55
MODEL PERGERAKAN AIR PADA STRIP OLAH TANAH TERBATAS BERIRIGASI BAWAH PERMUKAAN
Pendahuluan Pergerakan air ke atas dari aliran air dalam tanah (irigasi bawah permukaan) merupakan fenomena yang menarik untuk dipelajari lebih lanjut. Pergerakan air dapat terjadi oleh aliran air dalam tanah sebagai proses irigasi bawah permukaan yang diharapkan dapat membasahi ruang olah tanah dan memenuhi kebutuhan air tanaman. Air irigasi bawah permukaan masuk ke dalam profil tanah dan bergerak ke daerah perakaran melalui pergerakan kapiler. Penggunaan instalasi pada sistem irigasi bawah permukaan akan memiliki dua fungsi, yaitu sebagai pensuplai air di saat air tanah kering dan sebagai drainase di saat air tanah berlebih. Sistem irigasi bawah permukaan relatif lebih murah dari segi biaya (Hakim et al. 1986). Lapisan tanah liat biasanya memiliki permeabilitas lambat dan subsoil dangkal yang membatasi pertumbuhan akar serta mengurangi produksi. Perlu penambahan air irigasi yang optimum untuk pertumbuhan tanaman yaitu dengan penambahan sistem irigasi dalam bentuk saluran sub-surface dengan jarak tertentu dibawah drainase permukaan (Mostaghimi dan Mcmahon 1989). Pengolahan tanah terbatas dapat menjadikan perawatan ringan dan mudah serta tanah dapat dialiri air bagi pertumbuhan akar. Pengaturan irigasi bawah permukaan memiliki target mencapai agregat-agregat tanah yang stabil. Stabilitas agregat tanah dapat diperbaiki dengan cara penambahan bahan organik pada tanah hasil olahan. Hardjowigeno (1986), mengukapkan bahwa jumlah air tanah yang bermanfaat untuk tanaman mempunyai batas-batas tertentu. Keadaan kelebihan air atau kekurangan air dapat mengganggu pertumbuhan tanaman. Strelkoff et al. (2004), menyatakan bahwa pemecahan persamaan dari hidrolika yang unsteady-flow dalam suatu aliran irigasi didekati dengan rumusan infiltrasi atau upfiltrasi yang telah ada dan parameter resistansi aliran (flow resistance) serta (uji coba rancangan) suatu geometri saluran dan masuknya air. Analisa tersebut hanya merupakan pembuktian prediksi kinerja sebagai akurasi suatu input data.
56
Pada media berporus seperti tanah, air akan mengalir apabila terdapat gradien potensial. Fluks aliran pada media porus jenuh telah ditemukan oleh Darcy (Bear and Verruijt, 1987; Miyazaki et al. 1993) q = −K
q H
∂H ∂S
: fluks aliran (cm/dt) : ketnggian hidrolika (cm)
K S
/26/ : konduktivitas hidrolika jenuh (cm/dt) : arah aliran ke sumbu x,y, dan z (cm)
Suatu aliran satu dimensi persamaan (1) dapat ditulis sebagai : q = −K
∂H ∂x
/27/ Hukum konservasi massa yang dinyatakan sebagai persamaan kontinyuitas dapat ditulis sebagai : ∂θ ∂q = − ∂t ∂x
θ adalah kadar air volumetrik, cm³/cm³.
/28/
Persamaan (2) dan (3) digabungkan menghasilkan persamaan satu dimensi ke arah horisontal : ∂θ ∂ ∂H = K ∂t ∂x ∂x
/29/
Arah vertikal persamaan–persamaan 4 ditambah dengan K menjadi : ∂θ ∂ ∂H = −K K ∂t ∂x ∂x
/30/ Persamaan Darcy di atas mempunyai keterbatasan atau akan menjadi kurang valid apabiterjadi kondisi sebagai berikut (Hillel, 1980) : 1.
Gradien hidrolika terlalu kecil pada keadaan tidak jenuh, sehingga q ≈ 0 atauq tidak lagi merupakan fungsi garis lurus terhadap gradien hidrolika.
2.
Kecepatan aliran air tinggi sehingga aliran bukan merupakan aliran linier. Persamaan 1 juga tidak langsung berlaku pada keadaan aliran tak jenuh, untuk
mengatasi hal itu persamaan Darcy telah dimodifikasi oleh Richard menjadi persamaan aliran air tak jenuh (Koorevaar, 1983) sebagai berikut : q = − K (θ )
∂H ∂S
/31/
K (θ ) : konduktivitas hidrolika tidak jenuh yang merupakan fungsi kadar air volume tanah (cm³/cm³) θ
: kadar air media porus basis volume (cm³/cm³)
57
Konduktivitas hidrolika tanah tak jenuh sebagai fungsi kadar air volumetrik dinyatakan sebagai persamaan eksponensial yang dikembangkan oleh Setiawan dan Nakano (1993) sebagai berikut : K (θ ) = K
s
. Exp ( − a ( θ
s
− θ )b
/32/
Kθ
: konduktivitas hidrolika tak jenuh sebagai fungsi θ (cm/s)
Ks
: konduktivitas hidrolika jenuh (cm³/cm³)
θs
: kadar air volumetrik jenuh (cm³/cm³)
θ
: kadar air volumetrik tanah (cm³/cm³)
a dan b: koefisien persamaan Miyazaki et al.(1993) dan Koorevar et al. (1983) menyatakan ketinggian hidrolika (H) pada kondisi jenuh dapat didefinisikan sebagai : H =h+z
/33/
Kondisi tidak jenuh adalah :
H =Ψ+z
/34/
H
: presure head (cm H2O)
Ψ
: matric head (cm H2O)
z
: potensial gravitasi (cm), z positif ke arah permukaan tanah. Sifat retensi tanah atau Ψ sebagai fungsi dari θ dapat digunakan persamaan
yang dikemukakan oleh Van Genuchten (1980) yang telah dimodifikasi oleh Setiawan (1992) menjadi θ =θr +
θs −θr abs (ψ − h max 1 + α
) n
m
/35/ Aliran air pada tanah liat didominasi oleh aliran pori makro. Hukum Darcy menggambarkan aliran air pada pori kecil (micropores), namun dalam aplikasinya pergerakan air memerlukan pori-pori makro karena sifat grafitasinya merupakan gaya pengendali utama. Aliran air tanah pada tanah jenuh dan tidak jenuh dapat terjadi akibat adanya gaya pergerakan air (driving force). Driving force terjadi akibat dari perbedaan potensial pada tanah yang dipengaruhi oleh celah pori-pori tanah dalam proses aliran air. Proses aliran air tanah pada keadaan tidak jenuh umumnya sangat kompleks dan sulit dipecahkan secara analitik. Kesulitan pemecahan analisis
58
karena perubahan-perubahan dalam bentuk dan jumlah kadar air selama aliran. Perubahan-perubahan tersebut mencakup hubungan yang kompleks diantara variabel-variabel kadar air, hisapan matrik konduktivitas dan adanya fenomena histerisis (Hillel 1980) . Nilai konduktivitas hidrolika tanah tidak selalu tetap, tetapi menurun sesuai dengan penurunan kadar air atau sebanding dengan penurunan hisapan matrik air tanah (Yong dan Warkentin 1966). Peristiwa histerisis dalam beberapa kasus berhubungan dengan konduktivitas hidrolika pada kadar air tertentu K(θ) dapat diabaikan. Fenomena pembasahan dan pengeringan menunjukan perbedaan antara hubungan konduktivitas hidrolika dengan kadar air volumetrik dan dan hisapan matrik (Jansen 1980). Hubungan antara konduktivitas hidrolika dengan hisapan matrik dipengaruhi oleh tekstur tanah. Tanah yang bertektur lebih kasar (pasir) pada keadaan jenuh akan mempunyai konduktivitas yang tinggi dibandingkan dengan tanah bertekstur halus (liat). Konduktivitas tidak jenuh pada tekstur kasar menurun lebih cepat, bahkan menjadi lebih rendah dengan meningkatnya hisapan matrik (Hillel 1980). Pada media berporus proses transport aliran air sebagian besar terjadi oleh berbagai proses antara lain difusi, dispersi dan adsorpsi. Parametrer-parameter hidrolika tanah berupa karakteristik hisapan matrix dan sifat-sifat permeabilitas serta parameter-parameter transport larutan merupakan variable input yang sangat penting dalam pembuatan suatu model. Pachepsky et al. (2003) menyatakan persamaan Richard merupakan persamaan yang paling sering digunakan dalam pembuatan model aliran air. Persamaan tersebut telah diperkenalkan oleh Richads (1931) dalam usaha pembuktian dari hukum Darcy dalam menurunkan persamaan untuk kondisi aliran jenuh pada media berporus. Persamaan tersebut juga dapat diaplikasikan pada kondisi aliran tidak jenuh pada media berporus. Persamaan satu dimensi untuk kolom tanah horizontal dapat ditampilkan dalam suatu sistem yang sederhana guna memprediksi validitas dari persamaan Richards. Perubahan kadar air saat infiltrasi dalam suatu kolom tanah yang horizontal dengan kondisi awal kandungan air yang seragam (Gambar 25).
