SIMULASI NUMERIK MODEL HIDRODINAMIKA 3 DIMENSI DI PERAIRAN TELUK LAMPUNG NUMERICAL SIMULATION 3 DIMENSIONAL HYDRODYNAMIC MODEL IN LAMPUNG BAY Eko Efendi1 1
Program Studi Budidaya Perairan, Fakultas Pertanian Universitas Lampung, Jl. Sumantri Brodjonegoro No 1 Bandar Lampung 35143 Email:
[email protected]
Abstract Hydrodynamic model is very important for simulate global oceanic circulation. Hydrodynamic model can be used to predict the distribution pattern of waste, sedimentation, etc. The aim of this research is to study the pattern circulation of current in the Lampung Bay, using a numerical model. A hydrodynamic model (Estuarine Lake Coastal Model (ELCOM) is applied to simulate the pattern of circulation. The results show that the pattern of currents in the bay head area tend swirling around the head of the bay, while for the area at the mouth of the bay flow patterns are influenced by tides. Keyword: hydrodynamic model, current pattern, tides Abstrak Model hidrodinamika sangat penting untuk mensimulasi pola gerak air secara global. Model hidrodinamika dapat digunakan untuk mengaji pola sebaran limbah, nutrient bah bahan pencemar, sedimentasi dan sebagainya.Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melihat pola arus di Teluk Lampung dengan menggunakan data simulasi model yang divalidasi dengan data observasi. Simulasi model menggunakan model hidrodinamik (Estuarie Lake and Coastal Model-ELCOM) yang dikembangkan oleh Center for Water Research – University of Western Australia. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pola arus di daerah kepala teluk cenderung berputar-putar di sekitar kepala teluk, sedangkan untuk daerah di mulut teluk pola arus banyak dipengaruhi oleh pasang surut. Kata kunci: model hidrodinamika, pola arus, pasang surut.
1999). Pola pasang surut dipengaruhi
1. PENDAHULUAN Terdapat dua musim dominan yang
oleh
Samudera
Hindia
sehingga
menggerakkan siklus musiman di daerah
menghasilkan pasang surut semi diurnal,
studi yaitu musim hujan dan musim
dengan rata-rata kisaran pasang 1,46 m
kemarau. Musim kemarau berhubungan
maka seluruh kolom air selalu tercampur
dengan
muson
karena kedalaman perairan yang relatif
musim
hujan
tenggara,
sementara
berhubungan
dengan
dangkal
(Wiryawan
et
al.,
1999).
muson barat laut. Pola arus musiman
Wiryawan et al. (1999) menyatakan
selama musim kemarau mengalir dari
selama musim hujan kecepatan arus
bagian timur Laut Jawa ke arah barat,
berkisar antara 0,27 ms-1 sampai 0,45
memasuki Samudera Hindia melewati
ms-1. Kecepatan maksimum terjadi pada
Selat Sunda dan
sebagian menuju ke
bulan Desember. Arah arus selama
Laut Cina Selatan. Akibatnya selama
periode ini bergerak tetap ke tenggara.
musim ini perairan Teluk Lampung
Sementara
dipengaruhi oleh massa air yang kaya
kecepatan arus berkisar antara 0,01 ms1
pada
musim
kemarau
nutrien dari Laut Jawa. Sebaliknya pada
sampai dengan 0,36 ms-1 dengan arah
musim hujan arus mengalir dari Laut
barat laut dan kecepatan arus minimum
Cina Selatan ke timur (Laut Jawa) dan
terjadi pada bulan Juli. Kecepatan arus
massa
Hindia
bulanan di luar mulut teluk rata-rata
mengalir menuju Laut Jawa melalui
berkisar antara 0,01 ms-1 sampai 0,045
air
dari
Samudera
Selat Sunda. Selama periode musim
ms-1, kecepatan maksimum terjadi pada
Teluk
Lampung
bulan
massa
air
dari
kecepatan minimum terjadi pada bulan
Samudera Hindia yang miskin nutrien
Maret dan April (Wiryawan et al., 1999).
(Buhring, 2001; Hendiarti et al., 2002).
