OPTIMASI MODEL SACRAMENTO UNTUK MENGHITUNG DEBIT BULANAN DAS BOLANGO DI BOIDU Salma Karim 1), Barry Yusuf Labdul 2), Aryati Alitu 3) 1) Fakultas Teknik, Universitas Negeri Gorontalo email:
[email protected] 2) Fakultas Teknik, Universitas Negeri Gorontalo email:
[email protected] 3) Fakultas Teknik, Universitas Negeri Gorontalo email:
[email protected]
Abstrak Sungai Bolango merupakan salah satu sungai yang besar yang berada di Provinsi Gorontalo. DAS Bolango memiliki beberapa Sub DAS dan memiliki data hidrologi yang lengkap dibandingkan Sub DAS lainnya, sehingga diadakan penelitian mengenai penyimpangan model Sacramento. Dalam pemakaiannya dilakukan kalibrasi terhadap beberapa parameter yang dipakai yang diformulasikan dalam skripsi yang berjudul “ Optimasi Model Sacramento untuk Menghitung Debit Bulanan DAS Bolango di Boidu ” Model Sacramento sebagai suatu pendekatan perkiraan debit bulanan yang menstimulasikan kesetimbangan air pada suatu daerah tangkapan yang ditujukan untuk menghitung total run off dari nilai curah hujan bulanan, evapotranspirasi, kelembaban tanah, dan ketersediaan air tanah. Model Sacramento menggunakan 16 parameter yang mewakili prilaku hidrologi di daerah aliran sungai, sehingga untuk mencapai hasil simulasi yang baik, diperlukan proses kalibrasi dengan menggunakan perangkat lunak Microsoft Excel-Solver. Tujuan kalibrasi ini adalah untuk mendapatkan hasil simulasi yang mirip dengan data observasi.Hasil penelitian Model Sacramento yang mengalih-ragamkan hujan menjadi aliran DAS Bolango, menghasilkan debit bulanan berkisar antara 0.84 m3/s sampai dengan 18.392 m3/s, dengan nilai koefisien korelasi (r) sebesar 0.984 dan besarnya nilai VE 3.751% dalam kalibrasi, sedangkan dalam Verfikasi nilai koefisien korelasi (r) sebesar 0.891 dan VE sebesar 3.343%, dimana hal ini menunjukkan bahwa kesalahan volume yang memungkinkan adalah <5%. Kata kunci : Optimasi, Model Sacramento, Boidu Abstract Bolango River is one of main rivers in Gorontalo. It consists of several tributaries flowing into the main river. Besides, it has more complete hydrological data compared to that of other watersheds. The study entitled “Sacramento Model Optimation for Calculating the Bolango River Monthly Discharge at Boidu” was conducted as to determine the effect of calibrating the Sacramento Model parameters on Bolango river monthly discharge. The Sacramento Model has been frequently employed to simulate water balance on a watershed in order to determine total runoff resulted from monthly rainfall, evapotranspiration, soil moisture, as well as groundwater abailability. The model has 16 parameters representing hydrological characteristics of a watershed. In order to obtain a better fit simulation result, calibration method has been conducted using the Microsoft Excel-Solver. The calibration was performed as to obtain results that best fitted to the observed data. The result revealed that by calibrating rainfall data would result in monthly discharge between 0.84 m3/s and 18.392 m3/s, with correlation
1
coefficient (r) of 0.984 and VE of 3.751% for calibration. In addition, verification for r value was 0.891 and VE of 3.343% indicating that the possible volume error was <5%. Keywords: Boidu, Sacramento Model, Optimizing
2
1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sungai pada umumnya memiliki peran yang strategis sebagai salah satu sumber daya alam yang mendukung kehidupan masyarakat. Untuk menjaga agar air yang keluar dari daerah aliran sungai tidak melebihi dari kapasitas penerimaan dihilir, perlu dilakukan perhitungan debit air pada DAS Boidu dengan menggunakan Model Sacramento. Model ini merupakan salah satu model yang pengujiannya menggunakan beberapa parameter, untuk melakukan proses pengujian yang sering digunakan untuk suatu pemodelan yaitu proses kalibrasi dan verifikasi. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar Belakang di atas dapat dirumuskan beberapa masalah : 1. Apakah parameter Model Sacramento untuk menghitung debit bulanan di DAS Boidu dapat memberikan pengaruh yang cukup sesuai sifat fisik dan karakteristik DASnya ? 2. Apakah diperlukan kalibrasi terhadap parameter-parameter Model Sacramento sesuai sifat fisik dan karakteristik DASnya ? 1.3 Tujuan Tujuan penelitian ini adalah : 1. Menganalisis debit bulanan di sungai Bolango dengan Metode Sacramento. 2. Mengetahui hasil kalibrasi Model Sacramento di Sungai Bolango.