59
Gambar 25 Penggalan dari pengamatan kandungan air dalam suatu eksperimen terhadap fenomena infiltrasi pada kolom tanah horizontal (Pachepsky et al. 2003) Jarak dan waktu pada nilai kadar air yang sama mengukuti persamaan: B.D A
=
B.D E
=
F
B.D G
atau secara umum x = At0.5
= …,
/
36/
Kelipatan nilai A tergantung pada perubahan kadar air. Ro¨mkens dan Prasad (2006), menyatakan bahwa absorpsi horizontal pada retakan diasumsikan sesuai gambaran yang di sampaikan oleh persamaan Richards dalam bentuk: ∂θ ∂ ∂θ = ( D (θ ) ) ∂x ∂x ∂t
/37/
kondisi subjek: x = 0
t > 0
t = 0
θ = 0
θ = θs
D
∂θ = finite ∂x
x > 0
/38/ θ merupakan pengurangan kandungan air θ = (θs-θr)/(θs-θr), θr residu kandungan, θs kandungan air pada keadaan jenuh, D fungsi difusifitas, t dan x adalah waktu dan koordinat ruang. Persamaan Richard diatas berpengaruh atau menentukan pada aliran air dalam medium rigid dengan (x,t) merupakan suatu sistem koordinat perbaikan. Chang et al. (1997) menyatakan bahwa rumus umum dari bentuk model satu dimensi aliran air vertikal dalam suatu zone tak jenuh adalah ∂θ w ∂ ∂h − K w ( w − 1) + Sw = 0 ∂t ∂z ∂z /39/ hw = pressure head pada tanah berhubungan pada θw yang digunakan dalam kurva karakteristik kelembaban tanah, t = waktu, z = kedalaman tanah dan Kw = konduktivitas hidrolik tak jenuh.
60
Jitrapinate et al. (2006) membuat penghitungan kapilaritas berdasarkan persamaan Richard dapat dimulai dari suatu fungsi konduktivitas hidrolik sebagai fungsi kadar air (K(θ)) dan menggunakan kurva retensi air (water retention) θ(h). Metode pengukuran dan perhitungan (K(θ)) dan θ(h). Perhitungan selanjutnya menggunakan perhitungan kapilaritas teori Philip terhadap satu tipe tanah untuk mendapatkan parameter yang cocok (Miyazaki et al. 1993). Persamaan Richard untuk aliran tidak jenuh dalam arah horizontal pada kolom tanah dapat dituliskan sebagai berikut: ∂h p ∂θ ∂ = K (θ )( ) ∂t ∂x ∂x
/40/
θ adalah volume kadar air tanah, K(θ) adalah konduktivitas hidrolik, hp adalah pressure head, t adalah waktu dan x adalah jarak horizontal. Persamaan tersebut merupakan persamaan turunan parsial non linear sehingga dalam pemecahannya persamaan tersebut menggunakan persamaan transformasi Boltzmann (Hillel, 1998):
B = xt −1 / 2
/41/
Aliran tidak jenuh pada arah horizontal pada kolom tanah menjadi sebagai berikut: x = B (θ )t 1 / 2
/42/
B adalah fungsi dari θ. Infiltrasi kearah atas dalam kolom tanah yang sama menjadi lebih lambat dari aliran horizontal dan ketidaksesuaian harus divariasikan dengan waktu (Miyazaki et al. 1993). Wei and Dewoolkar (2006) mengatakan bahwa kurva karakteristik retensi kadar air menunjukkan fenomena hubungan antara tekanan kapilaritas (matric suction) dan kadar air merupakan hal yang penting dan mendasar dalam suatu analisis air dan transport larutan pada vadose zone. Aliran air di dalam tanah ditentukan oleh berbagai fenomena yang berhubungan dengan potensi-potensi permukaan antara padatan-padatan dan zat cair secara alami. Fenomena tersebut yang dipertimbangkan paling dominan adalah kapilaritas, gravitasi, dan potensial osmotik. Gravitasi dan potensial osmotik pada tanah tidak jenuh dan jenuh memiliki arti penting, tetapi potensial kapilaritas menjadi lebih penting ketika kondisi tanah tidak jenuh. (Yong et al. 1992). Sun et al. (2002), melakukan suatu penurunan suatu model matematika untuk menggambarkan transport dengan fase partisi secara reaksi berurutan di dalam zona vados dengan
61
kecepatan arus yang tetap. Lessoff dan Indelman (2004) membangun model analitis dari aliran air dan transport air pada aplikasi intermiten dalam suatu kolom yang homogen. Penurunan rumus dengan solusi analitis eksak untuk persamaan gravitasi aliran selama siklus infiltrasi–redistribusi. Sander dan Braddock (2005), membuat suatu jangkauan solusi-solusi analitis dari suatu larutan dikombinasikan dengan transport larutan untuk aliran horisontal. Ahmad et al. (1993) menyatakan bahwa berdasarkan pertimbangan secara parsial suatu sistim penetrasi parit ditunjukkan pada bagan yang simetrik (Gambar 26), dalam gambar tersebut tampak menyisakan separuh aliran air.
