BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1.
Sistem Distribusi Air Bersih Menurut Dharmasetiawan, 1993. Pendistribusian air dilakukan dengan
saluran tertutup atau dengan perpipaan dengan maksud supaya tidak terjadi kontaminasi terhadap air yang mengalir di dalamnya. Disamping itu dengan sistem perpipaan air lebih mudah untuk dialirkan karena adanya tekanan air. Komponen dari sistem distribusi adalah Penampungan air (Reservoir) dan Sistem perpipaan. 2.1.1. Penampungan Air (Reservoir) Penampungan air atau Reservoir adalah suatu bangunan yang menampung air sementara sebelum di distribusikan ke pemakai air. Lama penampungan disesuaikan dengan tingkat pemakaian air pada masa jam pemakaian puncak dan pemakaian jam rata rata. Volume dirancang sama dengan kebutuhan pada waktu defisit pemakaian ataupun surplus pemakaian. Secara praktis volume atau isi reservoir dapat pula dihitung berdasarkan waktu penampungan atau waktu retensi dari air pada debit rata rata. Umumnya dihitung 2 jam sampai 8 jam penampungan.Konstruksi reservoir harus dibuat sedemikian rupa sehingga air yang ditampung terhindar dari kontaminasi dari luar sehingga air yang disimpan tetap layak untuk dimanfaatkan. Umumnya untuk menjaga keadaan yang demikian di reservoir dilakukan pembubuhan bahan desinfektan. Biasanya desinfektan yang digunakan adalah Kaporit, atau Natrium HipoKlorit. Konstruksi reservoir dapat terbuat dari bahan beton, baja maupun kayu.
8
2.1.2 Sistem Perpipaan Sistem Perpipaan merupakan rangkaian pipa yang menghubungkan antara reservoir dengan pelanggan. Secara hirarki disusun menurut banyak jumlah air yang dibawa. Hirarki dalam sistem perpipaan berupa pipa induk, pipa sekunder/tersier atau pipa retikulasi dan pipa-pipa layanan (service). Hirarki pipa ini secara hidrolis terisolasi. Hal ini berarti air dari hirarki yang lebih tinggi terkendali alirannya ke hirarki yang lebih rendah. Dengan demikian tekanan air di pipa induk akan lebih tinggi dari yang ada di pipa retikulasi dan pengaturannya antara kedua jenis pipa ini dilakukan oleh katup (valve) atau valve pengatur tekanan (pressure reducing valve). Valve (Katup) adalah sebuah perangkat yang mengatur, mengarahkan atau mengontrol aliran dari suatu cairan dengan membuka, menutup, atau menutup sebagian dari jalan alirannya. Sedangkan debit air yang mengalir di pipa mengalir secara satu arah yaitu pipa induk ke pipa retikulasi. Untuk itu antara pipa induk dan pipa sekunder selain dilengkapi dengan katup (valve) pengatur debit juga dipakai pengatur katup (check valve). Check valve adalah alat yang digunakan untuk membuat aliran fluida hanya mengalir ke satu arah saja atau agar tidak terjadi reversed flow/back. Gate valve adalah jenis katup yang digunakan untuk membuka aliran dengan cara mengangkat gerbang penutup nya yang berbentuk bulat atau persegi panjang. Gate Valve adalah jenis valve yang paling sering dipakai dalam sistem perpipaan. Yang fungsinya untuk membuka dan menutup aliran. Dari segi kapasitas pipa distribusi di rancang untuk memenuhi kebutuhan debit pada saat pemakaian puncak. Tetapi ada pula jenis pipa distribusi yang dirancang untuk memenuhi debit pada saat pemakaian rata rata. Misalnya pipa yang menghubungkan antara reservoir dengan pelanggan.
9
Gambar 2.1 Check valve
Gambar 2.2 Gate Valve 2.2.
Sistem Penyediaan Air Bersih Menurut Ray K. Linsey and Joseph B. Franzini, 1991. Suatu sistem
penyediaan air bersih yang mampu menyediakan air yang dapat diminum dalam jumlah yang cukup merupakan hal penting bagi suatu kota besar yang modern. Unsur-unsur yang membentuk suatu sistem penyediaan air yang modern yaitu sumber-sumber penyediaan, sarana-sarana penampungan, sarana-sarana penyaluran,sarana-sarana pengolahan, sarana-sarana penyaluran (dari pengolahan) tampungan sementara, dan sarana-sarana distribusi.
10
Sumber Penyediaan Air
Penampungan
Penyaluran
Pengolahan
Penyaluran dan Penampungan
Distribusi
Gambar 2.3
Kaitan hubungan antara unsur-unsur fungsional dari suatu sistem penyediaan air kota.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3, tidak setiap unsur fungsional akan termasuk dalam tiap-tiap sistem penyediaan air. Sebagai contoh, pada sistemsistem dimana air tanah merupakan dari penyediaan air, makan sarana-sarana penampungan dan penyaluran biasanya tidak diperlukan. Pada beberapa contoh lain, sarana pengolahan mungkin tidak diperlukan. Dalam pengembangan persediaan air bagi masyarakat, jumlah dan mutu air merupakan hal yang paling penting. Hubungan antara kedua faktor ini kepada masing-masing unsur fungsional dapat dilihat pada tabel 2.1:
11
Tabel 2.1 Unsur-unsur fungsional dari sistem penyediaan air minum
Unsur fungsional
Masalah utama dalam perencanaan sarana
Sumber penyediaan
Jumlah / mutu
Penampungan
Jumlah / mutu
Penyaluran
Jumlah / mutu
Pengolahan
Jumlah / mutu
Penyaluran & penampungan
Jumlah / mutu
Distribusi
Jumlah / mutu
Uraian Sumber-sumber air permukaan bagi penyediaan, misalnya sungai, danau dan waduk atau sumber air tanah Sarana-sarana yang dipergunakan untuk menampung air permukaan biasanya terletak pada atau dekat sumber penyediaan Sarana-sarana untuk menyalurkan air dari tampungan ke sarana pengolah Sarana-sarana yang dipergunakan untuk memperbaiki atau merubah mutu air Sarana-sarana untuk menyalurkan air yang sudah diolah ke sarana penampungan sementara serta ke satu atau beberapa titik distribusi Sarana-sarana yang dipergunakan untuk membagi air ke masing masing pemakai yang terkait di dalam sistem
Sumber: Ray K. Linsey and Joseph B. Franzini. Teknik Sumber Daya Air Jilid II Erlangga. Jakarta. 1991. Hal 90.
