BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Sistem distribusi air bersih adalah sistem yang sangat khusus. Tiap sistem memiliki karakteristik tertentu yang bergantung pada sumber air, topografi daerah pelayanan, sejarah penyediaan air di daerah pelayanan, dan sebagainya. Secara umum, yang ada pada jaringan distribusi adalah sumber air dan pengguna air dan pipa yang menghubungkan dua komponen tersebut. Pipa yang digunakan dapat terbuat dari besi, baja, plastik atau material lainnya, dan dapat dihubungkan dengan berbagai macam konfigurasi. Sumber air yang terdapat di suatu jaringan distribusi dapat berupa sumber tunggal, seperti bangunan instalasi pengolahan air bersih. Sumber air untuk didistribusikan dapat juga disuplai dari sejumlah sumur air tanah. Pompa juga merupakan salah satu komponen dari jaringan distribusi yang umum digunakan apabila ketinggian sumber air tidak cukup untuk mengalirkan air secara gravitasi ke daerah pelayanan.
II.1. GAMBARAN UMUM SISTEM DISTRIBUSI AIR BERSIH Sistem distribusi pada umumnya dilengkapi dengan tangki penyimpanan yang terhubung langsung dengan sistem. Tangki penyimpan berfungsi sebagai tempat dimana air dipompakan, atau untuk menjaga tekanan pada pipa agar tidak berlebih dan menyebabkan kerusakan. Valve digunakan untuk mematikan aliran, meredam gelombang air, melepaskan udara yang terdapat pada aliran air, mengeringkan pipa atau mengontrol tekanan. Hidran sebenarnya adalah salah satu jenis khusus dari valve yang digunakan untuk pemadam kebakaran. Pompa booster diperlukan untuk menyediakan tekanan yang cukup di wilayah pelayanan tertentu dengan variasi ketinggian yang signifikan atau fluktuasi penggunaan yang tinggi. Komponen
5
sistem distribusi yang lain adalah pressure reducing valve, yang fungsinya berkebalikan dengan pompa booster, yaitu untuk mengurangi tekanan dalam pipa. Sistem penyediaan air minum meliputi sistem pelayanan untuk suatu komunitas yang menyeluruh, termasuk untuk keperluan domestik, non domestik (sarana umum dan sarana komersial) dan industri. Komposisi dari sistem penyediaan air minum terdiri dari 3 komponen utama, yaitu: -
Sumber Sumber dapat terdiri dari sistem pengambilan/pengumpulan (collection works)
serta
dapat
dilengkapi
dengan
sistem
pengolahan
(purification/treatment work). -
Transmisi Sistem transmisi ini merupakan sistem yang membawa atau menyalurkan air, baik air baku maupun air bersih.
-
Distribusi Sistem distribusi terdiri dari reservoir (tangki penyimpanan dan jaringan perpipaan). Sistem distribusi adalah sistem yang mampu membagikan air pada
konsumen, baik dalam bentuk sambungan rumah atau melalui sambungan umum. Faktor yang perlu mendapat perhatian dalam pendistribusian air ke konsumen adalah tekanan, kuantitas, kualitas dan kontinuitas. Dalam pengembangan sistem distribusi, beberapa hal yang perlu mendapat perhatian adalah: a. Sistem perpipaan distribusi Jaringan pipa distribusi terdiri dari pipa induk, pipa cabang, dan pipa servis. Pada penempatan pipa distribusi yang harus diperhatikan adalah peletakan lokasi pipa, topografi dan penyebaran penduduk, ketersediaan energi gravitasi, dan jumlah loop yang diperlukan. Hal ini berguna untuk mempermudah pengoperasian dan pengontrolannya serta pemerataan pipa dan pelayanannya. Pemerataan pelayanan yang dimaksud adalah membuat sistem perpipaan sedemikian rupa sehingga seluruh kota dapat dialiri dengan baik.
6
Sistem distribusi terdiri dari 2 bagian, yaitu sistem makro dan sistem mikro. Sistem makro berfungsi sebagai penghantar jaringan pipa. Jaringan penghantar ini tidak boleh langsung mengalir ke konsumen, karena dapat mengakibatkan penurunan energi yang sangat besar. Sistem ini disebut juga sistem jaringan pipa hantar atau feeder, yang terdiri dari primary feeder dan secondary feeder. Sedangkan sistem mikro berfungsi sebagai pipa pelayanan ke rumah-rumah. Jadi sistem mikro dapat membentuk jaringan pelayanan. Sistem ini adalah sistem jaringan pipa pelayanan, yang terdiri dari small distribution mains (pipa pelayanan utama) serta service line dan servis pipa (house connection) b. Sistem zoning Pembagian zona distribusi berdasarkan pada pertimbangan luas kota yang menyangkut pertimbangan efisiensi dan kelancaran pelayanan. Hal lain yang juga menjadi pertimbangan dalam pembagian zona distribusi adalah perbedaan elevasi kota, dibedakan atas zona distribusi apabila terdapat perbedaan elevasi sekitar 60 m. c. Sistem pengaliran Ssitem pengaliran dalam jaringan distribusi terdiri dari beberapa jenis metode pengaliran air bersih, dari reservoir atau tangki ke pelanggan. Sistem tersebut yaitu : o Sistem gravitasi o Sistem pemompaan o Sistem gravitasi dan pemompaan d. Masalah teknis dan engineering Hal-hal yang terkait dengan masalah teknis distribusi air di lapangan diantaranya adalah mengenai kapasitas sistem, perhitungan engineering, konstruksi, perpipaan, peralatan dan perlengkapan.
II.2. HIDROLIKA ALIRAN DALAM PIPA Dalam menyelesaikan permasalahan distribusi air bersih, diperlukan pemahaman mengenai konsep aliran dalam saluran tertutup. Proses pemecahan masalah tersebut pada umumnya melibatkan perhitungan energi, persamaan
7
kontinuitas dan perhitungan kehilangan tekan. Persamaan-persamaan yang paling penting adalah kontinuitas, momentum dan energi. Pada aliran dalam pipa, persamaan-persamaan ini dapat digunakan dalam bentuk integral apabila dibutuhkan nilai tekanan atau kecepatan rata-rata, atau dalam bentuk diferensial apabila yang dibutuhkan adalah informasi mengenai distribusi kecepatan dalam pipa (Walski, 1984). Secara umum, aliran fluida dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa dasar pertimbangan, salah satu diantaranya adalah berdasarkan energi aliran. Aliran turbulen sangat sering terjadi dalam praktik perekayasaan. Dalam aliran turbulen, partikel-partikel (massa-masa molar yang kecil) fluida bergerak dalam lintasan-lintasan yang sangat tidak teratur, yang mengakibatkan pertukaran momentum dari satu bagian fluida ke bagian yang lain. Partikel fluida tersebut dapat berukuran dari sangat kecil (beberapa ribu molekul) sampai sangat besar (beriru-ribu meter kubik dalam pusaran yang besar di sungai atau dalam hempasan udara atmosfer). Turbulensi membangkitkan tegangan geser yang lebih besar di sleuruh fluida dan mengakibatkan lebih banyak ketakmampubalikan (irreversibility) dan kerugian (Streeter, 1998). Dalam aliran laminer, partikel-partikel fluida bergerak sepanjang lintasanlintasan yang halus serta lancar. Aliran laminer mengikuti hukum Newton tentang viskositas, yang mengubungkan tegangan geser dengan laju perubahan bentuk sudut. Dalam aliran laminer, kerja viskositas meredam kecenderungankecenderungan turbulen. Aliran laminer tidak stabil dalam situasi yang menyangkut gabungan viskositas yang rendah, kecepatan yang tinggi atau debit air yang besar serta berubah menjadi aliran turbulen. Sementara itu, aliran seragam terjadi bila di tiap titik, vektor kecepatan adalah sama secara identik (dalam besar serta arahnya) untuk setiap saat tertentu. Dalam bentuk persamaan,
, dimana waktu ditahan konstan dan δs adalah
perpindahan dalam arah manapun. Persamaan tersebut menyatakan bahwa tidak terdapat perubahan vektor kecepatan dalam arah manapun di seluruh fluida pada saat kapanpun (Streeter, 1998).