Secara regional selama musim kemarau
Secara geografis Teluk Lampung berada
massa
pada 5o26’ – 5o50’ LS dan 105o10’ –
dipengaruhi oleh massa air dari Laut
105o53’ BT dengan luas 847 km2. Rata-
Jawa, yang dicirikan dengan nutrien dan
rata kedalaman perairan 17,3 m dengan
klorofil-a yang tinggi, sementara selama
panjang pantai 160 km (Wiryawan et al.,
musim hujan massa air dipengaruhi oleh
hujan
perairan
dipengaruhi
oleh
Januari
air
dan
Teluk
Februari
Lampung
dan
sangat
massa air dari Samudera Hindia yang
dari
relatif rendah nutrien dan klorofil-a
(=54532768,4), sehingga efek Coriolis
(Hendiarti et al., 2002).
(f) dapat diabaikan. Untuk memenuhi
Seiring
dengan
berkembangnya
Radius
kriteria
Deformasi
stabilitas
Rossby
Courant-Friedichs-
metode numerik yang digunakan dalam
Lewy
pendekatan
pergerakan
momentum dengan berdasarkan pada
massa air atau model hidrodinamika di
kedalaman maksimum dan lebar sel
perairan
maka didapatkan langkah waktu dengan
penyelesaian
laut,
dikembangkan
telah
banyak
berbagai
model
(CFL)
yang
t ≤15.65377 detik
tentang model ekosistem, antara lain
dimana:
yang dikembangkan oleh Kawamiya et
∆𝐿
al. (1995); Kishi dan Uchiyama (1995);
dibandingkan
dengan
perairan daerah model (52 m) g
2. METODE
: adalah percepatan gravitasi bumi = 9.81 m/s2
kondisi
alamiahnya.
: adalah lebar sel =x=y=500
𝐻𝑚𝑎𝑘𝑠 : adalah kedalaman maksimum
telah memberikan hasil yang cukup valid jika
(1)
meter
Neumann (2000); serta Edwards et al. (2000). Penelitian tersebut secara umum
;
√(2gHmaks)
dilakukan
Yanagi et al. (1997); Moll (1998);
∆L
∆t ≤
model hidrodinamika. Saat ini telah penelitian
persamaaan
persamaan sebagai berikut :
ekosistem yang digabungkan dengan
banyak
dalam
Maka
langkah
waktu
yang
memenuhi syarat kestabilan CFL adalah 15, 65 detik, tetapi langkah waktu (t) yang digunakan dalam simulasi adalah
Simulasi model hidrodinamika di
15 detik. Daerah model dibagi dalam 85
perairan Teluk Lampung dilakukan pada
x 109 sel dalam bentuk matrik dengan
posisi 5o24'2" - 5o46'26" LS dan
lebar sel (grid) x = y = 500 meter.
105o8'7"-105o37'12' BT (Gambar 1.).
Perubahan kedalaman diatur pada nilai
Dengan menerapkan Radius Deformasi
konstan z = 2 meter, sehinggga jumlah
Rossby, maka dimensi lateral Teluk
grid
Lampung (50.000 m) jauh lebih kecil
tergantung kedalaman perairan.
vertikalnya
akan
bervariasi
kecepatannya. Data batimetri merupakan hasil
digitasi
batimetri
kedalaman
yang
dari
dikeluarkan
peta oleh
Dishidros TNI-AL. Parameter pasang surut digunakan sebagai data masukan di syarat batas terbuka untuk mengetahui proses yang membangkitkan proses hidrodinamika. Data pasang surut yang digunakan Gambar 1: Peta Lokasi Domain Model
sebagai data masukan model adalah data
Syarat batas tertutup merupakan
prediksi pasang surut untuk daerah
daerah yang tidak memungkinkan massa
Bakauheni tahun 2007 yang dikeluarkan
air melewatinya, atau kecepatan dengan
oleh
arah tegak lurus pantai adalah sama
(Dishidros) TNI AL. Data parameter
dengan nol. Syarat batas tertutup dapat
pasang surut bervariasi terhadap waktu
dikatakan juga sebagai daerah yang
dan konstant sepanjang daerah syarat
mememiliki ketinggian lebih dari nol
batas terbuka.
atau merupakan daerah daratan, sehingga berlaku persamaan : ̅ ,V ̅,W ̅ ,)=0 (U
Dinas
Hidro
Oseanografi
Data meteorologis yang digunakan meliputi data arah dan kecepatan angin,
(2)
temperatur udara, radiasi sinar matahari,
Daerah model yang berbatasan
kelembaban relatif, tekanan atmosfer,
dengan laut terbuka merupakan syarat
penutupan awan, dan presipitasi (hujan)
batas terbuka, dimana pada simulasi ini
disajikan pada Gambar 7 dan 8. Data
syarat batas terbuka ditarik sebagai garis
meteorologis diperoleh dari ECMWF
lurus antara daerah Tanjung Tikus di
(European Center for Medium Range
sebelah barat hingga daerah Canti di
Forcasting) yang diunduh dari situs
sebelah timur.
