PEMODELAN SALINITAS AIR TANAH DI SURABAYA TIMUR

Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi III Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Pebruari 2006

PEMODELAN SALINITAS AIR TANAH DI SURABAYA TIMUR *)

Ipung Fitri Purwanti*), Ira Mutiara Anjasmara**), Suharmadi***) Jurusan Teknik Lingkungan – FTSP, **) Jurusan Teknik Geodesi – FTSP, ***) Jurusan Matematika - FMIPA [email protected], [email protected], Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Sukolilo – Surabaya 60111

ABSTRAK Air merupakan kebutuhan pokok setiap makhluk hidup. Manusia paling banyak memerlukan air, baik untuk keperluan sehari-hari mupun untuk segala aktivitasnya seperti air minum, irigasi, industri, perkantoran, perhotelan dan lain-lain. Air tanah merupakan sumber air alami yang secara fisik lebih baik kualitasnya dibandingkan dengan air permukaan. Akan tetapi kualitas air tanah di beberapa lokasi akan dipengaruhi oleh kondisi sekitarnya. Penelitian ini mencoba untuk mengidentifikasi lokasi (pemetaan) kadar salinitas air tanah yang ada di Kota Surabaya melalui pembuatan model kemudian dituangkan dalam peta iso salinitas serta menganalisanya terhadap kerentanan jaringan pipa gas. Langkah penelitian ini diawali dengan pengolahan data sekunder, kemudian dilanjutkan dengan pembuatan model salinitas air tanah dan validasi model berdasarkan data primer yang diambil di lapangan. Tahap terakhir adalah pembuatan peta salinitas. Pembuatan model dilakukan dengan metode asimilasi data filter kalman yang melakukan penaksiran dengan cara memprediksi variabel keadaan berdasarkan sistem dinamik stokastik dan selanjutnya berdasarkan data-data pengukuran dilakukan koreksi untuk memperbaiki hasil estimasi. model ini dapat memprediksi besarnya konsentrasi DHL pada waktu (tahun) yang diinginkan. Melalui iterasi pada model ini pula akan dapat diprediksi pada tahun berapa kualitas air tanah suatu lokasi akan berubah, dari payau menjadi asin atau bahkan dari tawar menjadi asin. Lebih jauh lagi, hal ini akan sangat membantu dalam perencanaan pembangunan jaringan perpipaan. Khususnya jaringan perpipaan gas yang sangat rentan terjadi kebocoran dan ledakan sehingga dapat membantu sebagai early warning system dalam upaya minimisasi jumlah korban ledakan pipa gas. Kata Kunci: salinitas, pemodelan, air tanah

PENDAHULUAN Sebagian penduduk di Kota Surabaya masih menggunakan air tanah sebagai sumber air bersihnya. Walaupun sebenarnya kualitas air tanah di Kota Surabaya relatif jelek kualitasnya (asin). Namun demikian karena penyediaan air bersih belum bisa mencukupi seluruh penduduk Kota Surabaya, maka penduduk masih menggunakan air tanah untuk keperluan sehari-hari. Penelitian ini merupakan studi awal dari upaya mengidentifikasi resiko dan pemicu bencana kecelakaan teknologi dan industri dari aspek geologi – geohidrologi. Salah satu aspek geologi-geohidrologi yang mempengaruhi kerentanan jaringan pipa