II.2.1 Viskositas
8
Viskositas adalah sifat fluida yang mendasari diberikannya tahanan terhadap tegangan geser oleh fluida tersebut. Hukum viskositas Newton menyatakan bahwa untuk laju perubahan sudut fluida yang tertentu, maka tegangan geser berbanding lurus dengan viskositas. Viskositas gas meningkatan dengan peningkatan suhu, sedangkan viskositas cairan menurun. Perbedaan dalam kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat diterangkan dengan menyimak penyebab-penyebab viskositas. Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekulernya. Cairan, dengan molekul-molekul yang lebih rapat daripada gas, mempunyai gayagaya kohesi yang lebih besar dibandingkan dengan gas. Kohesi nampaknya merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan. Karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu, maka demikian pulalah viskositas. Di dalam fluida selalu terdapat perpindahan molekul-molekul hilir mudik melintasi suatu permukaan khayal yang kita bayangkan di dalamnya. Bila satu lapisan bergerak relatif terhadap lapisan yang berdekatan, maka perpindahan momentum molekuler membawa momentum dari satu sisi ke sisi yang lain sehingga menimbulkan tegangan geser semu yang memberikan tahanan terhadap gerakan relatif tersebut serta cenderung untuk mempersamakan kecepatan lapisanlapisan yang berdekatan. Ukuran gerak sebuah lapisan relatif terhadap lapisan yang berdekatan adalah du/dy (Streeter, 1998). Untuk tekanan-tekanan yang biasa, viskositas tidak tergantung pada tekanan dan tergantung pada suhu saja. Untuk tekanan yang sangat besar, kebanyakan cairan menunjukkan variasi viskositas yang tidak menentu terhadap tekanan. Dalam fluida yang tidak bergerak, atau yang bergerak sedemikian rupa sehingga tidak ada lapisan yang bergerak relatif terhadap lapisan yang berdekatan, tidak akan timbul gaya-gaya geser semu, berapapun viskositasnya. Hal ini dikarenakan du/dy adalah nol di seluruh fluida. Maka, dalam penelaahan statika fluida, gaya geser tidak dapat diperhatikan karena tidak terjadi di dalam fluida yang statik, dan tegangan yang ada hanya tegangan normal atau tekanan. Dimensi viskositas ditentukan dari hukum viskositas Newton (Streeter, 1998).
9
µ = viskositas (kg/ms) τ = tegangan geser (N/m2)
Viskositas kinematis Viskositas kinematik adalah perbandingan antara viskositas terhadap kerapatan massa.
Viskositas kinematik muncul dalam banyak penerapan, misalnya dalam bilangan Reynolds yang tanpa dimensi untuk gerakan suatu benda melalui fluida. Satuan SI untuk viskositas kinematik adalah m2/s. Viskositas praktis tidak bergantung pada tekanan dan bergantung hanya pada suhu. Viskositas kinematik cairan merupakan fungsi suhu.
II.2.2 Kehilangan Tekanan II.2.2.1. Headloss mayor Salah satu faktor yang penting dalam perhitungan hidrolis perpipaan adalah perhitungan kehilangan tekanan. Kehilangan tekanan terjadi karena adanya gesekan antara fluida (air) dengan dinding pipa, dan turbulensi dalam fluida. Nilai dari kehilangan tekanan tergantung pada beberapa faktor penting, yaitu kecepatan aliran, diameter pipa dan juga tingkat kekasaran dari dinding pipa. Dalam sistem distribusi air, kehilangan tekan juga merupakan hasil dari pemasangan aksesori seperti bend, valve dan perubahan diameter pipa. Faktor gesekan f dapat diturunkan secara matematis untuk aliran laminer, tetapi tidak ada hubungan matematis yang sederhana untuk variasi f dengan bilangan Reynolds yang tersedia untuk aliran turbulen. Selanjutnya, Nikuradse dan lain-lainnya telah menemukan bahwa kekasaran relatif pipa (perbandingan ukuran ketidaksempurnaan permukaan E terhadap garis tengah sebelah dalam pipa) mempengaruhi juga harga f (Gilles, 1993). Persamaan empiris yang paling banyak digunakan untuk menentukan kehilangan tekan adalah persamaan Hazen-Williams. Persamaan Hazen-William secara empiris menyatakan bahwa debit yang mengalir di dalam pipa adalah
10
sebanding dengan diameter pipa dan kemiringan hidrolis. Secara umum, rumus Hazen-Williams dituliskan sebagai berikut:
Dimana: Q = debit aliran (m3/s) C = faktor kekasaran dinding pipa D = diameter pipa (m) S = kemiringan hidrolis
Nilai kemiringan hidrolis merupakan fungsi dari kehilangan tekan (hL) dan panjang pipa (L), yang dinyatakan dalam persamaan berikut:
II.2.2.2 Headloss minor Headloss minor pada aliran dalam pipa adalah kehilangan tekanan yang diakibatkan oleh pemasangan valve, adanya belokan dan perubahan diameter pipa. Kehilangan energi yang terjadi umumnya lebih kecil dibandingkan dengan kehilangan energi akibat friksi di sepanjang saluran perpipaan, walaupun pada kasus-kasus tertentu kehilangan energi akibat valve dan belokan cukup signifikan sehingga harus diperhitungkan. Kehilangan energi minor terjadi karena adanya valve atau aksesoris lain menyebabkan turbulensi di pipa lurus. Energi yang digunakan untuk membentuk turbulensi tidak dapat dikembalikan oleh fluida, oleh karena itu disebut kehilangan energi. Kehilangan energi minor dapat dinyatakan dalam: a. Koefisien kehilangan K dapat digunakan sebagai fungsi dari tekanan kecepatan dimana K adalah koefisien kehilangan minor.
11
b. Kehilangan minor dapat dinyatakan dalam panjang ekivalen pipa atau diameter pipa (L/D) yang memiliki nilai kehilangan tekan yang sama. Sebagai contoh, kehilangan tekan dapat dihitung dengan persamaan Darcy-Weisbach:
dimana f adalah faktor friksi dari pipa lurus. Panjang ekivalen pipa dan koefisien kehilangan minor dapat direlasikan sebagai berikut
Dari persamaan-persamaan di atas, pendekatan yang paling praktis untuk digunakan dalam menghitung nilai kehilangan energi dalam aliran perpipaan adalah dengan pendekatan panjang ekivalen pipa (Walski, 1984).
II.2.3 Persamaan Kontinuitas Persamaan kontinuitas merupakan bentuk lain dari hukum konservasi massa yang menyatakan bahwa massa yang masuk ke suatu sistem dikurangi massa yang keluar dari sistem tersebut bernilai sama dengan massa yang tersimpan dalam sistem.
Apabila dibagi dengan densitas, maka persamaan di atas dapat diturunkan menjadi bentuk debit aliran.
Atau dapat juga dinyatakan sebagai berikut:
Dimana: Q
= aliran dalam saluran (m3/s)
dS/dt = perubahan volume yang tersimpan terhadap waktu (m3/s)
Untuk aliran masuk variabel Q bernilai positif, sementara untuk aliran keluar variabel Q bernilai negatif.
12
II.2.4 Persamaan Momentum Sesuai dengan hukum kedua Newton, yaitu
F = m.a = F=
d (m.v ) dt
∆mv m2v2 m1v1 = − ∆t ∆t ∆t
karena ρQ = m/t maka,
F = ρ2Q2v2 − ρ1Q1v1 sehingga,
F = ρQ(v2 − v1 ) Pada analisis sistem jaringan pipa air, persamaan momentum sering digunakan untuk menghitung gaya yang bekerja pada pipa akibat belokan dan kontraksi.
