PEMODELAN HIDROGRAF SATUAN UNIVERSAL (H2U) PADA BERBAGAI SKALA PETA DASAR BERBASIS SISTEM INFORMASI GEOGRAFIS (Studi Kasus Daerah Aliran Sungai Ciliwung Hulu)
Andi Rinaldi
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2010
SURAT PERNYATAAN Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa segala permyataan dalam tesis saya yang berjudul:
PEMODELAN HIDROGRAF SATUAN UNIVERSAL (H2U) PADA BERBAGAI SKALA PETA DASAR BERBASIS SISTEM INFORMASI GEOGRAFIS (Studi Kasus Daerah Aliran Sungai Ciliwung Hulu) merupakan gagasan ayau hasil penelitian tesis saya sendiri dengan bimbingan ketua dan anggota komisi pembimbing, kecuali yang dengan jelas ditunjukkan rujukannnya. Tesis ini belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar pada program studi sejenis di perguruan tinggi lain. Semua data dan informasi yang digunakan telah dinyatakan secara jelas dan dapat diperiksa kebenarannya.
Bogor, Pebruari 2010
Andi Rinaldi NRP. A235010041
ABSTRACT ANDI RINALDI. Modelling of Universal Unit Hydrograph (H2U) at Various Topographic Map Scales Using Geographic Information System (Case Study of Ciliwung Up Stream Watershed). Under Academic Supervision of HIDAYAT PAWITAN as chairman, and GATOT IRIANTO SUMARDJO as member of advisory committee. The process of precipitation to become run off and reach to watershed outlet consist of two steps: (1) The production function, changing total rainfall into effective rainfall, and (2) transfer function, transforming effective rainfall into hydrograph debit of runoff (hydrograph). Analyzing transfer function using morphologic characteristic known as Geomorphologic Instantaneous Unit Hydrograph (GIUH) and Universal Unit Hydrograph (hidrogrametry unitaire universale / H2U) model. The model was expressed in the form of Instantaneous Unit Hydrograph (IUH) using the probability density function (pdf) based on the travel time of every effective rainfall through hydraulic distances along the stream network to the outlet in the watershed. Watershed morphological characteristics is used as input of the model using base maps which is analyzed by GIS. The research was located in the upstream Ciliwung River. The objective of this study were : (a) to apply GIS in the hidrological model, (b) to evaluate the differences of various morphological characteristics of watershed using DEM which was derived from base maps of scale 1 : 25,000 and 1 : 50,000 using different grid sizes, i.e 25 x 25 m, 50 x 50 m and 100 x 100 m, as the input of simulation models, (c) to verify the accuracy of hydrograph simulation compared to observed hydrograph and also the hydrograph of every simulation using Coefficient of Efficiency (CE) method. The results of this study showed that the use of GIS produced input data for hydrology analysis more accurately, quickly and objectively. The use of various scale of base maps and the grid sizes did not produce significant difference of the morphological characteristics result. The result show that all of the hydrograph simulations derived from an episode rainfall did not significantly affect the values of CE, in other words, different map scales and grid sizes did not influence the results. On the other hand, hydrograph simulation of 7 episode rainfalls compared against the observed hidrograph using CE resulted values ranging between – 1.75 to 0.90. Key Words : CE, DEM, H2U, IUH GIS, Grid and Watershed