www.ecmwf.int. Data meteorologis ini
2.1 Pengumpulan Data Sekunder
merupakan data analisis ulang dan
Data batimetri diperlukan untuk memprediksi variasi pola arus dan
interpolasi dari data meteorologis yang diperoleh
dari
berbagai
pusat
∂C
pengamatan dan parameter meteorologi dunia. dengan resolusi spasial 2,5o x 2,5o dan interval setiap 3, 6, dan 12 jam pada
∂xj
(8)
Evolusi permukaan bebas (Free Surface Evolution)
ketinggian 10 m diatas permukaan laut
∂
dengan format NetCDF.
∂t
3.6 Desain Model Hidrodinamika
=0
∂
= − ∂x ∫b Uα dz α
(9)
Gesekan angin pada permukaan bebas
Dasar persamaan transpor yang (U∗ )2α = C10
digunakan dalam ELCOM adalah
1 ρ(udara) (Wβ Wβ )2 Wα ρair
persamaan Navier Stokes yang dirataratakan terhadap waktu dengan peratarataan Reynold yang ditulis sebagai
+ Uj
∂Uα
∂t 1 ∂
= −g {
∂
∂xj
+
=0
∂x3
∂C ∂t
+
∂
∂
{K 3
∂C ∂x3
∂
(5)
{K1
∂C ∂x1
permutasi
tensor; ν: viskositas molekular; C:
angin dalam arah β; 𝐶10 : koefisien bulk stress angin pada ketinggian 10 m;(U∗ )α : kecepatan wind shear pada arah α.
(6)
∂x1
komponen
konsentrasi skalar; 𝑊𝛽 : kecepatan vektor
=0
(CUj ) =
ρ’: densitas anomali; ρo: densitas acuan; Coriolis; ϵαβ :
Dasar dan sisi:
∂xj
horizontal; η: tinggi permukaan bebas;
g: konstanta gravitasi; f : konstanta
Transpor skalar
∂x3
(3)
(4)
Ui = 0
(11)
h
komponen ruang; α,β: komponen ruang
Permukaan bebas: ∂Uα
(U∗ )2α
dirata-ratakan atas waktu; i, j, k,m:
Kondisi batas momentum pada
=
dimana, U: kecepatan Reynold yang
Kontinuitas: ∂Uj
Input momentum oleh angin dt
∂xj ∂xα ′ ∂ ∂U ∫ ρ dz} + ∂x1 {ν1 ∂x1α } + ρ0 ∂xα z′ ∂ ∂U ∂ ∂U {ν2 ∂x2α } + ∂x3 {ν3 ∂x3α } − ϵαβ fUβ ∂x2
dUα
Persamaan transpor:
∂Uα
(10)
}+
}+S
Kondisi batas skalar
∂ ∂x2
{K 2
(7)
∂C ∂x2
}+
1. Komponen pasang surut yang telah 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
didapatkan digunakan untuk mengetahui
3.1. Validasi Data Pasang Surut
tipe pasang surut yang terjadi dengan
Analisis
data
pasang
surut
menghitung bilangan Formzahl. Dengan
dilakukan dari hasil pengamatan selama
nilai bilangan Formzahl tersebut maka
15 hari yang berlokasi di Pelabuhan
tipe pasang surut di perairan Teluk
Panjang dilakukan menggunakan metode
Lampung masuk dalam kisaran 0.25 < F
analisis harmonik. Dari hasil analisis
< 1.5, maka dikategorikan memiliki tipe
data pasang surut didapatkan komponen
pasang surut Campuran dominan Ganda.
pasang surut yang disajikan dalam Tabel Tabel 1: Komponen Pasang Surut Parameter Amplitudo Fase Frekuensi
M2 0.305 158.07 1.9323
S2 0.119 289.92 2.000
N2 0.065 32.23 1.8960
K1 0.214 261.23 1.0027
O1 0.093 209.63 0.9295
Sumber: Hasil penelitian diolah
Verifikasi terhadap hasil luaran
pengamatan, sedangkan fase gelombang
model dengan data lapangan disajikan
pasut secara umum memiliki nilai yang
pada Gambar 2. Untuk mengetahui
berhimpitan
tingkat keakuratan antara hasil simulasi
pengamatan dan hasil simulasi. Tingkat
dan data hasil pengamatan dilakukan
keakuratan kedua data yang divalidasi
validasi dengan metode Standard Error
diperoleh hasil nilai Standar Error (SE)
dan metode Root Means Square Error
0.004030 dan nilai Root Mean Square
(RMSE). Hasil verifikasi elevasi pasut
Error (RMSE) 0.099. Nilai SE dan akar
dapat dilihat bahwa pola elevasi dan
kuadrat
amplitudo pasang surut hasil simulasi
menyatakan bahwa semakin kecil nilai
mempuyai
yang diperoleh maka semakin besar
kemiripan
dengan
pola
elevasi hasil pengamatan.
