9
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian Penelitian dilaksanakan pada bulan November 2011 sampai Januari 2012 di Stasiun Pengamat Arus Sungai (SPAS) Cikadu Kecamatan Arjasari Kabupaten Bandung Provinsi Jawa Barat. Pengolahan data dilakukan di Laboratorium Hidrologi Hutan dan DAS, Departemen Manajemen Hutan, Fakultas Kehutanan, Institut Pertanian Bogor.
3.2 Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan dalam penelitian yaitu: 1. AWLR (Automatic Water Level Recorder). 2. ARR (Automatic Rainfall Recorder). 3. GPS (Global Potitioning System) 4. Turbidity meter untuk mengukur konsentrasi sedimen. 5. Stopwatch untuk mengukur waktu tempuh pelampung. 6. Meteran untuk mengukur ukuran SPAS. 7. Pelampung (Bola ping-pong) untuk mengukur kecepatan aliran air. 8. Botol sampel untuk mengambil sampel air. 9. Seperangkat komputer dengan sistem operasi Microsoft Windows xp yang dilengkapi software Tank Model GA Optimizer 2006, Microsoft Office Excel 2007, Minitab 14.0, dan ArcGIS 9.3 dengan berbagai Extentions yang dibutuhkan dalam pengolahan data. Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian yaitu: a. Data primer dan sekunder yaitu: 1. Data tinggi muka air pengukuran AWLR harian. 2. Data curah hujan dari ARR 3. Data tinggi muka air. 4. Sampel air. 5. Data kecepatan aliran air.
10
b. Data Spasial 1. Peta digital tutupan lahan. 2. Peta digital sungai. 3. Peta digital kontur.
3.3 Metode Penelitian Penelitian dilakukan melalui tahapan kegiatan sebagai berikut: 1. Menentukan titik koordinat SPAS Cikadu menggunakan Global Positioning system (GPS). 2. Pengukuran debit aliran dilakukan dengan mengukur bentuk bangunan SPAS, mengukur tinggi muka air dengan meteran dilakukan tiga kali pengulangan pengukuran dibagian awal, tengah, dan akhir, dan mengukur kecepatan arus sungai menggunakan metode pelampung dan stopwatch dengan melakukan minimal tiga kali ulangan kecepatan untuk masing-masing tinggi muka air. 3. Pengukuran data curah hujan menggunakan ARR 4. Pengambilan sampel air saat hujan dan tidak hujan untuk pengukuran besar laju sedimen 5. Pengumpulan dan transfer data sekunder (tinggi muka air, konsentrasi sedimen, dan curah hujan) dari data logger. 6. Analisa hubungan tinggi muka air, debit aliran dan laju sedimentasi dengan mencari nilai korelasi dan rating curve antara debit aliran dengan tinggi muka air, dan antara debit aliran dengan laju sedimentasi. 7. Membuat grafik hidrograf untuk mencari hubungan antara curah hujan menurut waktu terhadap debit aliran air. 8. Pengolahan data curah hujan, evapotranspirasi, dan debit aliran sebagai data masukan Tank Model. 9. Pengolahan Tank Model dan menghitung laju erosi.
3.4 Analisis Data 3.4.1
Analisis Curah Hujan Analisis data curah hujan dilakukan dengan melakukan tabulasi curah
hujan bulanan rata-rata serta dilakukan analisis korelasi antara curah hujan dan
11
debit untuk mengetahui sejauh mana curah hujan dapat menggambarkan besar debit aliran.
