Pentingnya Monitoring Parameter‐Parameter Hidrograf Dalam Pengelolaan Airtanah di Daerah Karst Dalam Pengelolaan Airtanah di Daerah Karst
TJAHYO NUGROHO ADJI & AHMAD CAHYADI Kelompok Studi Karst Kelompok Studi Karst Fak. Geografi UGM
LATAR BELAKANG
• Untuk Mengelola Sumberdaya Air Karst Perlu Pengetahuan Yang Rinci Pada Sifat‐ Sifat & Karakteristiknya • Terlebih Lagi Akhir‐Akhir Ini Banyak Konflik Antara Konservasi & Budidaya Batugamping • Hidrologi Diharapkan Bisa Menjadi Solusi
URGENSI •
Menyimpan 6,1 x 107 milyar ton karbon (Houghton & Woodwell,1989); Woodwell 1989);
•
1694 x lebih besar daripada kemampuan lautan;
•
11 x 105 x lebih l bih besar b d i d kemampuan daripada k vegetasi;
•
Pembentukan b k lorong l Karst selalu l l butuh b h serapan CO2 baik dari udara atau tanah selama 24 jam terus menerus;
•
Karst Indonesia rawan konflik ekonomis (industri semen, semen dll)
kepentingan
PENDAHULUAN Sifat airtanah di daerah karst berbeda dengan akuifer yang y g dijumpai j p di akuifer lain karena kontrol perkembangan lorong oleh proses pelarutan yang dominan; NON‐KARST ‐ intergranuler
KARST ‐ anisotropis
SIFAT PERMEABILITASNYA
KARST AWAL
KARST BERKEMBANG KARST BERKEMBANG
LORONG DAN SIFAT ALIRANNYA BERKEMBANG PULA
Aliran Diffuse
mengisi SBT secara seragam dan perlahan-lahan melalui retakan berukuran 10-33 - 10 mm sebagai aliran infiltrasi dari zone simpanannya di permukaan bukit karst air tetesan atau rembesan pada ornamen gua debit andalan saat kemarau (satu (satu-satunya satunya)
Aliran Conduit
mengisi SBT dengan cepat berhubungan langsung dengan air permukaan melalui retakan berukuran 102-104 mm atau lebih p ketika hujan j dan mengakibatkan g banjir j p pada dipasok SBT, tidak ada saat kemarau keruh dan bahan pencemar ikut masuk bersama aliran ini
DAN KARST MEMPUNYAI SATU SIFAT ALIRAN LAGI YAITU ALIRAN FISSURE ALIRAN LAGI YAITU ALIRAN FISSURE (retakan berukuran 10‐102 mm)
MAKA
Tipe Karakteristik dalam aliran/lorong mengimbuh mataair atau SBT Diffuse Menyebar Respon lambat terhadap hujan Fissure Percelahan Respon sedang terhadap hujan Conduit Perpipaan pp (lorong) ( g) Sangat cepat dan sensitif terhadap hujan
Kondisi Daerah Tangkapan
Simpanan airtanah
Fracture Intergranuler
Besar dan sepanjang tahun
Fracture Joint
Sedang dan perenial musiman
Banyak y Rendah dan hanya y cekungan tersedia pada saat dengan sinkhole musim hujan dan ponor
SUMBERDAYA AIR KARST TERBAGI MENJADI 3 JENIS: 1 Mataair epikarst 1. Mataair epikarst 2. Mataair non‐epikarst 3. Sungai Bawah Tanah
EPIKARST
SBT NON‐EPIKARST
KARENA PERBEDAAN SIFAT DAN KARAKTERNYA, KARENA PERBEDAAN SIFAT DAN KARAKTERNYA MAKA KRITERIA KERUSAKAN DAN PENGELOLAANNYA JUGA HARUS DIBEDAKAN JUGA HARUS DIBEDAKAN
BAGAIMANA MEMBEDAKAN KARAKTERISTIKNYA
Dengan melihat data hidrograf alirannya • Hidrograf = hubungan antara aliran vs waktu = hubungan antara aliran vs waktu •
Aliran dasar
Aliran dasar
MENGAPA HIDROGRAF..? •
Karakteristik hidrograf merupakan cerminan dari kondisi daerah t tangkapan k permukaannya; k
•
Jika kondisi daerah tangkapan berubah, maka bentuk dan karakter hid hidrograf f akan k berubah b b h pula l
HIDROGRAF MATAAIR EPIKARST
Q puncak Waktu tunda
fluktuasi
