BAB II TEORI DASAR
II. 1. Sedimentasi II.1.1. Pengertian Sedimentasi
Sedimentasi merupakan proses penghancuran, pengikisan, dan pengendapan material pada suatu tempat melalui media air laut, air tawar, angin dan es. Beberapa faktor alam yang menyebabkan terjadinya proses pendangkalan atau proses sedimentasi, yaitu : a. Adanya sumber sedimentasi yang mengakibatkan banyaknya sedimen yang terbawa oleh arus. b. Adanya sungai-sungai yang bermuara terjadinya sedimentasi c. Adanya arus laut yang memungkinkan terjadinya sedimentasi d. Berat dan besar butir-butir material pembentuk sedimen memungkinkan tempat pengendapannya. e. Tempat pengendapan, untuk daerah relatif tenang seperti bentuk-bentuk lekukan teluk yang kecil, dimana air relatif tenang kemungkinan sedimentasi akan lebih besar dibandingkan dengan daerah yang arusnya kuat dan letaknya didaerah yang bebas.
II.1.2. Mekanisme Proses Terjadinya Sedimentasi
Sebagai dasar proses terjadinya sedimentasi disebabkan oleh beberapa peristiwa yang mempengaruhi terbentuknya permukaan bumi yaitu : a. proses pengangkatan b. proses transportasi c. proses pengendapan d. proses berikutnya berulang lagi terus menerus
13
Pada pembentukan permukaan bumi dimulai dari proses pengangkatan yang disebabkan oleh adanya tenaga endogen, dengan adanya pengangkatan ini, batuan kulit bumi akan terangkat sebagian kemudian menjadi relatif tinggi dari daerah lainnya. Proses terjadinya pengangkatan juga dipengaruhi oleh faktor dari luar yaitu tenaga eksogen yang terdiri dari pelapukan, transportasi dan pengendapan. Dengan demikian sedimentasi terjadi karena adanya sumber sedimen, transpor sedimen dan daerah terjadinya sedimen atau pengendapan material.
Fenomena fisik dihubungkan dengan transport sedimen di daerah pantai, menghasilkan perubahan morfologi pantai (erosi, sedimentasi) adalah faktor utama dalam desain, konstruksi dan operasi struktur pantai (Koutitas, 1988).
Penjelasan umum awal sedimen dasar bergerak Berdasarkan teori klasik partikel sedimen tidak akan bergerak apabila kecepatan aliran sangat kecil. Sediment akan mulai bergerak jika kecepatan aliran cukup kuat sehingga gaya pengerak partikel sedimen melebihi gaya stabilnya, Kecepatan ini dikatakan kecepatan aliran kritis.
Sebagian besar kriteria mulai bergerak partikel sedimen umunya diturunkan atas dua pendekatan, yaitu: pendekatan tegangan geser dan kecepatan. Untuk sungai biasa, slope channel cukup kecil dimana komponen dari gaya gravitasi pada aliran arah arus dapat diabaikan dengan gerak gaya partikel sediment spherical. Pada Gambar 2.1 memperlihatkan gaya-gaya yang bekerja pada partikel sedimen di dasar.
14
Gambar 2.1 Diagram gaya yang bekerja pada partikel sediment.
Keterangan : d
= diameter partikel,
D
= kedalaman perairan,
FD
= gaya penarik (drag force),
FL
= gaya pengangkat,
Ws
= berat di bawah permukaan air.
FR
= gaya penahan (resistance force ).
Partikel sedimen berada pada kondisi mulai bergerak apabila salah satu dari kondisi berikut terpenuhi yaitu : FL = WS FD = FR MO = M R dimana : MO = Moment penggelinding yang disebabkan oleh FD dan FL MR = Momen penahan yang disebabkan oleh FL dan Ws.
15
II.1.3. Transport Sedimen
Transport sedimen adalah gerak partikel yang dibangkitkan oleh gaya yang bekerja. Transport sediment merupakan hubungan aliran air dan partikel-partikel sediment. Pemahaman dari sifat-sifat fisis air dan partikel sediment sangatlah penting untuk mengetahui tentang pengertian transport sediment. Sifat-sifat pokok dari air dan partikel-partikel sediment , parameter yang menggambarkan beberapa sifat yang sering digunakan dalam persamaan transport sediment. Metode komputasi dan beberapa contoh digunakan dalam menjelaskan prosedur untuk mendeterminasikan beberapa sifat-sifat sediment.
