Bab I. Pendahuluan 1.1. Latar Belakang Dampak perubahan iklim telah mendapat perhatian yang sangat serius dan mendorong banyak penelitian selama beberapa dekade terakhir ini.
Hasil
penelitian tersebut menunjukkan bahwa perubahan iklim dapat mempengaruhi karakteristik dan pola hidrometeorologi di berbagai tempat. Hal tersebut pada akhirnya berdampak pula terhadap perubahan sistem tata air di suatu wilayah. Komponen hidrometeorologi (terutama curah hujan dan limpasan) memegang peranan penting dalam struktur dan fungsi sistem tata air terutama dalam menentukan ketersediaan air bagi rumah tangga, pertanian, industri, pembangkit listrik, dan lain-lain. Selain itu, komponen hidrometeorologi juga mempengaruhi perubahan potensi terjadinya banjir atau kekeringan di suatu wilayah. Pengetahuan mengenai karakteristik dan dinamika temporal dari hidrometeorologi di suatu daerah aliran sungai sangat diperlukan untuk perencanaan penyimpanan air dan jaringan drainase yang optimal dan untuk pengelolaan kejadian cuaca ekstrim, seperti banjir dan kekeringan (Islam dan Sivakumar, 2002). Mekanisme fisis yang berkaitan dengan karakteristik dan dinamika hidrometeorologi sangat kompleks, baik dalam skala temporal maupun spasial. Hidrometeorologi di suatu aliran sungai tidak hanya dipengaruhi perubahan iklim tetapi juga dipengaruhi oleh jenis dan kondisi dari daerah aliran sungai itu sendiri, seperti penutupan lahan bervegetasi, penggunaan lahan, dan lain-lain. Hasil penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa karakteristik dan model temporal hidrometeorlogi di suatu wilayah sangat unik, sensitif terhadap faktor lokal maupun faktor luar dan selalu berubah sepanjang waktu (Bromley et al., 1999; Butterworth et al., 1999; Sivakumar, 2001a; Schertzer et al., 2002; Islam r Sivakumar, 2002).
Walaupun penelitan mengenai karakteristik dan model
temporal hidrometeorlogi telah banyak dilakukan di tempat yang berbeda, namun hasilnya belum dapat memberikan informasi hidrometeorologis yang bermanfaat untuk wilayah tertentu, misalnya suatu daerah aliran sungai yang kondisi iklim
1
dan geografisnya berbeda. Dari sejumlah penelitian sejenis yang telah dilakukan pada dekade terakhir ini, kajian khusus mengenai karakteristik dan model temporal hidrometeorologi skala lokal dalam hubungannya dengan analisis potensi banjir atau kekeringan di suatu daerah aliran sungai belum banyak dilakukan. Semua mekanisme yang terlibat di dalam proses hidrometeorologi adalah tidak linier, sehingga permodelan dinamikanya tidak mudah. Dalam hal ini walaupun penerapan pendekatan linier (stokastik) sangat umum dalam mengkaji sistem fisis alamiah yang kompleks, seperti hidrometeorologi, namun perkembangan yang drastis dalam pengetahuan sistem nonlinier dan pertumbuhan yang cepat sejumlah metode untuk menganalisis model temporal sistem nonlinier, telah membawa kemajuan penting dalam perkembangan metodologi analisis hidrometeorologi. Di antara sejumlah penemuan penting dalam perkembangan metodologi analisis data deret waktu tersebut adalah analisis Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS). Penerapan ANFIS untuk berbagai aspek permodelan hidrometeorologis telah banyak dilakukan dalam sejumlah kajian pada beberapa tahun terakhir ini (Franc dan Panigrahi, 1997; Mashudi, 2001; Ozelkan dan Duckstein, 2001). Seperti telah diketahui, ANFIS sangat cocok untuk mengkaji permodelan sistem nonlinier. Zhu (2000) dan Shapiro (2002) telah menunjukkan bahwa ANFIS merupakan metode permodelan terbaik untuk menganalisis data numerik, karena dalam proses training didasarkan minimalisasi nilai kesalahan atau Root Mean Square Error (RMSE) dari outputnya. Menurut penelitian Riyanto et al. (2000), ANFIS dapat memprediksi data deret waktu lebih akurat dibanding metode lainnya, seperti Back Propagation Multilayer Preceptron (BPMP) maupun autoregresi. Metode perhitungan ANFIS memberikan keuntungan dalam permodelan sistem fisis alamiah, terutama ketika hubungan fisis yang mendasarinya tidak dapat diketahui dengan pasti (Nayak et al., 2004; Cigizoghu, 2003; Tokar dan Markus, 2000). Daerah aliran Sungai Citarum merupakan daerah tangkapan air hujan yang luas dan kompleks di wilayah Jawa Barat. Daerah aliran sungai tersebut telah dan 2
