PERENCANAAN GOLONGAN PEMBERIAN AIR UNTUK OPTIMISASI PENYALURAN AIR IRIGASI DI DAERAH IRIGASI JATILUHUR MENGGUNAKAN ALGORITMA GENETIK
GANI SOEHADI
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2005
ABSTRACT GANI SOEHADI. The Planning of Block System for Optimizing the Distribution of Irrigation Water in Jatiluhur Irrigation Area by using Genetic Algorithm. Supervised by BAMBANG PRAMUDYA, SETYO PERTIWI dan ERIZAL. The first objective of this research is to obtain a model for optimizing block irrigation as a part of irrigation management. The result is SIMPERA model which can be used in the planning of block irrigation system for irrigating paddy and non-paddy fields. The determination of block irrigation system is influenced by several type of inputs, namely spatial parameters (positions, distances and areas) of tertiary fields from water resources, environment parameters (rain, water availability and soil physics), production cost (machinery, seeds and fertilizer) and labours. Fields areas of each block in planting season were predicted based on historical data of paddy fields areas. The result was then used for allocating tertiary fields on each block as a base for optimizing block areas by utilizing Genetic Algorithm to obtain maximum profit for the irrigation area. Calculation of irrigation water requirement (I) showed that four simulation scenarios (S1, S2, S3 and S4) can save irrigation water compared to scenario based on existing planting pattern (S0). S1 gave about 45% saving, S2 is about 17%, S3 is about 43% and S4 gave about 35% saving on water irrigation requirement compared to S0. Optimization results showed that S1, S2, S3 and S4 are more profitable than S0. S0’s profit was Rp. 2.700.000 per ha per year on average. S1 gave the largest additional profit which was Rp.1.300.000 per ha per year, while S2 gave the least one which was Rp.100.000 per ha per year. This research used Genetic Algorithm’s operators namely elitist selection, uniform crossover and reciprocal exchange mutation. Crossover probability was 0,5 and mutation probability was 0,05. Optimization stopped when the maximum profit unchanged for the last five consecutive iterations. The second objective of this research is to obtain rotation irrigation model to substitute block irrigation system when water availability is less than water irrigation requirement. Durations of rotational irrigation and irrigation intervals are then calculated. Result showed that the area and distance of tertiary fields to water resources give influences on water losses along canals during distribution of water and in turn causes changes in the duration of existing rotation irrigation. On average, the durations of rotation irrigation in upland lowland fields on Jun1 were 47,2 hours and 61,2 hours respectively for each tertiary field. While in Agt2, the duration of rotation irrigation in upland and lowland fields were 59,7 and 79,1 hours respectively for each tertiary fields. The growth stage of plants influences the duration of interval irrigation, because the larger water irrigation requirement, the faster interval irrigation is. The duration of interval irrigation in upland fields on Jun1 and Agt2 were 190,4 and 166,8 hours respectively for each tertiary fields.
ABSTRAK GANI SOEHADI. Perencanaan Golongan Pemberian Air Untuk Optimisasi Penyaluran Air Irigasi di Daerah Irigasi Jatiluhur Dengan Menggunakan Algoritma Genetik. Dibimbing oleh BAMBANG PRAMUDYA, SETYO PERTIWI dan ERIZAL. Tujuan pertama dari penelitian adalah untuk mendapatkan rekayasa model optimisasi golongan pemberian air sebagai bagian dari manajemen irigasi. Untuk itu disusun model SIMPERA, yang dapat digunakan dalam perencanaan pokok sistem irigasi golongan untuk tanaman padi dan palawija. Penentuan golongan pemberian air dipengaruhi oleh beberapa jenis masukan, yaitu spasial (posisi, jarak dan luas) petak tersier terhadap sumber air, lingkungan (curah hujan, debit dan fisika tanah), biaya produksi (mesin dan sarana produksi pertanian) dan tenaga kerja. Berdasarkan data luas tanam terdahulu dilakukan pendugaan luas tanam setiap golongan pada setiap musim tanam. Dari hasil pendugaan