gas adalah kualitas air tanah di sekitarnya. Air tanah yang mengandung salinitas tinggi dapat mempercepat terjadinya korositas pada pipa, sehingga menimbulkan resiko bocornya pipa gas. Lebih jauh lagi, kebocoran pipa gas dapat menimbulkan ledakan dan mengakibatkan bencana bagi masyarakat. Penelitian ini mengidentifikasi lokasi (pemetaan) kadar salinitas air tanah yang ada di Kota Surabaya melalui pembuatan model dan iso salinitas. Keberadaan air tanah di bawah water table pada batuan dalam kondisi jenuh. Air tanah yang berasal dari permukaan dan meresap ke dalam tanah karena pengaruh gaya gravitasi disebut air meteorik, sedangkan air magmarik adalah air yang terbentuk dari magma. Air formasi atau air fosil (connate water) adalah air tanah yang terjadi karena air tersebut terperangkap sewaktu proses pengendapannya. Air tersebut bisa berasal dari air laut atau air tawar. Siklus hidrologi adalah sirkulasi air yang tidak pernah berhenti dari atmosfir ke bumi dan kembali ke atmosfir melalui kondensasi, presipitasi, evaporasi, dan transpirasi. Pemanasan air samudera oleh sinar matahari merupakan kunci proses siklus hidrologi tersebut dapat berjalan secara kontinu. Air berevaporasi, kemudian jatuh sebagai presipitasi dalam bentuk hujan, salju, hujan batu, hujan es dan salju (sleet), hujan gerimis atau kabut. Pada perjalanan menuju bumi beberapa presipitasi dapat berevaporasi kembali ke atas atau langsung jatuh yang kemudian diintersepsi oleh tanaman sebelum mencapai tanah. Setelah mencapai tanah, siklus hidrologi terus bergerak secara kontinu dalam tiga cara yang berbeda:  Evaporasi / transpirai - Air yang ada di laut, di daratan, di sungai, di tanaman, dsb. kemudian akan menguap ke angkasa (atmosfer) dan kemudian akan menjadi awan. Pada keadaan jenuh uap air (awan) itu akan menjadi bintik-bintik air yang selanjutnya akan turun (precipitation) dalam bentuk hujan, salju, es.  Infiltrasi / perkolasi ke dalam tanah - Air bergerak ke dalam tanah melalui celahcelah dan pori-pori tanah dan batuan menuju muka air tanah. Air dapat bergerak akibat aksi kapiler atau air dapat bergerak secara vertikal atau horizontal dibawah permukaan tanah hingga air tersebut memasuki kembali sistem air permukaan.  Air permukaan - Air bergerak diatas permukaan tanah dekat dengan aliran utama dan danau; makin landai lahan dan makin sedikit pori-pori tanah, maka aliran permukaan semakin besar. Aliran permukaan tanah dapat dilihat biasanya pada daerah urban. Sungai-sungai bergabung satu sama lain dan membentuk sungai utama yang membawa seluruh air permukaan disekitar daerah aliran sungai menuju laut. Elemen-elemen utama yang terkandung dalam air tanah meliputi kation dan anion. Empat kation utama adalah kalsium, magnesium, potassium dan sodium. Sedangkan tiga anion utama adalah bicarbonat, clorida dan sulfat. Elemen-elemen tersebut sebenarnya tidak berbahaya bagi kesehatan, namun demikian adakalanya elemen tersebut mengganggu kualitas air tanah. Misalnya kehadiran sodium dan klorida dalam konsentrasi tinggi merupakan indikasi bahwa air tanah tersebut telah terintrusi oleh air laut. Sehingga air tanah akan terasa asin. Klasifikasi keasinan air tanah berdasar harga salinitas adalah seperti pada Tabel 1.

ISBN : 979-99735-1-1 D-8-2

Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi III Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Pebruari 2006 Tabel 1 Klasifikasi keasinan air tanah berdasar harga salinitas No.

Salinitas, 0/00

Kualitas Air

1. 2. 3. 4.

