Pemodelan Fisik Aliran Air dan Transpor Pencemar Pada Media Berpori Jenuh Heterogen Terdiskrit Menggunakan Seepage Tank

1

Pemodelan Fisik Aliran Air dan Transpor Pencemar Pada Media Berpori Jenuh Heterogen Terdiskrit Menggunakan Seepage Tank Triandhika A. H. S, Herr Soeryantono, Erly Bahsan Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16425, Indonesia [email protected]

Abstrak Manusia mempunyai hubungan yang erat dengan air sebagai salah satu kebutuhan utama. Salah satu peristiwa yang perlu mendapat perhatian lebih adalah adanya kontaminasi air tanah dan masih banyaknya air tanah yang digunakan sebagai sarana pemenuhan kebutuhan air. Penelitian ini bertujuan untuk merumuskan suatu protokol pemodelan fisik kontaminasi pencemar pada media berpori heterogen menggunakan seepage tank. Tujuan lain adalah untuk memperbaiki alat percobaan sehingga bisa digunakan untuk melakukan validasi dari pemodelan matematis yang ada. Pemodelan fisik ini meliputi aliran air tanah melewati media heterogen terdiskrit pada kondisi tunak dan juga transpor pencemar dengan mekanisme adveksi-dispersi yang terjadi akibat point-source loading. Kata Kunci: Aliran Air Tanah, Heterogen Terdiskrit, Pemodelan Fisik, Seepage Tank.

Physical Modelling of Water Flow and Contaminant Transport through Saturated Porous and Discrete Heterogeneous Media Using Seepage Tank Abstract Humans have strong independence on water as one of their primary needs. One of the phenomena that should be focused more is the presence of groundwater contamination while at the same time groundwater is utilized as one of the main source of water supply. This undergraduate thesis aims to formulate a physical modeling protocol of contaminant transport through heterogeneous porous media by using seepage tank. Another additional purpose is to improve the function of the existing instrument so that it can be used to perform validation of various mathematical modeling. This physical modeling includes groundwater flow through heterogeneous discrete medium in steady-state conditions as well as contaminant transport in advectiondispersion mechanism that occurs as a result of point-source loading. Keywords: Contaminant Transport, Discrete Heterogeneous Medium, Groundwater Flow, Physical Modelling.

Pendahuluan Hampir semua kegiatan manusia menghasilkan sisa buangan berupa limbah baik limbah organik maupun non organik. Sebagian limbah buangan ini ditemukan berbahaya bagi kesehatan organisme terutama manusia. Hal ini diperparah dengan jumlah penduduk dunia yang terus mengalami peningkatan signifikan sehingga secara langsung akan memperbanyak Universitas Indonesia Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013

2

limbah hasil buangan yang akan dihasilkan. Salah satu permasalahan yang terjadi adalah adanya pencemaran air tanah akibat limbah-limbah buangan ini. Hal ini cukup penting untuk diberi perhatian khusus karena sumber air yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan hidup termasuk air tanah (Rochili, 2006) dan juga mengingat cukup besarnya kebergantungan kita terhadap air tanah. Pemahaman tentang karakteristik aliran air dan transpor pencemar dianggap masih sangat kurang. Hal ini berkaitan dengan lokasinya sendiri yang berada di dalam tanah sehingga tidak bisa diamati secara langsung. Untuk itu diperlukan adanya pemodelan yang bisa digunakan untuk menyederhanakan kejadian ini sehingga nantinya tidak perlu dilakukan pengujian langsung di lapangan dan dapat dengan mudah diketahui hubungan antar parameter yang digunakan dalam pemodelan. Untuk macam dari pemodelan sendiri dibagi menjadi dua, yang pertama adalah pemodelan matematis yang sering diwujudkan berupa program komputer dan juga pemodelan fisik yang diwujudkan melalui percobaan. Pemodelan matematis ini dalam pelaksanaannya menggunakan analisis numerik dimana analisis numerik mempunyai kelemahan yaitu untuk mempermudah penghitungan maka data sebenarnya yang continuous akan diubah menjadi data diskrit dalam artian data sebenarnya yang berupa grafik menerus jika dimodelkan secara numerik maka garis pada grafik akan dipotong-potong menjadi fragmen-fragmen garis lurus. Adanya penyederhanaan data continuous menjadi data diskrit ini akan menghasilkan numerical error. Jika masingmasing fragmen dibagi dalam suatu interval yang cukup besar maka numerical error nya pun akan semakin besar. Sebagai akibat dari adanya numerical error pada pemodelan matematis, maka perlu dilakukan suatu pemodelan fisik sebagai pembanding hasil. Karena pemodelan fisik tidak menggunakan asumsi, maka output yang dihasilkan oleh pemodelan fisik akan sesuai dengan input yang diberikan. Pemodelan fisik sendiri dibagi menjadi 2 yaitu uji lapangan dan uji laboratorium. Dibandingkan dengan uji lapangan maka uji laboratorium yang akan dilakukan ini lebih preferable. Hal ini dikarenakan pada uji lapangan banyak uncontrollable input yaitu faktor-faktor yang tidak diketahui tapi akan berpengaruh terhadap hasil percobaan itu sendiri. Jadi dari masalah ini, uji laboratorium dipilih supaya bisa meminimalisir uncontrollable input tersebut sehingga untuk input yang sama bisa menghasilkan output yang sama juga. Untuk bisa memastikan bahwa percobaan serupa yang menggunakan alat yang sama akan menghasilkan hasil yang konsisten, maka penulis melihat perlu adanya suatu prosedur operasional standar untuk memodelkan aliran air tanah dan transpor pencemar secara fisik dalam hal ini menggunakan seepage tank. Pemodelan fisik menggunakan Seepage tank ini Universitas Indonesia Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013