luas tanam dan masukan lainnya, ditentukan alokasi petak tersier pada setiap golongan sebagai dasar optimisasi luas golongan menggunakan Algoritma Genetik untuk mendapatkan keuntungan wilayah yang maksimum. Hasil perhitungan kebutuhan air irigasi (I) menunjukkan ke empat skenario simulasi (S1, S2, S3 dan S4) dapat menghemat pemberian air irigasi dibandingkan dengan skenario didasarkan pada pola umum musim tanam yang berlaku saat ini (S0). S1 memberikan penghematan sebesar 45%, S2 sebesar 17%, S3 sebesar 43% dan S4 sebesar 35% bila dibandingkan dengan S0. Hasil optimisasi menunjukkan keuntungan dari S1, S2, S3 dan S4 lebih besar dari keuntungan dengan pola tanam S0. Rata-rata keuntungan S0 adalah Rp 2 700 000 per ha per tahun. S1 memberikan selisih keuntungan terbesar terhadap S0 yaitu Rp 1 300 000 per ha per tahun, sedangkan S2 memberikan selisih keuntungan terkecil yaitu Rp 100 000 per ha per tahun. Operator Algoritma Genetik yang dipergunakan meliputi seleksi elitist, reproduksi (crossover) teknik uniform, dan mutasi reciprocal exchange untuk operator mutasi. Nilai probabilitas crossover sebesar 0,5 dan mutasi sebesar 0,05. Optimisasi dihentikan bila nilai keuntungan maksimum tidak mengalami perubahan dalam lima generasi berturut-turut. Tujuan kedua dari penelitian adalah mendapatkan rekayasa model sistem irigasi rotasi untuk menggantikan sistem irigasi golongan bila ketersediaan air kurang dari kebutuhan irigasi. Hasil penelitian menunjukkan, luas dan jarak petak tersier ke sumber air berpengaruh terhadap kehilangan air selama penyaluran dan pada gilirannya menyebabkan perubahan standar waktu irigasi rotasi. Durasi rata-rata irigasi rotasi di bagian hulu dan hilir pada periode Jun1 adalah 47,2 jam dan 61,2 jam per petak tersier. Durasi rata-rata irigasi rotasi di bagian hulu dan hilir pada periode Agt2 adalah 59,7 jam dan 79,1 jam per petak tersier. Umur tanaman berpengaruh terhadap durasi antar irigasi, karena semakin besar kebutuhan air irigasi, semakin cepat pula durasi antar irigasinya. Durasi antar irigasi di bagian hulu pada periode Jun1 adalah 190,4 jam per petak tersier, sedangkan untuk bagian hulu pada periode Agt2 adalah 166,8 jam per petak tersier.
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Perencanaan Golongan Pemberian Air Untuk Optimisasi Penyaluran Air Irigasi Di Daerah Irigasi Jatiluhur Menggunakan Algoritma Genetik adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Oktober 2005
Gani Soehadi NIM 995105
PERENCANAAN GOLONGAN PEMBERIAN AIR UNTUK OPTIMISASI PENYALURAN AIR IRIGASI DI DAERAH IRIGASI JATILUHUR MENGGUNAKAN ALGORITMA GENETIK
GANI SOEHADI
Disertasi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Departemen Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2005
Judul Disertasi : Perencanaan
Golongan Pemberian Air Untuk Optimisasi
Penyaluran Air Irigasi Di Daerah Irigasi Jatiluhur Dengan Menggunakan Algoritma Genetik Nama
: Gani Soehad i
NIM
: 995105
Disetujui
Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Ir. Bambang Pramudya, M.Eng. Ketua
Dr. Ir. Erizal, M.Agr. Anggota
Dr. Ir. Setyo Pertiwi, M.Agr. Anggota
Diketahui
Ketua Departemen Keteknikan Pertanian
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Syafrida Manuwoto, M.Sc.
Tanggal Lulus :
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jember pada tanggal 23 September 1966 dari ayah Soehadi dan ibu Endang Tyastoeti sebagai putra pertama dari tiga bersaudara. Pendidikan sarjana ditempuh di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri ITS, lulus pada tahun 1991. Pada tahun 1996, penulis diterima di program Master of Information Science pada Department of Computer and Software Engineering UNSW Sydney dan menamatkannya pada tahun 1997. Kesempatan untuk melanjutkan ke program doktor pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian IPB diperoleh pada tahun 1999. Beasiswa pendidikan diperoleh dari Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi. Penulis bekerja sebagai peneliti di Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi sejak tahun 1994 dan ditempatkan di Jakarta. Bidang penelitian yang menjadi tanggung jawab peneliti ialah pengkajian kebijakan difusi teknologi.