RINGKASAN ANDI RINALDI. Pemodelan Hidrograf Satuan Universal (H2U) Pada Berbagai Skala Peta Dasar Berbasis Sistem Informasi Geografis (Studi Kasus Daerah Aliran Sungai Ciliwung Hulu). Dibimbing oleh HIDAYAT PAWITAN sebagai ketua, dan GATOT IRIANTO SUMARDJO sebagai anggota komisi pembimbing. Proses curah hujan menjadi aliran sungai yang sampai di outlet pada daerah aliran sungai (DAS) melalui dua tahap, yaitu: 1. Fungsi produksi, yaitu perubahan dari hujan total menjadi hujan efektif, dan 2. Fungsi alihan yaitu transformasi hujan efektif menjadi hidrograf debit aliran permukaan (hidrograf). Analisis fungsi transfer yang digunakan berbasiskan pada karakteristik morfologi DAS yang dikenal sebagai model Geomorphologic Instantaneous Unit Hydrograph (GIUH) dan Universal Unit Hydrograph (Hidrogrametry Unitaire Universale/H2U). Model tersebut diekspresikan dalam bentuk Hidrograf Satuan Sesaat (HSS) dengan menggunakan fungsi kerapatan peluang (probability density function) dari waktu tempuh hujan efektif yang jatuh di permukaan DAS mengalir sepanjang jaringan hidraulik sampai di outlet. Karakteristik morfologi DAS sebagai masukan model diperoleh dari peta dasar yang dianalisis dengan Sistim Informasi Geografis (SIG). Lokasi objek penelitian adalah DAS Ciliwung Hulu. Tujuan dari penelitian ini adalah : (a) Mengaplikasikan SIG ke dalam model hidrologi, (b) Menilai perbedaan berbagai karakteristik morfologi DAS dengan menggunakan data DEM yang diperoleh dari peta dasar skala 1 : 25.000 dan 1 : 50.000, dengan ukuran grid yang berdeda-beda yaitu 25 x 25 m, 50 x 50 m serta 100 x 100 m, sebagai masukan model simulasi, (c) Menguji akurasi hidrograf simulasi dibandingkan dengan hidrograf pengamatan dan juga hidrograf antar simulasi dengan menggunakan metode statistik koefisien efisiensi (CE). Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan SIG untuk menghasilkan data masukan analisis hidrologi sangat akurat, cepat dan obyektif. Penggunaan peta dasar dengan berbagai skala dan ukuran grid tersebut di atas, tidak menunjukkan perbedaan nilai karakteristik morfologi yang signifikan. Melalui hidrograf pengamatan terhadap 7 (tujuh) kejadian hujan terpilih menunjukkan bahwa hasil analisis hidrograf antar model simulasi tidak memperlihatkan perbedaan yang berarti (signifikan) untuk setiap kejadian hujan, dengan kata lain, perbedaan skala peta dan ukuran grid yang dipergunakan tidak mempengaruhi hasil antar model simulasi. Selain itu, pengujian hasil hidrograf simulasi dengan hidrograf pengamatan memperlihatkan nilai hasil uji CE yang berkisar antara -1,75 sampai 0,90. Kata kunci : CE, DAS, DEM, Grid, HSS, H2U dan SIG
@ Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor (IPB), tahun 2010 Hak cipta dilindungi Undang-Undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah. b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar bagi IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagaian atau seluruh karya tulis ini dalam bentuk apapun tanpa izin IPB
PEMODELAN HIDROGRAF SATUAN UNIVERSAL (H2U) PADA BERBAGAI SKALA PETA DASAR BERBASIS SISTEM INFORMASI GEOGRAFIS (Studi Kasus Daerah Aliran Sungai Ciliwung Hulu)
Andi Rinaldi
Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Pengelolaan Daerah Aliran Sungai (DAS)
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2010
i
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
.………………………………………………
Halaman iii
DAFTAR GAMBAR
………………………………………………
iv
DAFTAR LAMPIRAN
………………………………………………
v
I.
….…………………………………………...
1
1.1. Latar Belakang
………………………………………………...
1
1.2. Tujuan
..……………………………………………….
2
1.3. Hipotesis
……. ……………………………………….....