< 0,5 0,5 – 30 30 – 40 > 40

Tawar Payau Asin Sangat asin

DHL merupakan parameter yang menunjukkan tingkat konduktifitas elektrik suatu air tanah. Nilai parameter ini meningkat seiring dengan banyaknya material terlarut (dissolved material) dalam air tanah. Adakalanya nilai DHL merupakan indikasi hadirnya kontaminan dalam air tanah. Pola penyebaran salinitas air tanah dapat dibedakan atas 2 bagian , yakni daerah air tanah asin / air laut dan daerah air tanah agak payau. Daerah air tanah asin mempunyai daya hantar listrik (DHL) sebesar > 10,0 mmhos/cm dengan penyebaran memanjang relatif searah dengan pola garis pantai. Air tanah yang telah terintrusi air laut memperbesar harga DHL, terutama pada siang hari. Daerah yang air tanahnya agak payau dibatasi oleh harga DHL 0,7 < DHL < 10,0 mmhos/cm. Pada siang hari saat terjadi air laut pasang akan menunjukkan harga DHL yang tinggi di dekat sungai dibandingkan dengan daerah yang lebih jauh dari sungai. Keasinan air tanah di Surabaya timur dan utara lebih dipengaruhi oleh adanya intrusi air laut. Persamaan model matematika untuk salinitas air tanah dapat diturunkan dari beberapa persamaan differensial parsial yaitu : 1. Persamaan adveksi :

J adv  nevC dengan

J adv

Persamaan 1

=Flux perpindahan adveksi

v C ne 2. Persamaan diffusi

= Kecepatan aliran = Konsentrasi = Efektif porosity

:

J difusi   D d

dC dx

Persamaan 2

dengan J difusi = Flux perpindahan massa arah sumbu x

D d = Koeffisien Difusi dC = Gradien konsentrasi ke arah sumbu x dx Filter kalman adalah algoritma rekursif untuk mengestimasi variable keadaan dari suatu system dinamik stokastik. Filter kalman terdiri dari dua langkah algoritma yaitu prediksi dan koreksi. Pada filter kalman, penaksiran dilakukan dengan cara memprediksi variable keadaan berdasarkan system dinamik stokastik dan selanjutnya berdasarkan data-data pengukuran dilakukan koreksi untuk memperbaiki hasil estimasi. Hasil estimasi dimasukkan dalam model untuk mendapatkan prediksi satu langkah ke ISBN : 979-99735-1-1 D-8-3


depan, dan berdasarkan data pengukuran hasil prediksi diperbaiki untuk mendapatkan estimasi yang lebih baik dan seterusnya dilakukan secara terus menerus. Secara umum algoritma kalman filter adalah : Tahap prediksi :

X K 1 ()  AK X K  BK U K PK 1 ()  AK PK A' K G K QK G ' K Tahap koreksi : K K 1  PK 1 (  ) H ' K 1 ( H K 1 PK 1 (  ) H ' K 1  R )  1

PK 1  ( I  K K 1 H K 1 ) PK 1 () X K 1  X K 1 ()  K K 1 ( Z K 1  H K 1 X K 1 ()) Dengan estimasi awal X0 = x0 dan kovariansi kesalahan estimasi awal P0. Dimana PK ( n  n ) adalah matrik kovarian; K K ( n  1) adalah kalman gain. METODE Ide penelitian ini berasal dari pelajaran yang telah diberikan oleh peristiwa tsunami di Aceh, yang sebagian besar warganya tidak mengetahui tentang adanya tandatanda alam akan terjadinya bencana. Kekurangtahuan penduduk dikarenakan tidak adanya informasi tentang struktur geologi daerahnya serta potensi terjadinya gempa dan tsunami. Langkah awal penelitian ini adalah studi literatur sebagai penunjang dalam pelaksanaan penelitian maupun dalam pembahasan hasil penelitian. Selanjutnya pengolahan data sekunder baik berupa peta maupun data. Kemudian dilanjutkan dengan pembuatan model salinitas air tanah Surabaya Timur dan validasi model berdasarkan data primer yang diambil di lapangan. Data primer yang diambil adalah suhu, konsentrasi DHL dan salinitas. Pembuatan peta salinitas dan menganalisa hasil validasi dengan mengacu pada dampak korosifitas pipa gas merupakan tahap akhir dari penelitian ini. HASIL DAN PEMBAHASAN Widodo, 1997 dalam penelitiannya telah mendapatkan konsentrasi DHL di beberapa sumur di wilayah Surabaya Timur seperti tercantum pada Tabel 2. Tabel 2 Konsentrasi DHL di beberapa sumur di Wilayah Surabaya Timur

No.