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karuniaNya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak September 2003 ini ialah irigasi, dengan judul Perencanaan Golo ngan Pemberian Air Untuk Optimisasi Penyaluran Air Irigasi Di Daerah Irigasi Jatiluhur Menggunakan Algoritma Genetik. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bambang Pramudya M.Eng, Ibu Dr. Ir. Setyo Pertiwi M.Agr, dan Bapak Dr. Ir. Erizal M.Agr selaku komisi pembimbing. Ucapan terima kasih juga kami sampaikan kepada Bapak Dr. Ir. I Wayan Astika M.Agr dan Bapak Dr. Ir. Darmadi SU selaku penguji luar komisi. Disamping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Pimpinan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi atas bantuan yang diberikan selama pendidikan, serta Bapak Endang Kamil dan Bapak Muradih dari Perum Jasa Tirta II Seksi Lemahabang yang telah membantu selama pengumpulan data. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada isteri penulis Diah Handayani, bapak, ibu, serta seluruh keluarga atas segala doa dan kasih sayangnya. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Oktober 2005
Gani Soehadi
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ………………………………………………………...
ix
DAFTAR GAMBAR ……………………………………………………..
xi
DAFTAR LAMPIRAN …………………………………………………..
xiv
PENDAHULUAN ………………………………………………………..
1
TINJAUAN PUSTAKA Pendekatan Sistem ……………………………………………….. Kebutuhan Air Tanaman …………………………………………. Pemenuhan Kebutuhan Air Tanaman ……………………………. Sistem Irigasi …………………………………………………….. Curah Hujan ………………………………………………………. Efisiensi Irigasi …………………………………………………… Kebutuhan Air Irigasi …………………………………………….. Sistem Irigasi Rotasi ……………………………………………… Budidaya Padi dan Palawija ……………………………………… Optimisasi …………………………………………………………
10 12 19 19 24 34 37 37 44 46
ALGORITMA GENETIK Kromosom ………………………………………………………... Representasi ………………………………………………………. Operator …………………………………………………………... Parameter Operator ………………………………………………. Tahapan Algoritma Genetik ……………………………………… Pembentukan Populasi B aru ……………………………………… Pengujian Teknik Operator ………………………………………..
53 53 55 63 65 66 67
METODE Pendekatan Sistem ………………………………………………... Analisis Kebutuhan ………………………………………………. Formulasi Masalah ……………………………………………….. Identifikasi Sistem ……………………………………………….. Pengambilan Data ………………………………………………… Model Optimisasi Pemberian Air Irigasi …………………………. Skenario Analisis ………………………………………………….
68 70 72 73 78 80 100
HASIL DAN PEMBAHASAN Kondisi Umum Wilayah Penelitian ………………………………. Hasil Pengujian Teknik Operator ………………………………… Hasil Optimisasi ………………………………………………….. Perhitungan Kebutuhan Air Irigasi ………………………………..
101 115 121 123
vii
Halaman Analisis Hasil Simulasi Golongan ………………………………... Alternatif Sistem Irigasi Rotasi …………………………………... Sistem Pendukung Keputusan ……………………………………. Pertimbangan Pada Perencanaan SIMPERA ……………………... Rancang Bangun Model ………………………………………….. Operasionalisasi Program SIMPERA …………………………….. Tampilan Program SIMPERA …………………………………….
135 142 158 162 163 174 178
SIMPULAN ……………………………………………………………….
194
SARAN ……………………………………………………………………
195
DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………..
196
LAMPIRAN ………………………………………………………………
203
viii
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Golongan petak tersier (rendeng) sebelum dioptimisasi…………………
203
2 Hasil optimisasi Skenario 1 untuk musim rendeng………………………
207
3 Spesifikasi irigasi rotasi bagian hulu periode Jun1 …………………….
211
4 Spesifikasi irigasi rotasi bagian hilir periode Jun1 ……………………..
212
5 Spesifikasi irigasi rotasi bagian hulu periode Agt1 ……………………..
213
6 Spesifikasi irigasi rotasi bagian hilir periode Agt2 ……………………...
214
7 Alokasi waktu pola tanam untuk setiap skenario ………………………..
215
8 Grafik faktor tanaman (Kc) terhadap usia tanaman ……………………..
218
9 Kode sumber SIMPERA ………………………………………………...
219
DAFTAR TABEL Halaman 1 Indikasi kebutuhan air oleh tanaman d alam berbagai kondisi iklim ……..