3

sebelumnya sudah dilakukan, tapi hanya menggunakan satu jenis media berpori (Herlambang, 2012). Untuk itu dalam percobaan kali ini media tanah yang digunakan akan meliputi dua jenis yang berbeda karena kenyataan di lapangan lebih sering ditemukan tanah dalam bentuk heterogen. Tapi dalam pelaksanaannya nanti, lapisan tanah heterogennya akan diatur dalam bentuk terdiskrit dimana pasir campuran yang digunakan berupa kotak-kotak yang akan diatur begitu rupa di antara media pasir jadi tidak berupa lapisan memanjang di dalam Seepage Tank. Dari percobaan ini diharapkan akan didapatkan sebaran tekanan yang didapat dari pembacaan tekanan di ke-32 manometer di belakang tangki yang selanjutnya akan digunakan untuk menggambarkan garis ekipotensialnya. Tujuan selanjutnya adalah mengamati perjalanan pencemar dalam kaitannya dengan mekanisme adveksi dan dispersi. Tinjauan Teoritis Hukum Darcy Hukum Darcy diciptakan oleh seorang insinyur berkebangsaan Perancis yang bernama Henry Darcy pada tahun 1856 saat mendapatkan proyek yang menggunakan pasir sebagai filter pada sebuah water supply. Darcy melakukan percobaan untuk mencari tahu factor yang berpengaruh terhadap kecepatan aliran air saat melewati pasir (Darcy, 1856; Freeze, 1994). Alat percobaan Darcy terdiri dari sebuah pipa dengan inlet dan outlet yang sama dengan dua buah manometer terhubung pada dua titik untuk menentukan nilai hydraulic head (h1 dan h2). Sampel tanah yang digunakan jenuh air (saturated) dan air yang mengalir dalam kondisi tunak (steady) dengan debit sebesar Q.

Gambar 1 Percobaan Darcy Sumber: Elsevier

Universitas Indonesia Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013

4

Dari percobaan ini Darcy menemukan bahwa debit berbanding lurus dengan kehilangan energi (∆ℎ) tapi berbanding terbalik degan jarak dari kedua manometer (∆!). Dan juga dari persamaan Q = A.V didapatkan bahwa debit juga berbanding lurus dengan luas penampang. Dengan menggabungkan hasil percobaan dengan rumus yang sudah ada maka didapatkan suatu persamaan untuk aliran satu dimensi: !=!

∆ℎ ! ∆!

(1)

Dengan Q

= debit aliran (m3/s)

K

= konduktivitas hidrolik media berpori (konstanta, m/s)

dh

= kehilangan energi

ds

= jarak manometer (panjang lintasan air, m)

Konduktivitas Hidrolik (K) Konduktivitas hidrolik menunjukkan kemampuan suatu material dalam meloloskan fluida. Makin besar nilai K (konduktivitas hidrolik) maka fluida akan makin mudah mengalir melalui suatu media berpori. Permeabilitas (k) juga sering disamakan dengan konduktivitas hidrolik (K) selama ini, tapi sekarang permeabilitas digunakan untuk menunjukkan kemampuan intrinsik dari suatu media berpori tanpa ada pengaruh dari fluida yang melewatinya. Sedangkan untuk konduktivitas hidrolik, nilainya tidak hanya ditentukan oleh kemampuan suatu media dalam mengalirkan suatu fluida tapi juga dipengaruhi oleh sifat dari fluida itu sendiri. !" != ! !

(2)

Dimana K

= konduktivitas hidrolik (m/s)

!

= massa jenis fluida (kg/m3)

g

= percepatan gravitasi (m/s2)

!

= viskositas/kekentalan fluida (Ns/m2)

k

= permeabilitas (m2) Dilihat dari persamaan di atas diketahui jika konduktivitas hidrolik dipengaruhi oleh

karakteristik dari media berpori yang diwakili oleh nilai k (permeabilitas) dan juga oleh fluida yang diwakili oleh ! (massa jenis) dan juga ! (viskositas).