2.3
Studi Kebutuhan Air Bersih Untuk sebuah sistem penyediaan air minum, perlu diketahui besarnya
kebutuhan dan pemakaian air. Kebutuhan air dipengaruhi oleh besarnya populasi penduduk, tingkat ekonomi dan faktor-faktor lainnya. Oleh karena itu, data mengenai keadaan penduduk daerah yang akan dilayani dibutuhkan untuk memudahkan permodelan evaluasi sistem distribusi air minum. Kebutuhan air bersih berbeda antara kota yang satu dengan kota yang lainnya. Adapun faktor-
12
faktor yang mempengaruhi penggunaan air bersih menurut Ray K. Linsey and Joseph B. Franzini (1991) adalah : 1. Iklim Kebutuhan air untuk mandi, menyiram taman, pengaturan udara dan sebagainya akan lebih besar pada iklim yang hangat dan kering daripada di iklim yang lembab. Pada iklim yang sangat dingin, air mungkin diboroskan di keran-keran untuk mencegah bekunya pipa-pipa. 2. Ciri-ciri Penduduk Pemakaian air dipengaruhi oleh status ekonomi dari para langganan. Pemakaian perkapita di daerah miskin jauh lebih rendah daripada di daerah-daerah kaya. Di daerah-daerah tanpa pembuangan limbah, konsumsi dapat sangat rendah hingga hanya sebesar 40 liter/kapita per hari. 3. Masalah Lingkungan Hidup Meningkatnya perhatian masyarakat terhadap berlebihannya pemakaian sumber-sumber daya telah menyebabkan berkembangnya alat-alat yang dapat dipergunakan untuk mengurangi jumlah pemakaian air di daerah pemukiman. 4. Keberadaan Industri dan Perdagangan Keberadaan industri dan perdagangan dapat mempengaruhi banyaknya kebutuhan air per kapita dari suatu kota. 5. Iuran Air dan Meteran Bila harga air mahal, orang akan lebih menahan diri dalam pemakaian air dan industri mungkin mengembangkan persediaannya sendiri dengan
13
biaya yang lebih murah. Para langganan yang jatah air diukur dengan meteran akan cenderung untuk memperbaiki kebocoran-kebocoran dan mempergunakan air dengan jarang. Pemasangan meteran pada beberapa kelompok masyarakat telah menurunkan pengguanaan air hingga sebanyak 40 persen. 6. Ukuran Kota Penggunaan air per kapita pada kelompok masyarakat yang mempunyai jaringan limbah cenderung untuk lebih tinggi di kota-kota besar daripada di kota kecil. Secara umum, perbedaan itu diakibatakan oleh lebih besarnya pemakaian oleh industri, lebih banyaknya taman - taman, lebih banyaknya pemakaian air untuk perdagangan dan barang kali juga lebih banyak kehilangan dan pemborosan di kota-kota besar. Untuk memproyeksi jumlah kebutuhan air bersih dapat dilakukan berdasarkan perkiraan kebutuhan air untuk berbagai macam tujuan ditambah perkiraan kehilangan air. Adapun kebutuhan air untuk berbagai macam tujuan pada umumnya dapat dibagi dalam : a. Kebutuhan domestik -
Sambungan rumah
-
Sambungan kran umum
b. Kebutuhan non domestik -
Fasilitas sosial (Masjid, panti asuhan, rumah sakit dan sebagainya)
-
Fasilitas perdagangan/industri
-
Fasilitas perkantoran dan lain-lainnya
Sedangkan kehilangan air dapat disebabkan oleh dua hal, yaitu :
14
-
Kehilangan air akibat faktor teknis, misalnya kebocoran dari pipa distribusi
-
Kehilangan air akibat faktor non teknis, antara lain sambungan tidak terdaftar. kerusakan meteran air, untuk kebakaran dan lain-lainnya.
