dari siklus hidrologi dengan tujuan untuk mensimulasikan alih ragam hujan menjadi aliran. Tujuan dari model hidrologi adalah untuk mengikuti proses hidrologi yang dicerminkan dalam siklus hidrologi dan menentukan besaran keluarannya. Salah satu model untuk perhitungan proses hujan-aliran pada sistem daerah tangkapan hujan atau DAS adalah HEC-HMS yang dikembangkan oleh US Army Corps of Engineers (USACE). Model matematik yang terdapat dalam HEC-HMS adalah representasi respon DAS terhadap masukan hujan. Perhitungan dan penyelesaian masing-masing model mempunyai komponen berupa variabel tetap, parameter, kondisi batas dan kondisi awal. Keluaran model ini berupa hidrograf pada outlet DAS pada waktu tertentu yang ditunjukkan dengan grafik hidrograf dan tabel time series dari hidrograf.
14
Komponen-komponen yang digunakan dalam simulasi rainfall-runoffrouting pada HEC-HMS adalah sebagai berikut (USACE, 2000b): 1. Presipitasi yang diperoleh berdasarkan pengamatan. 2. Loss models yang dapat memperkirakan volume runoff yang disebabkan oleh hujan dan karakteristik DAS. 3. Direct runoff yang dapat menghitung aliran permukaan, tampungan dan kehilangan energi oleh air yang mengalir ada DAS dan masuk ke sungai. 4. Hydrologic routing models yang menghitung tampungan dan perubahan energi oleh air yang mengalir melalui sungai. 5. Kalibrasi yang dapat memperkirakan parameter model dan kondisi awal tertentu dari masukan data hidrometeorologi. Komponen dalam HEC-HMS terdiri dari komponen DAS, meteorologi dan syarat kontrol. Komponen DAS berupa elemen-elemen yang terdapat dalam suatu subDAS serta parameter-parameter aliran. Komponen meteorologi berisikan model perhitungan unsur masukan berupa hujan termasuk proses evaporasi dan evapotranspirasi. Komponen syarat kontrol berisi informasi waktu dimulainya model hingga selesai dalam kalkulasi data. Komponen pada masukan data dapat berupa format data periodik, data berpasangan maupun format grid. Pemodelan HEC-HMS menggunakan beberapa model yang terpisah untuk mempresentasikan masing-masing komponen dari proses hujan-aliran, yaitu sebagai berikut: 1. Model perhitungan volume limpasan (volume runoff) 2. Pemodelan aliran langsung (direct runoff) dari aliran permukaan (runoff) dan aliran antara (interflow) 3. Pemodelan aliran dasar (baseflow) 4. Pemodelan aliran pada saluran (channel flow)
15
Beberapa model perhitungan hujan-aliran dalam HEC-HMS ditunjukkan pada Tabel 1.1. Tabel 1.1 Model Perhitungan dalam HEC-HMS Elemen Hidrologi Model Metode Subbasin Volume runoff Deficit and constant rate (DC) Exponential Green and Ampt Gridded DC Gridded SCS-CN Gridded SMA Initial and constant rate SCS Curve Number (CN) Smith Parlange Soil moisture accounting (SMA) Direct runoff Clark’s UH Kinematic wave ModClark SCS UH Snyder’s UH User-specified s-graph User-specified unit hydrograph (UH) Baseflow Bounded recession Constant monthly Linear reservoir Nonlinear Boussinesq Recession Reach Routing Kinematic wave Lag Modified Puls Muskingum Muskingum-Cunge Straddle Stagger Loss/Gain Constant Percolation Sumber: USACE (2000a)
1.5.2 Penelitian Sebelumnya Penelitian ini mengacu pada beberapa penelitian serupa sebelumnya menggunakan metode hujan-aliran dengan model HEC-HMS. Berdasarkan studi penelitian sebelumnya, penelitian ini mencoba menerapkan beberapa aspek dari model yang telah dibuat sebelumnya. Hasil dan perbandingan dengan penelitian sebelumnya dirangkum pada Tabel 1.2.