3.4.2
Analisis Debit Aliran Untuk menghitung debit digunakan metode pelampung dengan melakukan
minimal tiga kali ulangan kecepatan untuk masing-masing tinggi muka air, sehingga diperoleh kecepatan rata-rata dari pelampung. Dari kecepatan pelampung tersebut akan diperoleh kecepatan air dengan mengalikannnya dengan koefisien yang dirumuskan sebagai berikut (Sosrodarsono S & Takeda K 2003) : γ
= 1 – 0,116 {(√1-λ )-0,1} ........................................................................ ( 2 )
λ
= ( t1 / TMA) ............................................................................................ ( 3 )
V
= γ × u ...................................................................................................... ( 4 )
dimana : γ
= koefisien kecepatan pelampung
t1
= kedalaman pelampung (m)
TMA = tinggi muka air (m) V
= kecepatan aliran rata-rata (m/detik)
u
= kecepatan rata-rata pelampung (m/detik) Dalam perhitungan debit aliran digunakan persamaan Manning yang
menganggap suatu penampang melintang seragam, kekasaran dasar sungai yang tidak berubah dan menggunakan aliran tetap yang seragam. Debit aliran diperoleh dari hasil perkalian kecepatan aliran rata-rata (m3/detik) dengan luas penampang sungai (m) yang dirumuskan sebagai berikut (Seyhan 1990) : Q
= V × A ..................................................................................................... ( 5 ) మ
భ
ଵ(ୖయ ×ୗమ )
V
=
R
= A / P ....................................................................................................... ( 7 )
୬
................................................................................................( 6 )
dimana: Q
= debit aliran (m3/detik)
V
= kecepatan aliran rata-rata maning (m/detik)
A
= luas penampang melintang basah (m2)
R
= radius hidrolik (m)
12
P
= keliling basah (m)
S
= kemiringan saluran (%)
n
= koefisien kekasaran Manning sebesar 0,025 (tembok atau di semen) Pengukuran debit aliran dilakukan dengan beberapa ulangan pada tinggi
muka air yang berbeda sehingga diperoleh hubungan antara debit aliran dengan tinggi muka air dari penampang sungai tersebut dalam sebuah discharge rating curve atau lengkung aliran. Berdasarkan hubungan antara tinggi muka air dan debit aliran diperoleh persamaan sebagai berikut : Q = a TMA b....................................................................................................... ( 8 ) dimana : = debit aliran (m3/detik)
Q
TMA = tinggi muka air (m) a,b
= konstanta
3.4.3
Analisis Hidrograf Menurut Sosrodarsono dan Takeda (2003) diagram yang menggambarkan
hubungan variasi debit atau aliran permukaan menurut waktu disebut hidrograf. Kurva itu memberikan gambaran mengenai berbagai kondisi didaerah itu secara bersama-sama. Jadi jika karakteristik daerah aliran berubah maka bentuk hidrograf akan berubah. Bentuk hidrograf dapat ditandai dengan tiga sifat pokoknya, yaitu waktu naik (time of rise), debit puncak (peak discharge), dan waktu dasar (time of base). Waktu naik (Tp) adalah waktu yang diukur dari saat hidrograf mulai naik sampai waktu terjadinya debit puncak. Debit puncak adalah debit maksimum yang terjadi dalam suatu kasus tertentu. Waktu dasar (Tb) adalah waktu yang diukur dari saat hidrograf mulai naik sampai waktu dimana debit kembali pada suatu besaran yang ditetapkan. Prosedur penyusunan hidrograf satuan adalah: 1. Menentukan aliran dasar (base flow), aliran dasar yang dipakai adalah debit minimum (m3/detik) pada saat debit sebelum mengalami kenaikan setelah hujan.
13
2. Menghitung volume direct runoff (DRO) DRO = Q – BF---------------------------------------------------------------------- (9) dimana: DRO = direct runoff Q
= debit (m3/detik)
BF
= base flow (m3/detik)
3. Menghitung volume aliran langsung Vtotal DRO = ∑ DRO x t --------------------------------------------------------- (10) dimana : Vtotal DRO = Volume aliran langsung ∑ DRO
= jumlah debit aliran langsung (m3/detik)
t
= selang waktu (detik).
4. Menghitung tebal aliran langsung dihitung dengan persamaan: TDRO =
ୈୖ
……………………………………...…………………………(11)
dimana : TDRO = tebal DRO (mm) = luas sub-sub DAS (m2)
A
5. Menghitung Koefisien Runoff dengan persamaan : Koefisien runoff
=
்ோை ு
------------------------------------------------------ (12)
dimana : TDRO = tebal DRO (mm) CH
= curah hujan (mm)
6. Membangun hidrograf satuan setelah didapat harga unit hidrograf satuan. 3.4.4 Pengolahan Data Input Tank Model Data masukan utama Tank Model yaitu curah hujan (P), evapotranspirasi (ETP), dan debit (Q) yang dioptimasi menghasilkan keluaran berupa nilai parameter Tank Model, indikator keandalan model, nilai keseimbangan air, kurva hidrograf, dan regresi. Masukan data harian curah hujan, evapotranspirasi, dan debit semua dikonversi menjadi satuan mm.
