PEMODELAN DUA DIMENSI ALIRAN BANJIR PADA DAERAH PERKOTAAN
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
MOHAMMAD FARID NIM: 25005035 Program Studi Rekayasa SumberDaya Air
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
PEMODELAN DUA DIMENSI ALIRAN BANJIR PADA DAERAH PERKOTAAN
Oleh
Mohammad Farid NIM : 25005035
Program Studi Rekayasa SumberDaya Air Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Pembimbing
Tanggal ………………………..
___________________________ (Dr. Ir. M. Syahril B.K.)
ABSTRAK PEMODELAN DUA DIMENSI ALIRAN BANJIR PADA DAERAH PERKOTAAN Oleh Mohammad Farid NIM : 25005035
Banjir di daerah perkotaan memiliki karakteristik yang berbeda dengan banjir pada lahan/alamiah. Pada kondisi di alam, air hujan yang turun ke tanah akan mengalir sesuai dengan kontur tanah yang ada ke arah lebih rendah. Di daerah perkotaan dimana kondisi penutup lahan pada umumnya adalah beton atau aspal, nilai infiltrasi akan sangat kecil. Demikian juga halnya dengan nilai transpirasi. Minimnya jumlah tanaman di daerah perkotaan menyebabkan nilai transpirasi sangat kecil. Evaporasi sendiri nilainya sangat kecil. Oleh karena itu, nilai infiltrasi, transpirasi, dan evaporasi pada daerah perkotaan dapat diabaikan. Umumnya air hujan yang turun akan dialirkan masuk ke dalam saluran-saluran buatan yang mengalirkan air masuk ke sungai. Kontur lahan yang terdapat di daerah perkotaan direncanakan dan didesain agar air hujan yang turun akan mengalir ke dalam saluran-saluran buatan tadi. Ada kalanya, kapasitas saluran tersebut tidak mencukupi untuk menampung air hujan yang terjadi, sehingga mengakibatkan terjadinya banjir. Pada kota-kota yang dilintasi oleh sungai-sungai besar, seringkali air meluap akibat besarnya debit dari hulu dan menyebabkan terjadinya banjir . Kasus-kasus banjir besar di daerah perkotaan memiliki beberapa masalah yang perlu ditelaah lebih lanjut. Arah aliran yang terjadi tidak lagi sepenuhnya bergantung pada kondisi topografi lahan, karena adanya bangunan-bangunan yang menghalangi arah aliran. Aliran yang terjadi berubah arah karena membentur bangunan. Pemodelan bangunan pada kasus banjir perkotaan ini merupakan suatu tantangan tersendiri dalam pemodelan banjir. Pemodelan dilakukan dengan menggunakan persamaan pengatur St. Venant 2 Dimensi yang diselesaikan dengan metode beda hingga Mac Cormack. Faktor-
i
faktor yang mempengaruhi aliran adalah penutup lahan dan kemiringan lahan/kontur. Aliran permukaan yang terjadi disebabkan oleh hujan maupun debit dari hulu. Hujan dimasukkan sebagai lateral discharge pada persamaan kontunuitas sedangkan debit dari hulu dimasukkan sebagai syarat batas pada titiktitik grid sungai. Bangunan dimodelkan sebagai kontur (elevasi bangunan) dan memberikan nilai kekasaran manning 0.1. Bentuk model bangunan ini dipilih agar dapat memodelkan aliran akibat hujan yang terjadi di atas bangunan. Nilai koefisien manning untuk lahan diambil 0.05 sedangkan untuk sungai diambil sebesar 0.04. Kondisi kering basah pada model diberikan dengan menetapkan kedalaman minimum aliran. Simulasi model untuk kasus banjir akibat dam break dengan adanya bangunan di depan bendung memberikan komparasi yang baik dengan data eksperimen. Keterbatasan model 2 dimensi yang digunakan menyebabkan kondisi awal elevasi muka air di hulu dan di hilir pada bendung tidak dapat termodelkan dengan baik. Letak dan bentuk bangunan tidak tegak lurus bendung. Hal ini menyebabkan model cenderung tidak stabil. Model numerik lain yang dikembangkan dengan metode finite volume. Untuk melihat perilaku model jika diberikan banjir akibat debit dari hulu, model disimulasikan untuk suatu saluran lebar dengan kemiringan dasar tertentu yang kondisi awalnya kosong. Saluran diberi debit dari hulu. Komparasi dilakukan dengan metode routing kimematik. Hasil pemodelan menunjukkan komparasi yang baik. Akan tetapi volume keluar yang lebih sedikit dibandingkan volume saat masuk. Pada kasus banjir akibat hujan, model disimulasikan untuk kasus hujan pada lahan dengan saluran di tengahnya. Kemiringan lahan dan saluran diatur sehingga air hanya dapat mengalir keluar dari sungai. Hidrograf di titik keluar sungai memberikan komparasi yang baik dengan perhitungan hidrograf sintetik metode Nakayasu maupun Rasional. Pemodelan pada banjir dari suatu daerah perkotaan akibat banjir dari hulu, hujan dan gabungan keduanya memberikan pola aliran yang umum diketahui. Sebagai studi kasus, model disimulasikan pada DAS Batang Kuranji, Padang. DAS ini dipilih karena data yang tersedia cukup lengkap, sehingga model dapat diverifikasi. Aliran permukaan yang terjadi diakibatkan oleh hujan saja. Hujan