16
Muliawan (2001) telah melakukan penelitian untuk analisis ketersediaan air di DAS Ciliwung Hulu. Model hidrologi yang digunakan dalam analisis yaitu presipitasi dengan model hyetograph, perhitungan volume limpasan menggunakan Soil Moisture Accounting (SMA), aliran langsung menggunakan Clark’s UH, aliran dasar menggunakan resesi eksponensial dan aliran air dalam saluran menggunakan Muskingum. Hasil penelitian ini menunjukkan model SMA untuk analisis ketersediaan air dalam DAS cukup baik dengan perbedaan volume perhitungan dengan observasi sebesar 1%. Grafik discharge hydrograph hasil simulasi juga mempunyai kemiripan dengan hasil observasi. Wijaya (2004) melakukan penelitian di DAS Progo di Hulu stasiun AWLR Duwet untuk analisis perubahan karakteristik hidrograf banjir yang dipengaruhi perubahan penggunaan lahan. Pemodelan hidrologi yang digunakan yaitu model hyetograph, SCS Curve Number (CN), Clark’s UH, resesi eksponensial dan Muskingum. Hasil model menunjukkan skenario perubahan penggunaan lahan mempengaruhi karakteristik hidrograf banjir dengan peningkatan debit puncak dan volume hidrograf banjir yang cukup signifikan. Hidrograf banjir model HECHMS mempunyai ketepatan yang tinggi dengan selisih debit puncak hidrograf banjir perhitungan dengan hidrograf terukur sebesar -0,38% dan selisih volume perhitungan dengan terukur sebesar 2% dengan waktu puncak yang sama. Tunas (2005) melakukan penelitian tentang kalibrasi parameter model HECHMS untuk menghitung debit aliran banjir DAS Bengkulu. Model yang digunakan dalam analisis yaitu model hyetograph, SCS-CN, SCS UH dan resesi eksponensial. Kalibrasi model HEC-HMS memberikan hasil yang cukup teliti dengan tingkat kesalahan 5,8% dengan optimasi kalibrasi yang berulang-ulang. Parameter model HEC-HMS memiliki tingkat sensitivitas bervariasi tergantung masukan awal yang diterapkan terhadap model. Hasil kalibrasi menunjukkan nilai parameter optimum dengan perbedaan yang relatif kecil pada SCS lag dan initial abstraction sedangkan parameter resesi mempunyai perbedaan cukup besar.
17
Febriarlita (2010) melakukan penelitian di DAS Serang untuk mengestimasi banjir rancangan. Pemodelan hidrologi yang digunakan meliputi model hyetograph, SCS-CN, Clark’s UH, resesi eksponensial dan Muskingum. Analisis frekuensi terhadap hujan harian maksimum rerata menghasilkan hujan rancangan untuk menentukan debit puncak banjir rancangan berdasarkan hujan efektif rancangan. Hasil estimasi debit puncak banjir model HEC-HMS mempunyai keakuratan cukup baik dengan mempunyai nilai objective function sebesar 9,899 dan perbedaan volume debit terhitung dengan terukur sebesar -1,84% dengan waktu puncak yang sama. Wastya (2014) melakukan penelitian di DAS Bedog untuk mengetahui kinerja model hujan aliran harian yang terdapat pada model HEC-HMS. Indikator kinerja model adalah perbedaan volume, perbedaan debit puncak dan koefisien korelasi antara debit terukur dengan debit hasil perhitungan. Hasil kalibrasi SCSCN dan SMA dalam mensimulasikan aliran harian menunjukkan hasil yang kurang baik. Hasil penelitian ini menunjukkan derajat asosiasi yang rendah antara volume hasil perhitungan dan volume terukur dengan nilai koefisien korelasi antara 0,2 sampai dengan 0,4 pada limpasan model SCS-CN maupun SMA. 1.5.3 Kerangka Pemikiran Respon hidrologi DAS dapat ditunjukkan dari karakteristik aliran sungai (debit puncak, volume outflow dan waktu puncak). Karakteristik aliran dalam proses alih ragam hujan menjadi aliran dipengaruhi oleh faktor iklim dan karakteristik DAS. Model HEC-HMS mengintegrasikan analisis matematis dan spasial yang dapat mensimulasikan aliran sungai karena data aliran tidak semua tersedia pada setiap DAS. HEC-HMS menunjukkan debit aliran sebagai keluaran dari besaran curah hujan dan karakteristik DAS sebagai masukan termasuk aspek morfometri, karakteristik penggunaan lahan dan tanah.