II.2.5 Persamaan Energi Persamaan energi yang dirangkai dengan persamaan headloss akan membantu engineer untuk menentukan kearah mana air mengalir secara hidrolis dan seberapa cepat air tersebut mengalir didalam saluran tertutup.
Gambar II.1 Energi dalam Aliran Fluida
Dari gambar diatas, sebuah persamaan matematis dapat dideskripsikan sebagai berikut;
E2 = E1 + W − H
13
Dimana: E2 = energi pada titik 2 E1 = energi pada titik 1 W = energi luar (pemompaan) H = kehilangan energi Pada dasarnya energi yang dimiliki oleh fluida bergerak terdiri dari tiga bentuk yaitu energi kinetik, energi potensial dan energi internal.
E=
mv2 Pm + mgz + ρ 2
Dengan membagi persamaan diatas dengan gz dan γ=ρg maka P − P2 v12 − v 22 + z1 − z 2 + 1 = −w + h 2g γ
Semua variabel diatas dapat bernilai positif ataupun negatif kecuali variabel h. Energi yang hilang tidak terdeskripsikan oleh persamaan ini sehingga persamaan ini hanya akan menentukan arah aliran. Jika aliran bergerak dari titik 1 ke 2 maka harga h akan positif. Namun jika harga h bernilai negatif maka aliran tersebut berarti bergerak dari titik 2 ke titik 1.
II.3 HIDROLIKA JARINGAN PERPIPAAN Jaringan perpipaan merupakan suatu rangkaian pipa yang saling terhubung satu sama lain secara hidrolis. Sehingga perubahan di satu bagian pipa akan menyebabkan pengaruh pada bagian-bagian lain pada jaringan. Pengaruh ini dapat dideteksi dari segi perubahan tekanan dalam pipa. Pipa yang tergabung dalam satu jaringan dapat diklasifikasikan berdasarkan pertimbangan-pertimbangan berikut: -
Panjang pipa
-
Diameter pipa
-
Jenis pipa
-
Kedudukan pipa dalam jaringan Kedudukan pipa dalam suatu jaringan dapat dinyatakan dengan
penomoran pipa, atau dengan penomoran node yang dihubungkan oleh pipa tersebut.
14
Aspek penting dalam mengkonstruksi jaringan perpipaan adalah keterangan dari pipa dan node itu sendiri, sehingga didapat keterangan yang diperlukan untuk mengidentifikasi suatu jaringan pipa. Keterangan dalam jaringan perpipaan terdiri dari dua jenis, yaitu keterangan yang dapat diidentifikasi langsung, umumnya merupakan aspek-aspek fisik, dan keterangan yang bersifat hidrolis, yang dapat diidentifikasi secara langsung maupun tidak langsung.
II.3.1 Karakteristik Hidrolis Node Keterangan fisik berupa kedudukan node dalam kerangka vertikal dan horizontal
suatu
bidang
tanah,
yaitu
menyangkut
elevasi
node
dan
posisi/koordinat node dalam wilayah sehingga mudah dipetakan. Keterangan ini bermanfaat sebagai dasar dalam pengidentifikasian kondisi hidrolis langsung maupun tidak langsung. Aspek hidrolis yang perlu diidentifikasi adalah sebagai berikut : -
Debit tapping
-
Tekanan air Debit tapping dalam suatu jaringan pipa air minum sangat tergantung dari
pemakaian air pemakai yang terhubung dengan tapping tersebut. Umumnya 1 L/detik debit air rata-rata yang keluar dari tapping dapat melayani 50 sampai 70 sambungan rumah. Hubungan antara debit tapping yang keluar dari node dengan tekanan node adalah sebagai berikut: - Apabila debit tapping adalah nol, maka tekanan yang ada di tapping adalah maksimal -
Apabila debit tapping membesar maka tekanan air turun. Tekanan suatu node tergantung pula oleh sisa tekanan yang diberikan oleh
pipa-pipa yang terhubung ke dan dari node tersebut, oleh karena itu pemahaman mengenai karakteristik hidrolis pipa dalam suatu jaringan sangat diperlukan.
II.3.2 Kehilangan Tekan dalam Jaringan Perpipaan Kehilangan tekanan dalam pipa sebanding dengan debit air yang mengalir di dalamnya. Semakin besar debit, semakin besar kehilangan tekannya. Secara
15
fisik, kehilangan tekan adalah merupakan perbedaan elevasi permukaan dari sumber pengaliran dengan titik pelayanan, dikurangi dengan nilai kehilangan tekan yang terjadi selama pengaliran.
II.3.3 Jaringan Distribusi Air Bersih Pelayanan pada jaringan distribusi air bersih perlu memenuhi beberapa paramater yang harus dipenuhi, agar suplai air dapat sampai pada konsumen yang ada di titik terjauh sekalipun. Hal-hal yang harus diperhatikan dalam perencanaan sistem distribusi air bersih diantaranya: -
Tinggi tekanan air di setiap konsumen harus memadai, biasanya antara 5-10 mka sampai maksimum 30-40 mka.
-
Kuantitas air harus mencukupi untuk segala jenis pemakaian yang direncanakan.
-
Pemeliharaan harus mudah.
-
Dalam keadaan bahaya, misalnya terjadi kebakaran, sistem harus mampu menyuplai air dengan tekanan dan kuantitas yang memadai.
-
Selama ada perbaikan, misalnya pecahnya pipa, diharapkan hanya sebagian kecil konsumen yang mengalami gangguan. Dalam menyelesaikan permasalahan desain sistem dan operasi untuk
distribusi air bersih, diperlukan pemahaman mengenai persamaan-persamaan yang digunakan dalam aliran tertutup. Salah satu hal yang paling penting untuk diketahui dalam pendistribusian air bersih adalah sisa tekan di titik-titik pelayanan. Berikut adalah faktor-faktor penting yang perlu untuk diketahui dalam menentukan sisa tekan di titik tertentu: -
Elevasi tanah tempat pipa diletakkan
-
Tenaga pendorong awal, seperti menara air atau pompa
-
Kehilangan energi atau kehilangan tekan Elevasi tanah didapat dari hasil pengukuran tanah yang baik. Tenaga
pendorong adalah kondisi menara atau perpompaan yang diperkirakan ketinggian tekannya dengan baik. Sedangkan headloss atau kehilangan tekanan dihitung berdasarkan persamaan-persamaan empiris.
16
II.4 KOMPONEN DISTRIBUSI Untuk menjamin kualitas pelayanan yang baik maka sistem distribusi air bersih perpipaan biasanya mencakup beberapa komponen, yaitu: 1. Reservoir distribusi 2. Jaringan perpipaan, mencakup: o Pipa induk Pipa induk merupakan pipa distribusi pada jaringan terluar, yang menghubungkan blok-blok pelayanan dalam kota, dari reservoir ke seluruh jaringan utama. Pipa ini tidak bisa dipakai untuk melayani penyadapan (tapping) ke rumah-rumah. Pipa yang digunakan sebagai pipa induk ini haruslah jenis pipa yang mempunyai ketahanan tinggi terhadap tekanan. o Pipa cabang/sekunder Pipa cabang dipakai untuk menyadap air langsung dari pipa induk untuk mengalirkan ke suatu blok pelayanan. Pipa yang digunakan sebagai pipa cabang sebaiknya memiliki kualitas yang sama dengan pipa induk (jika sedikit di bawah mutu pipa induk, masih bisa ditolerir). Pipa ini berhubungan dengan pipa servis dan diameternya dapat ditentukan berdasarkan banyaknya pipa servis yang masuk (berhubungan) dengan pipa cabang tersebut. o Pipa servis Pipa servis adalah pipa yang melayani konsumen langsung ke rumah-rumah. Pipa ini berhubungan dengan pipa cabang dan mengalirkan air ke rumah-rumah dengan diameter tertentu sesuai dengan pemakaian konsumen. o Fitting dan aksesoris o Meter air Meter air berfungsi untuk menyambungkan pipa induk ke konsumen. Penggunaan meteran air dianggap dapat mengurangi penggunaan air dan memperkecil pemborosan penggunaan air (Babbitt, 1967). o Keran kebakaran/hidran
17
Selain berfungsi sebagai titik pengambilan air pada saat kebakaran, juga dapat berfungsi sebagai ventilasi (air valve) dan spui (blow off).