ii
diberikan sesuai dengan data pengukuran curah hujan dan hasil model dibandingkan dengan data debit pengukuran yang terjadi akibat hujan tersebut. Hidrograf di outlet sungai menunjukkan komparasi yang baik dengan pengukuran debit di lapangan.
Kata kunci: model, banjir, hidrograf, hujan
iii
ABSTRACT TWO-DIMENSIONAL FLOOD MODELLING IN URBAN AREAS By Mohammad Farid NIM : 25005035
Urban flood has different characteristic with flood in nature. The basic process in nature involved rain, where the rainfall run off will flow gravitationally or infiltrated. Urban area land cover is mainly buildings, concretes or roads which can not be penetrated by water. In result, the infiltration value in urban area will be very small. Deforestation also caused the transpiration value small. Evaporation alone does not have a significant effect. In the case of urban area, it can be concluded that the infiltration, evaporation and transpiration would be insignificant. Basically, water from precipitation will flow in drainage to the main river. The topography condition of the urban area is also engineered so that the overland flow will gravitationally flow to channel. However, there are times when the channel capacity is less than the discharge load from the precipitation. This condition leads to flood. In several cities, which are crossed by river, the water from the river flooded the city occasionally due to the large discharge from the upper catchment. Flooding cases in urban area have several problems which require further research. The flow direction is not entirely depending on the topography due to buildings which blocks the flow. Buildings model a challenge in modeling urban flood. The model is developed using the full dynamic 2D St.Venant equation which is solved using Mac Cormack scheme. The flow is affected by the land cover and topography. The flood in the model can be caused by both, precipitation or upper cathcment discharge. The precipitation is added in the continuity equation as lateral discharge. Upper cathment discharge is added as boundary condition in the river nodes. Building is modeled as topography (building elevation) and giving
iv
large manning coefficient (0.1). The method is chosen to accommodate the precipitation on the roof of the building. The wet dry condition in the model is done by determining certain minimum flow depth. Model simulation for flood due to dam break with a building located at the front of the dam gives good comparison with experimental data. The 2 dimensional depth averaged model limitation caused the initial condition of water elevation upstream and downstream of the dam to be simplified. The building lay out is not perpendicular to the dam. This caused the model tends to be instable compare to other numerical model with finite volume method. The model is tested with cases for flood due to upper catchment discharge. A very wide channel with certain slope and given dry initial condition is modeled. The up stream is given inflow hydrograph. The model is compared with commonly known kinematic wave routing. The result shows good comparison. However, the outflow volume is somewhat smaller then the inflow volume. In the case of flood due to precipitation, the model is used to simulate rainfall on a small rectangular cathcment with channel in the middle of it. The result is compared with well known synthetically hydrographs, Rational and Nakayasu. The model result shows good comparison with the synthetically hydrographs. Urban flood modeling due to precipitation, upper cathcment discharge and both, shown commonly known pattern. The model is implemented for Batang Kuranji River Basin, Padang. This basin is chosen due to the data availability for verification purpose. The overland flow is generated by precipitation only. The precipitation is chosen from measurement data. The model result is compared to the measurement discharge at the basin outlet for the corresponding precipitation occurrence. The discharge measurement and model result shows good comparison.