2.3.1 Kebutuhan Domestik Merupakan kebutuhan air bersih untuk rumah tangga seperti minum, memasak, mandi, dan juga kran umum. Faktor-faktor yang mempengaruhi perkiraan besar kebutuhan air yang digunakan untuk keperluan domestik adalah ketersediaan air, kebiasaan hidup, perkembangan sosial ekonomi, perbedaan iklim, jumlah penduduk, pola dan tingkat hidup masyarakat. Jumlah penduduk suatu kota sangat mempengaruhi kebutuhan air perorangan. Hal tersebut dapat di lihat pada tabel 2.2 : Tabel 2.2 Konsumsi Air Bersih
Kategori Kota
Jumlah Penduduk
Sambungan Rumah
Sambungan Umum
(L/orang/hari)
(L/orang/hari)
Kehilangan air
Metropolitan
>1.000.000
190
30
20%
Kota Besar
500.000-1.000.000
170
30
20%
Kota Sedang
100.000-500.000
150
30
20%
Kota Kecil
20.000-100.000
130
30
20%
IKK
<20.000
100
30
20%
Sumber : Kebijaksanaan operasional program air bersih, Direktorat Jendral Cipta Karya, DPU
15
2.3.2 Kebutuhan Non Domestik Merupakan kebutuhan air bersih selain untuk keperluanrumah tangga dan sambungan kran umum, seperti penyediaan air bersih untuk perkantoran, perdagangan serta fasilitas sosial seperti tempat-tempat ibadah, sekolah, hotel, puskesmas, militer serta pelayanan jasa umum lainnya Tabel 2.3 Rata-rata Kebutuhan Air Per Orang Per Hari
No
Jenis Gedung
Jangka Pemakaian waktu air ratapemakaian rata sehari air rata(liter) rata sehari (jam)
Perbanding an luas lantai efektif/total (%)
Keterangan
250
8-10
42-45
Setiap Penghuni
2
Perumahan Mewah Rumah Biasa
160-250
8-10
50-53
3
Apartment
200-250
8-10
45-50
4
Asrama
120 Mewah >1000 Menengah 500-1000 Umum 350-500
8
-
Setiap Penghuni Mewah 250 L Menengah 190 L Bujangan 120 L Bujangan
1
5
6 7 8
Rumah Sakit
Sekolah Dasar SLTP SLTA dan lebih tinggi
(setiap tempat tidur pasien) Pasien luar :500ltr Staf/pegawai:120ltr Kel.pasien : 160 ltr
8-10
45-48
40
5
58-60
Guru : 100 liter
50
6
58-60
80
6
-
Guru : 100 liter Guru/dosen : 100 liter
9
Rumah toko
100-200
8
-
Penghuninya : 160 liter
10
Gedung Kantor
100
8
60-70
Setiap pegawai
55-60
Pemakaian air hanya untuk kakus, belum termasuk untuk bagian restorannya
11
Toserba (toko serba ada, department store)
3
7
16
Buruh Pria: 60 Buruh Wanita: 100
-
Per orang, setiap giliran (kalau kerja lebih dari 8 jam sehari)
15
-
Setiap penumpang (yang tiba maupun berangkat)
30
5
-
Untuk Penghuni 160 Liter
15
7
-
Untuk penghuni: 160 ltr, pelayan: 100 ltr
Perbanding an luas lantai efektif/total (%)
Keterangan
12
Pabrik/ Industri
13
Stasiun/ Terminal
3
14
Restoran
15
Restoran Umum
No
Jenis Gedung
8
Jangka Pemakaian waktu air ratapemakaian rata sehari air rata(liter) rata sehari (jam)
16
Gedung Pertunjukan
30
5
53-55
Kalau digunakan siang dan malam, pemakaian air dihitung per penonton, jam pemakaian air dalam tabel adalah untuk satu kali pertunjukan
17
Gedung Bioskop
10
3
-
Pedangang besar: 30 liter/tamu, 10 liter/staff atau, 5 liter per hari setiap m2 luas lantai Untuk setiap tamu, untuk staf 120-150 liter; penginapan 200 liter
18
Toko Pengecer
40
6
-
19
Hotel/ Penginapan
250-300
10
-
20
Gedung Peribadatan
10
2
-
Didasarkan jumlah jemaah per hari
21
Perpustakaan
25
6
-
Untuk setiap pembaca yang tinggal
17
22
Bar
30
6
-
Setiap tamu
23
Perkumpulan Sosial
30
-
-
Setiap tamu
24
Kelab Malam
120-350
-
-
Setiap Tempat duduk
25
Gedung Perkumpulan
150-200
-
-
Setiap tamu
26
Laboratorium
100-200
8
-
Setiap staff
Sumber : Soufyan Moh. Noerbambang & Takeo Morimura, Perencanaan dan Pemeliharaan Sistem Plambing, PT Pradnya Paramita, Jakarta.2005, hal 48.
2.3.3 Fluktuasi Kebutuhan Air Pada umumnya, masyarakat indonesia melakukan aktifitas penggunaan air pada pagi dan sore hari dengan konsumsi air yang lebih banyak daripada waktuwaktu lainnya. Dari keseluruhan aktifitas dan konsumsi sehari tersebut dapat diketahui pemakaian rata-rata air. Dengan memasukkan besarnya faktor kehilangan air ke dalam kebutuhan dasar, maka selanjutnya dapat disebut sebagai fluktuasi kebutuhan air. Dan di dalam distribusi air minum, tolak ukuryang digunakan dalam perencanaan maupun evaluasinya adalah kebutuhan air harimaksimum dan kebutuhan air jam maksimum dengan mengacu pada kebutuhan air rata-rata. Pada umumnya kebutuhan air dibagi dalam tiga kelompok : 1. Kebutuhan rata - rata Pemakaian air rata-rata menggunakan persamaan berikut: Q
....................................................................................................(2.1)
di mana :
Q : Pemakaiaan air rata-rata (m³/jam) Q : Pemakaian air rata-rata sehari (m³) T : Jangka waktu pemakaian (jam) 18
2. Kebutuhan harian maksimum Kebutuhan air harian dengan menggunakan rumus: Kebutuhan air per hari = Jlh penduduk x keb. rata-rata per hari............(2.2) 3. Kebutuhan pada jam puncak Kebutuhan harian maksimum dan jam puncak sangat diperlukan dalam perhitungan besarnya kebutuhan air baku, karena hal ini menyangkut kebutuhan padahari-hari tertentu dan pada jam puncak pelayanan. Sehingga penting mempertimbangkan suatu nilai koefisien untuk keperluan tersebut. Kebutuhan air harian maksimum dan jam puncak dihitung berdasarkan kebutuhan dasar dan nilai kebocoran dengan pendekatan sebagai berikut : Q max = C . Q ........................................................................(2.3)
di mana : C adalah konstanta (1,5–2,0).