2.2 Siklus Hidrologi Siklus Hidrologi merupakan proses kontinyu air dimana air bergerak dari bumi ke atmosfir dan kemudian kembali lagi ke bumi. 2.3 Parameter Hujan Jumlah hujan yang jatuh di permukaan bumi dinyatakan dalam kedalaman air (biasanya mm) yang dianggap terdistribusi secara merata pada seluruh daerah tangkapan air. Intensitas hujan adalah jumlah curah hujan dalam suatu waktu, dan Intensitas hujan rerata adalah perbandingan antara kedalaman hujan dan durasi hujan. Distribusi hujan sebagai fungsi waktu menggambarkan variasi kedalaman hujan selama terjadinya hujan, yang dapat dinyatakan dalam bentuk diskrit atau kontinyu. Intensitas hujan bervariasi dalam ruang dan waktu, yang tergantung pada lokasi geografis dan iklim. 2.4 Curah Hujan 1. Melengkapi Data yang Hilang Data hujan yang hilang di suatu stasiun pada saat tertentu dapat diisi dengan nilai perkiraan berdasarkan datadata yang tersedia dari tiga atau lebih stasiun terdekat di sekitarnya pada saat yang sama. Metode yang dapat digunakan untuk melakukan koreksi data, yaitu: a. Metode perbandingan normal (normal ratio method).
b. Reciprocal method 2.
2. LANDASAN TEORI 2.1 Karakteristik Sungai Sungai merupakan jaringan alur-alur pada permukaan bumi yang terbentuk secara ilmiah mulai dari bentuk kecil dibagian hulu hingga bentuk besar dibagian hilirnya/muara. Sungai terdiri dari 3 bagian yaitu bagian hulu, bagian tengah, dan bagian hilir.
Hujan Kawasan (DTA) Dalam analisis hidrologi dikenal ada tiga macam cara yang umum dipakai dalam menghitung curah hujan rata-rata untuk suatu kawasan yaitu : a. Metode rata-rata aljabar b. Polygon thiessen c. Isohyet 2.5 Evapotranspirasi Evapotranspirasi adalah gabungan dari evaporasi dan transpirasi tumbuhan
3
yang hidup dipermukaan bumi. Evaporasi merupakan pergerakan air ke udara dari berbagai sumber seperti tanah, atap, dan badan air, sadangkan transpirasi merupakan pergerakan air di dalam tumbuhan melalui stomata yang diuapkan oleh daun. 2.6 Limpasan Limpasan permukaan (surface runoff) yang merupakan air hujan yang mengalir dalam bentuk lapisan tipis di atas permukaan lahan akan masuk ke parit-parit dan selokan-selokan yang kemudian bergabung menjadi anak sungai dan akhirnya menjadi aliran sungai. Di daerah pegunungan ( bagian hulu DAS) limpasan permukaan dapat masuk ke sungai dengan cepat, yang dapat menyebabkan debit sungai meningkat. 2.7 Debit Debit aliran diperoleh dengan mengalikan luas tampang aliran dan kecepatan aliran. Kedua parameter tersebut dapat diukur pada suatu tampang lintang (stasiun) di sungai. Luas tampang aliran diperoleh dengan mengukur elevasi permukaan air dan dasar sungai. Kecepatan aliran juga dihitung bersamaan dengan pengukuran elevasi muka air. Dengan demikian dapat dihitung debit untuk berbagai kondisi aliran. 