II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Irigasi Curah Irigasi curah (sprinkle irrigation) disebut juga overhead irrigation karena pemberian air dilakukan dari bagian atas tanaman terpancar menyerupai curah hujan (Prastowo, 2002). Air disemprotkan dengan cara mengalirkan air bertekanan melalui orifice kecil atau nozel. Tekanan biasanya didapatkan dengan pemompaan. Untuk mendapatkan penyebaran air yang seragam diperlukan pemilihan ukuran nozel, tekanan operasional, spasing pencurah dan laju infiltrasi tanah yang sesuai. Beberapa keuntungan irigasi curah dalam Prastowo (2002) antara lain: 1.
Efisiensi pemakaian air cukup tinggi
2.
Dapat digunakan untuk lahan dengan topografi bergelombang dan kedalaman tanah (solum) yang dangkal, tanpa diperlukan perataan lahan (land grading).
3.
Cocok untuk tanah berpasir yang laju infiltrasi cukup tinggi.
4.
Aliran permukaan dapat dihindari sehingga memperkecil kemungkinan terjadinya erosi.
5.
Pemupukan terlarut, herbisida dan fungisida dapat dilakukan bersama-sama dengan air irigasi.
6.
Biaya tenaga kerja untuk operasi biasanya lebih kecil daripada irigasi permukaan
7.
Dengan tidak diperlukannya saluran terbuka, maka tidak banyak lahan yang tidak dapat ditanami, tidak mengganggu operasi alat dan mesin pertanian. Beberapa kelemahan irigasi curah dalam Prastowo (2002) antara lain:
1.
Memerlukan biaya investasi dan biaya operasional yang tinggi, antara lain untuk operasi pompa air dan tenaga pelaksana yang terampil.
2.
Perancanan dan tata letaknya harus teliti agar diperoleh tingkat efisiensi yang tinggi. Komponen penyusun irigasi curah adalah (Prastowo, 2002):
1. Sumber air irigasi, dapat berasal dari mata air, sumber air yang permanen (sungai, danau, dan sebagainya), sumur, atau suatu sistem suplai regional.
2. Sumber energi untuk pengairan, dapat berasal dari gravitasi, pemompaan pada sumber air, atau penguatan tekanan dengan menggunakan pompa penguat tekanan (booster pump). 3. Jaringan pipa, terdiri dari: a. Lateral, yaitu pipa yang merupakan tempat diletakannya pencurah. Pipa lateral biasanya tersedia di pasaran dengan ukuran panjang 5, 6 atau 12 meter setiap potongnya. Setiap potongan pipa dilengkapi dengan quick coupling untuk mempermudah dan mempercepat proses menyambung dan melepas pipa. b. Manifold, yaitu pipa yang merupakan tempat dihubungkannya pipa lateral. c. Valve line, yaitu pipa yang merupakan tempat diletakannya katup air. d. Supply line, yaitu pipa yang menyalurkan air dari sumber air. Skema umum jaringan irigasi curah diperlihatkan pada Gambar 2. Stasiun pompa
Hydrant Pipa utama Pencurah
Lateral Gambar 2. Skema jaringan irigasi curah (Prastowo, 2002). Pipa manifold dapat dibuat permanen di atas atau di bawah permukaan tanah, dapat pula berpindah (portable) dari satu lahan ke lahan yang lain. Pipa beton tidak cocok untuk tekanan tinggi. Untuk pipa manifold yang berpindah, pipa biasanya terbuat dari almunium. Sedangkan untuk pipa manifold yang ditanam, umumnya dipasang pada kedalaman 0,75 m di bawah permukaan tanah. Pipa manifold berdiameter antara 75 – 200 mm. Pipa lateral berdiameter lebih kecil dari pipa manifold, umumnya lateral berdiameter 50 – 125 mm. Pipa lateral
biasanya tersedia di pasaran dengan ukuran panjang 5, 6 atau 12 meter setiap potongnya. Jenis pipa yang biasa digunakan baik sebagai pipa lateral, manifold, maupun pipa utama antara lain GIP, PVC, PE, dan Alumunium. Sistem irigasi curah dapat digunakan untuk hampir semua tanaman kecuali padi dan yute, pada hampir semua jenis tanah. Akan tetapi tidak cocok untuk tanah bertekstur liat halus, dimana laju infiltrasi kurang dari 4 mm/jam dan atau kecepatan angin lebih besar dari 13 km/jam (Keller, 1990). Beberapa kriteria kelayakan penerapan dan perencanaan irigasi curah disajikan pada Tabel 1. Tabel 1. Kriteria kesesuaian lokasi penerapan irigasi curah (Prastowo, 2002) Kriteria penerapan Iklim
1. Zona Agroklimat E, D, C3 2. Arah angin tidak berubah-ubah 3. Kecepatan angin kurang dari 4.4 m/s
Lahan
1. Tekstur kasar, solum dangkal, laju infiltrasi tinggi, peka terhadap erosi 2. Jenis tanah Regosol, Rendzina, Litosol, Grumusol, dan Andosol 3. Laju infiltrasi lebih dari 4 mm/jam 4. Luas dan bentuk petakan lahan yang teratur