2.3.4 Kehilangan Air
Kehilangan air adalah selisih antara banyaknya air yang disediakan dengan air yang dikonsumsi. Pada kenyataannya kehilangan air dalam suatu perncanaan sistem distribusi selalu ada. Kehilangan air tersebut dapat bersifat teknis dan non teknis. Contoh kehilangan air bersifat teknis adalah kebocoran pada pipa. Sedangkan contoh kehilangan air bersifat non teknis adalah pencurian air yang dilakukan pihak yang tidak bertanggung jawab. Dalam merencanakan distribusi air minum harus memperhitungkan kebocoran dengan maksud agar titik pelayanan tetap dapat terpenuhi kebutuhan akan air. Kehilangan air memiliki 3 macam pengertian yaitu :
19
1. Kehilangan Air Rencana Kehilangan air ini dialokasikan untuk melancarkan operasi dan pemeliharaan fasilitas penyediaan air bersih. Kehilangan air ini akan diperhitungkan dalam penetapan harga air dimana biaya akan dibebankan pada konsumen. 2. Kehilangan Air Percuma Kehilangan air percuma menyangkut aspek penggunaan fasilitas penyediaan air bersih serta pengelolaannya. Hal ini sangat tidak diharapkan dan harus diusahakan untuk ditekan dengan cara penggunaan dan pengelolaan fasilitas air bersih secara baik dan benar. 3. Kehilangan Air Insidentil Kehilangan Air Insidentil adalah kehilangan air diluar kekuasaan manusia, misalnya seperti bencana alam. 2.4.
Konsep Dasar Aliran Fluida Menurut Klaas, 2009. Debit adalah banyaknya fluida yang mengalir tiap
satuan waktu melalui irisan pipa atau saluran Q = A.V..................................................................................................(2.4) di mana :
Q = debit aliran (m /detik) V = kecepatan rerata di saluran (m/detik) A = luas penampang aliran (m )
Dalam sistem tertutup seperti ini aliran fluida tidak dapat masuk ataupun keluar kecuali pada kedua ujung pipa tersebut. Volume cairan antara kedua bagian 1 dan 2 merupakan volume kontrol. Menurut fisika Newton (dengan mengabaikan kemungkinan konversi massa menjadi energi), jumlah massa adalah tetap. Jikalau
20
diketahui massa fluida dalam volume kontrol (vol) pada waktu t, maka massa fluida dalam volume kontrol pada waktu t + dt menjadi : Massa
= Massa + ρ V A dt − ρ A dt.......................................(2.5)
Massa yang terdapat dalam volume pada waktu t + dt dapat juga dinyatakan sebagai berikut : Massa
= massa + (vol)
ρ A V − ρ A V = (vol) dimana
dt.......................................................(2.6)
............................................................................(2.7)
adalah waktu perubahan rapat massa
dalam volume. Jikalau
fluida merupakan fluida tak termampatkan, yang artinya ρ = konstan, maka ρ = ρ dan
= 0 sehingga ∶
A .V = A . V = Q ...........................................................................................(2.8) 2.5.
Kehilangan Tinggi Tekanan
Menurut Klaas, 2009. Kehilangan tinggi tekanan dapat disebabkan oleh karena beberapa faktor yang secara umum dibagi atas kehilangan tinggi karena tahan oleh permukaan pipa dan karena tahanan oleh karena bentuk pipa. Kehilangan tinggi tekanan dapat berupa kehilangan tinggi (mayor losses) dan kehilangan minor (minor losses) 2.5.1. Kehilangan Tinggi Tekanan Mayor (Mayor Losses) Walau menggunakan teorema Bernoulli untuk kondisi ideal tanpa gesekan (frictionless), setiap pipa memiliki tahanan gesekan terhadap gerak air (frictional resistance) oleh karena kekasaran pipa. Persamaan yang digunakan untuk menentukan Mayor losses adalah persamaan Hazen William dan Darcy-Weisbach.
21
2.5.1.1 Persamaan Hazen Williams Menurut Dharmasetiawan, 1993. Persamaan Hazen-williams adalah yang paling umum dipakai, persamaan ini lebih cocok untuk menghitung kehilangan tekanan untuk pipa dengan diameter besar yaitu diatas 100 mm. Selain itu rumus ini sering dipakai karena mudah dipakai. Persamaan Hazen William secara empiris menyatakan bahwa debit yang mengalir didalam pipa adalah sebanding dengan diameter pipa dan kemiringan hidrolis (S) yang di nyatakan sebagai kehilangan tekanan (h ) dibagi dengan panjang pipa (L) atau S = (h /L) Disamping itu ada faktor C yang menggambarkan kodisi fisik dari pipa seperti kehalusan dinding dalam pipa yang menggambarkan jenis pipa dan umur. Secara umum rumus Hazen William adalah sebagai berikut: Q = 0.2785.C.d
.
.S
,
...................................................................
dengan: S = (h /L ).....................................................................................