3. Pompa, yang dapat berfungsi untuk: o Memompa air dari penjernihan ke reservoir o Memompa air dari reservoir ke jaringan distribusi o Menaikkan air ke daerah pelayanan yang lebih tinggi (booster).
II.4.1 Jaringan perpipaan Jaringan distribusi dapat dibedakan berdasarkan beberapa kategori, yaitu berdasarkan cara pengalirannya, pola jaringan pipa dan kelangsungan suplai air.
II.4.1.1 Cara pengaliran Beberapa cara yang dapat diterapkan dalam mengalirkan air ke konsumen adalah: a. Secara gravitasi Cara pengaliran dengan gravitasi digunakan apabila topografi daerah pelayanan memungkinkan. Sebagai contoh adalah terdapatnya reservoir yang lebih tinggi dari daerah pelayanan, dimana karena menggunakan menara air (elevated tank) atau karena terdapat lokasi reservoir yang secara topografi lebih tinggi dari daerah pelayanan. Sistem ini merupakan sistem yang paling ekonomis. Dalam pengaliran secara gravitasi, reservoir yang digunakan adalah ground reservoir atau ditambah dengan elevated reservoir sebagai penambah tekanan untuk melayani pada waktu pemakaian maksimum di daerah pelayanan terjauh yang tidak mendapat air. Besar elevated reservoir disesuaikan dengan jumlah kebutuhan air di daerah yang harus dilayani pada waktu kebutuhan maksimum. Sedangkan besar ground reservoir adalah total volume reservoir yang harus disediakan dikurangi dengan kapasitas elevated reservoir. b. Secara pemompaan Pemompaan air dari reservoir ke konsumen dilakukan sesuai dengan tekanan yang
diinginkan.
Adanya
fluktuasi
pemakaian
air
mengakibatkan
18
dibutuhkannya sarana untuk menyeimbangkan aliran, misalnya dengan pemasangan hidrofor atau pengaturan jumlah pompa yang digunakan. Cara pemompaan ini selain lebih mahal daripada sistem gravitasi, juga akan bermasalah apabila terjadi gangguan tenaga listrik. Bila menggunakan pemompaan langsung secara kontinyu selama 24 jam maka kapasitas penampungan pada ground reservoir adalah kapasitas reservoir total. Pompa pada umumnya dioperasikan berdasarkan suatu kebijakan yang meliputi jadwal pengperasian (Goldman, 2004). c. Secara kombinasi antara gravitasi dan pemompaan (dual system) Dual system merupakan kombinasi antara sistem gravitasi dan sistem pemompaan. Kelebihan air akibat pemakaian air yang tidak dapat ditampung di reservoir, nantinya akan digunakan untuk menyuplai air pada saat pemakaian air banyak. Pompa suplai dirancang dengan menggunakan debit pemakaian rata-rata. Kadang dibutuhkan pompa tambahan, misalnya untuk menyuplai langsung pada saat terjadi kebakaran. Untuk sistem ground reservoir-pompa-elevated reservoir, bila dilakukan terus menerus selama 24 jam sesuai dengan pengaliran dari instalasi pengolahan, maka kapasitas yang perlu ditampung adalah total kapasitas reservoir. Volume ground reservoir adalah 2/3 kapasitas total dan volume elevated reservoir adalah 1/3 kapasitas total. Untuk sistem clear well-pump-elevated reservoir maka besar clear well dapat dihitung seperti tersebut di atas, yaitu 2/3 dari total volume reservoir yang harus ada dimana kapasitas tersebut harus lebih besar atau sama dengan waktu kontak klor dalam air sebesar 30 menit kali debit aliran.
II.4.1.2 Pola Jaringan Pipa Pola jaringan pipa induk yang digunakan dapat dibagi menjadi beberapa jenis, dimana masing-masing sistem memiliki kelebihan dan kekurangan. Biasanya dalam sebuah daerah pelayanan, dijumpai lebih dari satu sistem yang tetap merupakan satu kesatuan sistem. Pola jaringan tersebut antara lain : a. Sistem cabang
19
Ciri dari sistem cabang adalah terdapat pipa induk, pipa sub-induk dan seterusnya yang dihubungkan secara cabang. Selain itu, sistem cabang memiliki ujung pipa yang tertutup (dead-end). - Kelebihan: o Perhitungan perancangan alternatif lebih mudah dan lebih akurat o Membutuhkan katup dalam jumlah yang relatif lebih sedikit o Pipa
dirancang
berdasarkan
atas
aliran
searah,
sehingga
diameternya mungkin lebih besar. -
Kekurangan : o Jika terjadi perbaikan/kerusakan, daerah yang terganggu lebih banyak o Diperlukan dead end, terdapat titik-titik mati sehingga air tidak tersirkulasi dan memerlukan pengurasan secara rutin o Bila berfungsi sebagai suplai kebakaran, air menjadi terbatas karena hanya berasal dari satu arah
b. Sistem gridiron Sistem gridiron merupakan salah satu pola pada jaringan perpipaan distribusi air bersih. Sistem gridiron adalah bentuk modifikasi dari sistem cabang. -
Keuntungan : o Bila terjadi gangguan, hanya sebagian kecil konsumen yang terganggu o Sirkulasi lebih terjamin o Air dapat diarahkan ke segala arah dengan menutup keran-keran tertentu (misalnya untuk bahaya kebakaran)
-
Kekurangan: o Biaya relatif lebih tinggi o Dibutuhkan lebih banyak katup
c. Sistem ring/sirkular Sistem ring/sirkular pada umumnya digunakan pada daerah-daerah yang terencana dengan baik. Pada penerapan sistem ring/sirkular ini, daerah pelayanan dibagi menjadi beberapa blok pelayanan, dengan pipa induk
20
mengelilingi blok tersebut. Blok-blok tersebut dapat diisolir dari blok yang lain dan dapat dipasang meter air, untuk pemantauan kebocoran dan sebagainya. Akan ada penghematan penggunaan air pada konsumen jika dilakukan pengukuran jumlah air yang digunakan menggunakan meter air (Lloyd, 1960). Prinsip perhitungan dari sistem ring/sirkular identik dengan sistem gridiron
II.4.1.3 Kelangsungan Suplai Air •
Continuous Supply Air dapat disuplai dengan periode menerus selama 24 jam (sistem
kontinyu). Pola waktu suplai kontinyu ini merupakan sistem yang diinginkan. Suplai kontinyu digunakan apabila debit dan tekanan air mencukupi untuk seluruh konsumen. Pada pola suplai kontinyu, tidak diperlukan reservoir penyimpanan khusus pada konsumen. Untuk periode suplai menerus selama 24 jam, salah satu keuntungannya adalah jika terjadi kebakaran, air tetap tersedia, selain itu kehilangan airnya relatif lebih kecil. Keuntungan lain yang didapatkan dari periode suplai air secara kontinyu ini adlaah diameter pipa yang dibutuhkan untuk proses distribusi lebih kecil dan tidak memerlukan air valve yang terlalu banyak akibat kekosongan pipa. •
Intermittent (penggiliran air) Pola suplai lainnya yang diterapkan adalah
pola intermittent atau
penggiliran air. Pada dasarnya, pola ini diterapkan untuk tindakan darurat (jangka pendek), misalnya karena debit dan tekanan yang belum memenuhi kebutuhan yang sesungguhnya. Pada aplikasi pola ini, konsumen harus memiliki tempat penyimpanan khusus karena air bersih tidak dapat diakses selama 24 jam penuh. Kekurangan dari pola suplai intermittent ini adalah akan ada masalah apabila terjadi kebakaran pada daerah yang giliran tidak terlayani. Selain itu, kehilangan air lebih besar karena konsumen tidak menutup kerannya, terutama untuk giliran malam. Kerugian lain yang diakibatkan oleh pola suplai ini adalah adanya kecenderungan konsumen menggunakan pompa khusus untuk menyedot air, juga dibutuh lebih banyak air valve untuk mengeluarkan udara. Pada saat pipa kosong, air dari luar dapat masuk dan mengontaminasi air yang telah terolah.