3
PENDAHULUAN
II. TINJAUAN PUSTAKA
..............……………………………………
4
2.1. Siklus Hidrologi ….. …………………………………………..
4
2.2. Aliran Permukaan (Runoff) ……………………..........................
5
2.3. Pemisahan Hidrograf ...................................................................
7
2.4. Pemodelan Aliran Permukaan …………………………..………
9
2.4.1. Sub Pemodelan Fungsi Produksi .......................................
10
2.4.2. Sub Pemodelan Fungsi Alihan ... .......................................
12
2.5. Metode Fungsi Kerapatan Peluang Klasik....................................
17
2.6. Hubungan Morfologi DAS Terhadap Hidrograf Satuan.…….......
19
2.7. Sisitem Informasi Geografis ……………………………………
20
2.8. Digital Elevation Model (DEM) dan Piranti Lunak DiGem ….....
20
2.9. Analisis Batas DAS dan Jaringan Aliran Hidraulik Buatan……..
22
III. BAHAN DAN METODE PENELITIAN ……..……………………..
24
3.1. Bahan dan Alat
…………………….. ………………………
24
3.1.1. Pengumpulan Data/Bahan ……………………………….
24
3.1.2 Perangkat Keras dan Lunak yang Digunakan ……….......
24
3.2. Metode dan Tahapan Penelitian ………………………………
24
3.2.1. Metode Penentuan Morfologi DAS ……..………………
24
3.2.2. Metode Penentuan Parameter Hidrologi ………………..
28
3.2.3 Metode Simulasi Debit ………………………………….
31
3.2.4 Uji Akurasi Debit Simulasi dengan Pengukuran ………..
32
ii
IV. KEADAAN UMUM DAERAH PENELITIAN ....................................
33
4.1. Lokasi Objek Penelitian ............. ………………………………
33
4.2. Bentuk Wilayah ………………………………………………..
33
4.3. Iklim ……………………………………………………………
36
4.4. Hidrologi dan Morfologi DAS …………………………………
37
4.5. Vegetasi dan Penggunaan Lahan ………………………………
38
4.6. Geologi …………………………………………………………
38
4.7. Tanah …………………………………………………………..
41
V. HASIL DAN PEMBAHASAN ……………………………………….
43
5.1. Parameter Curah Hujan ………………………………………...
43
5.1.1 Curah Hujan Harian ……………………………………..
43
5.1.2 Episode Hujan Tunggal Terpilih ………………………..
44
5.2. Parameter Hidrograf Aliran Pengamatan ………………………
45
5.2.1 Debit dan Lengkung Kalibrasi Aliran Pengamatan ……..
45
5.2.2 Pemisahan Aliran Permukaan dengan Aliran Dasar……..
45
5.3. Hujan Netto Sebagai Masukan Model ….……………………..
46
5.4. Analisis Parameter Panjang Jalur Hidraulik dan Jumlah Isokron
46
5.4.1. Analisis Parameter Panjang Jalur Hidraulik …………….
46
5.4.2. Analisis Jumlah Isokron …………………………………
50
5.5. Analisis Parameter Morfologi DAS dan PDF .………………....
51
5.5.1. Masukan Data DEM .........................................................
51
5.5.2. Analisis Luas DAS ...........................................................
52
5.5.3. Analisis Karakteristik Morfologi DAS dan PDF .............
53
5.6. Uji akurasi hidrograf aliran permukaan ………………………...
61
5.6.1 Uji Akurasi Hidrograf Aliran Permukaan Model Klasik ...
61
5.6.2 Uji Akurasi Hidrograf Aliran Permukaan Model H2U …
67
VI. KESIMPULAN DAN SARAN ………………………………………
73
6.1. Kesimpulan ………………………………………………….....
73
6.2. Saran
……………………………………………………..
73
DAFTAR PUSTAKA
.…………………………………………………..
74
LAMPIRAN
……………………………………………………
76
iii
DAFTAR TABEL Halaman 1
Hubungan antara ukuran sel DEM dan tipe aplikasi hidrologinya
22
2
Proses perolehan curah hujan netto
30
3
Metode convolution debit aliran permukaan
31
4
Komposisi bentuk wilayah daerah penelitian
33
5
Frekuensi hujan harian DAS Ciliwung Hulu periode tahun 1985 – 1998
36
6
Data curah hujan di wilayah DAS Ciliwung Hulu periode 1987-1999
37
7
Debit sungai Ciliwung pada AWLR Katulampa periode 1981 s/d 2000
38
8
Jenis-jenis tanah pada DAS Ciliwung Hulu
41
9
Data jeluk CH harian maksimum (mm) dari 4 stasiun CH
43
10
Jeluk & peluang hujan harian maksimum wilayah DAS Ciliwung Hulu
44
11
Peluang hujan dari 7 episode hari hujan terpilih