(2.9) (2.10)
Q = Debit aliran (m /detik) C = Koefisien kekasaran pipa d = diameter pipa (m) S = Kemiringan Hidrolis (m) h = Kehilangan tinggi tekanan (m) L = Panjang pipa (m)
di mana :
Apabila kehilangan tekanan (h ) yang akan dihitung maka : h =(
,
.C.d
.
)
.
.L ....................................................................(2.11)
C (koefisien kekasaran pipa Hazen William) berbeda untuk berbagai jenis pipa di Tabel 2.4. dapat dilihat koefiesien tersebut. Tabel 2.4 Koefisien Hazen-Williams No
Jenis (Material) Pipa
Nilai C Perencanaan
1
Asbes Cement
120
2
Poly Vinil Chloride (PVC)
120-140
22
3
High Density Poly Ethylene (HDPE)
130
4
Medium Density Poly Ethylene (MDPE)
130
5
Ductile Cast Iron Pipe (DCIP)
110
6
Besi Tuang, cast Iron (CIP)
110
7
Galvinized Iron Pipe (GIP)
110
8
Steel Pipe (Pipa Baja)
110
Sumber: Martin Dharmasetiawan, Sistem perpipaan distribusi air minum, Ekamitra Engineering, Jakarta, 1993, Bab II hal 8
2.5.1.2 Persamaan Darcy Weisbach Persamaan Darcy secara diturunkan secara matematis dan menyatakan kehilangan tekanan sebanding dengan kecepatan kuadrat dari aliran air, panjang pipa dan berbanding terbalik dengan diameter. Kemudian secara empiris di tentukan suatu faktor f. hf = f di mana:
.......................................................................................... (2.12) hf F L v g d
= kehilangan tinggi oleh tahanan permukaan pipa (m) = faktor gesekan (diperoleh dari diagram Moody) = panjang pipa (m) = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/s) = percepatan gravitasi = 9,81 m/s2 = diameter pipa (m)
23
Gambar 2.4. Diagram Moody Jika diketahui komponen debit, Q dan luas permukaan pipa, A maka persamaan 2.12 menjadi : h =
.. .
. .
.............................................................................................(2.13)
Dalam penerapan praktis digunakan diagram Stanton yang dibuat oleh L.F.Moody (1950). Untuk menentukan nilai f digunakan persamaan dengan kriteria Reynolds (Re). Saat aliran fluida memenuhi saluran, gaya gravitasi tidak mempengaruhi pola aliran. Parameter kapilaritas juga dalam penerapannya tidak berpengaruh sehingga gaya yang diperhitungkan adalah gaya inersia dan gesekan fluida oleh karena kekentalannya. Bilangan Reynolds merupakan perbandingan gaya-gaya inersia dengan gaya-gaya kekentalan. Bilangan ini Pertama kali
24
dikemukakan oleh Osborne Reynolds pada tahun 1882 yang kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Lord Rayleigh di tahun 1892. Nilai bilangan tanpa dimensi ini (dimensionless) ditentukan dengan persamaan sebagai berikut : Re =
.
................................................................................................(2.14)
Untuk pipa bundar yang penuh dialiri cairan nilai L kemudian diganti dengan diameter pipa (d) sehingga persamaan menjadi sebagai berikut : Re = di mana,
.
..................................................................................................(2.15) Re = bilangan Reynolds v = kecepatan aliran (m/detik) d = diameter pipa (m) = kekentalan kinematik (m /detik)
Dengan bilangan Reynold ini kita dapat menentukan sifat pengaliran di pipa dengan mengikuti aturan yang tertera pada tabel 2.5
Tabel 2.5 Jenis aliran berdasarkan niai Bilangan Reynold, Re Jenis Aliran
Nilai Re
Laminar
< 2100
Transisi
2100 < Re < 4000
Turbulen
> 4000
Sumber: Dua Klaas,Desain Jaringan Pipa, Mandar maju, Bandung, 2009, hal 17.
25
Tabel 2.6 Nilai untuk koefisien colebrook Nilai dalam mm No
Lapisan Dalam Pipa Nilai ancar ancar
Nilai Perencanaan
1
Kuningan
0,0015
0,0015
2
Tembaga
0,0015
0,0015
3
Beton
0,3-3,0
1,2
4
Besi Tuang-tanpa pelapisan
0,12-0,61
0,24
5
Besi Tuang-pelapisan aspal
0,061-0,183
0,12
6
Besi Tuang-pelapisan semen
0,0024
0,0024
7
Galvanized Iron Pipe
0,061-0,24
0,150
8
Pipa Besi
0,030-0,024
0,061
9
Welded steel pipe
0,020-0,091
0,061
10
Riveted steel pipe
0,020-0,091
1,81
11
PVC
0,0015
0,0015
12
HDPE
0,007
0,007
Sumber: Martin Dharmasetiawan, Sistem Perpipaan Distribusi Air Minum, Ekamitra Engineering, Jakarta, 1993, Hal 9
2.5.2. Kehilangan Tinggi Tekan Minor (Minor Losses) Kehilangan tinggi ini disebabkan oleh gangguan lokal terhadap aliran normal dalam pipa. Beberapa contoh gangguan lokal tersebut adalah : 1. Lubang masuk dan keluar ke dan dari dalam pipa; 2. Perubahan
