BAB III METODOLOGI 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian dilaksanakan di
Sub-DAS Cibengang yang secara geografis
terletak di ketinggian 1130 mdpl dengan koordinat 06º57’56,6” lintang selatan dan 107º53’23,2” bujur timur, dan secara administratif terletak di Desa Tanjung Sari, Kecamatan Cicalengka, Kabupaten Bandung. Pelaksanaan penelitian dilakukan dua tahap, yaitu tahap pertama pengambilan data di lapangan selama bulan Juli – Agustus 2010 dan tahap kedua dilakukan di Laboratorium Hidrologi dan Pengelolaan DAS, Fakultas Kehutanan IPB, pada bulan Oktober – Desember 2010 untuk menganalisis dan mengolah seluruh data yang diperoleh dari lapangan.
3.2 Alat dan Bahan Alat yang digunakan pada penelitian ini antara lain ARR (Automatic Rainfall Recorder), AWLR (Automatic Water Level Recorder), GPS, pelampung untuk mengukur kecepatan aliran air, turbiditymeter untuk mengukur besar sedimentasi, botol sample, meteran, stopwatch, kamera, kalkulator, alat tulis dan seperangkat komputer/laptop dengan beberapa software yaitu Tank Model, Arc View versi 3.2, Minitab 1.4 dan Microsoft Office. Bahan yang diperlukan dalam penelitian meliputi data primer dan sekunder yaitu data curah hujan dari ARR (Automatic Rainfall Recorder), sedimen sungai dari turbiditymeter, dan tinggi muka air dari AWLR (Automatic Water Level Recorder). Selain itu juga diperlukan data spatial berupa peta topografi Sub DAS Cibengang dan peta penutupan lahan Sub DAS Cibengang.
3.3 Tahapan Penelitian Penelitian ini dilaksanakan melalui beberapa tahapan yaitu pengumpulan data primer (tinggi muka air, konsentrasi sedimen, dan curah hujan) dengan cara melakukan pengukuran langsung dari lapangan (SPAS Cibengang). Pengukuran
9
debit aliran dilakukan terlebih dahulu dengan melakukan pengukuran bentuk bangunan SPAS, pengukuran tinggi muka air sungai dengan alat AWLR atau meteran, dan mengukur kecepatan aliran sungai menggunakan stopwatch dan pelampung dengan beberapa kali ulangan. Kemudian setelah didapatkan nilai debit, dilakukan analisis hubungan antara debit, tinggi muka air dan debit sedimen, setelah analisis mencari hubungan nilai korelasi dan rating curve, diantaranya hubungan antara debit air dan tinggi muka air dan hubungan antara debit air dan debit sedimen, serta hubungan antara curah hujan dan debit air. Selanjutnya membuat grafik dengan metoda unit hidrograf dengan mencari hubungan antara curah hujan menurut waktu terhadap aliran debit aliran (m3/detik), sehingga dapat diperoleh data pengolahan data curah hujan, evapotranpirasi, dan debit aliran sebagai data input Tank Model. Setelah didapatkan hasil output Tank Model, dilakukan perhitungan erosi dan sedimentasi dengan menggunakan metode MUSLE. Terakhir menduga neraca air dengan menggunakan hasil output Tank Model.
3.4 Analisis Data 3.4.1 Analisis Curah Hujan Analisis data curah hujan dilakukan dengan melakukan tabulasi curah hujan bulanan rata-rata, curah hujan tahunan, menganalisis sebaran bulan basah dan bulan kering setiap tahun serta dilakukan analisis korelasi antara curah hujan dan debit untuk mengetahui sejauh mana curah hujan berpengaruh terhadap besar debit air.
3.4.2 Analisis Hubungan Tinggi Muka Air dengan Debit Aliran 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/s) dengan luas penampang sungai (m) yang dirumuskan sebagai berikut. Q =VmA ........................................................................................................... (1)
10
Vm= 1 / N R2/3 S1/2........................................................................................ (2) R =A/P............................................................................................................... (3) Dimana : Q Vm A R P S N
= Debit aliran (m3/detik) = Kecepatan aliran rata-rata maning (m/detik) = Luas penampang melintang basah (m2) = Radius hidrolik (m) = Keliling basah (m) = Kemiringan saluran (%) = 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 ......................................................................................................(4) Dimana ; Q = Debit aliran (m3/s) TMA = Tinggi muka air (m) a,b = Konstanta 3.4.3 Analisis Hubungan Debit Aliran dengan Laju Sedimen 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 .......................................................................................... (5) Dimana : Qs = Laju sedimen (ton/hari) Q = Debit aliran (m3/s) C = Konsentrasi sedimen (ppm atau mg/l)
11
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 .......................................................................................................... (6) Dimana : Qs Q a,b
= Laju sedimen (ton/hari) = Debit aliran (m3/s) = Konstanta
3.4.4 Analisis Hidrograf 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/s) pada saat debit sebelum mengalami kenaikan setelah hujan. 2. Menghitung volume direct runoff (DRO), dihitung dengan cara debit (m3/s) dikurangi base flow (m3/s) yaitu: DRO = Q – BF .............................................................................................. (7) Dimana : DRO = Direct runoff (m3/s) Q = Debit (m3/s) BF = Aliran dasar (m3/s) 3. Menghitung volume aliran langsung sebagai berikut: VtotalDRO = ∑ DRO x t ............................................................................... (8) Keterangan : ∑ DRO = Jumlah debit aliran langsung (m3/s) t = Selang waktu (menit). 4. Menghitung tebal aliran langsung dihitung dengan persamaan:
12
Tebal DRO =
....................................................................... (9)
Keterangan : Tebal DRO = (m) Luas Sub DAS = (m2) V DRO = (m3) 5. Menghitung Koefisien Runoff, yaitu: Koefisien runoff =
............................................................ (10)
Curah hujan dalam satuan (mm) 6. Membangun hidrograf satuan setelah didapat harga unit hidrograf satuan.