Pada umumnya transport sedimen dikelompokkan atas tiga kelompok, yaitu : bed load, suspended load dan wash load. Bed load didefinisikan sebagai transport sedimen yang mengalami kontak terus menerus dengan dasar selama pergerakannya (sliding, jumping dan rolling). Sedangkan Suspended load dalam gerakannya tidak mengalami kontak yang terus menerus dengan dasar dan ukuran partikelnya lebih kecil (Murphy dan Aguirre, 1985;Fredsoe dan Rolf, 1993 dalam Mubarak, 2004). Sedangkan Wash load terdiri dari partikel-partikel yang sangat halus, biasanya wash load tidak mewakili komposisi dasar.
II.1.4. Transport Sedimen kohesif dan non kohesif
Sedimen kohesif merupakan butiran-butiran partikel Lumpur yang berada di dasar maupun di badan air yang bila bergabung bersama akan membentuk suatu unit yanglebih besar yang disebut floc. Proses ini sangat bergantungpada konsentrasi sedimen. Flokulasi yang terjadi sangat mempengaruhi kecepatan jatuh sedimen kohesif. Semakin besar konsentrasi dari flokulasi yang terjadi maka akan semakin besar pula kecepatan jatuh sedimen (Irham, 2000)
Sedimen non-kohesif merupakan sedimen dengan butiran-butiran partikel yang umumnya berasal dari pasir. Pergerakan sedimen ini sangat bergantung pada besar
16
kecilnya diameter partikel sedimen. Berbeda dengan sedimen kohesif, partikel sedimen non-kohesif tidak pernah membentuk flokulasi sehingga antara partikel sedimen tidak pernah bergabung membentuk suatu unit baru.
II.1.5. Pengendapan (deposision) dan erosi (erosion)
Pengendapan dan resuspensi sedimen halus selama siklus pasut merupakan karakteristik penting dari transport sedimen kohesif di estuari. Hal tersebut sangat diperlukan dalam memodelkan dinamika sedimen untuk memperoleh informasi secara kuantitatif proses perubahan didasar, yaitu pengendapan dan erosi (Dronkers and Van Leussen, 1988)
Pengendapan merupakan suatu peristiwa dimana material sedimen tersuspensi (partikel, agregat atau floc) jatuh ke dasar perairan dan menjadi sedimen dasar. Pada
peristiwa
ini
arus
sudah
tidak
mampu
lagi
mengangkat
atau
mempertahankan partikel sedimen berada dalam kolam air. Dengan pengertian lain bahwa tegangan geser dasar aliran lebih kecil dibandingkan tegangan geser kritis pengendapan (Umar, 2000 dalam Mubarak, 2004) Sedangkan peristiwa tergerus atau terangkatnya sedimen dari dasar perairan ke dalam kolam perairan menjadi sedimen tersuspensi disebut dengan erosi. Kecepatan erosi didefinisikan sebagai jumlah massa sedimen yang tererosi per satuan waktu. Partikel sedimen, gumpalan (flocs) atau bongkahan (lumps) di permukaan dasar akan tererosi jika tegangan geser dasar ( τ b ) yang ditimbulkan oleh arus dan gelombang melebihi tegangan geser kritis erosi ( τ ce ). Hal ini tergantung pada karakteristik material dasar (komposisi mineral, material organik, salinitas, densitas dan lain-lain) atau struktur dasar (Van Rijn, 1993)
Pendekatan Shear Stress Shields (1936) percaya bahwa sangat sulit untuk menjelaskan secara analisa gaya yang berada dalam partikel sediment. Shields menerapkan analisa dimensi untuk
17
mendeterminankan beberapa parameter besaran dan tidak bisa dipungkiri diagram yang baik seperti dijelaskan oleh Shields untuk gerak awal.
Faktor-faktor yang penting dalam determinan dari gerak awal adalah shear stress τ, perbedaan densitas antara sediment dan fluida ρs - ρf, diameter partikel d, viskositas kinematik v dan percepatan gravitasi g. 5 kuantitas dapat dikelompokkan menjadi 2 besaran kuantitas.
d
(τ c / ρ f )1 / 2 v
=
dU * v
(1)
dan
τC d (ρ s − ρ f )g
=
τC dγ [( ρ S − ρ f ) − 1]
(2)
dimana : ρs - ρf = densitas sediment dan fluida ϒ
= berat spesifik air
U*
= velocity shear
τ
= shear stress kritis pada gerak awal
II.1.6 Perhitungan Transport Sedimen
Dasar dari model tranportasi, jumlah total dari muatan yang merupakan penjumlahan dari muatan dasar dan muatan tersuspensi. Pendekatan secara umum Ada dua pendekatan untuk menentukan jumlah total muatan. Pertama, dengan menghitung muatan dasar dan muatan tersuspensi secara terpisah dan kemudian menambahkan keduanya secara bersamaan untuk mendapatkan total muatan. Kedua, menentukan fungsi muatan total secara langsung tanpa pemisahan dalam muatan dasar dan muatan tersuspensi.