yang
lebih
besar
tengah
galat
data
hasil
(RMSE)
keakuratan atau kemiripan dari kedua
Amplitudo hasil simulasi memiliki nilai
antara
dari
hasil
data tersebut.
meter
2
Data Hasil Pengamatan
Data Hasil Simulasi
1.5 1
1/16/07 0:00
1/15/07 0:00
1/14/07 0:00
1/13/07 0:00
1/12/07 0:00
1/11/07 0:00
1/10/07 0:00
1/9/07 0:00
1/8/07 0:00
1/7/07 0:00
1/6/07 0:00
1/5/07 0:00
1/4/07 0:00
1/3/07 0:00
1/2/07 0:00
0
1/1/07 0:00
0.5
Waktu
Gambar 2: Verifikasi pola elevasi pasang surut antara hasil simulasi dan hasil pengamatan sendiri (komponen arus w), sehingga
4.1.1 Pola Sebaran Arus Hasil
simulasi
model
resultan vektor arusnya (komponen arus
hidrodinamika untuk pola sebaran arus
u-w dan komponen arus v-w) lebih
horizontal disajikan pada Gambar 3,
dominan bergerak ke arah barat-timur
sedangkan pola sebaran arus vertikal
atau utara-selatan daripada ke arah
disajikan pada Gambar 4 dan 5. Hasil
dasar-permukaan kolom air. Magnitudo
simulasi pola sirkulasi arus di Teluk
arus maksimum terjadi pada bulan
Lampung pada saat pasang purnama
Januari
menunjukkan
kondisi
minimum terjadi pada bulan Mei. Secara
pasang tertinggi arus dominan bergerak
umum arus memasuki wilayah teluk di
dari arah selatan menuju utara atau arus
bagian barat teluk di sekitar daerah
bergerak masuk dari mulut teluk menuju
Tanjung Tikus dan sebagian keluar lagi
ke kepala teluk. Sebaliknya pada saat
dari bagian timur di sekitar daerah Canti.
kondisi surut terendah arus cenderung
Sebagian arus juga masuk dan keluar
bergerak dari utara ke selatan atau keluar
melalui bagian tengah mulut teluk, dan
dari teluk.
cenderung berputar berlawanan arah
bahwa
pada
sedangkan
magnitudo
arus
Pola arus vertikal lebih didominasi
jarum jam ketika mendekati kepala teluk
oleh arus longitudinal (komponen arus v)
di sekitar Pulau Tegal. Pola arus ini
dan arus meridional (Komponen arus u)
menyebabkan sebagian besar material
dari pada pergerakan arus vertikalnya
daratan yang terbawa aliran sungai yang
berada di kepala teluk cenderung
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f) Gambar 3: Sebaran pola arus pada bulan Januari (a), Februari (b), April (c), Mei (d), Juli (e) dan Agustus (f). Sebelah kiri menunjukkan pola arus pada kondisi pasang tertinggi dan sebelah kanan pada kondisi surut terendah
berputar-putar
disekitar
kepala
teluk, sedangkan material dari daratan di sekitar Pelabuhan Panjang akan terbawa keluar teluk sepanjang sisi timur teluk.
dengan
metode
semi
implisit
dua
Magnitudo
arus
menunjukkan
langkah.
adanya perbedaan antara arus pada saat
Hasil simulasi oleh Koropitan
pasang tertinggi dan pada saat terendah
(2003) menunjukkan bahwa magnitudo
serta berbeda antara setiap bulannya.
arus pasut pada saat menuju surut
Perbedaan
mencapai ~0.1 m/s pada pasang purnama
disajikan pada Tabel 2.
dan ~0.06 m/s pada saat pasang perbani,
Tabel 2:
sedangkan hasil simulasi yang dilakukan oleh Mihardja dkk. (1995) menujukan pola arus yang sama dengan magnitudo maksimum mencapai 0.05 m/s untuk semua
kondisi
pasut.