bentuk
penampang
tiba
tiba
(penyempitan
dan
pembesaran);
26
3. Belokan Pipa; 4. Halangan (tirai, pintu air); 5. Perlengkapan pipa (sambungan, katup, percabangan, dan lain lain). Kerugian di atas mungkin tidak begitu kecil, misalnya katup yang tertutup sebagian dapat menyebabkan penurunan tekanan yang lebih besar daripada pipa yang panjang. Karena pola aliran dalam piting dan katup cukup rumit, teorinya sangat lemah. Kerugian ini biasanya diukur secara eksperimental dan dikorelasikan dengan parameter-parameter aliran pipa. Besarnya kerugian minor dirumuskan sebagai berikut: h =∑k
di mana:
h v g k
................................................................................. (2.16) = = = =
kehilangan tinggi pada lubang masuk pipa (m) kecepatan aliran (m/s) percepatan gravitasi (9,81 m/s2) koefisien kehilangan
Besarnya kehilangan tinggi tekanan minor dapat di lihat pada Tabel 2.7 berikut :
27
Tabel 2.7 Kehilangan tinggi tekanan pada katup, alat penyesuaian dan pipa yang digunakan Harga K dalam h= K
No Katup pintu : - Terbuka penuh
0.19
- ¾ terbuka
1.15
- ½ terbuka
5,6
- ¼ terbuka
24
2
Katup bola, terbuka
10
3
Katup sudut, terbuka
5
4
Bengkokan 90 ,
1
5
- Jari-jari pendek
0,9
- Jari-jari pertengahan
0,75
- Jari-jari panjang
0,6
Lengkungan pengembalian 180
2,2 0.42
7
Bengkokan 45
8
Sambungan T
1,25
6
9
Bengkokan 22 1/2 (45cm) Sambungan pengecil (katup pada ujung yang kecil)
10
Sambungan Pembesar
11
Sambungan pengecil mulut lonceng
12
lubang terbuka
0.13
0,25 0,25 (v − v )/2g 0,10 1,80
Sumber : J.M.K. Dake, Endang P.Tachyan, Y.P. Pangaribuan, Hidrolika Teknik Edisi Kedua. Erlangga. Jakarta.1985 . Hal. 78
28
2.6.
Jenis Jaringan Pemipaan
2.6.1 Sistem Jaringan Pemipaan Seri Sistem pemipaan dengan susunan seri merupakan jaringan pipa tanpa cabang atau pun loop. Jaringan ini memiliki satu sumber, satu ujung dan node yang menyambung 2 pipa yang berada dalam satu jalur.Jaringan pemipaan jenis ini sangat kecil dan dipakai untuk pendistribusian air kawasan yang kecil.
Gambar 2.5 Pipa Jaringan Seri 2.6.2. Sistem Jaringan Pemipaan Bercabang (Branch) Sistem pemipaan dengan susunan bercabang merupakan kombinasi dari jaringan pemipaan susunan seri. Dimana, jaringannya terdiri dari satu sumber dan memiliki banyak cabang. Sistem ini cukup untuk memenuhi kebutuhan sebuah komunitas dan investasi yang dikeluarkan tidaklah besar.
Gambar 2.6 Pipa Jaringan Bercabang
29
2.6.3. Sistem Jaringan Pemipaan Tertutup (Loop) Sistem pemipaan ini merupakan sistem yang mana jaringannya saling terhubung yang terdiri dari node-node yang menerima aliran air lebih dari satu bagian. Dengan sistem ini masalah – masalah yang dihadapi pada sistem seri ataupun bercabang dapat ditangani seperti masalah tekanan. Namun, sistem pemipaan dengan jaringan ini lebih rumit jika dibandingkan dengan sistem seri atau bercabang. Untuk biaya operasi dan investasi yang cukup besar. Sistem ini biasanya dipakai pada daerah yang cukup luas dengan jumlah pemakai yang cukup besar.
Gambar 2.7 Pipa Jaringan Tertutup (Loop) 2.6.4. Sistem Jaringan Pemipaan Kombinasi Sistem perpipan jenis ini merupakan sistem jaringan pemipaan yang umum digunakan untuk daerah yang luas. Sistem ini merupakan gabungan antara sistem dengan jaringan bercabang dan loop
Gambar 2.8 Pipa Jaringan Kombinasi
30
2.7
Analisis Jaringan Pipa dengan Metode Hardy Cross Menurut Dua K.S.Y.Klaas untuk mengerti dan mengevaluasi sebuah
sistem jaringan pipa diperlukan analisis jaringan pipa dengan metode yang tepat. Metode yang digunakan dipilih berdasarkan jenis sistem jaringan pipa yang bersangkutan. Pada prinsipnya ada dua jenis utama jaringan distribusi,yaitu sistem tertutup dan sistem bercabang. Untuk jaringan pipa sistem bercabang cukup digunakan persamaan debit pada setiap titik untuk mencari debit yang dibutuhkan.Akan tetapi permasalahan akan menjadi lebih rumit saat jaringannya adalah sistem tertutup. Pada sistem jaringan ini digunakan Metode Hardy cross. Metode ini dikembangkan oleh Hardy Cross di tahun 1936.
Metode ini
didasarkan pada persamaan kontinuitas.