Sumber air
1. Air tanah, mata air, air permukaan (danau, embung, waduk) 2. Tersedia sumber air yang cukup sepanjang tahun 3. Kualitas air yang bebas kotoran dan tidak mengandung besi (Fe)
Tanaman
1. Jenis tanaman yang dibudidayakan bernilai ekonomis tinggi
Sosial
1. Motivasi petani tinggi
Ekonomi
2. Kemampuan teknis dan finansial petani memadai 3. Kelembagaan usaha tani yang siap
Sistem irigasi curah menurut Keller (1990) terbagi menjadi set system (pencurah memiliki posisi yang tetap) dan continuous-move system (pencurah dapat dipindah-pindahkan). Tipe irigasi curah yang termasuk set system adalah hand-move lateral, end-tow lateral, side-roll lateral, side-move lateral, gun and boom sprinklers, perporated pipe, hose-fed sprinklers, dan orchard systems. Sistem jenis ini ada yang dipindahkan secara periodik (periodic-move system) dan
ada yang tetap (fixed sprinkler system). Sedangkan yang termasuk continuousmove system adalah traveling sprinkler, center pivot, dan linear-moving laterals. Pada aplikasi irigasi curah untuk tanaman tahunan seperti buah-buahan, seringkali jaringan pipa dan pencurah tetap di tempat dari musim ke musim. Dalam kasus ini sistim tesebut disebut sebagai sistim permanen. Umumnya pada sistim permanen jaringan perpipaan ditanam di bawah tanah untuk menghindari kerusakan dari kendaraan pertanian yang lewat, atau dipasang permanen di atas tanaman. Sistem irigasi curah yang dianggap paling dapat mereduksi pengaruh angin, mengurangi biaya energi, dan meningkatkan efisiensi aplikasi adalah sistem center pivot (Kranz, 2005). Natural
Resources
Conservation
Service
(NRCS)
mengklasifikasikan sistem irigasi curah berdasarkan
dari
Idaho
tekanan operasional
pencurah yang digunakan. Klasifikasi tersebut disajikan pada Tabel 2. Sedangkan Hansen, et al (1979) mengklasifikasikan sistem irigasi sprinkler berdasarkan tekanan operasional unit pompa yang digunakan. Klasifikasi tersebut disajikan pada tabel 3. Tabel 2. Klasifikasi sistem irigasi curah berdasarkan tekanan operasional pencurah (NRCS, 2004) Sistem irigasi curah
Tekanan (psi)
(Bar)
Tekanan rendah
2.00 – 35.00
0.13 – 2.33
Tekanan sedang
36.00 – 50.00
2.40 – 3.33
Tekanan menengah
51.00 – 75.00
3.40 – 5.00
> 75.00
> 5.00
Tekanan tinggi
Tabel 3. Klasifikasi sistem irigasi sprinkler berdasarkan tinggi rendahnya tekanan air (Hansen, et al, 1979) Sistem irigasi sprinkler
Tekanan (m)
Tekanan sangat rendah
3.50 – 10.00
Tekanan rendah
10.00 – 20.00
Tekanan sedang
20.00 – 40.00
Tekanan tinggi
40.00 – 70.00
2.2 Rancangan Hidrolika Pipa Sub-unit Dalam Kamus Besar Bahasa Indonesia, rancangan diartikan sebagai sesuatu yang sudah dirancang atau hasil dari kegiatan merancang. Selain itu, rancangan juga disetarakan pengetiannya dengan rencana atau program. Hidrolika adalah salah satu cabang teknik sipil yang mempelajari perilaku aliran air secara mikro maupun makro, pada aliran di saluran tertutup maupun saluran terbuka atau sungai (http://id.wikipedia.org/wiki/Hidrolika). Perilaku air yang dipelajari adalah aliran pada saluran tertutup dan terbuka. Hidrolika dibedakan dalam dua bidang, yaitu hidrostatika yang mempelajari zat cair keadaan diam, dan hidrodinamika yang mempelajari zat cair bergerak. Berdasarkan pengertian tersebut, dapat diketahui bahwa rancangan hidrolika adalah suatu perancangan teknis mengenai perilaku aliran air secara mikro maupun makro baik pada saluran tertutup maupun pada saluran terbuka. Rancangan hidrolika pipa sub-unit merupakan perancangan teknis hidrolika pipa pada suatu sub-unit. Artinya, perilaku air yang dianalisis akan mengasilkan dimensi pipa yang sesuai untuk suatu sub-unit. Keller (1990) menyebutkan sub-unit adalah area yang dialiri dari setiap tekanan atau titik aliran yang telah diatur. Suatu area irigasi dapat terdiri atas beberapa sub-unit, bergantung pada desain tata letak area irigasi tersebut. Contoh skema tata letak pipa sub-unit irigasi curah diperlihatkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Skema tata letak pipa sub-unit.