Lokasi

1. 2. 3. 4.

Kel. Medokan ayu Kel. Gunung anyar Kel. Gunung anyar Kel. Gunung anyar tambak

Kedalaman air tanah (m) 0,0 0,0 0,0 0,0

ISBN : 979-99735-1-1 D-8-4

Konsentrasi DHL 979 925 11834 11915


No. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30.

Lokasi Kel. Gunung anyar Kel. Gunung anyar Kel. Rungkut menanggal Kel. Rungkut menanggal Kel. Rungkut tengah Kel. Rungkut tengah Kel. Rungkut tengah Kel. Rungkut kidul Kel. Rungkut kidul Kel. Wonorejo Kel. Wonorejo Kel. Wonorejo Kel. Medokan ayu Kel. Medokan ayu Kel. Penjaringan baru Kel. Penjaringan baru Kel. Kedung baruk Kel. Kedung baruk Kel. Sukolilo Kel. Sukolilo Kel. Kenjeran Kel. Semolowaru Kel. Medokan semampir Kel. Mulyosari selatan Kel. Mulyorejo Kel. Keputih

Kedalaman air tanah (m) 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Konsentrasi DHL 1291 1067 688 680 437 627 616 463 1250 4750 6250 17370 5250 7200 7800 12370 374 5100 11170 6600 12620 468 9100 3600 2900 477

Sumber : Widodo, 1997

Mekanisme terjadinya intrusi air laut yang diduga menyebabkan salinitas dapat digolongkan menjadi 3 kategori yaitu: 1. Reduksi (penurunan) gradient tanah. 2. Destruksi tanggul (Barrier) yang memisahkan air laut dan air tawar. 3. Polutan dari sisa pembuangan yang menutupi permukaan aquifer. Pada intrusi air laut ini, air akan menyebar dan bercampur dengan air tawar sehingga ada zona transisi antara keduanya dikarenakan pengaruh dari dispersi hydrodinamik. Melalui zona ini air akan berubah dari tersalinasi menjadi air tawar. Lebar dari zona transisi pada area pantai yang dihitung dengan beberapa penelitian menunjukkan sangat bervariasi. Pada beberapa area, lebar dari zona transisi mungkin hanya berkisar 10m sehingga dapat diabaikan jika dibandingkan dengan ketebalan aquifer. Pada area lain lebar dari zona transisi mungkin mencapai 100m dengan tidak menutupi lokasi interface. Untuk zona transisi sempit (10m), maka dalam masalah intrusi air laut perlu diketahui lokasi interface, sedangkan untuk zona transisi cukup lebar (100m) perlu diketahui lokasi zona transisi dan distribusi konsentrasi garam pada zona tersebut. ISBN : 979-99735-1-1 D-8-5


Pada masalah ini terjadi fenomena adveksi dan dispersi ke arah sumbu x dan sumbu z dengan sumbu x arah horisontal dan sumbu z adalah arah vertikal. Pada intrusi air laut ini, persamaan – persamaan yang dapat dibangun adalah: 1. Persamaan adveksi – dispersi

 C C    C C    C  DXZ  DZZ  DXX    DZX    X C    Z C   x  x z  x  x z  x z t 2. Persamaan kontinuitas incompresible fluida

  ( V X )  ( VZ )   x  z  = 0   3. Persamaan Perpindahan

VX  

k  ( ) n  x

VZ  

k  (  g ) n z

4. Persamaan Keadaan    0  EC

 0 adalah densitas air laut, E diambil 0,7 dan C adalah konsentrasi garam yang dideterminasi melalui persamaan Adveksi – Dispersi dan viskositas  diasumsikan konstan. Dengan demikian , untuk menghitung variabel konsentrasi garam digunakan persamaan Adveksi – Dispersi sebagai model distribusi garam pada intrusi air laut   C C  dengan C menunjukkan laju perubahan konsentrasi garam,  D XZ  D XX  x  x z  t menunjukkan perubahan konsentrasi garam akibat dispersi longitudinal ke arah x,   C C   D ZZ  D ZX  menunjukkan perubahan konsentrasi garam akibat dispersi ke x  x z  arah z,   X C  menunjukkan perubahan konsentrasi garam akibat adveksi ke arah x, x