Q minimum i i
HIDROGRAF MATAAIR EPIKARST
Ciri-ciri: • • • • •
Respon terhadap hujan lambat Fluktuasi rendah Puncak debit terjadi 1 x dalam 1 tahun Aliran dasar stabil sepanjang tahun Selalu jernih sepanjang tahun
HIDROGRAF MATAAIR NON-EPIKARST Ciri-ciri:
250
0
200
10 20
150
30 100
40
50
50
0 Aug-13
60 Sep-13
Oct-13
Nov-13
Dec-13
Jan-14
Feb-14
Mar-14
Apr-14
May-14
r a i n fa l l (m mm)
Mataair Petoyan, Gunungkidul
d i s c h a r g e (l / s e c )
•Respon Respon terhadap hujan terkadang lambat atau cepat •Fluktuasi kadang rendah atau tinggi •Puncak debit terjadi beberapa kali dalam 1 tahun •Aliran dasar terkadang stabil atau berfluktuasi sepanjang tahun •Terkadang mengalami kekeruhan saat periode hujan
HIDROGRAF SUNGAI BAWAH TANAH
Ciri-ciri: • • • • •
Respon terhadap hujan cepat Fluktuasi tinggi Puncak debit terjadi berulang kali setiap kejadian hujan Aliran dasar berfluktuasi saat periode hujan Selalu mengalami kekeruhan saat periode hujan
SBT Bribin, Gunungkidul
1
APA SEBABNYA..? KONDISI DAERAH TANGKAPANNYA Ini yang dikhawatirkan yang dikhawatirkan berubah
SIMPANAN SIMPANAN AIRNYA
SIFAT ALIRANNYA
APA YANG TERJADI JIKA DAERAH TANGKAPANNYA RUSAK..?
1. BENTUK HIDROGRAF BERUBAH Q
Q
Q
t
Q
t
t
Q
t
t
2. PARAMETER HIDROGRAF JUGA BERUBAH • • • • • •
Debit aliran saat kemarau turun, dan saat hujan naik Respon terhadap hujan menjadi lebih cepat Fluktuasi menjadi lebih besar Puncak debit bertambah banyak pada periode hujan % aliran dasar turun atau bertambah fluktuasinya sepanjang tahun Aliran menjadi keruh atau bertambah keruh saat periode hujan
1400
2016 2017
1200 1000 800 600 400 200 0 Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Oct
Nov
Dec
2 PARAMETER
HIDROGRAF HIDROGRAF UNTUK MERINCI SIFAT AKUIFER KARST
Hidrograf Banjir Seropan
Bribin
Gilap
Ngerong
1. Hidrograf Banjir
2. Konstanta resesi
Sifat dan kecepatan dari masing‐ Sifat dan kecepatan dari masing masing simpanan di akuifer karst untuk melepaskan aliran ke mataair atau SBT
K = konstanta resesi suatu sistem karst Q (t) = Debit pada waktu ke t Q(t0) = Debit pada waktu awal segmen resesi Kemudian jika pada skala semi log rumus ini Kemudian jika pada skala semi‐log rumus ini dianggap linier, maka:
lnQ(t) = ‐ k(t‐t0) + ln Q(t0) Atau
k = ‐1 / t‐t0 ln (Q(t)/Q(0)
Komponen Aliran Permukaan
Komponen Aliran Karst
Nilai Konstanta
Channel flow Channel flow
Conduit
0 05 0,20 0,05 – 0 20
Interflow
Fissure
0,50 – 0,80
Baseflow
Diffuse
0,85 – 0,98
Paramater hidrograf
SBT
Perbandingan
Karakteristik
Kb = 0,996 0 996
> Ngreneng < Bribin
akuifer melepaskan aliran diffuse lebih cepat daripada GUA Bribin tapi lebih lambat d i d GUA Ngreneng daripada N fungsi retakan kecil (diffuse) masih lebih baik dari GUA Ngreneng
Ki = 0,767
< Ngreneng < Bribin
simpanan air pada retakan berukuran menengah (fissure) paling cepat dilepaskan dibanding di GUA Bribin dan Ngreneng
> Ngreneng g g > Bribin
simpanan air pada retakan berukuran besar (conduit) paling lama dilepas oleh akuifer luasan daerah tangkapannya paling kecil dibanding GUA Bribin dan Ngreneng
Tp = 3,03 jam
< Ngreneng < Bribin
jarak tangkapan hujan paling dekat karena berada di bagian hulu
Tb = 36,7 jam
> Ngreneng > Bribin