2.8 Model Sacramento Model sacramento digunakan untuk menghitung debit aliran harian dari masukan data hujan dan evaporasi. Model Sacramento merupakan salah satu model konseptual dimana parameterparameternya berkaitan dengan fisik daerah pengaliran sungai yang secara prinsip memodelkan proses hujan menjadi debit aliran sungai (rainfall ranoff), dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 1. Konsep Model Sacramento Sacramento menggunakan 16 parameter untuk simulasi neraca air pada level DAS, yaitu: a. 5 parameter menggunakan tempat penyimpanan air, digunakan untuk mengetahui kelembaban tanah. Terbagi dalam dua tempat, yaitu upper dan lower zone. b. 3 parameter untuk menghitung interflow dan baseflow, yaitu UZK, LZPK, dan LZSK. c. 3 parameter untuk menghitung perkolasi air dari upper zone ke lower zone, yaitu ZPERC, REXP, dan PFREE. d. 2 parameter untuk menghitung direct run-off yang menuju lapisan kedap air, yaitu PCTIM, dan ADIMP. e. 3 parameter untuk menghitung kehilangan air (losses) dari system, yaitu SIDE, SSOUT, dan SARVA. 2.9 Kalibrasi Model Sacramento Tahap ini merupakan tahap yang digunakan untuk menentukan nilai parameter DAS yang belum diketahui. Dalam proses kalibrasi, nilai-nilai awalnya dianggap berlaku untuk semua parameter dan periode alirannya disimulasikan serta dibandingkan dengan debit-debit terukur. Bila memang
4
diperlukan, maka parameterparameternya diubah dan pembandingnya diulangi sampai didapat kesesuaian antara data pengamatan dan data hasil kalibrasi.
3. METODE PENELITAN 3.1 Lokasi Penelitian Penelitian ini dilakukan di DAS Bolango terletak di Kabupaten Bone Bolango, Provinsi Gorontalo. DAS ini terdiri dari beberapa Sub DAS diantaranya Sub DAS Bolango Boidu dengan titik koordinat 00o 37.716’ LU dan 123o 04.951’ BT, yang dipilih sebagai lokasi penelitian. Lokasi penelitian dapat di lihat pada gambar berikut:
3.3 Tahapan Penelitian Tahapan-tahapan yang dilakukan pada saat penelitian adalah sebagai berikut: 1. Studi pustaka, yaitu dengan mengumpulkan sebanyak mungkin materi sebagai bahan acuan dalam melakukan pengambilan data dan analisis data yang telah dikumpulkan. 2. Pengumpulan data, dalam pengumpulan data penelitian menggunakan data sekunder yaitu data curah hujan dan debit banjir. Data ini menjadi parameter kelengkapan dalam melakukan analisis data. 3. Data lengkap, jika data sekunder sudah lengkap maka dapat dilanjutkan pada tahapan berikutnya yaitu, metode dan analisis data, tetapi jika data sekunder yang dibutuhkan belum lengkap maka dilakukan tahapan pengumpulan data kembali. 4. Metode pengolahan dan analisis data, adapun metode yang digunakan dalam menganalisis data yaitu dengan menggunakan Metode Sacramento. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar.2 Daerah Aliran Sungai Bolango 3.2 Pengumpulan Data Data-data yang digunakan dalam penelitian tugas akhir ini yaitu: Data sekunder yang berhubungan dengan penulisan diperoleh dari instansi-instansi terkait yaitu dari Balai Wilayah Sungai Sulewasi II. Adapun data-data yang telah diperoleh adalah: 1. Data curah hujan dan klimatologi 2. Data debit sungai 3. Peta topografi 4. Pengembangan lokasi di DAS