18
Partikel sediment yang dipindahkan sebagai dasar muatan pada waktu tertentu dan muatan tersuspensi pada lain waktu atau tempat. Dengan pengecualian untuk material coarse dimana pusat perpindahan pada dasar muatan, jumlah persamaan total muatan material dasar yang digunakan untuk menentukan kapasitas transport sediment dalam aliran natural.
Adapun beberapa formula empirik yang ada dalam proses erosi dan sedimentasi, yaitu : Formula I (Transpor sedimen total dari Koutitas (1988)) Paramater partikel D* ⎡ ( s − 1) g ⎤ D* = D50 ⎢ 2 ⎥⎦ ⎣ v
dimana D50
1/ 3
(3)
= ukuran partikel
s
= densitas spesifik
g
= kec. Gravitasi
v
= koef. Viskositas kinetik
untuk kecepatan kritis bed shear, berdasarkan Shield jika ;
D* ≤ 4,
θ cr = 0.24
( D* ) −1
4 ≤ D* ≤ 10,
θ cr = 0.14
( D* ) −0.64
10 ≤ D* ≤ 20, θ cr = 0.04
( D* ) −0.10
20 ≤ D* ≤ 150, θ cr = 0.013 D* ≤ 150,
( D* ) −0.29
θ cr = 0.055
Koefisien Chezy (C’) :
⎛ 12 Rb ⎞ C ' = 18log ⎜ ⎟ ⎝ 3D90 ⎠
(4)
dimana Rb = radius hidrolik D50 = 400 micrometer D90 = 580 micrometer
19
Tegangan geser efektif ( τ b ) τ
b
(u ) 2 ( c ') 2
'= ρg
(5)
dimana u = kec.aliran c = koef. Chezy
Kec. Efektif bed Shear (U’*) U
g
=
' *
0 .5
u
(6)
c '
Jika ;
τ
*
*
ρ ρ
= ' s
U
=
' b
τ τ
≥
'
U
=
( u ) ( c )
g 2
(τ
' b
) )
(τ
g
5
2
c
2 2
d s
2
D
5 0
(7)
2
Sehingga transport sedimen total arah x dan y sebagai berikut : q q
T x
= 0 .0 5
T y
= 0 .0 5
τ v τ
u
sx
(8)
sy
Formula II Transport Bed Load : Untuk partikel 100 – 2000 micrometer, kec. Aliran kritis u cr u c r = 0 .1 9 ( D 5 0 ) 0 .1 lo g
12 Rb , 3 D 90
1 0 0 ≤ D 5 0 ≤ 5 0 0 m ic r o m e te r
u c r = 8 .5 0 ( D 5 0 ) 0 .6 lo g
12 Rb , 3 D 90
5 0 0 ≤ D 5 0 ≤ 2 0 0 0 m ic r o m e te r
20
⎛ ⎞ u − u cr = 0 .0 0 5 ⎜ 0 .5 ⎟ ⎝ ( ( s − 1) g D 5 0 ) ⎠
2 .4
⎛ ⎞ u − u cr q s = 0 .0 1 2 ⎜ 0 .5 ⎟ ⎝ ( ( s − 1) g D 5 0 ) ⎠
2 .4
qb
⎛ D 5 0 ⎞ 0 .6 ⎜ ⎟ D* ⎝ d ⎠
(9)
⎛ D 5 0 ⎞ 1 .2 ⎜ ⎟ D* ⎝ d ⎠
Muatan sedimen dasar qb dan muatan sedimen melayang qs:
q Bx = u Rb qb
(10)
q Sx = u R b q s
Transport Sedimen Total
qTx = q Bx + q Sx
(11)
qTy = q By + q Sy
Formula III Bed Load Transport q
= 0 .0 5 3 .D
B
1 .5 5 0
(( s − 1) g T
.