Perbedaan
magnitudo dengan hasil simulasi yang dilakukan Mihardja dkk. (1995) diduga karena adanya perbedaan luasan daerah model. Daerah model penelitian ini hampir mencapai mulut teluk, sedangkan model Mihardja dkk. (1995) memiliki daerah model hanya mencapai daerah tengah teluk. Perbedaan dengan hasil simulasi
yang
dilakukan
Koropitan
(2003) diduga karena adanya perbedaan metode
yang
digunakan.
Metode
numerik yang digunakan oleh Koropitan (2003) adalah metode leap-frog dengan perata-rataan kedalaman atau model 2dimensi,
sedangkan
metode
pada
penelitian ini adalah model 3 dimensi
Bulan
manitudo
arus
tersebut
Kisaran magnitudo arus di perairan Lampung pada kondisi pasang purnama Kecepatan Maksimum (m/s)
Kecepatan Minimum (m/s)
Januari 0.51 0.02 Februari 0.55 0.01 April 0.52 0.01 Mei 0.39 0.01 Juli 0.52 0.02 Agustus 0.53 0.03 Sumber : Hasil penelitian diolah
Arah yang Dominan (o) 32 - 354 42 - 270 47 - 262 50 - 235 81 - 270 88 - 272
Pasang tertinggi
Surut Terendah
Agustus
Juli
Mei
April
Februari
Januari
Bulan
Gambar 4:
Pola sebaran arus potongan membujur barat-timur hasil simulasi pada kondisi pasang purnama
Pasang tertinggi
Surut Terendah
Agustus
Juli
Mei
April
Februari
Januari
Bulan
Gambar 5: Pola sebaran arus potongan melintang utara-selatan hasil simulasi pada kondisi pasang purnama
UCAPAN TERIMA KASIH Center for Water Research University of Western
Australia
yang
telah
menyediakan sumber kode pemodelan Estuarine Lake and Coastal Model (ELCOM) v2.2. DAFTAR PUSTAKA Buhring, C. 2001. East asian monsoon variability on orbital and milenial to sub decadal time scale. Ph.D. Thessis.Christian-Albrechts Universitat zu Kiel. Edwards, C. H., H. P. Batchelder and T. M. Powell. 2000. Modelling microzooplankton and macrozooplankton dynamic within a coastal upwelling system. Journal of Plankton research. Vol 22(9): 16191648. Hendiarti, N., H. Siegel and T. Ohde. 2002. Distiction of different water masses in around The Sunda Strait: satelite observation and in situ measurement. Proceeding Vol II. Pan Ocean Remote Sensing Conference (PORSEC): Remote Sensing and Ocean Science for Marine Resources Eploration and Environment, Bali, Indonesia. Pp. 681-686. Kawamiya, M., M. J. Kishi, Y. Yamanak, and N. Suginohara. 1995. An ecological-physical coupled model applied to station papa. Journal of Oceanography, vol 51, pp.635-664. Kishi, M. J. and M. Uchiyama. 1995. A three dimensional numerical model for mariculture nitrogen cycle; case
study in Shizugawa Bay, Japan. Fish Oceanogr. 4:4,pp.303-316. Koropitan, A. F. 2003. Pemodelan ekosistem perairan di Teluk Lampung. Thesis magister Program Khusus Oseanografi, Program Studi Oseanografi dan Sain Atmosfer. Program Pasca Sarjana, Institut Teknologi Bandung. Mihardja, D. K., I. M. Radjawane dan M. Ali. 1995. Studi penyebaran air panas di Tarahan, Lampug. PT. Wiratman dan Assosiates. Jakarta.. Moll, A. 1998. Regional distribution of primary production in the North Sea simulated by a three dimensional model. J. Mar. Syst. (16): 151-170. Neuman, T. 2000. Towards a 3Decosytem model of The Baltic Sea. J.Mar.Syst.(25): 405-419. Wiryawan, B., B. Marsden, H. A. Susanto. A. K. Mahi, M. Ahmad and H. Poespitasari. 1999. Lampung coastal resources atlas. Government of Lampung, Coastal Resources Management Project (CRMP) (Coastal Resources Center, University of Rhode Island) and Coastal and Marine Resource Study (PKSPL) (Bogor Agriculture University). Bandar Lampung. Indonesia 109p. Yanagi, T., K-i. Inoue, S. Montani, and M. Yamada. 1997. Ecological modelling as a tool for coastal zone management in Dokai Bay, Japan.J. Mar. Syst. (13); 123-136.