21
II.5 PEMODELAN JARINGAN DISTRIBUSI AIR BERSIH Model sistem distribusi diperlukan untuk menjembatani antara teori perhitungan dengan permasalahan fisik. Dengan kompleksitas dari sistem distribusi yang ada saat ini, hampir tidak mungkin untuk menggambarkan semua detil permasalahan yang ada dalam sebuah jaringan dengan mempertimbangkan setiap kemungkinan kondisi yang terjadi pada saat operasi. Oleh karena itu, dalam menganalisa sistem distribusi air diperlukan penggabungan antara teknik penghitungan numerik dengan penggambaran fisik jaringan dalam bentuk visual, sehingga didapat model dari sistem yang mendekati kondisi nyata di lapangan.
II.5.1 Peta dan Dokumen Pendukung Ada banyak data yang sangat diperlukan untuk mendapatkan model distribusi air yang representatif dan data untuk setiap utiliti akan berbeda dengan utiliti yang lainnya. Beberapa sumber data yang diperlukan antara lain peta sistem, peta kontur, as built drawings, data elektronik dan lain-lain. Peta Sistem Peta sistem merupakan peta yang sangat penting dan paling dominan penggunaannya. Peta ini akan memberikan pemahaman secara menyeluruh terhadap model distribusi air yang akan dikembangkan. Peta sistem akan meliputi perletakan pipa, posisi node, material, panjang, dan diameter pipa, lokasi elemen sistem (tangki, reservoir, pompa, valve dan lain-lain), zona tekanan, tata guna lahan dan lain-lain. Peta Kontur Peta kontur merupakan peta yang menyediakan informasi elevasi suatu titik. Peta ini juga merupakan peta yang krusial untuk diperoleh mengingat pengaliran air secara gravitasi akan menggunakan perbedaan elevasi sebagai sumber energinya. As-Built Drawings As-Built Drawings merupakan peta yang benar-benar menunjukkan kondisi sereal mungkin kondisi dilapangan. Pada bebarap kasus, desain rencana dan sistem konstruksi awal senantiasa berubah karena keterbatasan on-site dan
22
kesulitan-kesulitan
dilapangan.
Setelah
rencana
desain
dan
konstruksi
diperbaharui sesuai kondisi dilapangan kemudian dibuat kembali gambar teknik akhir. Gambar inilah yang dinamakan As-Built Drawings. Data Elektronik Pada saat ini telah banyak data yang diolah secara elektronik dan sebagian besar utiliti distribusi air telah dioleh secara eletronik. Data elektronik dapat berupa database non-grafis, hanya grafis saja (dalam format CAD) sampai dengan gabungan antara data non-grafis dan data grafis atau lebih dikenal dengan istilah GIS (Walski, 2001).
II.5.2 Representasi Model Model yang baik merupakan suatu model yang mampu menyajikan kondisi sebenarnya dengan serepresentatif mungkin. Dengan dasar tersebut, maka model sistem distribusi yang baik merupakan model yang menyajikan komponenkomponen penyusun sistem distribusi selengkap dan semendekati kenyataan di lapangan. Berikut merupakan beberapa hal yang perlu dipertimbangkan dalam memodelkan sistem distribusi air minum. Pembuatan Kerangka Jaringan Pembuatan kerangka jaringan merupakan suatu proses pemilihan komponen sistem distribusi dimana hanya komponen yang memiliki pengaruh signifikan saja yang masuk kedalam model. Memasukkan seluruh komponen sistem distribusi kedalam model hanya akan menambah kerumitan dalam menginventarisir data yang sangat terbatas dan menambah error message yang dikeluarkan model. Mengeliminasi komponen-komponen yang tidak memiliki pengaruh signifikan akan memudahkan pemodel dalam memodelkan sistem distribusi tanpa harus kehilangan tingkat keakurasian output. Pada kenyataan di lapangan, tidak terdapat panduan pasti mengenai, misal, pipa mana yang harus masuk kedalam model dan pipa mana yang tidak perlu masuk kedalam model. Semua itu tergantung pada seberapa besar sistem yang akan dimodelkan. Sejak jaringan distribusi air minum bervariasi mulai dari jaringan pipa primer ke jaringan pipa sekunder ke jaringan pipa tersier sampai
23
kepada jaringan pipa gedung maka engineering judgement akan memainkan peranannya yang amat besar dalam menentukan solusi terbaik. Bagaimanapun juga, model sistem distribusi akan berada pada dua titik ekstrim. Yang pertama, tingkat kedalaman pembuatan kerangka jaringan tergantung pada tujuan atau maksud dari pemodelan itu sendiri. Pada satu sisi, studi mengenai operasi energi, master plan atau studi perilaku air regional akan mengeliminasi banyak hal karena akan banyak komponen yang tidak memiliki pengaruh signifikan. Pada sisi yang lain, analisis air untuk pemadaman kebakaran, studi kualitas air atau desain jaringan pipa gedung akan membutuhkan data sedetail mungkin untuk mendapatkan model yang representatif. Komponen Fisik Komponen fisik merupakan elemen yang ada di lapangan dan kemudian dimodelkan. Komponen fisik tersebut meliputi reservoir, tank, junction, pipa, valve dan pompa. Komponen Non-Fisik Komponen non-fisik dalam pemodelan jaringan distribusi air
bersih
merupakan komponen yang menggambarkan aspek operasional suatu dari sistem distribusi, contohnya meliputi pengaturan pattern kebutuhan air atau pengaturan operasi elemen-elemen fisik seperti pompa dan valve. Simulasi Hidrolis Terdapat dua macam simulasi, yaitu Steady-State Simulation dan Extended Period Simulation. Steady State Simulation mensimulasikan kondisi jaringan dengan asumsi tidak terjadi perubahan hydraulic demand dan kondisi pembatas terhadap waktu. Muka air tanki dan reservoir, kebutuhan air dan operasi pompa dan valve tidak berubah terhadap waktu. Steady State Simulation akan menyediakan informasi pada saat kesetimbangan debit, tekanan dan variabel lainnya terjadi. Simulasi ini sangat berguna untuk memberikan informasi kepada designer mengenai kondisi sistem distribusi pada saat peak hour ataupun pada saat petugas pemadam kebakaran menggunakan air dalam jumlah yang sangat besar dalam waktu yang sangat singkat. Extended Period Simulation dapat dimanfaatkan untuk memahami dampak dari perubahan tinggi muka air di tanki dan reservoir, perubahan operasi pompa
24
dan valve dan perubahan water demand terhadap waktu. Extended Period Simulation pada dasarnya mirip dengan serangkain susunan film yang ditayangkan melalui proyektor. Rangkaian film –mengenai perubahan dari demand, level air pada tanki dan reservoir, operasional pompa dan valve-
yang