Gambar 26 Skematik drinase pada parit (Ahmad et al. 1993) Raes and Deproost (2003), menyatakan kondisi muka air tanah yang dangkal, dimana pergerakan air ke atas diakibatkan kenaikan kapiler dari suatu air tanah ke zone perakaran merupakan suatu rambatan aliran air yang sangat diperlukan tanaman dibawah batas zone perakaran. Hasil publikasi penelitiannya membuat simulasi dari model pergerakan air dengan kondsi tinggi muka air dangkal pada suatu tampilan menu terdiri dari toolbar lembar kerja (Gambar 27). Pengguna dapat menetapkan lahan-lahan khusus atau spesifik lokasi sebagai validasi suatu lingkungan selama jangka waktu tertentu. Program langsung menampilkan fenomena kenaikan kapiler yang diharapkan, dalam hal ini keadaan yang stedy state diasumsikan dengan perhitungan-perhitungan terhadap lama waktu (jangka pendek atau jangka panjang). Gambar 28.a lebih menunjukkan bahwa pembentukan kurva kenaikan kapiler merupakan pengaruh tekstur tanah, tetapi pada Gambar 19.b fenomena kurva kenaikan kapiler terjadi akibat adanya evapotranspirasi dan ekstraksi air oleh akar tanaman.
62
Gambar 27 Input (angka dilingkar) dan output (angka yang dikotak) keadaan dilapangan pada tampilan dalam menu utama dari toolbar lembar kerja (Raes and Deproost 2003)
a)
b)
Gambar 28 a) Indikasi nilai untuk kenaikan kapiler pada suatu permukaan tanah tanpa tanaman terhadap bermacam tipe tanah dan kedalaman air tanah, b) indikasi nilai (kurva garis-garis) kenaikan kapiler pada suatu zona perakaran terhadap bermacam tipe tanah dan kedalaman air tanah (Raes and Deproost, 2003) Pergerakan air ke atas dari aliran air dalam tanah (irigasi bawah permukaan) merupakan fenomena yang menarik untuk dipelajari lebih lanjut. Pergerakan air dapat terjadi oleh aliran air dalam tanah sebagai proses irigasi bawah permukaan yang diharapkan dapat membasahi ruang olah tanah dan memenuhi kebutuhan air tanaman. Tujuan pembuatan model pergerakan sebaran kadar air pada strip olahan tanah adalah mendapatkan pendekatan konsep untuk kuantifikasi jumlah air dalam
63
tanah, mempelajari pola pergerakan kadar air, menganalisis pola pergerakan terhadap potensi pembasahan pada zona perakaran, serta dapat menjelaskan proses
pergerakaan air terhadap aspek positif dan negatif terhadap terhadap pengembangan konsep
Bahan dan Metode
Pembuatan model pergerakan kadar air pada strip olahan tanah di lakukan di rumah. Alat yang digunakan dalam pembuatan model pergerakan kadar air pada strip olahan tanah adalah laptop dengan microsoft office excel visual basic editor serta
software surfer ver. 8 yang digunakan dalam pembuatan kontur. Diagram alir pembuatan model pergerakan kadar air seperti pada Gambar 29. Pembangunan konsep simulasi pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan menggunakan konsep untuk kuantifikasi jumlah air dalam tanah, yang terdiri dari 2 pendekatan yaitu volumetric water content, θ
(volume air) dan besaran hisapan matriks (matrix suction (cm)) atau pressure head, h (-cm). Selanjutnya data hasil pengolahan program simulasi dikonversi ke bentuk kontur setelah diolah menggunakan software Surfer menjadikan tampilan lebih mudah dipelajari pola pergerakan yang terjadi. Tahap awal pembuatan model adalah mempelajari konsep persamaan model
gerakan air dalam suatu sistem didasarkan pada persamaan keseimbangan massa air: Laju perubahan massa air dalam sistem
Secara
=
sederhana
Laju massa air yang masuk
sietem
tersebut
-
Laju massa air yang keluar
dapat
diterangkan
/43/ berdasarkan
keseimbangan massa air dalam suatu model tangki pada Gambar 30.
Mi
Mo Gambar 29. Ilustrasi keseimbangan massa air dalam model tangki
64
Suatu periode waktu tertentu, Mi menunjukan jumlah massa air yang masuk, Mo jumlah air yang keluar, ∆M perubahan massa air dalam sistem dan h tinggi air yang merupakan fungsi, waktu (t). Dengan demikian berdasarkan persamaan 43 laju perubahan massa air terjadi adalah
dM d ( ρhA) dMi dMo = = − dt dt dt dt
/44/
Suatu luasan A (cm2) menyatakan bahwa air bersifat tidak termapatkan , maka kerapatan air ρ (gr/cm3) dan A adalah konstan, sehingga persamaan 44 dapat ditulis: ρA
dh dMi dMo = − dt dt dt
/45/
mempunyai permukaan datar dan zone tillage berbentuk persegi (U) Persamaan keseimbangan air dapat dinyatakan dalam dimensi satuan panjang/waktu, yaitu dengan membagi persamaan 45 dengan ρ A , sehingga diperoleh:
atau
dh dMi dMo = − dt ρ Adt ρ Adt
/46/
∆S = I − O
/47/
(I) menunjukkan laju air yang masuk kedalam sistem (cm/liter), (O) laju air yang keluar dari sistem (cm/menit), ∆ S laju perubahan air dalam sistem selama waktu t (cm/menit). Sistem tersebut di lapangan adalah strip olahan tanah (Gambar 20 dan 21) dengan laju air yang meresap (I) dapat berupa air irigasi sedangkan laju air yang keluar (O) dapat berupa air drainase, air yang menguap melalui permukaan tanah (Ep), air yang mengalir ke samping atau kebawah (perembesan dan perkolasi) keluar dari daerah perakaran (P) dan sedangkan air yang mengalir keluar melalui permukaan tanah berupa air limpasan diasumsikan tidak ada. Dengan demikian untuk strip olahan tanah tanpa tanaman yang mempunyai permukaan datar dan mendapat air melalui zona olahan tanah bentuk U , keseimbangan airnya secara skematis disajikan pada gambar dibawah dan persamaan keseimbangan airnya tertera pada persamaan berikut: ∆ S = I − ( Ep + P )
/48/
Jika pada strip olahan tanah tersebut terdapat tanaman maka laju air yang keluar bertambah dengan air yang diserap oleh akar tanaman untuk transpirasi (Tr).