5

Koefisien permeabilitas sangat bergantung pada ukuran dari pori-pori, makin besar pori-pori dari suatu media maka akan semakin besar juga nilai dari koefisien permeabilitasnya. Ukuran pori-pori ini sendiri dipengaruhi oleh gradasi butiran partikel, bentuk partikel dan juga struktur tanah. Jadi secara umum, semakin kecil ukuran rata-rata dari partikel tanah, semakin kecil ukuran dari pori-pori, akan semakin kecil nilai koefisien permeabilitasnya (Craig, 1991) seperti bisa dilihat pada tabel 1. Tabel 1 Nilai Konduktivitas Hidrolik Beberapa Jenis Tanah

Pengujian Konduktivitas Hidrolik Nilai dari konduktivitas hidrolik bisa didapatkan dari beberapa metode, bisa melalui metode laboratorium (Falling Head Test, Constant Head Test) ataupun dengan metode pengujian langsung di lapangan (Well Pumping Test, Borehole Test) (Craig, 1991). Namun pada karya tulis ini yang akan dibahas hanya metode laboratorium yang akan dipakai yaitu Constant Head Test. Metode ini digunakan untuk mendapatkan nilai konduktivitas hidrolik dari tanah berbutir kasar. Sampe tanah dimasukkan ke dalam suatu tabung tembus pandang (perpex cylinder) dengan luasan penampang A. Ujung dari sampel tanah diberi filter kasar atau bisa berupa filter kawat. Air dialirkan dari suatu reservoir, tinggi permukaan air dari reservoir ini diatur supaya dalam kondisi konstan sehingga bisa mewakili Constant Head. Selanjutnya diukur debit yang mengalir melalui sampel tanah dengan cara menampung volume air yang keluar dari outlet pada selang waktu tertentu. Dari manometer di samping tabung yang tersambung bisa didapatkan head loss (Δh) yang berupa perbedaan ketinggian permukaan air pada manometer. Dengan menggunakan hukum Darcy, maka didapatkan: !=

!" !ℎ

(3)


6

Dengan K

= konduktivitas hidrolik media berpori (m/s)

L

= tebal sampel tanah (m)

A

= luas penampang sampel tanah (m2)

h

= perbedaan tinggi muka air di manometer (m) Untuk mendapatkan hasil yang lebih aurat, maka percobaan dilakukan beberapa kali

menggunakan debit yang berbeda yang diatur dari tinggi permukaan air di dalam reservoir. Jaringan Aliran Jaringan aliran sebenarnya tidak akan dapat dilihat di lapangan karena jaringan aliran ini hanya merupakan ilustrasi untuk menggambarkan aliran air tanah pada suatu media berpori. Jaringan aliran sendiri terdiri dari 2 macam garis, yang pertama adalah garis aliran (flowline) dan kedua adalah garis ekipotensial (equipotential line). Garis aliran adalah garis semu yang menggambarkan jalur pergerakan dari satu partikel air tanah selama terjadi aliran air tanah pada suatu akifer. Sedangkan garis ekipotensial adalah garis semu yang menghubungkan titik-titik yang mempunyai tinggi tekanan total yang sama (total head). Garis aliran (flowline) seperti telah dijelaskan sebelumnya bisa disebut sebagai suatu kontur kecepatan karena menghubungan titik-titik yang mempunyai kecepatan aliran air yang sama sehingga menggambarkan suatu fungsi aliran pada bidang dua dimensi !(x,z). Selisih antara dua garis aliran yang bisa dinotasikan dengan ∆!. Dari rumus Darcy, secara umum kecepatan aliran bisa ditulis dengan !ℎ !" !ℎ !! = !" = −! !" !! = !" = −!

(4) (5)

dimana vx merupakan kecepatan aliran yang sejajar dengan garis horizontal dan vz merupakan kecepatan aliran yang sejajar dengan garis vertikal. Total head akan mengalami penurunan (∆ℎ) searah dengan vx dan vz, hal inilah yang meyebabkan air tanah bergerak. Karena fungsi !(x,z) juga menunjukkan kecepatan aliran pada suatu tebal tanah maka !ℎ = ∆!. Sama seperti garis aliran, maka garis ekipotensial (equipotential line) juga bisa disebut sebagai suatu kontur tekanan karena menghubungan titik-titik yang mempunyai tekanan yang sama sehingga bisa menggambarkan suatu fungsi tekanan pada bidang dua dimensi ∆!(x,z). Selisih tekanan di antara dua garis ekipotensial bisa dinotasikan dengan ∆!. Perubahan dari tekanan ini merujuk dari hukum Darcy juga akan bisa ditulis !! = !" = −!

!ℎ !"

(6)


7 !! = !" = −!

!ℎ !"