simpanan diffuse lama dilepas oleh akuifer retakan conduit belum berkembang g sebaik GUA Bribin dan Ngreneng g g
Kb = 0,998
> Ngreneng > Gilap
potensi simpanan diffuse paling baik karena paling lama dilepas oleh akuifer debit masih besar di musim kemarau
Ki = 0,825
Tp = 5,5 jam
< Ngreneng > Gilap p < Ngreneng < Gilap > Ngreneng > Gilap
Tb = 36 36,3 3 jam
> Ngreneng < Gilap
Kc = 0,463 0 463
Kc = 0,332
Gua Gilap
Gua Bribin
simpanan pada retakan fissure relatif paling baik (hampir sama dengan di Ngreneng adanya point recharge saat hujan yang mengimbuh langsung ke sungai, sehingga konstanta resesi saluran besar luas tangkapan hujan paling besar komponen aliran conduit dan diffuse sama-sama dominan pada saat banjir simpanan diffuse lama dilepas oleh akuifer
Parameter Hidrograf Banjir Resume Konstanta Resesi Mataair/SBT
Kc 0.292 - 0.649 SBT Bribin Rerata (0.442) 0 305 - 0.764 0.305 0 764 SBT Ngreneng Rerata (0.581) 0.335 - 0.698 SBT Gilap Rerata (0.524) 0 243 - 0.643 0.243 0 643 Mataair Petoyan Rerata (0.452) 0.718 - 0.959 Mataair Ngerong Rerata (0.901) 0 135 - 0.977 0.135 0 977 Mataair Beton Rerata (0.729)
Ki Kb 0.667 - 0.897 0.995 - 0.999 Rerata (0.795) Rerata (0.998) 0 736 - 0.964 0.736 0 964 0.978 0 978 - 0.998 0 998 Rerata (0.795) Rerata (0.991) 0.038 - 0.894 0.973 - 0.999 Rerata (0.682) Rerata (0.991) 0 506 - 0.957 0.506 0 957 0.993 0 993 - 0.999 0 999 Rerata (0.755) Rerata (0.996) 0.957- 0.999 0.991- 0.999 Rerata (0.972) Rerata (0.994) 0 882 0.987 0.8820 987 0.9750 975 0.998 0 998 Rerata (0.945 Rerata (0.989)
Tp (Jam) Tb (Jam) 3.0 - 9.5 10.0 - 167.0 Rerata (6.4) Rerata (29.9) 2 5 - 7.0 2.5 70 7 0 - 62.0 7.0 62 0 Rerata (4.2) Rerata (27.2) 1.0 - 4.0 7.0 - 30.0 Rerata (2.4) Rerata (12.89) 2 5 - 25.0 2.5 25 0 12 - 86.5 86 5 Rerata (6.8) Rerata (30.9) 6.0 - 11.0 15.3 - 41.3 Rerata (9.0) Rerata (24.9) 6 0 - 11.0 6.0 11 0 15 3 - 41.3 15.3 41 3 Rerata (16.5) Rerata (108.1)
3. Aliran Dasar Diffuse flow secara time-series
Perbandingan antara aliran diffuse diffuse dibagi dengan total aliran secara time series (misal 1 tahun)
No
Waktu banjir
Debit puncak Prosentase Aliran Dasar (lt/dt) (PAD)- dalam % 99 5 99,5 45 08 45,08
Periode hujan Awal
1
13/12/06
2
22/12/06
72,7
55,52
Awal
3
31/12/06
254,3
57,75
Awal
4
16/2/07
101 2 101,2
57 25 57,25
Tengah
5
24/2/07
208,0
51,25
Tengah
6
26/2/07
227,4
58,55
Tengah
7
6/3/07
153,4
79,91
Akhi Akhir
8
9/3/07
96,7
78,18
Akhir
9
14/3/07
81,1
78,92
Akhir
10
19/3/07
137,3
72,75
Akhir
11
21/3/07
100,5
77,20
Akhir
12
23/3/07
381,4 ,
50,88 ,
Akhir
13
7/4/07
182,6
70,33
Akhir
14
10/4/07
261,6
62,94
Akhir
15
11/4/07
142 7 142,7
76 30 76,30
Akhir
16
16/4/07
258,4
73,80
Akhir
4. Respon mataair atau SBT terhadap hujan
Korelasi antara recharge yang berupa variable bebas berupa curah hujan ariable bebas ber pa c rah h jan dengan variabel terpengaruh berupa debit pada mataair atau SBT karst untuk mengetahui perkembangan akuifer karst
CROSS CORRELATION •
Analisis korelasi dua variabel dilakukan untuk mengetahui hubungan dua variabel, yaitu data curah hujan dan debit aliran Mataair Ngeleng;
•
Tujuan dari korelasi tersebut adalah untuk mengetahui gambaran awal arah korelasi kedua variabel tersebut;;
•