65
Dengan demikian untuk strip olahan tanah tanaman yang mempunyai permukaan datar dan mendapat air melalui strip olahan tanah dalam zona olahan, komponen keseimbangan airnya secara skematis dapat dilihat pada Gambar 22 dan 23, dengan persamaan keseimbangan airnya seperti tertera pada persamaan berikut: ∆ S = I − ( Ep + Tr + P )
/49/
Persamaan aliran air dalam strip olahan tanah: Pada model gerak air tanah dipergunakan dua rumus dasar yaitu rumus Darcy yang dimodifikasi Richard (1931,dalam Nielsen et al,1972) agar berlaku untuk kondisi tidak jenuh dan tidak mantap, serta rumus kontinuitas. Rumus Darcy yang telah dimodifikasi menunjukkan besarnya kecepatan aliran air dalam tanah dan secara lebih rinci dapat dinyatakan sebagai berikut: ∂φ ∂x ∂φ q y = − K y ( x , y , z ,ψ ) ∂y ∂φ q z = − K z ( x , y , z ,ψ ) ∂z q x = − K x ( x , y , z ,ψ )
/50/
Q menunjukkan laju aliran air (cm3/cm2-menit),K konduktivitas hidrolik (cm/menit),
ψ hisapan matriks tanah (cm), φ potensial total yang dinyatakan dalam ‘head ‘(cm), sedangkan x,y dan z adalah arah koordinat. Rumus kedua adalah rumus konservasi massa yang menyatakan bahwa massa dalam satu sistem tidak dapat diciptakan dan dinyatakan dengan persamaan kontinuitas: ∂(ρq x ) ∂(ρq y ) ∂(ρq z ) ∂ ( ρθ ) = − + + ∂t ∂y ∂z ∂x
/51/
ρ menyatakan kerapatan air (gr/cm3). Apabila q x , q y dan q z dalam persamaan 50 digunakan dalam persamaan 51 akan diperoleh persamaan: ∂ ( ρθ ) ∂ ∂φ ∂ ∂φ ∂ ∂φ ρK x ( x, y, z ,ψ ) + ρK y ( x, y, z ,ψ ) + ρK z ( x, y , z ,ψ ) = ∂t ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z
/52/
Persamaan 52 merupakan persamaan dasar yang digunakan dalam analisis gerak air tanah, dalam analisis gerak air tersebut digunkan asumsi-asumsi berikut: 1. Tanah homogen dan isotropik 2. Pengaruh histerisis diabaikan, karena analisis dilakukan dalam proses pembasahan saja. Proses pengeringan yang ada dianggap sangat kecil dibandingkan dengan proses pembasahan tersebut.
66
3. Gerakan air dalam strip olahan dianggap 2 dimensi arah y dan z 4. Pada strip olahan tanah bertanaman, penyebaran akar di dalam tanah adalah merata sesuai dengan ukuran dimensi strip olahan tanah.
Keadaan isotropik dan air tidak termapatkan, maka ρ dianggap konstan dan Kx=Ky=Kz=K(ψ ) atau K hanya merupakan fungsi dari hisapan matrik tanah (ψ ) sehingga persamaan 52 menjadi : ∂θ ∂ = ∂t ∂x
∂φ ∂ ∂φ ∂ ∂φ K (ψ ) ∂ x + ∂ y K (ψ ) ∂ y + ∂ z K (ψ ) ∂ z
Nilai K dapat menyatakan sebagai fungsi dari kandungan air tanah K
/53/ ( θ ).
Hubungan ψ dan θ terhadap K dipengaruhi oleh histerisis. Pengaruh histerisis terhadap hubungan ψ dengan K lebih besar bila dibandingkan dengan hubungan θ dengan K (Hillel 1971). Disamping itu selang perubahan θ lebih kecil dibandingkan dengan selang perubahan ψ , sehingga dalam perhitungan kadar air tanah,
penggunaan nilai K( θ ) akan lebih sederhana dan dalam kondisi ini di analisis satu peubah, yaitu kandungan air tanah ( θ ).
Apabila K dinyatakan sebagai fungsi θ maka persamaan 53 menjadi: ∂θ ∂ ∂φ = K (θ ) ∂t ∂ x ∂x
∂ ∂φ ∂ ∂φ + ∂ y K (θ ) ∂ y + ∂ z K (θ ) ∂ z
/54/
Persamaan 43 merupakan persamaan aliran untuk keadaan tidak jenuh dan tidak mantap pada suatu media berpori.
Gambar 30 Kesetimbangan air pada strip olahan tanah tanpa tanaman pada penampakan potongan melintang.
67
Gambar 31 Kesetimbangan air pada strip olahan tanah tanpa dan dengan tanaman pada penampakan potongan membujur.
Peranan suatu potensial merupakan pada potensi gravitasi dan potensial matriks tanah (dalam keadaan tidak jenuh) sehingga potensial totalnya adalah: φ =ψ − Z φ adalah potensial
/56/
total (cm), ψ potensial matriks tanah (cm) dan Z potensial
gravitasi (cm). Potensial dinyatakan dalam ‘head’, yaitu energi per satuan berat, sehingga mempunyai satuan panjang. Persamaan 56 menunjukkan bahwa arah z ke bawah adalah positif. Apabila persamaan 56 dimasukkan ke dalam persamaan 45 akan diperoleh persamaaan berikut: ∂θ ∂ = ∂t ∂x
∂ (ψ − Z ) ∂ ∂ (ψ − Z ) ∂ + K (θ ) + K (θ ) ∂x ∂y ∂y ∂z
∂ (ψ − Z ) K (θ ) ∂z
/57/
Gerakan air untuk arah horizontal tidak mengandung komponen gravitasi atau ∂Z = 0 . Subsitusi persamaan 57 menjadi: ∂x ∂θ ∂ ∂ (ψ ) ∂ ∂ (ψ ) ∂ ∂ (ψ ) ∂K (θ ) θ θ = K ( ) + K ( ) + K (θ ) − /58/ ∂t ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z ∂z
∂ψ ∂ψ ∂ψ , K (θ ) dan K (θ ) dalam persamaan 58 dapat ditulis ∂x ∂z ∂y dalam aturan rantai (chain rule) Komponen K (θ )
∂ψ ∂ψ ∂θ ∂ψ ∂ψ ∂θ , K (θ ) , = K (θ ) = K (θ ) ∂θ ∂x ∂θ ∂y ∂x ∂y ∂ψ ∂ψ ∂θ dan K (θ ) = K (θ ) ∂z ∂θ ∂z
K (θ )
/59/
68
Diffusitas air tanah didefenisikan sebagai berikut: D (θ ) = K (θ )
∂ψ ∂θ
/60/
Subsitusi persamaan tersebut dimasukkan ke dalam persamaan 59 akan diperoleh ∂ψ ∂θ ∂ψ ∂θ = D (θ ) , K (θ ) = D (θ ) ∂x ∂x ∂y ∂y ∂ψ ∂θ dan K (θ ) = D (θ ) ∂z ∂z
K (θ )
/61/
Subsitusi persamaan 51 dimasukan ke dalam persamaan 58 akan diperoleh ∂θ ∂ ∂ (θ ) ∂ ∂ (θ ) ∂ ∂ (θ ) = D (θ ) + D (θ ) + D (θ ) ∂t ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z
/62/
Kondisi awal dan kondisi batas pada strip olahan tanah: Penyelesaian persamaan 62 dilakukan secara numerik. Untuk itu diperlukan kondisi awal dan kondisi batas secara geometris. a. Kondisi awal Pada kondisi awal (t=0), kandungan air dalam strip olahan tanah adalah
t =0
z≥0 x≥0 y≥0
θ = θ o ( x, y , z )
/63/
b. Kondisi batas penampang melintang (x,z) b.1. Sepanjang permukaan tanah BE apabila evaporasi potensial (Ep) lebih besar dari laju aliran air yang keluar (q1), maka air yang keluar melalui permukaan tanah adalah q1 t > 0,