44
12
Jumlah grid pada berbagai skala dan ukuran
52
13
Hasil data simulasi luas DAS pada berbagai skala & ukuran grid
52
14
Kriteria akurasi untuk luasan DAS
52
15
Data morfometri DAS Ciliwung Hulu pada berbagai skala dan ukuran grid
54
16
Data Analisis pdf model Klasik dan pdf model H2U
56
17
Uji statistik Coefficient of Efficiency/CE hidrograf aliran permukaan antara hasil pengamatan & simulasi pada berbagai skala peta dan ukuran grid dari 7 episode hujan terpilih dengan model Klasik
65
18
Uji statistik Coefficient of Efficiency/CE hidrograf aliran permukaan antar hasil simulasi pada berbagai skala peta dan ukuran grid dari 7 episode hujan terpilih dengan model Klasik
66
19
Uji statistik Coefficient of Efficiency/CE hidrograf aliran permukaan antara hasil pengamatan & simulasi pada berbagai skala peta dan ukuran grid dari 7 episode hujan terpilih dengan model H2U
71
20
Uji statistik Coefficient of Efficiency/CE hidrograf aliran permukaan antar hasil simulasi pada berbagai skala peta dan ukuran grid dari 7 episode hujan terpilih dengan model H2U
72
iv
DAFTAR GAMBAR Halaman 1
Siklus hidrologi tertutup
4
2
Aliran permukaan dan aliran bawah permukaan dalam sistem terbuka
5
3
Konsep Horton dan Konsep zona kontributif
6
4
Pemisahan hidrograf menjadi dua atau tiga komponen
7
5
Kurva hidrograf satuan
8
6
Ilustrasi transformasi hujan-debit
9
7
Indeks infiltrasi Ф
10
8
Ilustrasi hidrograf satuan berasal dari kejadian hujan
13
9
Sistim ordo sungai menurut Strahler
16
10
Ilustrasi penentuan panjang jalur hidraulik
17
11
Pdf waktu tempuh butir air dan Isokron
18
12
Bentuk DAS dan nisbah percabangan
19
13
Pengaruh kerapatan data DEM merepresentasikan bentuk bumi
21
14
Ilustrasi batas sub-DAS pada berbagai gris dan skala
22
15
Ilustrasi pembuatan jaringan aliran buatan
23
16
Diagram alir tahapan penelitian
25
17
Diagram alir tahapan analisis spasial
26
18
Ilustrasi proses interpolasi
27
19
Peta Lokasi DAS Ciliwung Hulu
34
20
Peta Bentuk Lahan DAS Ciliwung Hulu
35
21
Peta Penggunaan Lahan DAS Ciliwung Hulu
39
22
Peta Geologi DAS Ciliwung Hulu
40
23
Peta Tanah DAS Ciliwung Hulu
42
24
Ilustrasi penambahan jalur aliran hidraulik
47
25
Gambar jaringan sungai DAS Ciliwung Hulu yang asli dan artificial hasil analisis simulasi pada berbagai skala dan ukuran grid
48
26
Pembagian area DAS Ciliwung Hulu berdasarkan garis batas isokron
51
27
Kurva pdf model Klasik dan H2U
59
28
Grafik hasil analisis aliran permukaan pengukuran dan simulasi dari 7 episode hujan terpilih dengan model Klasik
61
29
Grafik hasil analisis aliran permukaan pengukuran dan simulasi dari 7 episode hujan terpilih dengan model H2U
67
v
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1
Data 40 hari hujan terbesar yang menghasilkan tinggi muka air (TMA) > 1 m di AWLR Katulampa dari Januari 2001 s/d April 2002
77
2
Data Curah hujan , debit sungai dan hasil analisis DRO pengamatan serta hujan netto tanggal 1 Oktober 2001
78
3
Data Curah hujan , debit sungai dan hasil analisis DRO pengamatan serta hujan netto tanggal 6 Nopember 2001
80
4
Data Curah hujan , debit sungai dan hasil analisis DRO pengamatan serta hujan netto tanggal 14 Nopember 2001
82
5
Data Curah hujan , debit sungai dan hasil analisis DRO pengamatan serta hujan netto tanggal 18 Januari 2002
84
6
Data Curah hujan , debit sungai dan hasil analisis DRO pengamatan serta hujan netto tanggal 3 Pebruari 2002
86
7
Data Curah hujan , debit sungai dan hasil analisis DRO pengamatan serta hujan netto tanggal 7 Pebruari 2002
88
8
Data Curah hujan , debit sungai dan hasil analisis DRO pengamatan serta hujan netto tanggal 12 Pebruari 2002
90