telah disusun sedemikian rupa sehingga membantu engineer untuk memahami bagaimana sistem distribusi bekerja selama rentang periode simulasi tersebut berjalan (Walski, 1984). Konsumsi Air Penentuan besarnya konsumsi atau penggunaan, sering juga disebut dengan water demand, air merupakan hal yang sangat krusial dalam pemodelan sistem distribusi air minum. Besarnya konsumsi air akan meliputi banyaknya air yang dikonsumsi untuk kehidupan sehari-hari, kebocoran dalam jaringan perpipaan atau penggunaan oleh petugas pemadsam kebakaran. Pertanyaan yang timbul dalam memodelkan konsumsi air dalam model sistem distribusi air minum adalah mengenai berapa banyak air yang dikonsumsi, dimana titik konsumsi harus diletakkan dalam peta jaringan distribusi dan bagaimana perubahan konsumsi air tersebut bervariasi terhadap waktu. Penentuan water demand tidak merupakan suatu proses pengambilan data secara langsung dari sistem database. Beberapa data, misalkan data dari bagian PMA (Pencatatan Meter Air), dapat dengan mudah diperoleh namun data yang diperoleh bukanlah data yang langsung dapat dimasukkan kedalam node loading karena data yang ada tidak diambil dari hasil pengukuran dimasing-masing node. Penentuan node loading membutuhkan engineering judgement sedemikian rupa sehingga data dari PMA dapat dimanfaatkan semaksimal mungkin. Setelah data, dari bagian pencatatan meter air dan bagian produksi air, yang diperlukan diperoleh maka metode penentuan node loading dapat dilakukan. Terdapat dua pendekatan yang dapat digunakan dalam menentukan node loading yaitu Top-Down dan Bottom-Up dimana kedua metode tersebut menggunakan konsep keseimbangan massa. Metode top-down menggunakan data dari bagian produksi kemudian mengalokasikan supplai ke unit-unit yang penggunaannya sangat besar (misal hotel, sekolah, pasar dan fasilitas umum lainnya) dan node-node ditiap daerah pelayanan. Sedangkan metode bottom-up
25
akan menggunakan data dari bagian pencatatan meter air, yang biasanya direkapitulasi per wilayah administrasi, dan kemudian menentukan node loadingnya setelah ditambahkan faktor pengali kehilangan air (Walski, 2001). Dalam perhitungan untuk penggunaan domestik. Pada sebuah pipa service diizinkan hingga 16 orang untuk mengambil air sebanyak 50 GPCPD pada sebuah titik pelayanan (Al-Layla, 1978). Kebutuhan air minum pada saat simulasi tidak bergerak pada angka yang tetap melainkan berubah-ubah terhadap waktu sehingga dikenal dengan kebutuhan air minum pada saat jam puncak (peak hour) dan kebutuhan air minm pada aliran malam (night flow). Yang perlu disadari pada melakukan pemodelan sistem distribusi adalah apakah simulasi dilakukan secara extended period simulation atau dilakukan secara steady state simulation. Jika simulasi dilakukan secara extended period simulation maka pemodel memerlukan data bagaimana kebutuhan air minum berubah terhadap waktu. Sedangkan simulasi yang dilakukan pada secara steady state simulation tidak perlu diketahui bagaimana perilaku kebutuhan air minm terhadap waktu namun yang diperlukan adalah kapan simulasi tersebut dilakukan apakah pada saat jam puncak, aliran malam atau pada saat-saat tertentu (Walski, 2001).
II.5.3 Pemilihan Software untuk Pengembangan Model Mengembangkan program untuk sistem distribusi air sangat berbeda dengan menyelesaikan permasalahan aliran dalam jaringan perpipaan. Dalam menyelesaikan masalah aliran, misalnya dengan menggunakan persamaan empiris, karakteristik pipa dan penggunaan air selalu diasumsikan telah diketahui. Sementara itu, dalam pengembangan model, hal-hal tersebut menjadi salah satu faktor yang dianalisa. Hal pertama yang dilakukan untuk mengembangkan model sistem distribusi air, adalah dengan memilih pendekatan apa yang akan digunakan, untuk menggambarkan kondisi nyata dalam model yang dibuat. Pemilihan software yang digunakan untuk memodelkan juga merupakan salah satu hal penting yang harus diperhatikan, agar model yang dikembangkan representatif terhadap kondisi nyata. Dalam pemilihan software komputer untuk
26
pemodelan, ada beberapa hal yang penting untuk dijadikan bahan pertimbangan, di antaranya (Walski, 1984): -
Model steady state dan extended period
-
Model simulasi dan optimasi
-
Kemudahan membuat operasional program
-
Kemudahan untuk memasukkan input dan menghasilkan output
-
Metode numerik yang digunakan untuk mencari solusi
-
Metode untuk menghitung pompa dan valve (terutama penurunan tekanan)
-
Persamaan yang digunakan untuk menghitung kehilangan tekan
-
Kemampuan untuk menampilkan model dalam tampilan grafis Pada
umumnya,
model
sistem
distribusi
air
digunakan
untuk
mensimulasikan aliran dan tekanan pada kondisi dan waktu yang telah ditentukan seperti pada kondisi steady state. Tetapi, pada kondisi tertentu juga dibutuhkan model dari kondisi aliran pada selang waktu tertentu, yang ditampilkan dalam simulasi extended period. Dalam memilih program, pembuat model harus mengetahui bahwa panduan penggunaan dan pendokumentasian dari program yang akan digunakan lengkap tersedia dan dapat dimengerti. Model yang terdokumentasikan dengan baik
jarang
menyebabkan
masalah
di
lapangan,
tetapi
model
yang
pendokumentasiannya tidak lengkap dapat menimbulkan masalah dan pertanyaan bagi penggunanya. Program yang baik harus memiliki diagnosa yang jelas untuk memberi informasi pada pengguna apabila simulasi tidak berhasil dijalankan. Pesan seperti “A7 error on J card--stop at 077787” tidak terlalu membantu untuk pengguna secara umum. Diagnosa yang baik harus mengindikasikan penyebab dari masalah dan tindakan yang dapat dilakukan oleh pengguna untuk menyelesaikan masalah tersebut. Apabila program untuk memodelkan sistem distribusi air telah didapatkan, program tersebut harus terlebih dahulu diuji dengan menggunakan contoh masalah yang ada di panduan penggunaan. Apabila hasilnya tidak sesuai dengan hasil dari contoh, maka program tersebut belum dapat digunakan untuk pengembangan model jaringan distribusi air (Walski, 1984).
27
II.6 APLIKASI EPANET 2.0 DALAM PEMODELAN JARINGAN DISTRIBUSI AIR BERSIH 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, katup dan tangki air atau reservoir. EPANET menjajaki aliran dalam tiap pipa, kondisi tekanan air di tiap titik dan kondisi konsentrasi bahan kimia yang mengalir dalam pipa selama dalam periode pengaliran. Sebagai tambahan, usia air (water age) dan pelacakan sumber juga dapat disimulasikan. EPANET didesain sebagai alat untuk mencapai dan mewujudkan pemahaman tentang pergerakan dan nasib kandungan air minum dalam jaringan distribusi. Juga dapat digunakan untuk berbagai analisa dari beragam aplikasi jaringan distribusi, misalnya untuk pembuatan desain, kalibrasi, model hidrolis, analisa sisa klor dan analisa pelanggan. EPANET dapat membantu dalam mengatur strategi untuk merealisasikan kualitas air dalam suatu sistem. Semua itu mencakup: -
Alternatif penggunaan sumber dalam suatu sistem
-
Alternatif pemompaan dalam penjadwalan pengisian/pengosongan tangki
-
Penggunaan pengolahan, misal klorinasi pada tangki penyimpan
-
Penargetan pembersihan pipa dan penggantiannya.