z = 0;
x≥0
E p > q1
/64/
∂θ BE : q 1 = − D (θ ) − K (θ ) ∂ z
b.2. Sepanjang permukaan tanah BE apabila evaporasi potensial (Ep) sama atau lebih kecil dari laju aliran air yang ke permukaan tanah (q1), maka air yang keluar sama dengan Ep: t > 0,
z = 0; x ≥ 0
E p < q1
BE : E p = dari data iklim
/65/
b.3. Sepanjang perbatasan AB dan CD terjadi laju aliran sebesar q3 kedalam strip olahan tanah dengan arah dua dimensi kearah horizontal dan vertikal. t > 0,
∂θ ∂θ AB & CD : q 3 = D (θ ) + D (θ ) + K (θ ) ∂x ∂z
/66/
69
b.4. Permukaan AF dan DE akan terjadi laju aliran air kedalam zone tillage dengan arah dua dimensi, kearah horizontal dan vertikal. Pada kondisi perbatasan ini , karena merupakan daerah penggenangan air, maka: t > 0, θ = θ s ;
∂θ ∂θ AF & DE : Cap . = D (θ ) + D (θ ) + K (θ ) ∂x ∂z
Tanda postif pada persamaan
/67/
adalah sebagai petunjuk bahwa air akan
masuk ke dalam sistem (strip olahan tanah). b.5. Pengkondisian dasar strip olahan tanah (z=zb) kandungan air tanahnya dianggap sama dengan kandungan air pada waktu t sebelumnya (tanah tak terolah kondisinya padat atau kedap), maka akan terjadi laju aliran air ke searah strip olahan tanah (searah sumbu y = q4). t > 0,
∂θ y = q 4 , z = z b ; θ ( t +1) > θ t : q 4 = D (θ ) + K (θ ) ∂ z
/68/
c. Kondisi batas penampang membujur (y,z) Kondisi
batas
sama
halnya
dengan
penampang
melintang
dengan
menyesuaikan titik-titik pembatasan dari penampang membujur tersebut dan arah sumbu koordinat aliran pergerakan air (searah sumbu y)
Pergerakan sebaran kadar air pada kondisi tidak jenuh: Boundary condition untuk perhitungan persamaan pergerakan air ditunjukkan pada Gambar 33. q(y,z=0)=E-R
q(y=0,z)=0 q(y=L,z) (kontur freatik pergerakan sebaran air)
h(y=0,z)=h (pintu air) q(y, z=T)0 Gambar 32 Skema boundary condition untuk pergerakan air dalam parit olahan tanah
70
Input data sifat fisik tanah dari hasil analisis konduktivitas hidrolik horisontal
Desain tampilan pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan
Penyelesaian sistem linier yang terbentuk (matrik tridiagonal) diselesaikan dengan Thomas Algorithm
Konsep difusivitas, konduktivitas hidraulik, preasure head dan kadar air tanah
Function Van Gnuchten Persamaan van Genuchten θ ( h ) = θr +
Function Mualem
(
K ( Se ) = K s ⋅ S e λ ⋅ 1 − 1 − S e1/ m
θs − θr
(1 + α h )
)
m 2
n m
Function soil water content ∂θ ∂ D (θ ) ∂y ∂θ = ∂t ∂y
∂θ − K (h) ∂ D (θ ) ∂z + ±S h ( ∂z
Konsep kesetimbangan massa
Function massbalance 1
Function massbalance 2
∂h ∂θ ∂h ∂θ ∂ K ( h) − K ( h) ∂ K ( h) ∂θ ∂y ∂θ ∂θ ∂z ±S h = + ∂t ∂y ∂z
∂θ = C ( h) ∂h ∂h K ( h ) D (θ ) = K ( h ) = ∂θ C ( h )
qy
∂q y ∂q z ∂θ ∂h = C (h) =− − ± S (h) ∂t ∂t ∂y ∂z ∂h ∂h qz = − K z ( h ) − 1 = − K y (h ) ∂z ∂ y
∂h ∂h ∂ K ( h ) ∂ K ( h ) − 1 ∂h ∂y ∂z + ± S (h) C ( h) = ∂t ∂y ∂z
Simulasi pergerakan pressure head dan kadar air
Finite difference ADI (Alternating direct implicit) (Setiawan, 1992) dalam bentuk skema Newton algorithm
firststage 'hitung j arah y implicit arah y; explicit arah z Newton method dengan membentuk matrik Jacobian
secondstage ' hitung i arah z implicit arah z; explicit arah y Newton method dengan membentuk matrik Jacobian
display1-5 pressure head (iterasi 1, 2, 3, 4, 5) display 6-10 water content (iterasi iterasi 1, 2, 3, 4, 5)
Gambar 33 Diagram pembuatan model pergerakan kadar air pada strip olahan tanah menggunakan Ms excel VBE.
71
Hubungan persamaan aliran air dalam bentuk pressure head (hydraulic conductivity) dan water content (Diffusi) sebagai berikut: 1) Dalam bentuk pressure head ∂h ∂h ∂ K (h ) − 1 ∂ K (h ) ∂θ ∂θ ∂h ∂h ∂y ∂z = = C (h ) == + ± S (h ) ∂t ∂h ∂t ∂t ∂y ∂z ∂h ∂θ ∂h ∂θ ∂ K (h ) − K (h ) ∂ K (h ) θ ∂ ∂ y ∂θ θ ∂ ∂ z + ±S h = ( ) ∂t ∂y ∂z ∂θ = C (h ) ∂h K (h ) ∂h D (θ ) = K ( h ) = ∂θ C (h )
/69/
/70/ /71/
2) Dalam bentuk water content/difusi ∂θ = ∂t
∂θ ∂ D (θ ) ∂ D (θ ∂ y + ∂y
)
∂θ − K (h ) ∂z ±S h ( ) ∂z
/72/ Beberapa persamaan yang digunakan dalam pergerakan air untuk dimasukkan
dalam persamaan umum pressure head adalah sebagai berikut: Persamaan 2 Dimensional Richards equation
∂q y ∂qz ∂θ ∂h = C ( h) = − − ± S ( h) ∂t ∂t ∂y ∂z
/73/
∂h qy = −K y ( h ) ∂y
∂h qz = −Kz ( h) −1 ∂z ∂h ∂h ∂ K ( h ) ∂ K ( h ) − 1 ∂ y ∂h ∂z = + ± S (h) C (h) ∂t ∂y ∂z
/74/
Persamaan van Genuchten (1980) model
θ ( h ) = θr +
m = 1−
(
θ s − θr
1 + α h
)
n m
1 n Persamaan Water capacity
/75/ /76/
72
n dθ α (θ s − θ r )( n − 1) ( h ) C ( h) = = 2 −1/ n dh 1 + (α h )n
n −1
/78/
Persamaan Mualem (1976) model yang dimodifikasi
(
K ( Se ) = K s ⋅ Se λ ⋅ 1 − 1 − S e1/ m
)
m 2
/79/
Persamaan S degree of saturation
Se =
θ − θr θs − θr
/80/
Solusi menggunakan Finite difference ADI (Alternating direct implicit) dalam bentuk skema Newton algorithm (Setiawan, 1992) sebagai berikut: Metode beda hingga yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan aliran air dan larutan adalah skema Alternate Directing Implicit-ADI. Penggunaan skema tersebut smerupakan istem persamaan non-linier yang terbentuk dilinierkan dengan metode Newton, kemudian sistem persamaan linier yang terbentuk diselesaikan secara simultan dengan algoritma Thomas. Persamaan aliran air diselesaikan dengan metode beda hingga untuk mendapatkan kecepatan aliran dan agihan kadar air disekitar dalam olahan tanah terbatas. Tahap 1: implicit arah y; explicit arah z ∆t ∆t t+ t+ t + ∆t t + ∆t hi , j +21 − hi , j 2 hi , j 2 − hi , j −21 hi , j − h 1 − K h C ( h) = K y1 ( h ) y2 ( ) ∆t 2 ∆y ∆y ∆y t+