Keyword: model, flood, hydrograph, precipitation
v
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
vi
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT atas rahmat dan karunia yang telah dilimpahkan sehingga dapat menyelesaikan pengerjaan tesis ini yang berjudul ”Pemodelan Dua Dimensi Aliran Banjir pada Daerah Perkotaan”. Tesis ini adalah karya tulis yang merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung.
Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah membantu dalam penyelesaian tesis ini, yaitu: 1.
Dr. Ir. M. Syahril B. K., selaku pembimbing atas segala bimbingan, arahan, dan kesempatan yang telah diberikan selama ini.
2.
Dr. Ir. Agung W., M.Eng., Dr. Ir. Iwan K., dan Joko Nugroho, ST., MT., Ph.D., selaku penguji atas masukan dan saran untuk tesis ini.
3.
Dr.Ir. Ilyas Suratman, selaku Sekretaris Program Magister Teknik Sipil, yang telah membantu kelancaran tesis ini.
4.
Orangtua dan keluarga penulis, yang telah memberikan banyak dukungan.
5.
M. Bagus A., rekan seperjuangan penulis, atas bantuan dan kerjasama selama ini.
6.
Arno A.K. dan Hendra Darmawan atas masukannya untuk tesis ini dan pengetahuan yang telah diberikan selama ini.
7.
Rekan-rekan dan pegawai-pegawai Laboratorium Uji Model Fisik Hidraulik dan Pusat Informasi Kelautan.
8.
Semua pihak yang telah membantu yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi pihak-pihak yang membutuhkan dan pembaca.
Bandung,
Juni 2007
Mohammad Farid
vii
DAFTAR
ISI
ABSTRAK .............................................................................................................. i ABSTRACT .......................................................................................................... iv PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS ................................................................. vi KATA PENGANTAR......................................................................................... vii DAFTAR ISI....................................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR............................................................................................ xi DAFTAR TABEL .............................................................................................. xiii DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG .................................................... xiv
BAB I.
PENDAHULUAN ...............................................................................I-1
I.1
Latar Belakang............................................................................................. I-1
I.2
Maksud dan Tujuan ..................................................................................... I-3
I.3
Ruang Lingkup ............................................................................................ I-4
I.4
Metodologi................................................................................................... I-4
I.5
Sistematika Penulisan .................................................................................. I-6
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ................................................................... II-1 II.1 Banjir di Perkotaan .....................................................................................II-1 II.2 Banjir Akibat Hujan....................................................................................II-3 II.2.1 Curah Hujan....................................................................................II-4 II.2.2 Intensitas Hujan ..............................................................................II-5 II.3 Banjir Akibat Debit dari Hulu (Upper Catchment) ....................................II-6 II.3.1 Kurva Hidrograf Aliran ..................................................................II-6 II.3.2 Hidrograf Sintetik Metoda Rasional ...............................................II-7 II.3.3 Hidrograf Sintetik Metoda Nakayasu .............................................II-9
viii
II.4 Persamaan Pengatur..................................................................................II-12 II.4.1 Persamaan Kontinuitas (Hukum Kekekalan Massa) ....................II-12 II.4.2 Persamaan Momentum (Hukum Kekekalan Momentum) ............II-13