13
2 Nilai Kc untuk tanaman padi …………………………………………….
16
3 Nilai Kc untuk tanaman palawija ………………………………………...
16
4 Koefisien tanaman palawija ……………………………………………...
17
5 Hubungan tekstur, kemiringan dan perkolasi ……………………………
19
6 Kelas fisiografik lahan …………………………………………………...
19
7 Pengaruh iklim terhadap kebutuhan air tanaman ………………………...
25
8 Hujan efektif (RE) ………………………………………………………..
33
9 Nilai indikasi efisiensi penyaluran dengan tingkat pemeliharaan baik …..
35
10 Nilai indikasi dari efisiensi pemberian air (Ea) …………………………
36
11 Harga efisiensi untuk tanaman palawija ………………………………...
36
12 Peningkatan keb utuhan tenaga kerja pada produksi beras ………………
45
13 Kebutuhan tenaga kerja pada produksi palawija ………………………..
45
14 Kelas jarak pintu air tersier ke sumber beserta nilainya ………………...
88
15 Penilaian waktu panen untuk petak tersier ………………………………
89
16 P enilaian tingkat ketersediaan saprodi untuk p etak tersier ……………...
90
17 Penilaian tingkat ketersediaan tenaga kerja di daerah irigasi …………...
91
18 Penilaian ketersediaan layanan jasa traktor di daerah irigasi ……………
92
19 Skenario pengujian model optimisasi …………………………………...
99
20 Daerah irigasi yang termasuk wilayah otoritas PJT II …………………..
101
21 Nilai perkolasi pada setiap tahap pertumbuhan tanaman padi …………..
102
22 Nilai pengujian probabilitas mutasi ……………………………………..
117
23 Pengujian teknik crossover ……………………………………………...
118
24 Pengujian teknik seleksi …………………………………………………
119
25 Pengujian teknik mutasi …………………………………………………
120
26 Data luas golongan ………………………………………………………
121
27 Peluang kejadian relatif dan peluang kumulatif dari luas golongan …….
122
28 Nilai awal luas golongan dari hasil inisialisasi ………………………….
123
29 Nilai ETo di wilayah Pengamat Irigasi Cikarang ……………………….
124
ix
Halaman 30 Debit air tersedia di Bendung Cibeet ……………………………………
124
31 Kebutuhan air irigasi menggunakan Skenario 0 ………………………...
125
32 Kebutuhan air irigasi menggunakan S kenario 1 ………………………...
127
33 Kebutuhan air irigasi menggunakan S kenario 2 ………………………...
128
34 Kebutuhan air irigasi menggunakan S kenario 3 ………………………...
130
35 Kebutuhan air irigasi menggunakan Skenario 4 ………………………...
131
36 Hasil simulasi o ptimisasi dan perhitungan keuntungan tiap skenario …..
141
37 Detil jenis masukan proses perencanaan irigasi rotasi …………………..
144
38 Detil proses perencanaan irigasi rotasi ………………………………….
144
39 Pembagian daerah irigasi ………………………………………………..
145
40 File-file yang digunakan dalam Basisdata Irigasi ……………………….
164
41 Spesifikasi perangkat keras dan perangkat lunak ……………………….
177
x
DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Jarak dari inlet tersier ……………………………………………………