∆t 2
t i, j
+
C (h ) = C
(
)
(
)
hit+1, j − hit, j hit, j − hit−1, j 1 K z1 ( h ) − K z1 ( h ) − K z 2 ( h ) − K z 2 ( h ) ± S ( h ) ∆z ∆z ∆z ∆t t+ h i , j 2 + h it, j 2 ∆t t+ 2 i , j +1
K h K y1 ( h ) =
∆t 2
∆t t+ 2 i, j
+ K h 2
∆t 2 i , j −1
K hi , j + K h K y2 ( h) = 2 K ( hit+1, j ) + K ( hit, j ) K z1 ( h ) = 2 t+
t+
/81/
/82/
/83/
73
( )
(
K hit, j + K hit−1, j
Kz2 (h) =
)
2
/84/
Jacobian matrix ∆t t+ 2 i, j −1
Fj (h
∆t t+ 2 i, j
,h
∆t t+ 2 i, j +1
,h
+
t+ ∆2t t +∆2t t+∆t t +∆t hi, j+1 − hi, j hi, j 2 − hi, j−21 h − hi, j 1 − K h + Ky1 ( h) ) = C( h) y2 ( ) ∆t 2 ∆y ∆y ∆y t+
t i, j
∆t 2
(
)
(
)
hit, j − hit−1, j hit+1, j − hit, j 1 Kz1 ( h) − Kz1 ( h) − Kz2 ( h) − Kz2 ( h) ± S ( h) ∆z ∆z ∆z
/85/ Persamaan di atas nonlinier; diselesaikan dengan Newton method dengan membentuk matrik Jacobian. ∂F j
∂hi , j −1
∆ hit,+j ∆−1t +
∂F j
∂ hi , j
∂F j
∆ hit,+j ∆t +
∂ h i , j +1
∆ hit,+j ∆+1t = − F j
konversi dalam bentuk matrik sebagai berikut: b1 a2 0 ⋅ ⋅ ⋅
c1
0
⋅
⋅
b2 ⋅ ⋅
c2 ⋅ ⋅
0 ⋅ ⋅
⋅ ⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
t + ∆t F1 ∆hi ,1 t + ∆t ⋅ ∆hi , 2 F2 ⋅ ⋅ = − ⋅ 0 ⋅ ⋅ t + ∆t F c M∞ − 2 ∆hi , M∞ − 2 M∞ − 2 F bM∞ −1 ∆hit,+M∆∞t −1 M∞ −1
⋅
⋅ ⋅ 0 a M∞ −1
/86/
Ketentuan: aj =
∂F j
bj =
∂hi , j −1
∂F j
cj =
∂hi , j
∂F j
∂hi , j +1
Penyelesaian sistem linier yang terbentuk (matrik tridiagonal) diselesaikan dengan Thomas Algorithm. Perbaikan nilai hit,+j ∆t dilakukan dengan persamaan berikut: h it,+j ∆ t = h it,+j ∆ t + ∆ h it,+j ∆ t
/87/
M
∑F
Hasil diterima jika
i =1
j
≤ error toleransi ..................................................... /88/
Tahap 2: implicit arah z; explicit arah y t + ∆2t t + ∆2t t + ∆2t t + ∆2t hi, j +1 − hi, j hi , j − hi, j −1 h − hi, j 1 − K h C ( h) = K y1 ( h) ( ) y 2 ∆t 2 ∆y ∆y ∆y t t +∆t t t +∆t hit++∆ hit,+∆ 1 1, j − hi , j j − hi −1, j − Kz 2 ( h ) ± S ( h ) + Kz1 ( h) − Kz1 ( h) − Kz 2 ( h) ∆z ∆z ∆z t +∆t i, j
t+
∆t 2
(
)
(
)
74
t + ∆2t t + ∆t hi , j + hi , j C (h ) = C 2
t + ∆t t+ ∆t K h i , j +21 + K h i , j 2 K y1 ( h ) = 2
K y2
t + ∆t t + ∆t K hi , j 2 + K h i , j −21 (h ) = 2
(
)
(
K hit++1,∆ tj + K hit,+j ∆ t
K z1 ( h ) =
(
2
)
(
K hit,+j ∆ t + K hit−+1,∆ tj
K z 2 (h ) =
)
)
2
(
t+
)
t t +∆t t +∆t Fi hit−+∆ 1, j , hi , j , hi +1, j = C ( h )
+
∆t
t hi , j 2 − hit,+∆ j
∆t 2
(
∆t ∆t t+ t+ t + ∆2t t + ∆2t hi , j +1 − hi , j 2 hi , j − hi , j −21 1 − K h K y1 ( h ) + y2 ( ) ∆y ∆y ∆y
)
(
)
t t +∆t t t +∆t hit++∆ hit,+∆ 1 j − hi −1, j 1, j − hi , j K z1 ( h ) − K z 2 ( h) ± S ( h) − K z1 ( h ) − K z 2 ( h ) ∆z ∆z ∆z
/89/ Persamaan diatas nonlinier; diselesaikan dengan Newton method dengan membentuk matrik Jacobian. ∆t ∆t ∆t t+ t+ t+ ∂Fi ∂Fi ∂Fi ∆hi −1,2j + ∆hi , j 2 + ∆hi +1,2j = − Fi ∂hi −1, j ∂hi , j ∂hi +1, j
/90/
konversi dalam bentuk matrik sebagai berikut: b1 a2 0 ⋅ ⋅ ⋅
c1
0
⋅
⋅
⋅
b2
c2
0
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
0 c N∞ −2
⋅
⋅
0
a N ∞ −1
b N ∞ −1
∆t t+ ∆ h1 , j 2 ∆t t+ ∆ h 2, j 2 ⋅ ⋅ ∆t t+ ∆ h N ∞ 2− 2 , j ∆t t+ 2 ∆ h N ∞ −1, j
F1 F2 = − ⋅ ⋅ F N∞ − 2 F N ∞ −1
/91/
Ketentuan: ai =
∂ Fi ∂ hi −1, j
bi =
∂Fi ∂hi , j
ci =
∂Fi ∂hi +1, j
Penyelesaian sistem linier yang terbentuk (matrik tridiagonal) diselesaikan dengan Thomas Algorithm. t+
Perbaikan nilai hi , j t+
∆t
t+
∆t
∆t 2
t+
dilakukan dengan persamaan berikut:
∆t
hi , j 2 = hi , j 2 + ∆hi , j 2
/92/
75
N
Hasil diterima jika
∑F i =1
i
≤ error toleransi ..................................................../93/
Hasil dan Pembahasan Simulasi model pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan merupakan suatu metode pendekatan masalah dengan membuat model (program komputer) dari keadaan yang sebenarnya dari pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan. Pembentukan simulasi menggunakan model tersebut ditujukan sebagai alat (tool) untuk menganalisa dan merancang sistem kinerja irigasi bawah permukaan pada suatu strip olah tanah terbatas. Hal ini dilakukan karena analisa sistem dengan model simulasi dapat digunakan untuk menciptakan sistem baru yang diduga akan lebih baik dari pada yang sebelumnya. Simulasi selanjutnya menghasilkan model yang representatif dari aktivitas sistem pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan terhadap waktu. Simulasi model pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan melibatkan tiga kegiatan, yaitu; a) membuat model yang menggambarkan keadaan sistem pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan dan proses yang terjadi di dalamnya, b) memanipulasi model tersebut yang dapat menghasilkan data eksperimen dan c) menggunakan model dan data untuk menjawab atau memecahkan persoalan mengenai sistem pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan. Simulasi model pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan menjadi pendekatan eksperimen yang mengunakan model suatu sistem pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan. Selanjutnya penggunaan analisa sistem dan simulasi tersebut dapat dilakukan suatu bentuk percobaan dari suatu sistem tanpa harus mengganggu sistem yang diteliti untuk pengembangan penelitian lanjutan. Pembangunan model dimulai dengan mengumpulkan pemasalahan di lapangan diterjemahkan kedalam pernyataan matematis sebagai kondisi awal dan kondisi pembatas. Model matematis yang dibangun dari suatu pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan pada akhirnya dapat memberikan kesimpulan kuantitatif.