(7)

Gambar 2 Jaringan Aliran Sumber: Craig (1995)

Transpor Pencemar Mekanisme transport pencemar yang menjadi perhatian utama pada pembahasan air tanah adalah adveksi, difusi, dispersi, adsorpsi, biodegradasi, dan reaksi kimia (Bedient, Rifai, Newell (1994). Adveksi adalah pergerakan pencemar bersama dengan aliran air tanah, jadi dalam peristiwa adveksi kecepatan aliran pencemar sama dengan kecepatan aliran air tanah. Difusi adalah pergerakan pencemar karena adanya perbedaan konsentrasi dimana pencemar akan bergerak dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi yang lebih rendah. Dispersi adalah proses gabungan akibat adanya perbedaan kecepatan aliran pencemar pada media berpori, jadi pada peristiwa dispersi terjadi perubahan konsentrasi dari pencemar karena perbedaan kecepatan alirannya. Adsorpsi adalah terurainya pencemar dari suatu sumber saat masuk ke dalam tanah. Biodegradasi adalah penguraian senyawa organic di dalam tanah menjadi karbondioksida CO2 dan air H2O akibat adanya aktivitas mikroba dalam tanah. Tapi dalam pemodelan fisik yang akan dilakukan pada karya tulis ini hanya akan membahas peristiwa adveksi dan disperse yang perbedaannya bisa dilihat pada gambar 3.


8

Gambar 3 (a) Peristiwa Adveksi-Dispersi, dan (b) Peristiwa Adveksi Sumber: Bedient, et al (1994)

Seepage Tank

Gambar 4 Peralatan Seepage Tank Sumber: Instruction Manual Seepage Tank (Armfield, Ltd, 1995)

Keterangan: 1. Tangki Seepage Tank

8. Penyangga

2. Baffle plate (impermeable membrane)

9. Keran penguras

3. Bingkai baja berbentuk U

10. Penguras bak air

4. Bak air

11. Pompa sentrifugal

5. Rak/papan

12. Saklar

6. Kaca

13. Pipa pelimpah

7. Panel aluminium

14. Pipa inlet air

Metode Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan prosedur pemodelan fisik aliran air tanah dan transpor pencemar pada media berpori jenuh heterogen terdiskrit. Selain tujuan tersebut, alat dan prosedur ini juga diharapkan bisa digunakan untuk melakukan validasi terhadap


2

pemodelan matematis. Pemodelan matematis yang akan digunakan sebagai acuan adalah Pemodelan Aliran Air Tanah (Triananda Gusti, 2012) yang bisa dilihat pada gambar 5 dan Pemodelan Transpor Pencemar (Desy Rahayu, 2012) pada gambar 6.

Gambar 5 Tampilan Awal Program Pemodelan Aliran Air Tanah Sumber : Triananda (2012)

Gambar 6 Tampilan Awal Program Transpor Pencemar Sumber : Desy Rahayu (2012)

Agar bisa melakukan validasi, maka ada hal-hal yang perlu diperhatikan sebelumnya. Pertama adalah input yang diberikan. Input apapun yang diberikan ke dalam pemodelan matematis baik berupa variabel ataupun pengaturan kondisi batas dan kondisi awal harus bisa juga diberikan ke dalam pemodelan fisiknya. Hal ini berarti variabel-variabel yang dibutuhkan dalam pemodelan matematis harus bisa diatur sedemikian rupa pada pemodelan fisik dan bisa dikontrol. Begitu juga dengan kondisi batas serta kondisi awal yang diatur pada pemodelan matematis harus bisa diterapkan pada pemodelan fisiknya. Kedua, hal yang harus diperhatikan dalam melakukan validasi adalah pembandingan output yang dihasilkan. Hal ini berarti output yang dihasilkan pada pemodelan matematis harus memiliki format yang sama dengan output yang dihasilkan pada pemodelan fisik. Jika pemodelan matematis Universitas Indonesia Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013

3

menghasilkan hasil akhir berupa gambar, maka pemodelan fisik juga harus mampu menghasilkan output berupa gambar. Jika pemodelan matematis menghasilkan hasil akhir berupa angka, maka pemodelan fisik harus bisa menghasilkan hasil percobaan berupa angka. Dalam melakukan pemodelan fisik tentu saja membutuhkan alat-alat maupun bahan. Alat-alat dan bahan ini pun perlu disiapkan terlebih dahulu sebelum selanjutnya digunakan dalam percobaan. Tahap persiapan ini bertujuan untuk mendapatkan alat dan bahan yang sesuai rencana untuk mengurangi faktor-faktor tidak terduga yang bisa mengganggu hasil percobaan. Sehingga diharapkan akan didapatkan suatu prosedur yang bisa menghasilkan hasil percobaan yang konsisten. •