DAS Bolango Boidu memiliki luas sebesar 423.64 km2, dengan panjang sungai ± 28,87 km,dan kedalaman rata – rata 7,6 m. Dalam penggambaran distribusi curah hujan bulanan di DAS Bolango menunjukkan adanya 2 puncak hujan yaitu puncak pertama terjadi pada bulan Desember dengan curah hujan bulanan maksimum sebesar 410,37 mm dan puncak kedua terjadi pada bulan September dengan curah hujan sebesar 367,37 mm. Sedangkan musim kemarau berlangsung antara bulan Agustus – Oktober dengan curah hujan 7,47 mm. Seperti pada gambar berikut :
5
450.00 Rata-rata 400.00
Maksimum Minimum
Curah Hujan (mm)
350.00
dengan cara menghubungkan antara prosentase luas dan elevasi catchment area sebagai berikut:
300.00
250.00
Tabel.2 Prosentasi Luas dan Elevasi C.A Bolango
200.00
150.00
100.00
Elevasi rata2
Elevasi
50.00
Luas
Proses Kumulatif
Km2
0.00 Jan
Feb
Mar
Apr
Mei
Jun
Jul
Agt
Sep
Okt
Nop
Des Waktu (bulan)
(m)
(m)
< 300
Gambar 3. Grafik Curah Hujan DAS Bolango Pengukuran curah hujan pada DAS Bolango dengan menggunakan 3 titik pengamatan hujan menggunakan rata-rata aljabar, seperti terlihat pada tabel berikut: Curah Hujan dengan Metode Rata-rata Aljabar Tahun 2003-2012
Bulan
Jan Feb Mar Apr Mei Jun Jul Agu Sep Okt Nov Des Tahunan Bulanan
St. Boidu 105.53 102.63 142.36 144.52 95.20 118.00 110.29 56.71 60.61 104.09 178.41 187.87 1,406.22 117.19
D.I. Bolango Stasiun St. St. Longalo Dulamayo 132.13 184.87 101.32 157.89 142.41 181.95 143.88 249.25 94.91 192.32 105.13 193.44 91.29 188.84 54.01 80.47 59.95 101.61 105.57 223.15 140.77 205.33 157.62 276.76 1,328.99 2,235.88 110.75 186.32
124.9
29.48
100
301 - 500
400
88.35
20.85
70.52
501 - 700
600
65.14
15.38
49.67
701 - 800
800
48.8
11.42
34.29
801 - 900
1000
37.27
8.8
22.87
901 - 1100
1200
34.28
8.1
14.07
1101 - 1300
1400
18.34
4.33
5.97
1301 - 1500
1600
6.96
1.64
1.64
423.64
100
2500
Rerata Aljabar (mm) 140.84 120.61 155.57 179.22 127.48 138.86 130.14 63.73 74.06 144.27 174.84 207.42 1,657.03 165.70
DAS Bolango beriklim tropika basah atau iklim khatulistiwa yang dicirikan oleh suhu yang tinggi dengan variasi musiman yang kecil, kelembaban relatif tinggi sepanjang tahun, kecepatan angin pada umumnya rendah serta penyinaran matahari yang hampir sama setiap bulannya . Data iklim untuk area catchment area Bolango diambil dari Stasiun Meteorologi Jalaluddin Gorontalo (18 m dpl) yang dianggap mewakili untuk catchment area Bolango. Untuk mendapatkan ketinggian rata-rata catchment area Bolango diperoleh
2000
H (m)
Tabel.1
%
1500
1000
700 500
0 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
%
Elevasi Rata-rata = 700 m DPL
Gambar.4 Hubungan Presentasi Luas dan elevasi C.A Bolango Adanya beda ketinggian antara Stasiun Jalaluddin (18 m dpl) dengan elevasi rata-rata catchment area Bolango (700 m dpl) menyebabkan adanya beda temperatur yang dapat dihitung dengan rumus : T = 0,006 . ( x1 – x2 ) Dengan demikian untuk catchment area sungai Bolango akan terjadi penurunan temperature sebesar :
6