14
Gambar 2 Skema representasi Tank Model (Setiawan 2003). Pada Gambar 2 terlihat model ini tersusun atas 4 (empat) reservoir vertical, yaitu bagian atas mempresentasikan surface reservoir (A), dibawahnya intermediate reservoir (B), kemudian sub-base reservoir (C), dan paling bawah
base reservoir (D). Lubang outlet horizontal mencerminkan aliran air, yang terdiri dari surface flow (Ya2), sub-surface flow (Ya1), intermediate flow (Yb1), sub-base flow (Yc1), dan base flow (Yd1). Infiltrasi yang melalui lubang outlet vertical dan aliran yang melalui lubang outlet horizontal dikuantifikasikan oleh parameter-
parameter Tank Model. Model. Aliran ini hanya terjadi bila tinggi air pada masing-masing reservoir (Ha, Hb, Hc, dan Hd) melebihi tinggi lubangnya (Ha1, Ha2, Hb1, dan Hc1). Setiawan (2003) menyatakan secara global persamaan keseimbangan air
Tank Model adalah sebagai berikut : = P(t) – ET(t) – Y(t) ------------------------------------------------------------- (13) dimana, H adalah tinggi air (mm), P adalah hujan (mm/hari), ET adalah evapotranspirasi (mm/hari), Y adalah aliran total (mm/hari), dan t adalah waktu
(hari). Pada standar Tank Model terdapat 4 tank, sehingga persamaan di atas dapat ditulis sebagai berikut :
=
+
------------------------------------------- (14)
Aliran total merupakan penjumlahan dari komponen aliran yang dapat ditulis
sebagai berikut:
15
Y(t) = Ya(t) + Tb(t) + Tc(t) + Td(t) ------------------------------------------------ (15) Lebih rinci lagi keseimbangan air dalam setiap reservoir dapat ditulis sebagai
berikut: = P(t) – ET(t) – Ya(t) ---------------------------------------------------------- (16) = Yao(t) – Yb(t) ----------------------------------------------------------------- (17) = Ybo (t) – Yc(t) ---------------------------------------------------------------- (18) = Yco(t) – Yd(t) ----------------------------------------------------------------- (19) dimana Ya, Yb, Yc, dan Yd adalah komponen aliran horizontal dari setiap reservoir, dan Yao, Ybo, dan Yco adalah aliran vertikal (infiltrasi) setiap tank (A,B dan C). 3.4.4.1 Pengolahan Data Curah Hujan Data kejadian hujan per lima belas menit dari bulan Januari 2011 hingga
Maret 2011 yang terekam pada ARR di SPAS diolah menjadi data kejadian hujan harian. Data curah hujan dalam satuan mm/hari akan digunakan digunakan sebagai salah satu
data masukan Tank Model.
3.4.4.2 Pengolahan Data Evapotranspirasi Penentuan besarnya evapotranspirasi menggunakan metode Penman-
Monteith (Cepece et al. 2002 diacu dalam Supraypgi et al 2003). Metode ini adalah salah satu metode yang digunakan untuk menentukan besarnya evapotranspirasi potensial dari permukaan air terbuka dan permukaan vegetasi yang menjadi kajian. Model ini membutuhkan lima parameter iklim yaitu suhu, kelembaban relatif, kecepatan angin, tekanan uap jenuh dan radiasi netto.