76
Pembangunan konsep simulasi pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan menggunakan konsep untuk kuantifikasi jumlah air dalam tanah, yang terdiri dari 2 pendekatan: 1. Berdasarkan mass (water content) Pendekatan ini dilakukan dengan mengukur jumlah air (massa, volume) dalam volume tanah tertentu. Bidang fisika tanah dan pertanian sering digunakan volumetric water content, θ (volume air). Bidang mekanika tanah lebih sering memakai (massa air). Pembuatan simulasi model pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan menggunakan konsep volumetric water content. 2. Berdasarkan konsep energi Proses interaksi air-udara-padatan partikel tanah, tegangan permukaan (surface tension) yang merupakan bentuk energi akan terjadi pada pori-pori tanah. Suatu bentuk energi diukur dengan besaran hisapan matriks (matrix suction (cm)) atau pressure head, h (-cm), dimana pF = log(-h) digunakan untuk menunjukkan bentuk energi tersebut. Saat ini pressure head lebih popular dipakai sehingga digunakan dalam program model pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan. Sebagai pertimbangan ketika kondisi tanah jenuh maka semua pori tanah terisi air dimana pressure head = 0 cm sehingga semakin tanah kering nilai pressure head menjadi semakin negatif. Kedua konsep pendekatan besaran tersebut selanjutnya dibuat hubungan volumetric water content dengan pressure head yang dinamakan soil water retention atau θ(h). Ketika saat air bergerak di dalam tanah maka diperlukan suatu besaran lainnya yaitu unsaturated hydraulic conductivity atau K(h) atau K(θ) yang merupakan fungsi pressure head atau water content. Soil water retention dan unsaturated hydraulic conductivity merupakan sifat hidrolika tanah yang terdiri atas 3 variabel yaitu pressure head, water content dan hydraulic conductivity. Pembangunan konsep simulasi aliran air dalam tanah diperlukan suatu fungsi atau persamaan untuk pendekatan Soil water retention dan unsaturated hydraulic conductivity. Persamaan retensi air tanah yang paling terkenal dan sering digunakan adalah model yang dibuat oleh van Genuchten (van Gencuhten 1980):
77
Se ( h ) =
θ ( h ) − θr 1 = m θ s − θr 1 + (α h )n
θ ( h) =
θs − θr 1 + (α h )n
m
+ θr
Se merupakan derajat jenuh efektif, θr and θs adalah residual dan saturated water content (L3L-3), sedangkan m=1-1/n, selanjutnya n dan α merupakan suatu parameter empiris. Fungsi hidrolik konduktivitas tak jenuh lainnya yang paling terkenal adalah Mualem model (Mualem 1976). Bentuk pendekatan dapat dihubungkan (closed
form) dengan model dari van Genuchten (van Gencuhten 1980) sebagai berikut:
(
K ( S e ) = K s S e l 1 − 1 − S e11/ m
)
m
2
Ks dan ℓ merupakan hidrolik konduktivitas jenuh. Model dari van Gencuhten menjadi terkenal karena tersedia bentuk yang berhubungan dekat dengan model Mualem. Hidrolik konduktivitas tak jenuh adalah sifat fisik tanah yang paling sulit diukur. Penggunaan hubungan tersebut menjadikan hidrolik konduktivitas tak jenuh dapat diprediksi dengan mudah melalui parameterparameter yang terdapat pada model dari van Gencuhten. Pembuatan program model pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan pada lembar kerja Ms. Excel menggunakan fasilitas
visual basic editor pada toolbar macros. Hasil tampilan program pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi permukaan ditunjukkan pada Gambar 34 dan 35. Cara kerja aplikasi dari program tersebut dipermudah dengan menggunakan petunjuk warna pada sel yang berbeda yaitu untuk warna hijau nilai dapat dirubah sesuai desain penelitian pemberian air dan sesuai hasil perhitungan dari data sekunder sifat fisik tanah dalam uji infiltrasi kolom horisontal (lihat Tabel 12). Warna merah merupakan boudary condition tidak dapat dirubah nilainya. Hubungan hasil pengujian infiltrasi kolom horisontal dengan program model pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi permukaan yang dibangun karena penggunaan persamaaan aliran air horisontal yang sama yaitu fungsi dari van Genuchten (1980) dan Mualem (1976).
78
Gambar 34 menunjukkaan tampilan sederhana dari program model pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan yang dilengkapi dengan tombol Initial dan Run. Oprasional kerja program yang dibuat adalah sebagai berikut; setelah memberi nilai yang sesuai perancangan dan hasil sifat fisik infiltrasi kolom horisontal maka klik tombol Initial lalu pindah ke sheet 2 (Gambar 35) untuk merubah nilai pada desain pintu air pada bagian pangkal dasar strip olah tanah terbatas (sel warna hijau). Selanjutnya kembali ke sheet 1 (Gambar 34) untuk memulai mengklik tombol Run, tunggu sampai proses iterasi selesai (sel warna kuning, perubahan nilai tampak pada sel warna merah di bawahnya). Tampilan program yang telah dibuat (Gambar 34) dilengkapi dengan grafikgrafik water content vs pressure head, hydraulic conductivity vs pressure head, water capacity vs pressure head, dan hydraulic conductivity vs water content grafikgrafik tersebut ditunjukkan pada Gambar 36.
Gambar 34 Tampilan program pergerakan kadar air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan.