Gambar 2.9 Sistem Jaringan Pipa Suatu jaringan kota dapat dibagi menjadi beberapa putaran atau “cincin” yang sesuai. Dua kebutuhan teoretis yaitu penurunan tinggi tekan netto sekeliling putaran harus nol dan besarnya aliran netto ke arah cabang juga harus nol (0). Andaikan kehilangan tinggi tekan terhadap gesekan dan lain-lainnya pada
31
masing-masing pipa dinyatakan dalam bentuk : hf = K.Qo..............................................................................................(2.17) di mana Kp dan indeks n diumpamakan tetap dan Q adalah debit yang melalui pipa,kita umpamakan : Q = Qo + ΔQ .......................................................................................(2.18) dimana Qo adalah debit yang diumpamakan (memenuhi kondisi kesinambungan) yang besarnya di bawah debit yang sebenarnya dengan perbedaan yang kecil sehargaΔQ. Dengan mensubstitusikan (2.17) kedalam (2.18) dan dengan mengembangkannya dengan teori binomial (dengan menghilangkan faktor yang mempunyai (ΔQ) dan pangkat yang lebih besar). hf = K ( Q + nQ
ΔQ ) ...............................................................(2.19)
Dalam gerakan sekeliling putaran , Σhf = 0, sehingga : ΣnK Q
ΔQ = -ΣKQ ...................................................................(2.20)
Untuk memenuhi kebutuhan kesinambungan pada setiap cabang (untuk aliran masuk dan keluar yang tetap ke dalam putaran tertentu), harga ΔQ harus sama pada setiap pipa. Dengan demikian ΔQ dapat dikeluarkan dari tanda pejumlahan. Sehingga persamaan (2.20) menghasilkan: ΔQ =
=
...........................................................................(2.21)
Persamaan 2.21 memberikan koreksi yang akan digunakan untuk debit yang diumpamakan Qo untuk membuat harga tersebut sangat mendekati harga debit yang nyata Q.Harga n adalah eksponen dalam persamaan Hazen – Williams bila digunakan untuk menghitung hf dan besarnya adalah
,
=1.85 dan n
menyatakan suku-sukuyang terdapat dalam persamaan yang menggunakan satuan
32
British, yaitu : n=
,
,
.............................................................................................(2.22)
,
Cara lain yang dapat digunakan adalah dengan persamaan Darcy-Weisbach dengan n = 2 dan hal lain yang perlu diperhatikan adalah bahwa faktor gesekan selalu berubah untuk setiap iterasi.
n=
..
...............................................................................................(2.23)
selanjutnya harga K dapat dilihat pada tabel 2.8 Tabel 2.8 Harga K untuk pipa Metode
Satuan Unit Q,cfs ; L,ft ; d,ft ; hf,ft
Hazen-William
Q,gpm ; L,ft ; d,inc ; hf,ft
Q,m /s ; L,m ; d,m ; hf,m
Q,cfs ; L,ft ; d,ft ; hf,ft
Darcy-Weisbach
Q,gpm ; L,ft ; d,inc ; hf,ft
Q,m /s ; L,m ; d,m ; hf,m
Harga K 4,73L C , d ,
10,44L C , d , 10,70L C , d , f. L 39,70d f. L 32,15d f. L 12,10d
Sumber : Ram Gupta. S, “Hydrology & Hydraulic Engineering Systems. Pearson. New Jersey. 1989. Hal. 567. Adapun prosedur pengerjaannya Metode Hardy-Cross dengan persamaan menurut J.M.K. Dake,Endang P.Tachyan, dan Y.P. Pangaribuan. 1985 sebagai berikut:
33
1. Misalkan setiap distribusi aliran yang layak yang memenuhikebutuhan yang berkesinambungan pada setiap cabang dan untukkeseluruhan putaran 2. Hitunglah kehilangan tinggi tekan pada setiap pipa dengan hf=K.Q (harga K menggunakan Tabel 2.8). adalah bijaksana bekerja pada arah yang tetap (searah atau kebalikan arah jarum jam). 3. Kehilangan tinggi tekan adalah positif apabila aliran ada dalam arah yang tetap dan negatif (yaitu tinggi tekan naik) apabila aliran berlawanan dengan arah tadi. Dengan menjumlahkan kehilangan tinggi tekan secara aljabar,Σhf= ΣK.Qo . 4. Harga hf/Qo selalu positif karena kehilangan tinggi tekan (+hf) diikuti dengan aliran dalam pengertian kemajuan yang positif (+Qo) dan kebalikannya. 5. Hitung koreksi debit aliran ΔQ=
∑
∑
/
dimana : ΔQ= koreksi debit aliran untuk tiap tiap loop. n = harga yang bergantung pada persamaan yang digunakan untuk menghitung debit aliran.(n=1,85 bila digunakan persamaan Hazen – Williams dan n = 2 bila digunakan persamaan Darcy dan Manning). 6. Koreksi debit aliran, Q = Qo + ΔQ, Untuk pipa yang digunakan secara bersama dengan loop lain, maka koreksi aliran untuk pipa tersebut adalah harga netto dari koreksi untuk kedua loop. 7. Tuliskan aliran yang telah di koreksi pada diagram jaringan pipa seperti pada langkah 1. untuk memeriksa koreksi pada langkah 7 perhatikan kontinuitas pada setiap pertemuan pipa. 8. Ulangi langkah 1-6 hingga koreksi debit aliran ∆Q ≈ 0 9. Prosedur di atas dapat digambarkan pada sebuah tabel 2.9 berikut:
34
Tabel 2.9 Perhitungan Hardy Cross No pipa Dike tahui
D (m) Dike tahui
L (m) Dike tahui
Qo (m /dtk)
C
K
hf
hf/Qo
Ditaksir
Tabel
Rumus
Rumus
Rumus
∑hf
2.8
∑hf/Qo
ΔQ(m /dtk)
∑hf 1,85 ∑hf/Qo
Pengenalan EPANET EPANET adalah program komputer yang menggambarkan simulasi
hidrolis dan kecenderungan kualitas air yang mengalir di dalam jaringan pipa. Jaringan itu sendiri terdiri dari Pipa, Node ( titik koneksi pipa ), pompa, katub,dan tangki air atau reservoir. EPANET dikembangkan oleh Water Supply and Water Resources Divission USEPA’S National Risk Management Research Laboratory dan pertama kali diperkenalkan pada tahun 1993 dan versi yang baru diterbitkan pada tahun 1999. EPANET didesign sebagai alat untuk mencapai dan mewujudkan pemahamantentang pergerakan dan karakteristik kandungan air minum dalam jaringan distribusi. Juga dapat digunakan untuk berbagai analisa berbagai aplikasi jaringan distribusi. Sebagai contoh untuk pembuatan design, kalibrasi model hidrolis,analisa sisa khlor, dan analisa pelanggan.EPANET dapat membantu dalam mengatur strategi untuk merealisasikan kualitas air dalam suatu sistem. Semua itu mencakup: -
Alternatif penggunaan sumber dalam berbagai sumber dalam suatu sistem.