Beberapa parameter yang diperhitungkan dalam perancangan hidrolika pipa antara lain: 1. Tekanan (Head) Dalam pengertian umum, tekanan adalah pengukur energi yang diperlukan untuk mengoperasikan sistem irigasi curah dan secara spesifik didefinisikan sebagai gaya yang bekerja seragam pada suatu luasan tertentu dengan satuan N/m2. Seringkali dinyatakan dalam kN/m2 atau bar (1 bar = 100 kN/m2 = 1 kgf/cm2 = 14.5 lbf/in2). Satuan lainnya yang sering dipakai adalah psi (pound per square inch atau lbf/in2) dalam unit Imperial, dan kilogram gaya per cm2 (kgf/cm2) dalam unit Eropa. Tekanan dalam pipa dapat diukur dengan alat Bourdon gauge. Di dalam alat ini terdapat suatu tabung lengkung berbentuk oval yang berusaha untuk meregang jika di bawah tekanan. Tabung ini dihubungkan dengan skala pengukur tekanan. Insinyur perencana sering menyatakan tekanan dalam satuan tinggi air (head of water) karena lebih nyaman untuk digunakan. Jika pengukur
Bourdon
digantikan
dengan
tabung
vertikal,
tekanan
air
menyebabkan air dalam tabung akan naik. Tingginya kenaikan air ini digunakan sebagai pengukur tekanan dalam pipa. Dalam SI unit: Head air (m) = 0.1 x Tekanan (kN/m2), atau Head air (m) = 10 x Tekanan (bar). Pada imperial units : Head air (ft) = 2.31 x Tekanan (psi). 2. Hidrolika Nozel Secara umum hubungan antara tekanan atau head dengan debit pencurah atau nozel ditunjukkan pada persamaan berikut (Prastowo, 2002):
q = Kd P …................................................................................................. (1)
q = Kd H ………......................................................................................... (2) dimana : q
: debit pencurah (l/menit);
Kd : koefisien debit nozel sesuai dengan peralatan yang digunakan; P
: tekanan operasi pencurah (kPa);
H : head operasi pencurah (m).
Nilai debit dan tekanan operasi pencurah dapat diketahui dari data spesifikasi teknis pencurah yang dibuat oleh setiap pabrikan pencurah. 3. Aliran dalam Pipa Debit adalah banyaknya air yang mengalir dalam suatu satuan waktu (M/T). Pada sistem irigasi curah, variasi debit yang diizinkan adalah < 10 persen. Artinya, perbedaan debit yang terjadi sepanjang aliran dalam pipa harus tidak lebih besar dari 10 persen nilai debit yang dirancang. Debit aliran dalam pipa dapat diketahui dengan rumus:
Ql = q a × N .................................................................................................... (3) Qm = Ql = qlateral × N ...................................................................................... (4)
qa : debit pencurah (l/s); Ql : debit pada pipa lateral (l/s); Qm : debit pada pipa manifold (l/s); N : banyaknya jumlah pencurah. Jenis pipa dispesifikasikan dengan diameter-dalam (internal diameter) atau diameter luar tergantung pada bahannya, dan tekanan aman (safe pressure). Kehilangan tekanan dalam aliran pipa tergantung pada kekasaran
pipa, debit aliran, diameter, dan panjang pipa. Kekasaran pipa akan bertambah seiring tingkat keausan dan umur dari pipa tersebut. Kehilangan energi gesekan pipa dapat dihitung dengan menggunakan rumus : a. Untuk pipa kecil (< 125 mm) J = 7.89 x 107 x (Q1.75/D4.75) .................................................................... (5) b. Untuk pipa besar (> 125 mm) J = 9.58 x 107 x (Q1.83/D4.83) .................................................................... (6) - Tanpa outlet Hf = J x (L/100) .................................................................................... (7) - Dengan multi outlet yang berjarak seragam Hf = J x F x (L/100) .............................................................................. (8) - Untuk sambungan Hl = Kr x 8.26 x 104 x (Q2 / D4) ........................................................... (9)
J: gradien kehilangan head (m/100 m); hf: kehilangan head akibat gesekan (m); hl: kehilangan head akibat adanya katup dan sambungan (m); Q: debit sistem (l/s); D: diameter dalam pipa (mm); F: koefesien reduksi; Kr: koefesien resistansi; L: panjang pipa (m). Koefisien reduksi (F) juga dapat dihitung dengan menggunakan rumus (Prastowo dan Liyantono, 2002) : F=