II.6.1 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 yang di dalamnya terdapat kemampuan seperti (Ekamitra Engineering, 2004): -
Kemampuan analisa yang tidak terbatas pada penenempatan jaringan
-
Perhitungan harga kekasaran pipa dan kehilangan air dengan menggunakan persamaan Hazen-Williams, Darcy-Weisbach atau Chezy-Manning
28
-
Perhitungan minor headloss akibat pemasangan aksesori seperti bend dan fiiting
-
Menghitung energi dan biaya pompa
-
Pemodelan terhadap variasi tipe dari valve, termasuk shutoff, check, pressure regulating dan flow control valve
-
Tersedia tangki penyimpan dengan berbagai bentuk (seperti diameter yang bervariasi terhadap tingginya)
-
Memungkinkan dimasukannya kategori kebutuhan (demand) ganda pada node, masing-masing dengan pola tersendiri yang bergantung pada variasi waktu
-
Model tekanan yang bergantung pada pengeluaran air dari emitter/sprinkler head
-
Dapat dioperasikan dengan sistem dasar pada tangki sederhanaatau kontrol waktu yang lebih kompleks.
II.6.2 Model jaringan EPANET memodelkan sistem distribusi air sebagai kumpulan garis yang menghubungkan node. Garis tersebut menggambarkan pipa, pompa dan katup kontrol. Node menggambarkan sambungan, tangki dan reservoir. Gambar di bawah mengilustrasikan bagaimana node-node dan garis dapat dihubungkan satu dengan lainnya untuk membentuk jaringan.
Gambar II.2 Komponen fisik pada sistem distribusi air (Ekamitra Engineering, 2004)
29
II.6.2.1 Sambungan (junction) Junction adalah titik pada jaringan dimana garis-garis bertemu dan dimana air memasuki atau meninggalkan jaringan. Input yang dibutuhkan bagi junction adalah : -
Elevasi
-
Kebutuhan air
-
Kualitas air saat ini
Hasil dari komputasi sambungan pada seluruh periode simulasi adalah head hidrolis (energi internal per satuan berat fluida), tekanan dan kualitas air. Sambungan (junction) juga dapat memiliki input yang bervariasi untuk data-data berikut : -
Kebutuhan air terhadap waktu
-
Memiliki kategori kebutuhan air secara ganda
-
Memiliki harga kebutuhan negatif, yang mengindikasikan air memasuki jaringan
-
Memiliki emitter/sprinkler yang menjadikan laju aliran tergantung pada tekanan
II.6.2.2 Reservoir Reservoir atau adalah node yang menggambarkan sumber eksternal yang terus menerus mengalir ke jaringan, digunakan untuk menggambarkan danau, sungai, akifer air tanah dan koneksi dari sistem lain. Reservoir juga dijadikan titik sumber kualitas air. Input utama untuk reservoir adalah head hidrolis, yang sebanding dengan elevasi permukaan air jika bukan merupakan reservoir bertekanan, dan inisial kualitas air. Reservoir adalah poin pembatas dalam jaringan. Tekanan dan kualitas air reservoir tidak dipengaruhi oleh apa yang terjadi di dalam jaringan. Namun demikian, tekanan dapat dibuat bervariasi terhadap waktu. Dalam EPANET, reservoir diasumsikan sebagai sumber air dengan kapasitas yang tidak terbatas.
30
II.6.2.3 Tangki Tangki membutuhkan node dengan data kapasitas, dimana volume air yang tersimpan dapat bervariasi berdasarkan waktu selama simulasi berlangsung. -
Elevasi dasar (level air adalah nol)
-
Diameter atau ukuran dimensi lain (tergantung berntuk tangki)
-
Level air maksimum dan minimum pada saat awal
-
Kualitas air pada saat awal Hasil keluaran yang didapat dari komputasi tangki terhadap waktu adalah
tekanan hidrolis (sebanding dengan elevasi permukaan air) dan kualitas air. Tangki membutuhkan level maksimum dan minimum untuk beroperasi. EPANET akan menghentikan air yang keluar jika tangki memiliki level air minimum, begitu juga jika tangki memiliki level air minimum.
II.6.2.4 Emitter Emitter adalah peralatan yang berkaitan dengan junction yang merupakan model dari aliran yang melalui nozzle atau orifice yang dilepaskan ke udara bebas. Laju aliran melalui emitter bervariasi sebagai fungsi dari tekanan yang tersedia pada node, hal ini digambarkan dengan fungsi sebagai berikut:
q = laju aliran C = koefisien discharge P = tekanan γ = eksponensial tekanan
Emitter dapat digunakan untuk memodelkan aliran melalui sistem sprinkler dan jaringan irigasi. Dapat juga untuk mensimulasikan kebocoran pada pipa yang tersambung pada jaringan (jika koefisien discharge dan eksponensial tekanan dapat diprediksikan) atau menghitung kebutuhan pemadam kebakaran pada junction (aliran tersedia pada tekanan residual minimum). Dalam kasus
31
berikutnya gunakan nilai yang sangat tinggi dari koefisien discharge (misal 100 kali lipat dari harga maksimum yang diperkirakan) dan modifikasi elevasi junction termasuk head ekivalen dari tekanan target. EPANET menjaga emitter sebagai bagian dari junction dan tidak merupakan bagian dari komponen jaringan.
II.6.2.5 Pipa Pipa adalah penghubung yang membawa air dari satu poin ke poin lainnya dalam jaringan. EPANET mengasumsikan bahwa semua pipa adalah penuh berisi air setiap waktunya. Arah aliran adalah dari titik dengan tekanan hidrolik tertinggi menuju titik dengan tekanan rendah. Input untuk pipa adalah : -
Data node awal dan akhir
-
Diameter pipa
-
Panjang pipa
-
Koefisien kekasaran (untuk menghitung kehilangan tekan)
-
Status (terbuka, tertutup atau ada check valve)
Hasil keluaran dari komputasi terhadap pipa antara lain : -
Laju aliran
-
Kecepatan
-
Headloss
-
Faktor friksi Darcy-Weisbach
-
Rata-rata laju reaksi (sepanjang pipa)
-
Rata-rata kualitas air (sepanjang pipa) Kehilangan tekan hidrolis pada pengaliran air dalam pipa karena faktor
gesekan dapat dihitung dengan menggunakan beberapa persamaan. Persamaan Hazen-Williams adalah yang paling umum digunakan. Namun, persamaan tersebut tidak dapat digunakan untuk fluida selain air dan hanya untuk aliran turbulen. Persamaan Darcy-Weisbach banyak digunakan secara teoritis, dan dapat diaplikasikan untuk semua kondisi cairan. Persamaan Chezy-Manning banyak digunakan untuk aliran pada saluran terbuka.
II.6.2.6 Pompa
32
Pompa adalah sumber tekanan yang memberi energi pada fluida untuk meningkatkan tekanan hidrolisnya. Input parameternya adalah node awal, node akhir dan kurva pompa (kombinasi dari head dan aliran). Sebagai pengganti kurva pompa, pompa dapat direpresentasikan sebagai pompa yang memiliki energi konstan, mensuplai energi pada fluida untuk seluruh kombinasi dari aliran dan head. Parameter output yang prinsip adalah aliran dan pencapaian head. Aliran melalui pompa adalah langsung dan EPANET tidak akan membolehkan pipa untuk beroperasi di luar batas dari kurva pompa. Pompa dengan variabel kecepatan dapat juga mengikuti pengaturan kecepatan dan dapat diubah pada kondisi yang sama. Seperti halnya pipa, pompa dapat diatur hidup dan mati dalam pengaturan waktu atau dalam kondisi yang pasti muncul dalam jaringan. Operasional pompa juga dapat dijelaskan dengan menetapkannya dalam pola waktu atau dalam kondisi yang pasti muncul dalam jaringan. Operasional pompa dapat juga dijelaskan dengan menetapkannya dalam pola waktu atau relatif terhadap pengaturan kecepatan. EPANET dapat juga menghitung konsumsi energi dan biaya pompa. Setiap pompa dapat ditetapkan dengan kurva efisiensi. Jika tidak disuplai, maka pengaturan energi global dapat digunakan. Aliran pada pompa adalah tidak langsung. Jika pengondisian sistem membutuhkan lebih banyak head daripada yang dihasilkan pompa, EPANET mematikan pompa. Jika kebutuhannya melebihi maksimum aliran, EPANET mengekstrapolasi kurva pompa pada aliran yang dibutuhkan karena jika tidak akan menghasilkan head negatif. Dalam kedua kasus, pesan peringatan akan muncul.