sedang dikembangkan karena peranannya sangat penting sebagai penyedia air bagi tiga pembangkit listrik tenaga air (Saguling, Cirata, dan Jatiluhur) dan pemasok utama air bagi rumah tangga, pertanian, dan industri di kawasan Jakarta dan pantai utara Jawa Barat. Walaupun peranan daerah aliran Sungai Citarum begitu penting, namun daerah aliran Sungai Citarum mempunyai tingkat kerawanan banjir dan kekeringan, tingkat erosi dan sedimentasi (Kusmandari, 1994), dan tingkat degradasi kualitas air (Kirchhof, 1993; Karsidi, 1998; Fares dan Ikhwan, 2001) yang sangat tinggi. Hal ini tentu berdampak pada tingkat efektivitas pengelolaan tata air daerah sungai tersebut. Sampai sejauh ini kajian hidrologi maupun hidrogeologi di daerah aliran Sungai Citarum telah banyak dilakukan, misalnya kajian mengenai : kualitas air (Kirchhof, 1993; Rosadi, et al., 1993; Terangna, 1997); konservasi kualitas air (Terangna, 1995; Supriyo et al., 1999); pengaruh penggunaan lahan terhadap ketersediaan dan kualitas air (Karsidi, 1998; Fares dan Ikhwan, 2001); erosi dan sedimentasi (Kusumandari, 1994); eutrofikasi (Djuangsih, 1996); pengaruh perkembangan kota dan industri terhadap air tanah (Soetrisno, 1998); pengelolaan air (Wihardini et al., 1999); peramalan kebutuhan air dengan menggunakan jaringan Neural (Mashudi, 2001); kandungan nutrisi (Hart et.al., 2002); hubungan antara sumber air yang tersedia dengan kebutuhan air bagi sektor rumah tangga, pertanian, dan industri (Fares, 2001); pengelolaan air tanah (Fildebrandt et al., 2003); dan lain-lain. Sementara itu penelitian pada aspek hidrometeorologi di daerah aliran Sungai Citarum masih jauh ketinggalan dibanding penelitian pada aspek hidrologi maupun hidrogeologi.
Studi hidrometeorologi yang telah dilakukan wilayah
tersebut dalam beberapa tahun terakhir misalnya mengenai karakteristik curah hujan di sub-daerah aliran sungai Citarik (Apandi, 2003); pengaruh perubahan iklim dan penggunaan lahan terhadap kuantitas dan variabilitas aliran sungai (Santoso dan Warrick, 2003); dan penerapan model Indoclim untuk mengkaji pengaruh perubahan iklim dan penggunaan lahan terhadap kuantitas dan variabilitas aliran sungai di saerah aliran Sungai Citarum bagian hulu (Santoso dan Warrick, 2003). 3
Dari uraian di atas dapat ditegaskan beberapa permasalahan sebagai berikut : (1) Apakah karakteristik dan dinamika temporal hidrometeorologi di suatu wilayah tertentu adalah sangat unik; (2) Sejauh mana perubahan iklim global dan kondisi lokal mempengaruhi karakteristik dan dinamika temporal hidrometeorologi di suatu wilayah tertentu; (3) Sejauh mana dinamika temporal hidrometeorologi dapat dianalisis menggunakan model nonlinier (misalnya ANFIS); dan (4) Apakah identifikasi karakteritik dan model temporal hidromeorologi dapat memberikan informasi mengenai potensi banjir atau kekeringan di suatu wilayah tertentu. Mengingat hal tersebut, maka kajian mengenai topik karakteristik dan model temporal komponen hidrometeorologi di suatu wilayah tertentu adalah sangat penting. Terlebih untuk daerah aliran Sungai Citarum yang peranannya begitu penting tetapi sejauh ini kajian mengenai aspek hidrometeologinya masih belum banyak dilakukan. Kajian aspek hidrometeorologi di daerah aliran Sungai Citarum yang penting adalah mengenai persistensi, variabilitas, sifat fraktal, kecenderungan jangka panjang, probabilitas, perode ulang nilai ekstrim, periodisitas, sensitivitas, model temporal, dan prediksi komponen hidrometerologi sebagai masukan dalam meningkatkan efektivitas menajemen penggunaan dan pengelolaan sumber air di daerah aliran sungai tersebut. 1.2. Maksud dan Tujuan Penelitian Maksud dari penelitian ini adalah mengidentifikasi karakteristik, mekanisme dan model temporal hidrometeorologi daerah aliran Sungai Citarum Hulu dan Tengah agar diperoleh informasi hidrometeorologis yang lengkap, terutama mengenai potensi banjir atau kekeringan, sebagai masukan bagi kebijakan pengelolaan tata air dan tata guna lahan di daerah aliran sungai tersebut. Tujuan khusus dari penelitian ini adalah mengidentifikasi variabilitas, persistensi, sifat chaotic, sifat fraktal, periode ulang nilai ekstrim, periodisitas, kecenderungan jangka panjang, dan sensitivitas komponen hidrometeorologi yaitu curah hujan, evapotranspirasi, kelembapan udara, dan debit sungai; mengkaji neraca air untuk