Prosedur Persiapan Alat dan Bahan 1. Lakukan pemilihan jenis pasir yang akan digunakan sebagai media berpori. 2. Lakukan percobaan menggunakan Constant Head Test untuk menentukan perkiraan perbandingan jumlah tumbukan berdasarkan perbedaan konduktivitas hidrolik yang direncanakan. 3. Siapkan Kayu Pembatas yang digunakan sebagai baffle plate berfungsi sebagai membran tidak lolos air sesuai ukuran seepage tank. 4. Beri lapisan karet di kedua sisi kayu untuk menghindari adanya kebocoran antara kayu dan dinding tangki. 5. Letakkan kedua Kayu Pembatas yang dilapisi bahan tidak lolos air pada kedua batas antara pipa pelimpah dan pasir. 6. Buat campuran pasir dan kaolin dengan perbandingan 9 : 1 berdasarkan massanya. 7. Siapkan Karton Pembatas sebagai pembatas pasir dan pasir campuran saat dilakukan pemadatan dengan dimensi 20 cm x 11 cm (bisa disesuaikan). 8. Masukkan pasir yang tidak dicampur ke dalam alat seepage tank secara berlapis dengan tebal tiap lapis adalah 7,5 cm (bisa disesuaikan). 9. Pada setiap lapis penumpukan pasir, lakukan pemadatan dengan menggunakan Penumbuk yang telah disiapkan sebelumnya. Tumbukan dilakukan dari ketinggian 10 cm sebanyak 3 kali. 10. Untuk segmen yang ingin diisi oleh pasir campuran, beri pembatas pada kedua sisinya dan pasir campuran mulai diisikan setebal 7,5 cm disamakan dengan ketebalan pasir tiap lapisan. Lakukan tumbukan dari ketinggian 10 cm sebanyak 9 kali. 11. Tumbukan untuk pasir berbanding pasir campuran 1 : 3 dilakukan secara bergantian sampai mencapai jumlah tumbukan yang direncanakan (3 tumbukan untuk pasir dan 9


4

tumbukan untuk pasir campuran). Pemadatan di batas antara pasir dan pasir campuran dilakukan secara bergantian supaya kertas karton tidak condong pada salah satu sisi. 12. Penumpukan dan pemadatan pasir dilanjutkan hingga mencapai tinggi yang direncanakan. 13. Isikan air ke dalam bak penampungan di bawah seepage tank. Setelah dilakukan persiapan alat dan bahan maka selanjutnya percobaan pun bisa mulai dilakukan. Percobaan dibagi ke dalam dua jenis, yaitu percobaan aliran air tanah dan pengamatan tanspor pencemar. Langkah-langkah dalam melakukan percobaan untuk masingmasing percobaan dijelaskan di bawah. •

Prosedur Percobaan Aliran Air Tanah Rangkaian kegiatan pemodelan ini diawali dengan pengaturan kondisi pengaliran

steady untuk mendapat data tekanan dan kecepatan sesuai urutan berikut: 1. Atur ketinggian muka air dengan mengatur ketinggian pipa pelimpah di hulu dan hilir. 2. Masukkan selang inlet ke dalam kolom air hulu dan nyalakan pompa. 3. Tunggu hingga air mencapai muka pipa pelimpah hulu dan bacaan manometer stabil. 4. Hilangkan gelembung udara yang terperangkap di dalam manometer di belakang seepage tank. 5. Lakukan pembacaan dan pencatatan manometer. •

Prosedur Pengamatan transpor pencemar Urutan kegiatan yang dilakukan untuk dapat memasukkan model pencemar dan

mengamati penjalarannya meliputi: 1. Siapkan larutan pewarna dengan campuran yang disesuaikan. 2. Rangkai besi penyangga dan alat titrasinya. 3. Rangkaian alat injeksi pewarna dipasang ke atas alat seepage tank. Ujung alat titrasi dimasukkan sedalam 20 mm dari permukaan pasir dan diberi jarak 10 mm dari tepi kaca. 4. (Sebelum rangkaian alat titrasi diatur di atas tangki, reservoir dari alat titrasi sudah diisi terlebih dahulu dengan sedikit air dengan tujuan supaya waktu ujung alat titrasi dimasukkan ke dalam pasir, tidak ada pasir yang masuk karena ada air yang mengalir keluar). 5. Tahan sayap dari besi penyangga titrasi menggunakan beban agar tidak terguling. 6. Masukkan larutan pewarna ke dalam reservoir alat titrasi. 7. Buka keran titrasi perlahan-lahan, sesuaikan dengan kecepatan rembesan aliran air yang terjadi supaya tidak terlalu kecil ataupun terlalu besar. Universitas Indonesia Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013

5

8. Nyalakan timer ataupun alat perekam untuk mencatat pergerakan aliran pewarna dan waktu yang dibutuhkan. 9. Lakukan pengukuran debit aliran dari alat titrasi sebagai masukan data debit injeksi larutan pencemar. Hasil Percobaan •

Pengamatan Tekanan Pada Kondisi Steady Pengamatan pada kondisi steady dilakukan dengan mengatur ketinggian permukaan

air di hulu 44 cm dan di hilir 35 cm. Percobaan dilakukan sebanyak 2 kali sehingga menghasilkan 2 hasil percobaan yaitu gambar 7 menunjukkan hasil dari percobaan 1 sedangkan gambar 8 menunjukkan hasil dari percobaan 2.