20
2 Plot distribusi normal dengan berbagai macam variasi σ ………….……
28
3 Plot distribusi log-normal dengan beberapa nilai standar deviasi ………
29
4 Plot kurva d ata pengamatan ……………………………………………..
31
5 Simpanan genangan air pada padi sawah ………………………………..
43
6 Penentuan durasi antar irigasi untuk tanaman padi ……………………..
44
7 Ruang pencarian …………………………………………………………
46
8 Pengkodean kromosom ………………………………………………….
56
9 Diagram alir seleksi roulette-wheel ……………………………………..
59
10 Ilustrasi crossover 1-point untuk bilangan biner ……………………….
60
11 Kromosom parent untuk ilustrasi crossover 1 -point …………………..
61
12 Kromosom child yang dihasilkan dari crossover 1-point ………………
61
13 Ilustrasi teknik crossover modifikasi …………………………………...
62
14 Ilustrasi metode crossover 1-point menghasilkan kromosom child …….
62
15 Kromosom parent untuk ilustrasi crossover uniform …………………..
63
16 Kromosom child yang dihasilkan dari crossover uniform ……………...
63
17 Ilustrasi proses mutasi …………………………………………………..
64
18 Ilustrasi mutasi reciprocal exchange …………………………………...
64
19 Ilustrasi mutasi creep …………………………………………………...
65
20 Ilustrasi mutasi acak …………………………………………………….
65
21 Tahapan kerja dalam pendekatan sistem ………………………………..
71
22 Diagram sebab akibat optimisasi pemberian air irigasi ………………...
76
23 Diagram masukan keluaran optimisasi pemberian air irigasi …………..
77
24 Wilayah Pengamat Irigasi Cikarang Perum Jasa Tirta II ……………….
79
25 Struktur model optimisasi pemberian air irigasi …………………….….
80
26 Tahapan Algoritma Genetik untuk optimisasi golongan ……………….
81
27 Contoh representasi kromosom P&P …………………………………...
85
28 Prosedur algoritma greedy untuk penentuan golongan …………………
88
29 Struktur organisasi Perum Jasa Tirta II ………………………………… 106
xi
Halaman 30 Manajemen Sistem Irigasi ………………………………………………
107
31 Parameter Temporal-Spasial pada perencanaan strategi pelayanan irigasi ……………………………………………………………………
109
32 Sistem dan mekanisme penentuan kebutuhan air irigasi di Jatiluhur …..
112
33 Struktur organisasi formal kelembagaan irigasi ………………………..
113
34 Perbandingan ETc + P terhadap RE untuk Skenario 1 di Golongan II ...
133
35 Perbandingan kebutuhan air irigasi untuk setiap skenario ……………..
133
36 Konfigurasi petak tersier berdasarkan Skenario 0 ……………………..
136
37 Konfigurasi petak tersier berdasarkan Skenario 1 ……………………..
136
38 Hasil keuntungan dengan menggunakan Skenario 1 …………………..
138
39 Hasil keuntungan dengan menggunakan Skenario 2 …………………..
138
40 Hasil keuntungan dengan menggunakan Skenario 3 …………………..
139
41 Hasil keuntungan dengan menggunakan Skenario 4 …………………..
140
42 Struktur proses perencanaan irigasi rotasi ……………………………...
143
43 Durasi konvensional dan durasi irigasi SS Sukatani ……………………
148
44 Durasi konvensional dan durasi irigasi SS Rengasbendung…………….
149
45 Durasi konvensional dan durasi irigasi SS Rawakuda …………………
150
46 Durasi konvensional dan durasi irigasi SS Gelonggong ……………….
152
47 Durasi konvensional dan duras i irigasi SS Kahuripan …………………
153
48 Durasi konvensional dan durasi irigasi SS Kb Lompong ………………
153
49 Durasi konvensional dan durasi irigasi SS Kendayakan ……………….
155
50 Durasi konvensional dan durasi irigasi SS Kalenderwak ………………
156
51 Durasi konvensional dan durasi irigasi SS Lemahabang ……………….
157
52 Konfigurasi model SIMPERA ………………………………………….
161
53 Struktur menu SIMPERA ………………………………………………
170
54 Rencana operasional SPK SIMPERA …………………………………..
173
55 Arsitektur jaringan komputer SPK SIMPERA …………………………
175
56 Diagram alir model SIMPERA …………………………………………
176
57 Tampilan judul SIMPERA ……………………………………………..
178
58 Tampilan menu utama SIMPERA ……………………………………...
179
59 Memilih submenu Pilih Database ………………………………………
179
xii
Halaman 60 Pesan konfirmasi pemilihan basisdata IRIGASI ……………………….
180
61 Pemilihan submenu Isi Musim Tanam …………………………………
180
62 Pengisian Tahun Musim Tanam ………………………………………..
181
63 Pemilihan submenu Isi Data Lahan …………………………………….
181
64 Pemilihan informasi wilayah …………………………………………...
182
65 Tampilan untuk memasukkan data rencana tanam …………………….
182
66 Tampilan rencana tanam ……………………………………………….
183
67 Pemasukkan atau menampilkan data tanah dan iklim ………………….
183
68 Pemasukan atau menampilkan data pemilik lahan ……………………..
184
69 Pemasukan atau menampilkan data Perkolasi/Efisiensi ………………..
184
70 Pemasukan atau melihat data iklim dan curah hujan …………………...
185
71 Tampilan untuk memilih submenu Isi Data Tanaman………………….
185
72 Pemasukan atau melihat data tanaman …………………………………
186
73 Tampilan untuk memilih submenu Penen tuan Golongan ………………
186
74 Hasil simulasi proses optimisasi penentuan golongan ………………….
187
75 Tampilan hasil proses optimisasi penentuan golongan …………………
187
76 Tampilan hasil penentuan golongan menggunakan SIG ……………….
188
77 Pilihan untuk menampilkan kebutuhan air irigasi ……………………...
188
78 Tampilan Kebutuhan Air Irigasi untuk setiap petak tersier ……………
189
79 Pilihan submenu Estimasi Produksi ……………………………………
189
80 Tampilan Estimasi Produksi untuk setiap periode per petak tersier ……
190
81 Pilihan submenu Irigasi Rotasi …………………………………………
190
82 Proses perhitungan irigasi rotasi ………………………………………..
191
83 Pemilihan submenu Irigasi Rotasi dari menu Display ………………….
191
84 Pilihan untuk menampilkan hasil perhitungan irigasi rotasi ……………
192
85 Tampilan hasil perhitungan irigasi rotasi ………………………………
193
86 Mengakhiri program SIMPERA ……………………………………….
194
xiii