18
Peneliti
Muliawan (2001)
Wijaya (2004)
Tunas (2005)
19
Daerah Kajian
DAS Ciliwung Hulu
DAS Progo di Hulu Stasiun AWLR Duwet
DAS Bengkulu Hulu
Tabel 1.2 Perbandingan dengan Penelitian Sebelumnya Tujuan Metode
Hasil
1. Memahami model hidrologi hujan aliran dengan pendekatan distributed parameter. 2. Mengaplikasikan model tersebut untuk mengetahui unjuk kerja model yang digunakan.
1. Model HEC-HMS untuk analisis ketersediaan air DAS a) precipitation: hyetograph b) volume runoff: SMA c) direct runoff: Clark’s UH d) baseflow: recession e) routing: Muskingum
1. Kalibrasi model SMA untuk analisis ketersediaan air DAS cukup baik dengan perbedaan volume perhitungan dengan observasi sebesar 1%. 2. Grafik discharge hydrograph hasil simulasi mempunyai kemiripan dengan hasil observasi.
1. Mengetahui karakteristik hidrograf banjir (debit puncak, volume dan waktu puncak banjir) yang dipengaruhi oleh perubahan penggunaan lahan. 2. Mengetahui kinerja HEC-HMS untuk memantau karakteristik hidrograf banjir (debit puncak, volume dan waktu puncak banjir) akibat perubahan penggunaan lahan.
1. Model HEC-HMS untuk menentukan hidrograf banjir a) precipitation: hyetograph b) volume runoff: SCS-CN c) direct runoff: Clark’s UH d) baseflow: recession e) routing: Muskingum 2. Analisis frekuensi untuk penentuan hujan rancangan 3. Skenario perubahan lahan
1. Perubahan penggunaan lahan mempengaruhi perubahan karakteristik hidrograf banjir (debit puncak, volume dan waktu puncak banjir) yang cukup signifikan. 2. Model HEC-HMS sangat sesuai yang ditunjukkan dengan selisih debit puncak hidrograf banjir perhitungan dengan hidrograf terukur sebesar -0,38% dan selisih volume hidrograf banjir perhitungan dengan hidrograf terukur sebesar 2% dengan waktu puncak sama.
1. Model HEC-HMS untuk menghitung aliran banjir a) precipitation: hyetograph b) volume runoff: SCS-CN c) direct-runoff: SCS UH d) baseflow: recession 2. Parameter awal pra-model dengan HEC-GeoHMS 3. Analisis frekuensi untuk penentuan hujan rancangan
1. Kalibrasi model HEC-HMS memberikan hasil yang cukup teliti dengan tingkat kesalahan 5,8%. 2. Parameter model HEC-HMS memiliki tingkat sensitivitas bervariasi tergantung masukan awal yang diterapkan pada model. 3. Kalibrasi model HEC-HMS memberikan nilai parameter optimum yang relatif kecil pada SCS lag dan initial abstraction sedangkan nilai resesi memberikan perbedaan yang cukup besar.
1. Untuk mengkalibrasi parameter model HEC-HMS pada DAS Bengkulu Hulu. 2. Mengetahui parameter hasil kalibrasi model HEC-HMS pada DAS Bengkulu Hulu.
Lanjutan Tabel 1.2 Peneliti Daerah Kajian
Febriarlita (2010)
Wastya (2014)
Munajad (2015)
20
Tujuan
Metode
Hasil
DAS Serang Kabupaten Kulon Progo, DIY
1. Mengestimasi besar debit puncak banjir DAS Serang dengan model HEC-HMS. 2. Mengestimasi hujan rancangan DAS Serang pada periode ulang dan PMP. 3. Mengestimasi banjir rancangan DAS Serang dengan periode ulang dan PMF dengan model HEC-HMS.
1. Model HEC-HMS untuk menentukan debit puncak banjir a) precipitation: hyetograph b) volume runoff: SCS-CN c) direct runoff: Clark’s UH d) baseflow: recession e) routing: Muskingum 2. Analisis frekuensi untuk penentuan hujan rancangan
1. Debit puncak banjir menggunakan model HEC-HMS menghasilkan objective function sebesar 9,899; perbedaan volume debit terhitung dan terukur sebesar -1,84%; dan waktu puncak yang sama. 2. Hasil hujan rancangan pada berbagai periode ulang dan PMP. 3. Hasil debit puncak banjir rancangan pada berbagai periode ulang dan PMF berdasarkan hujan efektif rancangan.