Korelasi Silang (Cross-corelation), metode statistik fungsi transfer pada suatu sistem antara variabel x (bebas) dan variabel y (terpengaruh) menggunakan data timeseries (Mulyana 2004) (Mulyana,
Grafik Nilai Korelasi (rxy(k)) Terhadap Time Lag 0.35 0.30
Bribin
Cross Correlation (rxy((k)) C
Gua Gilap 0.25
Mataair Petoyan y
0.20
Mataair Ngerong
0.15
Mataair Beton
0.10
Gua Ngreneng
0.05 0.00 ‐0.05 ‐50 ‐48 ‐46 ‐44 ‐42 ‐40 ‐38 ‐36 ‐34 ‐32 ‐30 ‐28 ‐26 ‐24 ‐22 ‐20 ‐18 ‐16 ‐14 ‐12 ‐10 ‐8 ‐6 ‐4 ‐2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Time Lag (Jam)
Mataair/SBT SBT Bribin SBT Ngreneng SBT Gilap M t i Petoyan Mataair P t Mataair Ngerong Mataair Beton
Metode Cross Correlation Nilai Korelasi g (Jam) ( ) Time Lag (rxy(k)) 6.5 0.09 6.5 0.111 3 0.132 25 2.5 0 248 0.248 8 0.313 5.5 0.091
Mataair/SBT SBT Bribin SBT Ngreneng g g SBT Gilap Mataair Petoyan Mataair Ngerong Mataair Beton
Metode Crosscheck Manual Rerata Periode Musim Hujan Time Awal Tengah Akhir Lag (Jam) 18.2 13.0 23.3 17.0 23.8 23.3 no data 23.6 29.1 22.2 40.0 25.0 2.4 3.9 1.1 1.5 10.0 8.2 no data 8.4 7.3 6.3 2.0 5.2
CROSS CORRELATION • Analisis ini MAMPU menambah pemahaman mengenai sistem akuifer karst dengan mengkomparasikan antara input (curah hujan) dan output (debit) untuk mengetahui (time lag) kenaikan debit mataair dari kejadian hujan; • Hal ini menunjukan bagaimana kondisi perkembangan sistem akuifer dan juga bagaimana kondisi imbuhan masing-masing obyek kajian; • Terdapat p 2 kemungkinan g dari fenomena ini,, ((1)) respon p yyang g lebih cepat menunjukan sudah lebih berkembangnya sistem akuifer yang ada pada masing-masing lokasi. (2) kondisi imbuhan yang memiliki luasan yang lebih kecil dan juga input masukan ke dalam akuifer yang besar menjadikan time travel yang lebih cepat.
5. Derajat karstifikasi wilayah karst
Untuk mengetahui tingkat perkembangan lorong karst di suatu kawasan, pada tahap MUDA, DEWASA, atau , , TUA
Derajat Karstifikasi (Dk) Rumus MALIK VOJTKOVA (2012)
…... resesi aliran diffuse (laminer) …… resesi aliran conduit (turbulen)
Beberapa aliran laminar and turbulent and turbulent bisa dijumpai pada satu mataair yang mencerminkan jenis perkembangan pelorongan di akuifer karst‐nya
Kombinasi jenis aliran pada resesi banjir untuk penentuan perkembangan karst
Menghitung Derajat Karstifikasi (Dk) Rumus MALIK VOJTKOVA (2012)
…... resesi aliran diffuse (laminer) …… resesi aliran conduit (turbulen)
Beberapa aliran laminar and turbulent and turbulent bisa dijumpai pada satu mataair yang mencerminkan jenis perkembangan pelorongan di akuifer karst‐nya
Kombinasi jenis aliran pada resesi banjir untuk penentuan perkembangan karst
Jika karst sudah berkembang dewasa-tua (G. Bribin)
Jika karst muda menuju dewasa (G. Ngerong-Tuban)
Jika karst muda (Mataair Petoyan)
Mataair dan SBT
Derajat karstifikasi
Rumus kurva resesi
Mataair Beton
6,6
Qt = 2.384-0.009t + 3.304 (1-005t)+7.216(1-0.0005t)
Mataair Petoyan
3,7
Qt = + 0.0340.0703t 0.0350.0159t + 0.0680.0555t
SBT Gilap
5,8
Qt = 0.103-0.0256t + 0.183(1-0.145t)
SBT Ngreneng
6,0
Qt = 0.1910.0019t + 0.260(1-0.851t)+ 0.385(1-0.099t)
SBT Seropan
5,2
Qt = 0.2180.0045t + 0.2440.0186t + 0.424(1-0.0365t)
SBT Toto