Gambar 7 Pola Garis Ekipotensial Percobaan 1 Sumber: Olahan Penulis

Gambar 8 Pola Garis Ekipotensial Percobaan 2


6 Sumber: Olahan Penulis

•

Pengamatan Transpor Pencemar Pengamatan yang dilakukan untuk melakukan pengamatan transpor pencemar

menggunakan percobaan yang sama dengan percobaan untuk pengamatan kondisi steady yaitu dengan mengatur ketinggian air di hulu sebesar 44 cm dan di hilir 35 cm. Percobaan ini pun dilakukan selama 2 kali dengan gambar 9 sebagai hasil percobaan 1 dan gambar 10 sebagai hasil percobaan 2.

Gambar 9 Perjalanan Pencemar Pada Percobaan 2 Sumber : Dokumentasi Penulis

Gambar 10 Perjalanan Pencemar Pada Percoban 2 Sumber : Dokumentasi Penulis

Pembahasan


7

Analisis Percobaan Percobaan diawali dengan menyiapkan seepage tank dan juga pasir beserta pasir campuran kaolin. Kondisi batas tepi kiri dan kanan diatur menggunakan kayu berlapis karet di sisi-sisinya supaya tidak lolos air tetapi ada lubang-lubang kecil di kayu bagian bawah yang bertujuan untuk mengalirkan air dari pelimpah saat percobaan selesai dilakukan. Air di dalam pipa pelimpah ini perlu di alirkan untuk dibuang terlebih dahulu sebelum dilakukan percobaan selanjutya karena air di pi pa pelimpah biasanya akan berwarna merah terkena pewarna yang kalau dibiarkan akan mengganggu percobaan karena ikut merembes ke dalam pasir. Kemudian pasir dan pasir campuran mulai dimasukkan dan dipadatkan tiap-tiap lapisan sampai mencapai ketinggian yang diinginkan. Setelah pasir selesai dipadatkan maka selanjutnya air mulai dialirkan dan ditunggu sampai steady. Kondisi pertama yang diamati adalah tekanan air pada tiap-tiap manometer yang berjumlah 36 buah. Sebelum pembacaan dilakukan harus dipastikan tidak ada gelembung udara lagi di dalam manometer karena bisa menaikkan tekanan air yang terbaca. Dari pembacaan manometer ini bisa dilihat bahwa semakin ke bawah maka tekanan air akan semakin kecil dan juga semakin ke kanan maka tekanan air pun semakin kecil. Hal inilah yang menyebabkan air mengalir ke bawah dan mengalir dari hulu ke hilir. Tapi hal ini hanya berlaku untuk posisi hulu di kanan baffle plate. Untuk posisi hilir yaitu bagian dari seepage tank yang berada di sisi kanan baffle plate, hal yang terjadi adalah sebaliknya. Semakin ke bawah maka tekanan air yang terbaca pada manometer semakin besar, sedangkan semakin ke kanan maka tekanan air akan semakin kecil seperti di posisi hulu. Selanjutnya dilakukan pengamatan transpor pencemar dimana pencemar yang digunakan diwakili dengan pewarna makanan berwarna merah. Pengamatan transpor pencemar ini merupakan lanjutan dari pengamatan sebelumnya untuk mencari hydraulic head pada ke-36 titik sehingga bahan dan alat yang digunakan masih sama dan tidak diubah. Sebelum percobaan maka kembali dilakukan persiapan yaitu larutan pewarna dan juga pemasangan rangkaian alat titrasi ke atas tangki. Yang perlu diperhatikan adalah saat memasukkan jarum injeksi ke dalam pasir maka reservoir dari alat titrasi sudah terlebih dahulu diisi dengan air. Hal ini bertujuan agar saat alat injeksi dimasukkan ke dalam pasir tidak ada pasir yang masuk ke ujung alat injeksi akibat aliran air yang mengalir ke luar. Pasir yang masuk ke alat injeksi ini akan menyumbat jalannya aliran pewarnanya sehingga harus dihindari. Setelah rangkaian alat titrasi diatur sedemikian rupa, beserta ujung alat injeksi sudah berada 1 cm di dalam pasir maka selanjutnya larutan pewarna mulai dimasukkan ke dalam Universitas Indonesia Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013