-
Alternatif pemompaan dalam penjadwalan pengisian atau pengosongan tangki.
-
Penggunaan treatment, misal khlorinasi pada tangki.
-
Pentargetan pembersihan pipa dan penggantiannya.
35
Dijalankan dalam lingkungan windows, EPANET dapat terintegrasi untuk melakukan editing dalam pemasukan data, running simulasi dan melihat hasi lrunning dalam berbagai bentuk (format), Sudah pula termasuk kode-kode yang berwarna pada peta, tabel data-data, grafik, serta citra kontur.
2.8.1 Kemampuan model hidrolis. Fasilitas yang lengkap serta pemodelan hidrolis yang akurat adalah salah satu langkah yang efektif dalam membuat model tentang pengaliran serta kualitas air. EPANET adalah alat bantu analisis hidrolis yang didalamnya terkandung kemampuan seperti : -
Kemampuan analisa yang tidak terbatas pada penempatan jaringan
-
Perhitungan
harga
kekasaran
pipa
menggunakan
persamaan
Hazen Williams , Darcy Weisbach, atau Chezy-Manning -
Temasuk juga minor head losses untuk bend, fitting, dsb
-
Pemodelan terhadap kecepatan pompa yang constant maupun variable
-
Menghitung energi pompa dan biaya (cost)
-
Pemodelan terhadap variasi tipe dari katup (valve) termasuk menghentikan (shut off), memeriksa (check), mengatur tekanan (pressure regulating), dan mengontrol aliran pada katup ( flow control valve)
-
Tesedia tangki penyimpan dengan berbagai bentuk (seperti diameter yang bervariasi terhadap tingginya)
-
Memungkinkan di masukkannya kategori kebutuhan (demand) ganda pada node, masing-masing dengan pola tersendiri yang bergantung pada variasi waktu.
36
-
Model tekanan (pressure) yang bergantung pada pengeluaran aliran dari alat sambungan (emitter) ke alat penyiram (Sprinkler head)
-
Dapat dioperasikan dengan system dasar pada tangki sederhana atau kontrol waktu, dan pada kontrol waktu yang lebih kompleks.
2.8.2 Kemampuan Model Kualitas air Sebagai tambahan dalam pemodelan hidrolis, EPANET menyediakan kemampuan pemodelan kualitas air, yaitu : -
Model pergerakan materi tracer non reaktif pada
-
jaringan, sepanjang waktu
-
Model pergerakan dan nasib dari materi reaktif yang tumbuh (misalnya hasil desinfeksi) atau yang meluruh (misalnya sisa khlor) terhadap waktu.
-
Model umur air yang mengalir pada jaringan
-
Melacak persentasi aliran dari node yang akan dicapai dari node lainnya sepanjang waktu
-
Model reaksi baik pada aliran olahan dan pada dinding pipa
-
Menggunakan orde ke-n untuk model reaksi pada aliran olahan
-
Menggunakan orde nol atau pertama untuk model reaksi pada dinding pipa
-
Menghitung batas transfer massa untuk menghitung reaksi pada dinding pipa
-
Menyediakan reaksi pertumbuhan atau peluruhan untuk memproses keterbatasan konsentrasi
37
-
Menghitung koefisien laju reaksi global yang dapat dimodifikasi berdasarkan pipa-pipa
-
Menyediakan koefisien laju reaksi dinding dalam kaitannya dengan kekasaran pipa
-
Menyediakan input massa pada variasi waktu konsentrasi pada semua lokasi di jaringan
-
Pemodelan tangki penyimpanan berupa pencampuran yang sempurna (complete mixing),pola aliran (plug flow) atau dua kompartemen reaktor. Dengan tersedianya fasilitas tersebut, EPANET dapat melakukan kajian
fenomena kualitas air seperti mencampur air dari sumber yang berbeda, “usia air” dalam sistem, kehilangan sisa klor (chlor), pertumbuhan zat kima (desinfektan), melacak kontaminan
Gambar 2.10 Tampilan EPANET
38
Untuk menjalankan program ini diperlukan input data yang mendukung, sehingga dihasikan output yang menunjukkan performansi jaringan tersebut. Input yang diperlukan pada program ini yaitu : 1. Input komponen yang mendukung sebuah sistem jaringan pipa yang meliputi pipa, pompa dan reservoir. 2. Input berupa node yang menghubungkan masing-masing pipa sehingga membentuk sebuah sistem jaringan pipa. 3. Input berupa nomor masing-masing komponen baik pipa, node, pompa,dan reservoir. 4. Input yang menunjukkan karakteristik masing-masing komponen yang meliputi: -
Diameter, panjang, kekasaran bahan pipa
-
Karakteristik pompa.
5. Input persamaan yang akan digunakan yang merupakan karakteristik dari hidrolik. Dengan menggunakan data yang berupa input seperti diatas maka analisa hidrolik dapat dilakukan.
39