5,0
Qt = 1.447-0.009t + 1.639(1 1.639(1-0.000019t) 0.000019t)
SBT Bribin
7,7
Qt = 1.847-0.0007t + 1.911(1-0007t)+ 1.936(1-0.0028t)
SBT Ngerong g g
4,8
Qt = 1.447-0.009t + 1.639(1-0.000019t) ( )
Mataair dan SBT
Dk
Kondisi
Beton
6,6
Petoyan
3,7
Gilap
5,8
Ngreneng
6,0
Karstifikasi tingkat dewasa karena pengaruh patahan dan saluran karst terbuka, dengan saluran conduit dan non‐karst karst terbuka, dengan saluran conduit dan non karst yang telah yang telah berkembang dan menuju pada perkembangan muka airtanah freatik secara wilayah Perkembangan jaringan fissure yang belum seragam, mayoritasnya adalah d l h makrofissure k fi t b k dan terbuka d minim i i adanya d saluran l k t karst (conduit). Saat periode banjir ada kemungkinan (langka) terjadi aliran turbulen dalam jangka pendek Mulai adanya y karstifikasi dan p pelarutan batuan karbonat,, dengan g pelorongan yang terbentuk mulai bersifat terbuka, berukuran sedang (fissure), baik dialami oleh batuan yang mudah atau sulit larut di zone freatik. Sifat aliran sedikit dipengaruhi oleh saluran terbuka (conduit) yang saling berhubungan Mulai adanya karstifikasi dan pelarutan batuan karbonat, dengan pelorongan yang terbentuk mulai bersifat terbuka, berukuran sedang (fissure), baik dialami oleh batuan yang mudah atau sulit larut di zone freatik. Sifat aliran sedikit dipengaruhi oleh saluran terbuka (conduit) yang saling berhubungan
6. Hidrokemograf (hubungan debit vs. Kondisi kimia)
Untuk mengetahui variasi hubungan proses kimia yang bertanggung an bertan n jawab ja ab terhadap proses pelarutan karst di suatu wilayah dan hubungannya dengan kualitas airnya
Parameter Hidrograf Aliran
Sifat akuifer karst
Hidrograf banjir (Qmax, Tp, Tb)
Besar kecilnya daerah tangkapan , Hubungan aliran mataair atau SBT, Besar kecilnya simpanan air di akuifer karst, Sifat imbuhan dari akuifer ke SBT atau mataair, Kerentanan akuifer terhadap pencemar dari permukaan
Hidrograf resesi – konstanta resesi (Kb, Ki, Kc)
Sifat akuifer dalam melepaskan aliran diffuse, fissure, conduit, Perkembangan dan dominasi lorong kecil, sedang, besar, Besar kecilnya simpanan air di akuifer karst, Besar kecilnya debit andalan secara timeseries, Prediksi debit andalan pada waktu ke-t, Kerentanan akuifer terhadap pencemar dari permukaan
Pemisahan aliran dasar
Prosentase aliran dasar, Fluktuasi aliran dasar dan aliran cepat secara time series
Hubungan hujan-debit Konstanta resesi ά dan β
Hidrokemograf
Cepat lambatnya respon mataair atau SBT terhadap hujan, Sifat daerah tangkapan dalam menahan air sebelam dilepas, Perkembangan dan dominasi j i lorong jenis l di akuifer, k if K Kerentanan t akuifer k if tterhadap h d pencemar dari d i permukaan Derajat karstifikasi/perkembangan akuifer karst, Dominasi jenis aliran di akuifer karst Lorong yang dominan di akuifer karst, karst Kerentanan akuifer terhadap pencemar dari permukaan Kualitas air karst, Hubungan antara kandungan kimia dominan dengan debit atau aliran dasar, Agresivitas air karst untuk melarutkan batuan gamping, Proses-proses Proses proses kimia yang bertanggung jawab terhadap pelebaran lorong di akuifer karst Kerentanan akuifer terhadap pencemar dari permukaan