8

reservoir. Selanjutnya keran alat injeksi diatur supaya larutan pencemar bisa mengalir ke dalam pasir dengan debit yang sesuai. Debit yang terlalu kecil menyebabkan perjalanan dari larutan pewarna tidak terlihat dari permukaan kaca depan tangki, sedangkan jika debit terlalu besar maka larutan pewarna akan meluber ke permukaan atas pasir yang nantinya mengganggu pola aliran pewarna dalam pasir. Saat larutan pewarna meluber maka harus segera dilakukan penyedotan dengan menggunakan selang dan dialirkan keluar. Untuk mengetahui besarnya kecepatan dari aliran pencemar maka dari pola aliran yang dilewati oleh pewarna ditentukan beberapa titik. Selanjutnya dihitung berapa lama waktu yang dibutuhkan oleh pewarna untuk mencapai titik tersebut. Setelah percobaan selesai maka rangkaian alat titrasi disiapkan kembali untuk menghitung berapa debit larutan pewarna yang masuk ke dalam pasir. Oleh karena itu keran di ujung alat injeksi tidak boleh diubah karena akan mengubah debit yang terukur. Pengamatan debit dilakukan dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch sehingga nantinya didapatkan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai volume 5 ml yang selanjutnya bisa digunakan untuk menghitung debit. Analisis Hasil Sebaran garis ekipotensial didapatkan dari hasil pengamatan yang berupa hydraulic head dari ke-36 titik yang dibaca dari manometer di bagian belakang tangki. Dengan menghubungkan titik-titik yang mempunyai head yang sama, maka akan didapatkan garis ekipotensial. Dari garis ekipotensial yang terbentuk baik dari percobaan pertama maupun kedua bisa dilihat kesesuaian tren dengan teori yang ada dimana garis ekipotensial lebih banyak terdapat di hulu daripada di hilir. Kesesuaian dengan teori yang ada ini dibuktikan dengan kesesuaian tren antara hasil percobaan dengan hasil pemodelan matematis menggunakan input yang sama yaitu kombinasi dari konduktivitas hidrolik dan juga specific yield yang menghasilkan sum of square error paling kecil. Garis ekipotensial terlihat lebih banyak berada di hulu, hal ini menandakan bahwa perbedaan head di hulu lebih besar daripada di hilir. Prosedur dari pemodelan fisik yang dihasikan pun cukup konsisten, hal ini bisa dilihat dari sebaran garis ekipotensial dari kedua percobaan yang tidak terlalu jauh perbedaannya. Perbedaan yang terjadi disebabkan oleh perbedaan pelaksanaan percobaan yang disebabkan oleh kesalahan penulis sebagai praktikan saat menjalankan prosedur yang sudah ditetapkan. Selanjutnya percobaan yang dilakukan adalah pemodelan aliran pencemar yang dalam pemodelan fisik ini diwakili oleh pewarna makanan. Pengamatan data dilakukan dengan cara merekam perjalanan ujung pewarna dalam pasir sehingga menghasilkan suatu Universitas Indonesia Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013

9

lintasan yang biasa disebut dengan flowline. Percobaan dilakukan sebanyak dua kali dan kedua percobaan inipun terlihat mampu menghasilkan lintasan pewarna yang memiliki kesamaan tren. Dari hasil percobaan transport pencemar terlihat bahwa dibanding efek dispersi ternyata adveksi lebih mendominasi pola aliran pencemar, hal ini bisa dilihat dari hasil pengamatan yang menunjukkan lintasan pewarna yang memanjang dengan gradasi yang hampir sama dan tipis tidak menyebar ke kanan ataupun ke kiri. Efek adveksi terlihat paling besar saat pewarna mencapai pasir campuran kaolin dimana pewarna terlihat menghindari pasir campuran dan lewat di bawahnya. Hal ini serupa dengan peristiwa air yang melewati pipa dengan diameter berbeda. Makin kecil diameter pipa maka akan semakin besar kecepatan aliran yang terjadi. Hal ini menunjukkan bahwa pasir campuran yang memiliki konduktivitas hidrolik 78.5 kali lebih kecil dari pasir mempengaruhi pola aliran pewarna. Karena nilai konduktivitas hidrolik dari pasir campuran yang sangat kecil maka pasir campuran seolahseolah menjadi lapisan kedap air yang menghalangi aliran pewarna sehingga akhirnya pewarna berbelok ke bagian bawah pasir campuran. Analisis Kesalahan Kesalahan-kesalahan yang mungkin terjadi dalam percobaan ini sehingga mempengaruhi hasil percobaan, antara lain: §

Kesalahan paralaks dalam pembacaan manometer.

§

Adanya gelembung udara maupun pasir-pasir halus yang terperangkap di dalam manometer sehingga menaikkan tekanan yang terbaca.

§

Kondisi pembatas di hulu dan hilir tangki tidak benar-benar impermeable karena ada lubang-lubang kecil di bagian bawah pembatas sehingga dianggap ada tekanan air sebesar tinggi muka air.

§

Ketiadaan manometer di tepat bagian muka hulu dan hilir baffle plate sehingga penggambaran garis ekipotensial pada segmen kiri dan kanan baffle plate tersebut hanya sekedar perkiraan.

§

Debit dari larutan pewarna disesuaikan saat percobaan sedang berjalan, tidak bisa ditentukan dari awal.

§

Kesalahan pengukuran debit pewarna baik dari pembacaan stopwatch maupun pembacaan volume di gelas ukur.