3 /1 0 s
D
3 /1 0 *
(12)
Suspended Load Transport q C
=
S
=
a
=
F
a d
F
=
u d
C
a D
0 . 0 1 5 ⎛ ⎜ ⎝ ⎛ ⎜ 1 ⎝
a d −
z
⎞ ⎟ ⎠
a '
⎛ ⎜ ⎝
− a d
⎞ ⎟ ⎠
z
1 . 5
T D
5 0
a d
0 . 3 *
⎞ ⎟ ⎠
1 . 2
(13)
'
(1 . 2 z
')
0 . 0 0 1 , 0 . 0 5 , 0 . 1
q
T x
= q
B x
+ q
S x
q
T y
= q
B y
+ q
S y
(14)
21
II.2. Perubahan Morfologi Dasar
Perubahan level dasar laut atau batimetri laut diturunkan dari prinsip kekekalan sedimen di suatu ruang atau tempat yang menyatakan bahwa tergerusnya (erosi) atau terjadinya endapan (sedimentasi) di suatu dasar perairan merupakan netto transpor sedimen total dalam arah sumbu – x dan sumbu – y, seperti dinyatakan dalam persamaan (10) berikut:
∂ς b ∂ ∂ + ( q tx ) + ( q ty ) = 0 ∂t ∂x ∂y (15) dimana : qt
= q s + q b = transpor sedimen total (m2/detik)
qs = transpor sedimen melayang (m2/detik) qb = transpor sedimen dasar (m2/detik) qtx = transpor sedimen total arah sumbu – x (m2/detik) qty = transpor sedimen total arah sumbu – y (m2/detik) ζ b = perubahan level dasar laut disebabkan oleh transpor sedimen total (m)
II. 3. Model Hidrodinamika
Arus di perairan pantai dipengaruhi oleh pasang surut dan angin yang bertiup diatas laut. Gelombang laut sebenarnya juga mempengaruhi arus laut di dekat pantai, tapi dalam model yang telah
dijalankan pengaruh arus yang dibangkitkan
oleh
gelombang dianggap kecil karena daerah kajian berada di suatu selat cukup sempit sehingga bangkitan gelombang oleh angin sangat kecil. Gerak sirkulasi arus di perairan pantai yang dangkal dapat diasumsikan sebagai aliran masa air yang bercampur sempurna (homogen) mulai dari permukaan laut sampai kedasar perairan dan pengaruh angin dipermukaan diasumsikan mencapai
22
dasar laut. Oleh karena itu persamaan model yang dipakai adalah persamaan yang diintegrasikan terhadap kedalaman. Dalam model ini air laut dianggap sebagai fluida yang tak mampu mampat (incompresible fluid).
Persamaan model arus perairan dangkal terdiri dari : a. Persamaan
kontinuitas, dimana dalam persamaan ini debit air pendingin
power plant akan dimasukkan. b. Persamaan kekekalan momentum, dimana pengaruh angin dan pasang surut akan diperhatikan.
Persamaan kontinusitas dirumuskan sebagai berikut : ∂ξ ∂ U ∂ V + + = Qs ∂t ∂x ∂y
(16)
Persamaan kekekalan momentum dirumuskan sebagai berikut :
∂U U ∂U V ∂U ∂ξ U 2 + V2 + + + gH + rU ∂t H ∂x H ∂y ∂x H2 ∂2 V ∂2 V + A h ( 2 + 2 ) = λ Wy W2 x + W2 y ∂x ∂y (17)
∂U U ∂V V ∂V ∂ξ U 2 + V2 + + + gH + rV ∂t H ∂x H ∂y ∂y H2 ∂2 V ∂2 V + A h ( 2 + 2 ) = λ Wy W2 x + W2 y ∂x ∂y dimana : x,y
: koordinat ruang bertambah besar ke arah timur dan utara (m).
u,v
: kecepatan arus arah-x dan arah-y (m/detik)
U
: transpor dalam arah sb-x ( m 2/detik )
23
1 U = h+ ξ
V
ξ
∫
udz
(18)
vdz
(19)
-h
: transpor dalam arah sb-y ( m 2/detik) 1 V = h+ ξ
ξ
∫
-h
t
: parameter waktu (detik)
ξ
: elevasi dari permukaan laut terhadap muka air rata-rata (m)
g
: percepatan gravitasi bumi (m/detik2 )
H
: kedalaman aktual = h + z (m)
h
: kedalaman laut yang tetap (m)
r
: koefisien gesekan dasar
Ah
: koefisien gesekan eddy horisontal (m 2/detik)
λ
: koefisien gesekan angin
Wx,Wy : kecepatan angin arah-x dan arah-y (m/detik) Qs
: debit yang disedot di inlet dan/atau yang dibuang lagi di outlet power plant (m2/detik)
Model arus tersebut diselesaikan dengan menggunakan metode semi implisit dua langkah dimana variabel-variabelnya dihitung pada deretan sel ruang pada setiap langkah waktu. Metoda ini dipilih karena dalam pemilihan simulasi
langkah
waktu
tidak bergantung pada kriteria stabilitas Courant-Friedrich-Lewy (CFL)
seperti pada metoda eksplisit, sehingga memori komputer dihemat dan simulasinya menjadi lebih ekonomis.
24