4
mengidentifikasi pola air cadangan dan koefisien limpasan; mengidentifikasi model temporal curah hujan dan debit sungai menggunakan ANFIS; dan memverifikasi hasil prediksi model temporal curah hujan dan debit sungai hasil identifikasi ANFIS. 1.3. Manfaat Penelitian Manfaat hasil penelitian ini adalah menyediakan informasi hidrometeorologis penting yang dapat digunakan sebagai bahan pertimbangan dalam perencanaan dan pengelolaan tata air dan tata guna lahan di daerah aliran Sungai Citarum dan menyediakan model alternatif untuk analisis dan peramalan curah hujan dan debit sungai sehingga potensi banjir dan kekeringan di daerah tersebut dapat dideteksi secara dini. Selain itu, penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi yang
sangat
bermanfaat
bagi
pengembangan
ilmu
iklim,
khususnya
hidrometeorologi. 1.4. Ruang Lingkup Penelitian Dalam penelitian ini kajian difokuskan pada komponen hidrometeorologi penting yaitu curah hujan, evapotranspirasi, kelembapan udara, dan debit sungai. Wilayah penelitian dibatasi pada daerah aliran Sungai Citarum Hulu dan Tengah pada posisi geografis antara 6o43’-7o25’ LS dan 107o08’-107o85’ BT. Daerah aliran Sungai Citarum tersebut diasumsikan merupakan satu kesatuan wilayah hidrometeorologi yang dapat diidentifikasi karakteristik, mekanisme, dan model temporalnya serta dapat dianalisis neraca airnya. Studi ini menggunakan data hidrometeorologi historis (sekunder) yang diperoleh dari BMG dan PSDA dan data fenomena iklim global yang diperoleh dari analisis National Centers for Environmental Prediction (NCEP) dan National Geophysical Data Center (NGDC). Analisis data difokuskan pada tiga bagian yaitu : (1) Analisis statistik meliputi persistensi, variabilitas, sifat chaotic, sifat fraktal, periode ulang nilai ekstrim, periodisitas, kecenderungan jangka panjang, dan sensitivitas untuk memahami karakteristik komponen hidrometeorologi; (2) Analisis neraca air untuk mengkaji 5
pola air cadangan dan koefisien limpasan; dan (3) Analisis ANFIS untuk mengidentifikasi model temporal curah hujan dan debit sungai yang potensial dipergunakan untuk memprediksi curah hujan dan debit sungai. 1.5. Hipotesis Dalam penelitian ini dapat diajukan beberapa hipotesis sebagai berikut : (1) Karakteristik dan mekanisme hidrometeorologi daerah aliran Sungai Citarum Hulu dan Tengah sangat unik; (2) Karakteristik dan mekanisme hidrometeorologi tersebut dipengaruhi fenomena global; (3) Model temporal curah hujan dan debit sungai dapat diidentifikasi dengan ANFIS dan sangat potensial untuk digunakan dalam memprediksi curah hujan dan debit sungai; dan (4) Hasil indentifikasi karakteristik dan model temporal curah hujan dan debit sungai dapat memberikan informasi potensi banjir dan kekeringan di daeral aliran sungai tersebut. 1.6. Sistematika Penelitian Diagram alir penelitian karakteristik, mekanisme dan model temporal hidrometeorologi daerah aliran Sungai Citarum disajikan pada Gambar I.1. Data Fenomena Iklim Global
Data Hidrometeorologi
Analisis Sifat Chaotic dan Fraktal
Analisis Variabilitas dan Persistensi
Analisis Periode Ulang dan Periodisitas
Analisis Kecenderungan dan Sensitivitas
Analisis Neraca Air
Air Cadangan
Analisis Korelasi
Karakteristik Hidrometeorologi
Koefisien Limpasan
Analisis ANFIS Testing
Model Temporal Hidrometeorologi
Verifikasi Hasil Prediksi Curah Hujan
Validasi
Verifikasi Hasil Prediksi Debit Sungai
Gambar I.1. Skema diagram alir penelitian karakteristik, mekanisme dan model temporal hidrometeorologi. 6