§

Perbaikan mekanisme pergerakan pipa pelimpah supaya lebih mudah digerakkan dan juga tidak terjadi kebocoran saat pipa pelimpah dinaikturunkan untuk memodelkan kondisi unsteady. Dan juga supaya kondisi pembatas bisa dibuat benar-benar kedap air Universitas Indonesia Pemodelan Fisik..., Triandhika Alfrian Hendri Saputra, FT UI, 2013

10

jika dibutuhkan dengan air pada pelimpah dibuang melalui pipa pelimpah yang bisa diturunkan. Kesimpulan Dari pemodelan yang telah dilakukan terhadap aliran air dan transpor pencemar pada media berpori jenuh menggunakan seepage tank, kesimpulan yang dapat diambil untuk menjawab tujuan dari kegiatan ini adalah sebagai berikut: 1. Dari pemodelan fisik aliran air tanah dan transpor pencemar didapatkan suatu prosedur percobaan yang cukup konsisten, terbukti dari kemiripan hasil dari dua percobaan yang dilakukan. 2. Didapatkan gambaran dari sebaran tekanan hidrolik yang memiliki tren serupa dengan teori yang sudah ada, terbukti dari kemiripan tren dengan hasil pemodelan matematis. Hasil pemodelan fisik dan pemodelan matematis menunjukkan persamaan di garis-garis ekipotensial yang terjadi dimana garis ekipotensial terlihat lebih banyak berada di hulu (sebelah kanan baffle plate) daripada di hilir. 3. Di antara dua mekanisme pergerakan pencemar yang diamati yaitu adveksi dan dispersi, ternyata adveksi lebih mendominasi hal ini bisa dilihat dari hasil pengamatan yang menunjukkan lintasan pewarna yang memanjang dengan gradasi yang hampir sama dan tidak menyebar ke kanan ataupun ke kiri. Saran Untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat ada beberapa hal yang disarankan untuk diperbaiki, antara lain: 1. Pembuatan alat pengujian konduktivitas hidrolik yang disesuaikan dengan dimensi segmen-segmen pada seepage tank supaya nilai konduktvitas hidrolik bisa diatur dari awal percobaan bukan hanya menggunakan perkiraan. 2. Penambahan manometer di segmen paling bawah tangki sehingga penggamaran garis ekipotensial pun tidak perlu coba-coba. 3. Penambahan manometer portable di kedua sisi baffle plate untuk membaca tekanan yang terukur di tepat bagian muka hulu dan muka hilir baffle plate. 4. Perbaikan mekanisme pergerakan pipa pelimpah supaya lebih mudah digerakkan dan juga tidak terjadi kebocoran saat pipa pelimpah dinaikturunkan untuk memodelkan kondisi unsteady.


11

5. Penggunaan model pencemar yang memiliki nilai dispersivitas serta koefisien difusi yang jelas. 6. Pembuatan rumus sederhana untuk menentukan hubungan antara ketinggian muka air di hulu dan hilir serta nilai konduktivitas dalam kaitannya dengan penentuan debit pencemar sehingga saat percobaan dilakukan tidak perlu lagi dilakukan pengaturan debit injeksi pencemar secara coba-coba. 7. Penggunakan seepage tank yang tidak terlalu tebal yaitu lebar antara kaca depan dan bagian belakang tangki (diberi pembatas di tengah tangki yang membagi dua bagian). Karena untuk mendapatkan aliran pewarna yang lebih akurat maka injeksi pewarna harus dilakukan pada bagian tengah dari tebal tangki tapi hal ini tidak bisa dilakukan karena aliran pewarna tidak akan terlihat dari kaca depan tangki dikarenakan tebal tangki yang mencapai 11 cm. Daftar Referensi Aji, Herlambang C (2012). Pemodelan Fisik Aliran Air dan Transpor Pencemar Pada Media Berpori Jenuh Menggunakan Seepage Tank. Skripsi, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok. Bedient, Philip B., Rifai, Hanadi S., & Newell, Charies J. (1994). Ground Water Contamination. New Jersey: Prentice Hall Craig, R.F. (1991).Mekanika Tanah (Budi Susilo S., Penerjemah).Jakarta:Penerbit Erlangga Freeze, R. Allan & John A. Cherry (1979). Groundwater. New Jersey: Prentice Hall Instruction Manual Drainage and Seepage tank (1995).Hampshire: Armfield, Ltd Hertanti, Desy Rahayu (2012). Model Transpor Pencemar Air Tanah Dua Dimensi Menggunakan Metode Beda Hingga Untuk Domain Spasial dan metode Runge-Kutta Orde 4 Untu Domain Temporal. Skripsi, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok. Pangestu, Triananda G (2012). Model Matematik Gerak Aliran Air Tanah Menggunakan Penyelesaian Temporal Metode Numerik Runge-Kutta Orde 4. Skripsi, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok. Pedoman Praktikum Mekanika Tanah Laboratorium Mekanika Tanah Departemen Teknik Sipil, Universitas Indonesia Terzaghi, Karl, Peck, R.B., & Mesri G. (1996).Soil Mechanics in Engineering Practice (3rd ed.).New York:John Wiley & Sons, Inc.


Pemodelan Fisik Aliran Air dan Transpor Pencemar Pada Media Berpori Jenuh Heterogen Terdiskrit Menggunakan Seepage Tank

Recommend Documents