II.6.2.7 Valve Valve adalah pembatas tekanan atau flow pada titik yang spesifik pada jaringan. Parameternya termasuk : -
Node awal dan akhir
-
Diameter
-
Pengaturan
33
-
Status
Hasil keluaran yang dihitung dari valve adalah laju aliran dan kehilangan tekan. Beberapa tipe valve yang terdapat dalam EPANET adalah : •
Pressure Reducing Valve (PRV) PRV membatasi tekanan pada titik di jaringan pipa.
•
Pressure Sustaining Valve (PSV) PSV menjaga pengaturan tekanan pada titik yang spesifik pada jaringan pipa.
•
Pressure Breaker Valve (PBV) PBV memaksa tekanan spesifik yang hilang agar muncul melalui valve. Aliran melalui valve dapat dari arah sebaliknya. PBV tidak berupa alat yang nyata,teteapi dapat menggunakan situasi model dimana penurunan tekanan yang terpisah diketahui dan nyata.
•
Flow Control Valve (FCV) FCV membatasi aliran dalam harga yang spesifik. Program akan memberi pesan peringatan apabila aliran tidak dapat dijaga tanpa menambah tekanan pada valve (aliran tidak dapat dijaga jika valve terbuka penuh).
•
Trottle Control Valve (TCV) TCV mensimulasikan valve dalam kondisi tertutup sebagian, dengan mengatur koefisien kehilangan minor dari valve.
•
General Purpose Valve (GPV) GPV digunakan untuk merepresentasikan link dimana pengguna mensuplai aliran khusus (hubungan kehilangan tekan selain dari formula standar hidrolis). Dapat digunakan untuk memodelkan turbin, sumur bor atau pencegah aliran balik.
II.6.3 Model simulasi hidrolis Simulasi hidrolis EPANET yang menghitung head junction dan aliran dalam link secara lengkap terhadap level reservoir, level tangki dan kebutuhan air selama periode waktu. Langkah waktu terhadap level reservoir dan kebutuhan junction diperbaharui menggunakan aliran saat itu. Penyelesaian secara simultan
34
dalam persamaan aliran untuk tiap junction dan hubungan kehilangan tekan pada setiap link dalam jaringan. Langkah-langkah hidrolis digunakan untuk memperpanjang periode simulasi dapat diatur oleh pengguna. Biasanya digunakan selama 1 jam. Langkah waktu yang pendek dari yang normal akan muncul jika kondisi berikut terjadi : -
Periode berikutnya dari pelaporan output muncul
-
Pola periode waktu berikutnya muncul
-
Tangki menjadi penuh atau kosong
-
simple control atau rule-based control aktif Model
simulasi
hidrolis
dapat
digunakan
untuk
menyelesaikan
permasalahan yang sedang berlangsung, menganalisis perubahan operasional dan mempersiapkan peristiwa diluar kebiasaan. Dengan membandingkan data hasil simulasi dengan data hasil pengukuran lapangan maka operator dapat menentukan penyebab permsalahan dalam sistem dan mengusulkan penyelesaian masalah tanpa harus melakukan trial and error. Pada praktek dilapangan menunjukkan bahwa pengukuran parameter dilapangan bukan saja menyulitkan namun juga memakan biaya yang cukup tinggi. Misalkan untuk untuk mendapatkan satu data mengenai flow disatu segmen, operator pertama-tama harus menggali lapangan dimana pipa tersebut berada, men-tapping pipa dan memasang alat ukur Pitot atau alat ukur debit yang lainnya, setelah data diperoleh kemudian harus dilakukan pengurugan lapangan kembali. Dan perlu disadari bahwa dalam memahami kondisi jaringan maka diperlukan banyak data lapangan sedemikian rupa sehingga dapat yang diperoleh cukup merepresentasikan kondisi jaringan sebenarnya. Dengan kondisi seperti demikian, model distribusi akan sangat membantu dalam hal mengurangi jumlah data yang diperlukan, orang yang terlibat dalam pekerjaan, kontaminasi terhadap air dan akhirnya akan mengurangi besarnya biaya yang harus dikeluarkan. Dengan perkembangan teknologi informasi yang semakin canggih maka kini kalibrasi model dapat dilakukan setiap saat dan sebanyak mungkin. Teknologi kontrol seperti DCS (Distributed Control System) dan SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) yang kemudian diintegrasikan dengan GIS (Geographic Information System) dapat meningkatkan pengendalian operator
35
terhadap jaringannya sehingga kerusakan sekecil apapun didalam jaringannya dapat diketahui dengan waktu yang sesingkat-singkatnya (Walski, 2001). II.7 SISTEM DISTRIBUSI AIR SECARA INTERMITTENT Sistem distribusi air secara intermittent merupakan salah satu sistem distribusi dimana air didistribusi pada selang waktu tertentu. Sistem Distribusi Air secara intermittent merupakan kenyataan yang harus diterima dibanyak negaranegara berkembang dan wilayah-wilayah dengan sumber air minum yang sangat terbatas namun perkembangan pengetahuan tentang Sistem Distribusi Air secara intermittent tersebut tidak menjadi perhatian utama. Secara konvensional, desain sistem distribusi selalu didasarkan pada asumsi utama bahwa air yang diproduksi pasti memenuhi kebutuhan masyarakat secara kontinyu. Namun yang banyak ditemui dibanyak negara berkembang, sistem distribusi tidak dapat dioperasikan secara kontinyu melainkan dioperasikan secara terputus-putus dan hal tersebut seharusnya sudah menjadi bahan pertimbangan pada tahap desain. Jika sistem yang didesain untuk dioperasikan secara kontinyu kemudian dioperasikan secara terputus-putus maka akan ditemui banyak kegagalan dalam hal tekanan dan ketidakseimbangan massa. Kurangnya ketersediaan air di negara berkembang mengharuskan suplai air secara intermittent dengan kebutuhan per kapita yang rendah. Ketika sistem yang kekurangan air, konsumen akan mengumpulkan air sebanyak mungkin, jumlah air yang dapat dikumpulkan tergantung pada tekanan diujung pipanya. Dan ketika tekanan bervariasi didalam jaringan, kuantitas air menjadi tidak merata. Disamping ketidakseimbangan massa, tekanan yang rendah muncul karena sistem didesain berdasarkan alokasi demand yang rendah dan asumsi suplai tidak terputus-putus selama 24 jam dengan faktor peak mencapai 2,00. Pada kenyataannya air didistribusikan dengan durasi yang cukup pendek. Hal tersebut mengakibatkan ukuran sistem menjadi sangat kecil karena debit yang mengalir jauh lebih besar dari hilangnya tekanan yang akan diantisipasi. Oleh karena itu, secara umum sistem akan kehilangan energi dalam jumlah yang sangat tinggi sehingga tekanan diujung pipa menjadi tidak rasional.
36
Pada dasarnya pendekatan distribusi air minum secara intermittent sebisa mungkin harus dihindari. Karena ketika pipa dalam keadaan kosong dan udara dapat masuk kedalam pipa maka akan terjadi dua hal yang tidak akan terjadi pada continous system, yaitu kontaknya oksigen dengan pipa sehingga mempercepat korosi pipa dan –selama kebocoran pasti terjadi- perbedaan tekanan dengan kondisi diluar pipa mengakibatkan masuknya partikel-partikel ke dalam pipa. Partikel-partikel ini dapat berupa partikel anorganik -pasir, tanah atau yang lainnya- dan partikel organik –cacing, bakteri dan mikroorganisme lainnyasehingga merusak air secara kualitas. Dengan demikian pendekatan intermittent water supply system ini merupakan adjusment terakhir untuk mengantisipasi kekurangan air dari suatu komunitas.
37