T = 0,006 . ( x1 – x2 ) = 0,006 . (18 – 700) = -4,09 Berdasarkan hasil hitungan temperatur di atas maka disimpulkan bahwa DAS Bolango memiliki temperatur sedikit berbeda dengan temperatur yang ada di Stasiun Jalaluddin Gorontalo. Akan tetapi iklim yang lainnya seperti kelembaban relatif, penyinaran matahari dan kecepatan angin dianggap sama. Rangkumannya dapat di lihat pada tabel berikut : Tabel.3 Rangkuman Data Iklim 20032012 Bln
Suhu Udara (oC)
Kelemb aban Relatif (%)
Kecepa tan Angin (m/dtk)
Prosentas e Penyinar an Matahari (%)
Tabel.4
Nilai Parameter Sebelum Kalibrasi
Parameter
Range
UZTWM (mm)
107,118
1 – 150
LZFSM (mm)
62,694
1 – 1000
UZWFM (mm)
136,016
1 – 150
LZFPM (mm)
579,5
1 – 1000
LZTWM (mm)
938,188
1 – 1000
PFREE(-)
0,461
0,0 - 0,6
ZPERC (-)
18
1 – 250
RSERV (-)
0,3
0,3
-1
UZK (day )
0,456
0,1 - 0,5
-1
LZPK (day )
0,016
0,0001 - 0,0025
LZSK (day-1)
0,237
0,01 - 0,25
REXP (-)
1
ADIMP (-)
0,2 0,01
Jan
22.73
83.02
2.00
10.99
PCTIM (-)
Feb
22.15
81.84
2.50
58.27
RIVA (-)
0
SIDE (-)
0
Mar
22.84
84.38
2.30
59.54
Apr
22.82
82.03
1.50
59.80
Mei
23.24
82.09
1.70
63.03
Jun
22.47
82.22
1.90
58.35
Jul
22.43
81.42
2.10
58.36
Agu
22.70
76.76
3.60
68.88
Sep
23.03
74.27
2.90
70.82
Okt
23.61
77.12
2.10
68.24
Nov
22.97
81.60
1.50
59.98
Des
22.88
83.29
1.60
56.88
Rata2
22.82
80.84
2.14
57.76
Selain itu data-data penunjang dalam menghitung parameter Model Sacramento yaitu evapotranspirasi potensial selama 10 tahun, tercatat dari tahun 2003 sampai tahun 2012. Model Sacramento menggunakan 16 parameter karateristik DAS yang menggambarkan bagian kelebihan air hujan yang masuk kedalam tampungan air tanah. Nilai-nilai parameter yang digunakan sebelum dan sesudah kalibrasi ditunjukkan pada tabel berikut :
Setelah dilakukan kalibrasi dengan memasukkan nilai interval yang ada maka nilai parameter – parameter tersebut akan berubah sesuai dengan data yang di input. Tabel.5
Nilai Parameter dan hasil Kalibrasi Model Sacramento INPUT (MASUKAN)
UZTWM (mm)
52
-1
UZK (day )
0.5
ADIMP (-)
0,4
ZPERC (-)
18
LZTWM (mm)
938
LZFPM (mm)
580
LZPK (day-1)
0,016
RSERV (-)
0,3
UZWFM (mm)
40
PCTIM (-)
0,01
RIVA (-)
0
REXP (-)
1
LZFSM (mm) -1
LZSK (day )
63 0,24
7
SIDE (-)
0,46
8
0
0
7
200
6
OUT PUT (HASIL) 147.51
Qobs
Debit (m3/s)
SSE
400
5
1.83
600
4
800
Curah hujan (mm)
PFREE(-)
3
Qcomp
1000
10.458 2
Koefisien Korelasi
98.4%
Korelasi Rainfall-runoff
78.3%
1200 1 1400 0 Jan
0
7
200
6
4
800
Curah hujan (mm)
Debit (m3/s)
600
3 1000 2 1200 1 1400 0 Jan
Apr
Jul
Okt
Jan
Apr
Jul
Okt
Jan
Apr
Jul
Okt
Bulan Curah hujan
No
Debit terhitung
Tingkat ketelitian Kalibrasi
Okt
Jan
Apr
Jul
Okt
Jan
Apr
Jul
Okt
Curah hujan
No
Debit terhitung
Tingkat ketelitian Verifikasi
Debit terukur
Hasil
1
Korelasi r
0.891
2
Kesalahan Volume VE
3.343
Gambar.6 Grafik Hasil Verifikasi
400
5
Jul
Bulan
Dari hasil kalibrasi pemodelan yang dihitung dapat dijabarkan seperti pada gambar berikut, dimana dalam kalibrasi memiliki nilai rata-rata ΔVE <5% sedangkan Verifikasi nilai ΔVE <5%. 8
Apr
Dari hasil kalibrasi dan verikasi menunjukkan antara nilai hasil model dengan nilai hasil observasi memiliki tingkat ketelitian verifikasi yang baik, dengan kedekatan yang digambarkan oleh kofisien korelasi sebesar (r) 0.891 dan kesalahan volume (VE) sebesar 3.343%.