3.5 Pengolahan Data Input Tank Model Data masukkan kedalam Tank Model
adalah debit
sungai (Q),
evapotranspirasi (ETp) dan curah hujan (CH). Hasil keluaran dari Tank Model adalah memperoleh data surface flow, intermediate flow, sub-base flow, dan base flow. Selain memperoleh data aliran juga memperoleh nilai parameter Tank Model, indikator keandalan model, keseimbangan air, kurva hidrograf, regresi, dan aliran hitung. Semua disimpan dalam format data (*.txt).
Gambar 1 Skema Standard Tank Model (Setiawan 2003). Dari Gambar 1 dapat dilihat 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
13
flow (Yc1), dan base flow (Yd1). Infiltrasi yang melalui lubang outlet vertical dan aliran yang melalui lubang outlet horizontal tank dikuantifikasikan oleh parameter-parameter Tank 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). Data kejadian hujan per tiga puluh menit dari bulan Januari hingga Desember 2010 yang terekam pada ARR di outlet diolah menjadi data kejadian hujan harian. Data curah hujan dalam satuan mm/hari akan digunakan sebagai salah satu data input Tank Model. Setiawan (2003) menyatakan secara global persamaan keseimbangan air Tank Model adalah sebagai berikut : = P(t) – ET(t) – Y(t) ................................................................................... (11) 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 : =
+
............................................................... (12)
Aliran total merupakan penjumlahan dari komponen aliran yang dapat ditulis sebagai berikut: Y(t) = Ya(t) + Yb(t) + Yc(t) + Yd(t)................................................................. (13) Lebih rinci lagi keseimbangan air dalam setiap reservoir dapat ditulis sebagai berikut: = P(t) – ET(t) – Ya(t) .............................................................................. (14) = Yao(t) – Yb(t) ....................................................................................... (15) = Ybo (t) – Yc(t) ...................................................................................... (16) = Yco(t) – Yd(t) ...................................................................................... (17) 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).
14
3.6 Pengolahan Data Evapotranspirasi Metode Penman-Monteith 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. Model persamaan Penman-Monteith (Neitsch et all. 2005 ) sebagai berikut: Etp =
𝛥 𝐻𝑛𝑒𝑡 −𝐺 +𝜌 𝑎𝑖𝑟 .𝐶𝑝 .[𝑒𝑧0 −e z ]/r a 𝛥+𝛾.(1+𝑟𝑐 /𝑟𝑎 )
.................................................................(18)
Dimana ; ETp Hnet ∆ G γ ρair Cp 𝑒𝑧0 ez ra rc
= Evapotranspirasi potensial (mm/hari) = Radiasi netto (MJ/m2/hari) = Slope fungsi tekanan uap jenuh (kPa/ºC) = Aliran panas ke dalam tanah (MJ/m2/hari) = Konstanta psychometric (kPa/ºC) = Berat jenis udara (kg/m3) = Panas pada tekanan konstan (MJ/kg/ºC) = Tekanan uap jenuh udara (kPa) = Tekanan jenuh adara pada ketinggian z (kPa) = Resistensi aero dinamik (s/m) = Resisten tutupan kanopi (s/m)
3.7 Analisis Laju Erosi 3.7.1 Model MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation) Adapun yang digunakan untuk menduga laju sedimen dalam penelitian ini adalah dengan menggunakan metode MUSLE. Metode MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation) merupakan sebuah metode yang digunakan untuk menduga laju sedimentasi yang merupakan metode yang dikembangkan dari metode yang sudah ada sebelumnya yakni metode USLE (Universal Soil Loss Equation). MUSLE tidak menggunakan faktor energi hujan sebagai trigger penyebab terjadinya erosi melainkan menggunakan faktor limpasan permukaan sehingga MUSLE tidak memerlukan faktor sediment delivery ratio (SDR). Faktor limpasan permukaan mewakili energi yang digunakan untuk penghancuran dan pengangkutan sedimen.
15
Menurut Neitsch et all. (2005) hasil dugaan erosi dengan metode MUSLE dapat dirumuskan sebagai berikut : 𝑆𝑒𝑑 ′ = 11,8. 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 . 𝑞𝑝𝑒𝑎𝑘 . 𝑎𝑟𝑒𝑎
0,56
. 𝐾. 𝐿𝑆. 𝐶. 𝑃 ............................................ (19)
Dimana ; Sed’ = q peak = Q =
sediment yield dari Sub DAS (ton) Puncak laju run-off (m3/s)
area = K =
Luas Sub DAS (ha)
C
=
Faktor pengelolaan tanaman
P
=
Faktor teknik konservasi tanah
LS
Faktor panjang dan kemiringan lereng = Aliran lateral dan base flow juga membawa sedimen masuk ke dalam
surf
Spesifikasi Run- off (mm/ha) Faktor erodibitas
sungai. Jumlah sedimentasi yang berasal dari aliran lateral dan base flow dihitung dengan persamaan sebagai berikut : 𝑆𝑒𝑑𝑙𝑎𝑡 =
𝑄𝑙𝑎𝑡 +𝑄𝑔𝑤 .𝑎𝑟𝑒𝑎 .𝑐𝑜𝑛𝑐 𝑠𝑒𝑑 1000
........................................................................ (20)
Dimana : Sedlat = Qlat = Qgw = area = concsed =
Sedimen aliran lateral dan base flow (ton) Lateral flow (mm) Base flow (mm) Luas Sub DAS (Km2) Konsentrasi sedimen yang berasal dari lateral dan base flow (mg/L)