  Z C  menunjukkan perubahan konsentrasi garam akibat adveksi ke arah z. z Pendiskritan model distribusi garam pada intrusi air laut ini dilakukan dengan menggunakan pendekatan numerik beda hingga, menjadi:

Ci , j ,k  (q  r )Ci 1, j ,k  (1  2q  2s)Ci , j ,k  (q  r )Ci 1, j ,k  (s  t )Ci , j 1,k  (s  t )Ci , j 1,k 

uC i 1, j 1,k  uC i 1, j 1,k  uC i 1, j 1,k  uC i 1, j 1,k Penyelesaian akan stabil jika : ( 1- 2q – 2s ) 0 ISBN : 979-99735-1-1 D-8-6


Misalkan pada perhitungan ini digunakan x adalah 4000m, dan y adalah 2000m kecepatan rata – rata fluida (V) adalah 10-8 m/dt koefisien dispersi adalah 2,03.10-9 m2 /dt maka nilai dt dapat diperoleh dari : 2q + 2s = 1 2(

2

Dt Dt )+2( )=1 2 (x) (z ) 2

(2,03.10 9 m 2 / dt )t (2,03.10 9 m 2 / dt )t + 2 =1 (4000m) 2 (2000m) 2 t = 7,8 . 10-14

Perubahan waktu untuk setiap iterasi t berada pada interval: 0  t  7,8 . 10-14 Selanjutnya hasil pendiskritan pada persamaan tersebut akan dibuat menjadi bentuk sistem ruang keadaan dengan nilai i (banyaknya pendiskritan ke arah horisontal) dan j (banyaknya pendiskritan ke arah vertikal) tertentu, sehingga diperoleh sistem deterministik. Validasi model dilakukan dengan melakukan pengukuran konsentrasi DHL pada beberapa lokasi yang dipilih secara acak. Data primer tersebut dibandingkan dengan besarnya nilai konsentrasi DHL hasil iterasi model. Parameter yang diukur adalah konsentrasi salinitas dan konsentrasi DHL. Pengukuran salinitas dan DHL menggunakan alat EC meter. Tabel 3 menunjukkan hasil pengukuran di lapangan dan Gambar 1 menunjukkan konsentrasi DHL untuk beberapa lokasi yang dipilih berdasarkan iterasi model. Tabel 3. Konsentrasi DHL dan salinitas di beberapa sumur di Wilayah Surabaya Timur

No.

Lokasi

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Kel. Medokan ayu Kel. Gunung anyar Kel. Gunung anyar tambak Kel. Rungkut menanggal Kel. Kedung baruk Kel. Kenjeran Kel. Semolowaru Kel. Mulyosari selatan Kel. Mulyorejo Kel. Keputih

Kedalaman Konsentrasi air tanah DHL (m) 0,0 1500 0,0 2710 0,0 7103 0,0 1435 0,0 1854 0,0 1095 0,0 1558 0,0 7820 0,0 1237 0,0 1214