Debit terukur
5. KESIMPULAN DAN SARAN
Hasil
1
Korelasi r
0.984
2
Kesalahan Volume VE
3.751
Gambar.5 Grafik Hasil Kalibrasi Dari hasil kalibrasi dilakukan juga verifikasi dengan menggunakan debit hasil kalibrasi dan debit observasi selama 3 tahun yaitu debit 2010 -2012. Hasil verifikasi dapat dilihat pada grafik dibawah ini :
Kesimpulan: Penggunaan Model Sacramento pada DAS Bolango Boidu memberikan nilai debit yang cukup berbeda dengan nilai debit observasi yang ada. 2. Hasil kalibrasi dan verifikasi dari parameter Sacramento menunjukkan nilai ketelitian yang baik. Hal ini dibuktikan melalui hasil analisis data, dimana dalam kalibrasi diperoleh nilai korelasi (r) sebesar 0.984 dengan kesalahan volume (VE) sebesar 3.751%, sedangkan dalam verifikasi diperoleh nilai (r) sebesar 0.891 dan (VE) sebesar 3.343%. 1.
8
Saran : Agar kalibrasi dan verifikasi yang dihasilkan bagus, maka yang harus diperhatikan adalah kelengkapan data. Selain itu data yang ada harus sesuai, yaitu antara hujan yang jatuh dan debit yang terbentuk harus memiliki pola yang sama. Oleh karena faktor data sangat penting sehingga harus dipilih data yang benar-benar sesuai untuk digunakan pada proses kalibrasi dan verifikasi. 6. REFERENSI , 2010. Kegiatan Perencanaan dan Program, Kementerian PU/Balai Wilayah Sungai II Alitu, A.,2005. Studi Neraca Air di Daerah Aliran Sungai Bone. Manado: Universitas Sam Ratulangi. Anonim, 2003b. Modul Pelatihan NRECA dan SACRAMENTO. Institut Teknologi Nasional. Asdak, C. 2010. Hidrologi dan Pengelolaan Daerah Aliran Sungai. Gajah Mada. University. Bandung. I Made Kamiana. 2010. Teknik Perhitungan Debit Rencana Bangunan Air. Graha Ilmu. Palangka Raya Blosch et Graison, Wahyuningsi. 2000. Uji Keandalan Model Sacramento Pada DAS Bedadung dan DAS Kloposawit. Jurnal Staf Pengajar Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian. Jember. Harto, Sri. 1983. Mengenal Dasar Hidrologi Terapan. Universitas Gadjah Mada. Yogyakarta. Indarto. 2010. Hidrologi Dasar Teori dan Contoh Aplikasi Model Hidrologi. PT. Bumi Aksara. Jember Limantara, L. M. 2010. Hidrologi Praktis. Lubuk Agung. Jakarta. Lipinsky, D. M. 1997. Estimating Sacramento Soil Moisture Accounting (SACSMA)
Parameters. Original VersionCalifornia. Marta J, Adidarma W. 1987. Mengenal Dasar-dasar Hidrologi. Penerbit Nova. Bandung. Mock. F.j, 1976. Land Capability Appraisal. Bogor R.M et. al. 2006. Using SSURGO data to improve Sacramento Model a priori parameter estimates. Journal of Hidrologi. 320, 103-116. Soemarto, 1989. Hidrologi Teknik Edisi Pertama. Erlangga. Jakarta. Soemarto, C.D. 1995. Hidrologi Teknik. Erlangga. Jl. H. Baping Raya No.100. Ciracas, Jakarta. Soesanto B dan Emanda H 1991. Pengantar Hidrologi. Fakulatas Pertanian Jember. Sosrodarsono, S. 1985. Hidrologi untuk Pengairan . PT. Pradnya Paramita. Jakarta. Setiawati. 2005. Uji Keandalan Model Sacramento pada DAS Bedadung dan DAS Kloposawit. Jurnal.unej.ac.id/index.php/JAGT/a rticle/.../39/18. Diakses 12 Desember 2013. Triadmodjo, B. 2008. Hidrologi Terapan. Beta Offset. Yogyakarta
9