DAS Bedog, DIY
1. Untuk mengetahui kinerja model hujan aliran harian dalam software HEC-HMS. Indikator kinerja model adalah perbedaan volume, perbedaan debit puncak dan koefisien korelasi antara debit terukur dengan debit hasil perhitungan.
1. Model HEC-HMS untuk menentukan karakteristik hidrograf banjir a) precipitation: hyetograph b) volume runoff: SCS-CN dan SMA c) direct-runoff: Clark’s UH d) baseflow: recession
1. Hasil kalibrasi runoff volume SCS-CN dan SMA dalam mensimulasikan aliran harian menunjukkan hasil yang kurang baik. 2. Penelitian ini menunjukkan hasil derajat asosiasi yang rendah antara volume perhitungan dan volume terukur dengan nilai koefisien korelasi antara 0,2-0,4 baik dengan SCS-CN maupun SMA.
1. Model HEC-HMS untuk menentukan karakteristik hidrograf banjir model a) precipitation: hyetograph b) volume runoff: SCS-CN c) direct-runoff: SCS UH d) baseflow: recession 2. Metode SCS untuk penentuan karakteristik fisik DAS berupa nilai CN 3. Parameter awal pra-model dengan HEC-GeoHMS
Hasil yang diharapkan: 1. Karakteristik fisik DAS berupa CN komposit yang dipengaruhi oleh penggunaan lahan, kondisi hidrologi tanah dan kelengasan tanah. 2. Karakteristik aliran (debit puncak, volume outflow dan waktu puncak) antara hasil hidrograf banjir model dengan hidrograf banjir terukur pada nilai objective function terbaik dengan selisih sekecil mungkin dengan besaran paramerparameter terukur.
Sub DAS Wuryantoro Wonogiri, Jawa Tengah
1. Mengetahui karakteristik fisik DAS berupa nilai Curve Number (CN) sebagai pengaruh dari penggunaan lahan, kondisi hidrologi tanah dan kelengasan tanah. 2. Mengetahui karakteristik aliran (debit puncak, volume outflow dan waktu puncak) antara hasil hidrograf banjir model HEC-HMS dengan hidrograf banjir terukur.
Komponen iklim berupa karakteristik hujan merupakan sifat yang penting untuk menentukan debit aliran sungai. Unsur masukan berupa hujan sesaat dengan karakteristik tertentu akan memberikan keluaran berupa debit aliran dengan karakteristik tertentu sesuai dengan proses dan interaksi dengan karakteristik DAS. Hujan yang jatuh dalam DAS sebagai masukan diasumsikan terdistribusi secara merata di seluruh wilayah DAS untuk periode waktu tertentu menyangkut tebal dan durasi hujan. Karakteristik DAS yang meliputi morfometri, penggunaan lahan dan tanah mempengaruhi interaksi alih ragam hujan menjadi aliran. Pengunaan lahan bersama dengan kondisi hidrologi dan kelengasan tanah (Antecedent Moisture Condition, AMC) dinyatakan dalam suatu indeks berupa nilai CN. CN diperoleh dari identifikasi penggunaan lahan dalam berbagai variasi tutupan lahan sedangkan hidrologi tanah dari identifikasi kesesuaian jenis dan tekstur tanah terhadap kelompok hidrologi tanah (Hydrologic Soil Group, HSG). Pada akhirnya, CN ditentukan oleh kondisi kelengasan tanah dari jumlah curah hujan 5 hari sebelum penentuan model. Analisis CN dan data hujan tersebut menghasilkan CN komposit DAS. Penggunaan lahan dalam berbagai variasi tutupan lahan juga digunakan untuk menentukan luas lapisan kedap air (impervious area) DAS. Aspek morfometri DAS yang dikaji meliputi luas DAS, panjang sungai utama, kemiringan lereng sungai, kemiringan DAS dan titik berat DAS yang merupakan parameter awal hidrograf banjir model. Penentuan batas DAS dan parameter awal dengan bantuan perangkat lunak HEC-GeoHMS berdasarkan analisis DEM. Selain itu, dengan bantuan HEC-GeoHMS menghasilkan parameter time lag dalam suatu DAS berdasarkan CN dan morfometri DAS yang berupa panjang sungai utama dan kemiringan DAS. Sedangkan parameter-parameter lain yang sulit dilakukan pengamatan atau pengukuran diperoleh dari proses kalibrasi dalam analisis HEC-HMS. Perhitungan dan penyelesaian masing-masing metode dalam HEC-HMS mempunyai komponen berupa variabel tetap, parameter, kondisi batas dan kondisi awal. Proses perhitungan hujan-aliran model HEC-HMS meliputi metode perhitungan volume limpasan (runoff) dengan model SCS-CN, aliran langsung 21