ISBN : 979-99735-1-1 D-8-7

Salinitas 2,80 1,34 3,51 0,79 0,95 0,39 0,78 3,92 0,57 0,60


Gambar 1 Iso konsentrasi DHL pada beberapa lokasi

Pada Gambar 1 terlihat bahwa semakin ke timur besarnya konsentrasi DHL akan semakin besar. Ini berarti semakin ke timur air tanah akan semakin asin. Suatu air dikatakan tawar bila angka DHL menunjuk pada hasil < 1000. Sedangkan air dikatakan asin bila konsentrasi DHL melebihi 10000. Selain itu dengan bantuan model ini dapat diprediksi besarnya konsentrasi DHL beberapa tahun kemudian. Melalui iterasi pada model ini pula dapat diprediksi pada tahun berapa kualitas air tanah suatu lokasi akan berubah, dari payau menjadi asin atau bahkan dari tawar menjadi asin. Lebih jauh lagi, hal ini akan sangat membantu dalam perencanaan pembangunan jaringan perpipaan. Khususnya jaringan perpipaan gas yang sangat rentan untuk terjadi kebocoran dan ledakan. Dalam hal ini model ini diharapkan dapat membantu sebagai early warning system dalam upaya minimisasi jumlah korban ledakan pipa gas. KESIMPULAN 1. Kualitas air beberapa sumur di wilayah Surabaya Timur merupakan air payau yakni besarnya konsentrasi DHL antara 1000 – 10000 dan nilai salinitas pada rentang 0,5 hingga 30. 2. Pembuatan model akan sangat membantu dalam perencanaan pembangunan jaringan perpipaan yakni dapat mengetahui life time jaringan perpipaan gas yang sangat rentan untuk terjadi kebocoran dan ledakan. sebagai early warning system dalam upaya minimisasi jumlah korban ledakan pipa gas DAFTAR PUSTAKA Ames, William F, 1977, Numerical Method For Differential Partial Equation, Second Edition, Academic Press.Inc, San Diego, California. Burrough, Peter A., 1998, Principles of Geographical Information Systems, Oxford University Press Inc., New York Danaryanto, 1991, Parameter Akifer dan Aliran Air tanah, Direktorat Geologi Tata Lingkungan, Bandung. Freeze RA, dan Cherrty, Ja. 1979, Groundwater, Prentice Hall Inc, Englewood Cliffs http://www.lablink.or.id/Hidro/Siklus/air-siklus.htm diakses tanggal 3 Juni 2005 jam 14:39 WIB ISBN : 979-99735-1-1 D-8-8


Lewis L. Frank, 1986, Optimal Estimation, John Wiley & Sons.Inc, Canada. Malczewski, J., 1999. GIS and Multicriteria Decesion Analysis. John Wiley and Sons, New York Ne-Zheng, Sun, 1989 Mathematics Modeling of Groundwater Pollution, Geological publishing house, Beijing, People Republic of China. Prahasta, Eddy, 2001. Konsep-konsep Dasar Sistem Informasi Geografis. Penerbit Informatika, Bandung Sudidadi dan Masdjuli, 1988, Survey Potensi Air Tanah Daerah Surabaya dan Sekitarnya, Propinsi Jawa Timur, Direktorat Geologi Tata Lingkungan Bandung. Tchobanoglous, G., and Schroeder, E.D., 1985, Water Quality, Addison – Wesley Publishing Company Todd.K.David, Mays.W.Larry, 2005, Groundwater Hydrology, John Wiley & Sons,Inc. New York. Voorrips, Aart, 1998, Sequential Data Assimilation Methods For Ocean Wave Models, Universal Press ,Technische Univesiteit Delft. Warsito, D. dan Fauzi M, 1998, Konservasi Air Tanah Daerah Surabaya-Pasuruan dan sekitarnya, Direktorat Geologi Tata Lingkungan Bandung. Widodo, A., Mardianto, A., Santosa, H., dan Sitowati, 1997, Sistem Resapan Air Buatan Di Wilayah Surabaya Timur dan Utara Kotamadya Daerah Tingkat II Surabaya, Laporan Penelitian, Puslit KLH – LP - ITS. -----, Studi Sistem Resapan Air Buatan di Kotamadya Daerah Tingkat II Surabaya, Pemerintah Kotamadya Daerah Tingkat II Surabaya, Badan Perencanaan Pembangunan Daerah. ------, 1998/1999, Rencana Tata Ruang Wilayah Kotamadya Daerah Tingkat II Surabaya, Pemerintah Kotamadya Daerah Tingkat II Surabaya, Badan Perencanaan Pembangunan Daerah

ISBN : 979-99735-1-1 D-8-9


PEMODELAN SALINITAS AIR TANAH DI SURABAYA TIMUR

Recommend Documents