79
Gambar 35 Tampilan program seting bukaan pintu air atau celah pada konsep irigasi bawah permukaan pada strip olah tanah terbatas
0.4 0.3 soil water retention
0.2 0.1 0 1
Hydraulic conductivity [cm/s]
Water content [cm3/cm3]
0.5
1.E+00 1.E-01 1.E-02 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E-06 1.E-07 1.E-08 1.E-09 1.E-10 1.E-11 1.E-12 1.E-13
10 100 1000 10000 PRESSURE HEAD [-cm]
konduktivitas hidrolik
1
100 10000 PRESSURE HEAD [-cm]
Water content (cm3 cm-3) 0
0.006 0.005 0.004 soil water content
0.003 0.002 0.001 0 1
100 10000 PRESSURE HEAD [-cm]
Hydraulic conductivity (cm s-1)
Water capacity [1/cm]
0.007
0.2
0.4
0.6
1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 0.000001 0.000000
Difusifitas
Gambar 36 Tampilan hasil grafik soil water retention, konduktivitas hodrolik kadar air basis volume dan difusivitas pada program pergerakan kadar air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan
80
Iterasi yang diatur dalam tampilan program dipilih nilai 800s, 1600s, 2400s,
3200s, dan 4000s. Iterasi yang dipilih ditampilkan pada sheet 4 sampai dengan sheet 8 untuk konsep pressure head (Gambar 37 dan 38 (tampilan kontur)) dan sheet 10 sampai dengan sheet 14 untuk konsep water content (Gambar 39 dan 40 (tampilan kontur)).
Gambar 37 Grafik iterasi pressure head dari hasil running program model sebaran kadar air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan Kecepatan pergerakan air secara tak jenuh dalam tanah dikendalikan oleh konduktivitas hidrolik tak jenuh yang besarnya dipengaruhi oleh kadar air dan potensial air tanah. Menurut Cresswell et al. (1992), perbedaan konduktivitas
81
hidrolik tanah pada potensial potensial < 1 bar terjadi karena perbedaan pori di dalam struktur tanah, di antara agregat tanah.
Gambar 38 Tampilan grafik kontur pressure head (cm H2O) yang menunjukan pola pergerakan air dalam tanah dari suatu tampilan iterasi program komputer.
82
0 -6
8000
-12 -18
-24 -30
-4 -10 -16
-22 -28
-2
24000
-8
-14 -20 -26
0
32000
-6
Kedalaman olahan tanah (cm)
Setting waktu program simulasi (s)
16000
-12 -18 -24
-30
40000
-4
-10 -16
-22
96
90
84
78
72
66
60
54
48
42
36
30
24
18
12
6
0
-28
Panjangn olahan tanah (cm)
Ket: kadar air air basis volume (cm3cm-3)
0.4-0.6
0.2--0.4
0-0.2
Gambar 39 Grafik iterasi kadar air basis volum dari hasil running program model pergerakan kadar air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan Kondisi jenuh dan tak jenuh dalam tanah terus menerus terjadi secara simultan untuk mencapai keseimbangan (Jury et al. 1991). Perbandingan tampilan dari hasil simulasi model pergerakan air pada strip
olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan ditunjukkan tampilan grafik dari Ms.Excel dan tampilan menggunakan software Surfer 8 dalam bentuk kontur. Konversi data hasil simulasi ke bentuk kontur setelah diolah menggunakan software Surfer menjadikan tampilan lebih mudah dipelajari dipelajari pola pergerakan yang terjadi.
83
Gambar 40 Tampilan grafik kontur kadar air basis volum yang menunjukan pola pergerakan air dalam tanah dari suatu tampilan iterasi program komputer. Hasil analisis dari pola pergerakan yang ditampilkan pada pola kontur menunjukan proses pembasahan dapat mencapai zona kedalaman (–5 cm) untuk zona
84
perakaran bibit tanaman semusim. Capaian pergerakan dari proses pembasahan pada zona perakaran bibit tanaman semusim menjadi temuan penting guna pengembangan konsep strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan. Hal lainnya sebagai perimbangan adalah kondisi kadar air yang tinggi pada bagian zona kedalaman (-20 cm) daerah pangkal serta dasar strip olahan dapat berdampak negatif bagi pertumbuhan perakaran karena selain kadar air tinggi juga aerasi yang kurang baik. Proses pergerakaan air yang terjadi menurut model dalam bentuk kontur dapat dijelaskan sebagi berikut; pada celah akan mengalami turbulensi desakan air di sekitar daerah pangkal sesuai tekanan penuangan air. Selanjutnya terjadi proses penyebaran, penyimpanan dan penipisan kadar air dimana aliran dalam sistem tersebut dapat dijelaskan dengan beberapa fase (Jansen 1983) yaitu: 1. Fase penyebaran yaitu terjadi pada total waktu selama irigasi, air menyebar didalam strip olahan tanah dari pangkal hingga ujung strip olahan. 2. Fase penyimpanan yaitu terjadi pada total waktu antara akhir dari penyebaran air dan penghentian pemberian air irigasi. 3. Fase penipisan yaitu terjadi pada total waktu antara penghentian pemberian air dan permulaan resesi di bagian pangkal. Sistem model yang dibangun di atas menunjukkan pola pembasahan air dimungkinkan kurang seimbang dimana di daerah pangkal akan mengalami proses pembasahan lebih banyak sedangkan pada daerah ujung dekat pengeluaran (outlet) pembasahan kurang sempurna. Hal ini menegaskan bahwa sistem yang dikembangkan ditujukan guna menjaga kelembaban pada tanah olahan bukan untuk pengairan kontinyu. Hasil tampilan model simulasi menunjukkan bahwa konsep yang terbaik menjadi pilihan adalah konsep pergerakan kadar air pada kisaran air tersedia yaitu tingkatan air yang berada antara titik layu permanen dan kapasitas lapang. Definisi tersebut merupakan lebih menggambarkan suatu bentuk atau kondisi air kapiler. Air kapiler ditahan di pori tanah yang lebih kecil, dimana gaya kapiler mencegah pengurasan air dan sebagai selaput mengelilingi partikel tanah. Pada kapasitas lapang, air dipegang dengan kekuatan sebesar 1/3 atmosfir dan pada titik layu permanen air dipegang dengan kekuatan kira-kira 15 atmosfir (Setyati 1979). Secara teoritis pergerakan air yang digambarkan dalam model pergerakan
85
merupakan proses dari air kapiler dan air gravitasi. Air kapiler dapat bergerak naik ke ruang pori tanah karena kapilaritas dan potensial kapiler (gaya menahan air). Tinggi kenaikan air yang disebabkan oleh potensial kapiler adalah berbanding terbalik terhadap diameter kapiler. Pergerakan air dalam tanah karena adanya aliran irigasi bawah permukaan membentuk pergerakan sebaran air horizontal dan pergerakan sebaran air vertikal (kapilaritas) dalam membasahi ruang olah tanah sehingga dapat menjadi salah satu faktor penyedia kebutuhan air tanaman. Kesimpulan 1. Pembangunan konsep simulasi pergerakan air pada strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan menggunakan konsep untuk kuantifikasi jumlah air dalam tanah, yang terdiri dari 2 pendekatan yaitu volumetric water content, θ (volume air) dan besaran hisapan matriks (matrix suction (cm)) atau pressure head, h (-cm). 2. Konversi data hasil simulasi ke bentuk kontur setelah diolah menggunakan software Surfer menjadikan tampilan lebih mudah dipelajari pola pergerakan yang terjadi. 3. Hasil analisis dari pola pergerakan yang ditampilkan pada pola kontur menunjukan proses pembasahan seiring waktu dapat mencapai zona kedalaman – 5 cm untuk zona perakaran bibit tanaman semusim menjadi temuan penting guna pengembangan konsep strip olah tanah terbatas beririgasi bawah permukaan.
86