(direct runoff) menggunakan SCS UH dan aliran dasar (baseflow) menggunakan resesi eksponensial. Model matematis HEC-HMS juga dilakukan kalibrasi yang menghasilkan nilai hidrograf model yang mendekati hidrograf terukur. Kalibrasi juga untuk mendapatkan nilai parameter yang sulit diperoleh dari data pengukuran, seperti initial abstraction dan nilai baseflow (recession constant, recession threshold ratio). Perbandingan hidrograf model dengan hidrograf terukur berdasarkan pada nilai objective function dari selisih debit puncak, volume outflow dan waktu puncak. Objective function dianggap baik apabila mempunyai nilai kurang dari 10%. Untuk mendapatkan nilai objective function terbaik digunakan fungsi optimasi kalibrasi yang bertujuan menyelaraskan parameter awal. Analisis selanjutnya setelah mendapatkan hasil objective function dengan nilai terkecil, dapat ditentukan karakteristik aliran (debit puncak, volume outflow dan waktu puncak) berdasarkan hasil hidrograf banjir model HEC-HMS. Adapun alur kerangka pemikiran ditunjukkan pada Gambar 1.5. KERANGKA PEMIKIRAN
Curah hujan
Daerah Aliran Sungai (DAS)
DAS tidak terukur
Karakteristik curah hujan Parameter DAS
Stasiun pengamat hidrologi
Model hirologi HEC-HMS
Respon hidrologi DAS
Debit aliran sungai
Gambar 1.5 Alur Kerangka Pemikiran
22
1.5.4 Batasan Istilah Curve Number (CN) adalah nilai indeks yang menggambarkan suatu keadaan hidrologis karena pengaruh faktor-faktor tanah, penggunaan lahan, kondisi hidrologi dan kelembaban tanah (Chow, dkk., 1998). Daerah Aliran Sungai (DAS), Catchment area, River basin, Drainage basin, Watershed adalah suatu wilayah daratan yang dibatasi oleh pemisah topografis yang berfungsi untuk menampung, menyimpan, mengalirkan dan selanjutnya mengalirkan seluruh air hujan yang jatuh di atasnya menuju ke sistem sungai melalui satu outlet tunggal (Seyhan, 1990). Debit (Discharge) adalah volume air yang keluar dari penampang sungai dalam satuan waktu tertentu (USACE, 2000a). Fungsi objektif (Objective function) adalah nilai hasil persamaan matematika hasil perbandingan model terukur dengan hidrograf model dan berfungsi sebagai tolak ukur hasil kalibrasi model (USACE, 2000a). HEC-HMS adalah perangkat lunak dari Hydrologic Engineering Center (HEC) yang mampu memodelkan proses transformasi hujan menjadi aliran (USACE, 2000a). Hidrograf adalah grafik yang menghubungkan antara debit sungai dan tinggi muka air pada waktu tertentu (Chow, dkk., 1998). Hidrograf satuan (Unit hydrograph) adalah hidrograf aliran langsung (direct runoff) yang dihasilkan oleh hujan efektif yang terjadi merata di seluruh DAS dalam satu satuan tertentu (Sri Harto, 2000). Kalibrasi adalah proses penurunan sekumpulan nilai model parameter yang menghasilkan kesesuaian terbaik terhadap data terukur (USACE, 2000a). Kehilangan hujan (Losses) adalah bagian air hujan yang hilang karena mengalami berbagai proses seperti evapotranspirasi, intersepsi, infiltrasi dan perkolasi (USACE, 2000a). Aliran (Runoff) adalah semua air hujan yang bergerak, sebagai aliran permukaan maupun aliran dasar (baseflow) airtanah, menuju ke saluran sungai (USACE, 2000a).
23