3.4.4.3 Pengolahan Data Debit Data debit dari hasil perkalian luas penampang melintang weirs dan kecepatan aliran sungai sepanjang penampang weirs menghasilkan data debit
16
aliran dengan satuan m3/s, pada input data tank model data debit harian harus dikonversi ke dalam satuan mm/hari dengan rumus : Q’ =
ொ ௫ ଼ସ
x1000 ........................................................................................ (20)
dimana : Q’
= debit (mm/hari)
Q
= debit (m3/detik)
A
= luas DAS (m2)
3.4.5 Analisis Hubungan Debit Aliran (Q) dengan Laju Sedimen (Qs) Beban angkutan sedimen diturunkan dari data laju sedimen melalui persamaan yang menggambarkan hubungan antara debit aliran dengan beban angkutan sedimen yang nilainya di dapat berdasarkan pengukuran dengan alat turbiditymeter, dimana satuan untuk sedimen adalah ppm atau mg/liter. Dengan asumsi bahwa konsentrasi sedimen merata pada seluruh bagian penampang melintang sungai maka laju sedimen dapat dihitung sebagai hasil perkalian antara konsentrasi dengan debit aliran (Asdak 2002) yaitu : Qs = 0,0864 × C × Q .......................................................................................... (21) dimana : Qs = laju sedimen (ton/hari) Q = debit aliran (m3/detik) C = konsentrasi sedimen (ppm atau mg/l) Pengambilan sampel air sedimen dan pengukuran debit dilakukan berulang kali pada ketinggian muka air yang berbeda sehingga diperoleh hubungan antara debit aliran dengan angkutan sedimen. Berdasarkan hubungan tersebut diperoleh persamaan sebagai berikut : Qs = a Q b ......................................................................................................... ..(22) Keterangan : Qs
= laju sedimen (ton/hari)
Q
= debit aliran (m3/detik)
a,b
= konstanta
17
3.4.6
Analisis Laju Erosi Berdasarkan Kandungan Sedimen Sungai Hasil Optimasi Tank Model menghasilkan debit kalkulasi tank model.
Debit kalkulasi ini digunakan untuk menduga besarnya laju erosi. Untuk menduga besarnya laju erosi yang terjadi digunakan rumus sebagai berikut (Arsyad 2006):
E=
--------------------------------------------------------------------------------- (23)
Dimana SDR, Auerswald (1992) (dalam Arsyad (2006)) yaitu :
SDR = -0,02 + 0,385 A-0,2 .............................................................................. (24) dimana : E
= Laju erosi (ton/ha/hari)
Qs
= Laju sedimentasi (ton/ha/hari)
SDR
= Sediment Delivery Ratio (Nisbah pelepasan sedimen (NPE))
A
= Luas sub-sub DAS (ha)
3.4.7 Analisis Laju Sedimen dengan Model Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE)
Model MUSLE merupakan sebuah metode yang digunakan untuk menduga laju sedimentasi yang merupakan metode yang dikembangkan dari metode yang sudah ada sebelumnya yakni metode USLE (Universal (Universal Soil Loss
Equation). MUSLE tidak menggunakan faktor energi hujan sebagai trigger penyebab terjadinya erosi melainkan menggunakan faktor limpasan permukaan. Faktor limpasan permukaan mewakili energi yang digunakan untuk penghancuran
dan pengangkutan sedimen. Persamaan untuk menghitung jumlah sedimen yang berasal dari DTA menurut Williams (1995) (diacu dalam Murtiono 2008) adalah sebagai berikut :
Sed’ = 11.8.(Qsurf.qpeak.areahru).K.L.S.C.P.........................................(25) dimana : Sed’
= jumlah sedimen (ton)
Sed
= jumlah sedimen yang masuk sungai (ton)
q
= puncak laju debit (m3/detik)
peak
Q
surf
= debit (mm)
18
area
hru
= luas DAS (ha)
K
= faktor erodibilitas tanah
C
= faktor vegetasi penutup tanah dan pengelolaan tanaman
P
= faktor tindakan-tindakan khusus konservasi tanah
LS
= faktor topografi Aliran lateral dan base flow juga membawa sedimen masuk ke dalam
sungai. Jumlah sedimentasi yang berasal dari aliran lateral dan base flow dihitung dengan persamaan berikut :
sedlat =
(Qlat + Qgw ).areahru .concsed 1000
...........................................................(26)
Keterangan: Qlat
= lateral flow (mm)
Qgw
= base flow (mm)
areahru = luas DTA (m2) concsed = Konsentrasi sedimen yang berasal dari lateral dan base flow (mg/L)