BAB III. DESKRIPSI MODEL......................................................................III-1 III.1 Konsep dan Pendekatan............................................................................ III-1 III.2 Data Spasial .............................................................................................. III-4 III.2.1 Digital Elevation Model................................................................ III-4 III.2.2 Identifikasi Lahan ......................................................................... III-8 III.3 Model Spasial ........................................................................................... III-9 III.4 Persamaan Pengatur................................................................................ III-10 III.5 Penyelesaian Numerik ............................................................................ III-11 III.5.1 Pengepingan Mac Cormack ........................................................ III-11 III.5.2 Syarat Batas ................................................................................ III-15 III.5.3 Kondisi Wet/Dry......................................................................... III-16
BAB IV. HASIL DAN ANALISIS .................................................................IV-1 IV.1 Simulasi Banjir Akibat Dam Break .......................................................... IV-1 IV.1.1 Skenario ........................................................................................ IV-1 IV.1.2 Hasil dan Analisis ......................................................................... IV-3 IV.2 Simulasi Aliran Permukaan Akibat Hujan Pada Suatu Lahan ................. IV-5 IV.2.1 Perbandingan dengan Hidrograf Sintetik...................................... IV-5 IV.2.2 Perbandingan Volume Genangan Hasil Model dengan Volume Genangan dari Hidrograf Sintetik................................................. IV-8 IV.3 Simulasi Rambatan Banjir Akibat Debit dari Hulu Pada Saluran TerbukaIV-13 IV.3.1 Skenario ...................................................................................... IV-13 IV.3.2 Hasil dan Analisis ....................................................................... IV-14 IV.4 Simulasi Banjir di Perkotaan .................................................................. IV-15
ix
IV.4.1 Banjir Akibat Hujan.................................................................... IV-17 IV.4.2 Banjir Akibat Debit dari Hulu .................................................... IV-25 IV.4.3 Banjir Akibat Hujan dan Debit dari Hulu................................... IV-32 IV.5 Simulasi Aliran Permukaan Akibat Hujan pada DAS Batang Kuranji, Padang .................................................................................................... IV-40 IV.5.1 Skenario ...................................................................................... IV-41 IV.5.2 Hasil dan Analisis ....................................................................... IV-43
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN......................................................... V-1 V.1 Kesimpulan ................................................................................................ V-1 V.2 Saran .......................................................................................................... V-2
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar I.1
Ilustrasi aliran pada DAS alam dan perkotaan .............................. I-3
Gambar I.2
Bagan alir metodologi pelaksanaan penelitian .............................. I-5
Gambar II.1
Siklus hidrologi (Kusuma, M. S. B., 2005) ..................................II-1
Gambar II.2
Siklus hidrologi pada urban area ..................................................II-2
Gambar II.3
Kurva IDF.....................................................................................II-5
Gambar II.4
Hidrograf ......................................................................................II-6
Gambar II.5
Hidrograf sintetik Nakayasu.......................................................II-11
Gambar II.6
Ruang tilik ..................................................................................II-12
Gambar II.7
Titik kontrol................................................................................II-13
Gambar III.1 Model bangunan ......................................................................... III-2 Gambar III.2 Bagan alir pemodelan ................................................................. III-3 Gambar III.3 Peta elevasi kontur lahan ............................................................ III-4 Gambar III.4 Peta elevasi kontur lahan dalam format shp ............................... III-5 Gambar III.5 Titik-titik grid pada peta............................................................. III-6 Gambar III.6 Layer elevasi lahan dan dasar saluran ........................................ III-7 Gambar III.7 Layer elevasi lahan dan muka air ............................................... III-7 Gambar III.8 Kondisi kedalaman ..................................................................... III-8 Gambar III.9 Skema MacCormack ................................................................ III-11 Gambar III.10 Metode cermin.......................................................................... III-15 Gambar III.11 Kondisi wet/dry ........................................................................ III-16 Gambar IV.1 Model setup untuk kalibrasi ....................................................... IV-1 Gambar IV.2 Bentuk grid studi terdahulu ........................................................ IV-2 Gambar IV.3 Model bangunan dengan metoda finite difference ..................... IV-2 Gambar IV.4 Hasil kalibrasi di titik-titik kontrol ............................................. IV-4 Gambar IV.5 Model setup untuk perbandingan dengan metoda empirik......... IV-6 Gambar IV.6 Perbandingan hidrograf hasil model dan Nakayasu ................... IV-8 Gambar IV.7 Titik-titik grid ............................................................................. IV-9 Gambar IV.8 Potongan AA ............................................................................ IV-10 Gambar IV.9 Potongan BB............................................................................. IV-10 Gambar IV.10 Model setup perbandingan volume genangan .......................... IV-11
xi
Gambar IV.11 Hasil hidrograf untuk perbandingan volume genangan............ IV-12 Gambar IV.12 Perbandingan dengan kinematic wave ..................................... IV-14 Gambar IV.13 Error perhitungan metoda kinematic ........................................ IV-15 Gambar IV.14 Kontur artificial daerah perkotaan............................................ IV-16 Gambar IV.15 Syarat batas hujan..................................................................... IV-17 Gambar IV.16 Kontur air skenario 1 ................................................................ IV-20 Gambar IV.17 Vektor kecepatan skenario 1 .................................................... IV-22 Gambar IV.18 Visual skenario 1 ...................................................................... IV-25 Gambar IV.19 Syarat batas input dari hulu ...................................................... IV-26 Gambar IV.20 Kontur air skenario 2 ................................................................ IV-28 Gambar IV.21 Vektor kecepatan skenario 2 .................................................... IV-30 Gambar IV.22 Visual skenario 2 ...................................................................... IV-32 Gambar IV.23 Kontur air skenario 3 ................................................................ IV-35 Gambar IV.24 Vektor kecepatan skenario 3 .................................................... IV-37 Gambar IV.25 Visual skenario 3 ...................................................................... IV-40 Gambar IV.26 Lokasi Studi Kasus ................................................................... IV-41 Gambar IV.27 Visualisasi 3D DAS Batang Kuranji ........................................ IV-41 Gambar IV.28 Syarat batas DAS Batang Kuranji ............................................ IV-42 Gambar IV.29 Hidrograf DAS Batang Kuranji................................................ IV-43
xii
DAFTAR TABEL
Tabel II.1
Koefisien runoff............................................................................II-8
Tabel II.2
Koefisien Manning dari beberapa bahan ground cover................II-9
Tabel III.1
Layer elevasi lahan dan dasar saluran ........................................ III-7
Tabel III.2
Layer elevasi lahan dan muka air ............................................... III-7
Tabel III.3
Kondisi kedalaman ..................................................................... III-8
Tabel III.4
Identifikasi lahan ........................................................................ III-9
Tabel IV.1
Perhitungan hidrograf Nakayasu ................................................ IV-7
Tabel IV.2
Tinggi genangan dan elevasi dasar............................................. IV-9
xiii
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG
SINGKATAN GIS
Geographic Information System
DAS
Daerah Aliran Sungai
RT
Ruang Tilik
DEM
Digital Elevation Model
LAMBANG R
Curah hujan
I
Intensitas hujan
t
Waktu hujan
tp
Waktu puncak
tc
Waktu konsentrasi
n
Jumlah stasiun pengamat hujan
Q
Debit aliran
Qp
Debit puncak
c
Koefisien pengaliran
A
Luas catchment area
u
Kecepatan arah x
v
Kecepatan arah y
h
Kedalaman air
P
Gaya akibat tekanan air
Pb
Gaya tekan akibat kemiringan dasar
M
flux momentum
F
Gaya normal/geser
Fb
Gaya friksi dasar
Sox
Kemiringan saluran arah x
Soy
Kemiringan saluran arah y
Sfx
Kemiringan energi arah x
Sfy
Kemiringan energi arah y
z
Elevasi
xiv
g
Gaya gravitasi
R
Jari-jari hidraulik
A
Luas basah penampang saluran
P
Keliling basah penampang saluran
n
Koefisien kekasaran Manning
Q
Debit
xv