1 1 (b − 1) 0.5 + + .......................................................................... (10) b + 1 2N 6N 2
dengan b : koefisien debit aliran dalam pipa (untuk pipa PVC, b = 1.75). ⇔F=
0.5 0.1443 1 1 (1.75 − 1) 0.5 = 0.3636 + .................... (11) + + + 2 1.75 + 1 2 N N 6N N2
Tabel 4. Koefesien Reduksi (F) untuk Pipa Multi Outlet (Prastowo, 2002) Jumlah
F
Jumlah
Outlet
F
Outlet Ujung
1)
2)
Tengah
Ujung1)
Tengah2)
1
1,00
1,00
8
0,42
0,38
2
0,64
0,52
9
0,41
0,37
3
0,54
0,44
10 - 11
0,40
0,37
4
0,49
0,41
12 - 15
0,39
0,37
5
0,46
0,40
16 - 20
0,38
0,36
6
0,44
0,39
21 - 30
0,37
0,36
7
0,43
0,38
30
0,36
0,36
1) Sprinkler pertama berjarak 1 interval dari pipa utama 2) Sprinkler pertama berjarak 1/2 interval dari pipa utama
Banyaknya pencurah dan panjang pipa yang diperlukan didapatkan dengan persamaan : L = N × y ..................................................................................................... (12)
L : panjang pipa lateral atau pun manifold yang diperlukan (m); N : banyaknya jumlah pencurah atau lateral; y : spasi (interval atau jarak antar pencurah dan pipa lateral) (m) Kehilangan tekanan pada debit tertentu akan lebih besar terjadi pada diameter pipa yang lebih kecil. Kehilangan tekanan akan naik secara cepat dengan bertambahnya debit aliran, khususnya pada dimeter pipa kecil. Kehilangan tekanan bertambah secara linier dengan bertambah panjangnya pipa, jika panjang pipa menjadi dua kali maka kehilangan tekanan juga menjadi dua kali. Diameter pipa ditentukan berdasarkan kehilangan tekanan yang diizinkan, yaitu diameter yang memberikan kehilangan tekanan lebih kecil pada debit aliran yang diinginan. Sebagai pegangan kasar untuk menentukan diameter pipa pada berbagai debit dan panjang pipa dapat digunakan Tabel 4 yang didasarkan pada kecepatan aliran dalam pipa lebih kecil dari 1.5 m/S. Tabel 5. Pedoman untuk menentukan diameter pipa (Keller, 1990) Debit (m3/jam)
Panjang pipa (m) < 250 250 - 500 > 500 Diameter pipa (mm)
5
50
50
10
75
75
25
75
75
50
100
100
60
100
125
150
70
100
125
150
80
125
150
150
Kehilangan head pada sub-unit (ΔPs) dibatasi tidak lebih dari 20% dari tekanan operasi rata-rata sistem. Kehilangan head (hf) pada lateral harus ≤ ΔHl, demikian juga halnya pada manifold (pembagi) kehilangan headnya (hf) harus lebih kecil atau sama dengan ΔHm. Kehilangan tekanan karena gesekan di pipa
utama maksimum sebesar 0.41 m/10 m. Tekanan inlet lateral yang tertinggi diambil sebagai outlet manifold pada sub-unit. ΔPs = 20% x Ha ........................................................................................... (13) ΔHl = 0,55 ΔPs ± Z lateral ........................................................................... (14) ΔHm = 0,45 ΔPs ± Z manifold ..................................................................... (15) ΔPs
: kehilangan head yang diizinkan pada sub-unit (m),
ΔHl
: kehilangan head yang diizinkan pada lateral (m),
Ha
: tekanan operasi rata-rata pencurah (m),
ΔHm
: kehilangan head yang diizinkan pada manifold (m),
Z lateral
: perbedaan elevasi sepanjang lateral (m),
Z manifold : perbedaan elevasi sepanjang manifold (m), -
: elevasi menurun,
+
: elevasi menaik
2.3 Pencurah
Pencurah (sprinkler) berfungsi untuk mengaplikasikan air secara seragam ke atas permukaan tanah yang dapat digunakan oleh tanaman untuk menghasilkan buah, biji, atau zat kering. Contohnya adalah tipe pencurah, tipe dan ukuran orifice, posisi dan jarak spasi pemasangan serta tekanan operasi (Kranz, et al., 2005). Terdapat dua tipe kepala pencurah untuk mendapatkan semprotan yang baik, yaitu: a) Kepala pencurah berputar (Rotating head sprinkler), mempunyai satu atau dua nozel dengan berbagai ukuran tergantung pada debit dan diameter lingkaran basah yang diinginkan, dan b) Pipa dengan lubang-lubang sepanjang atas dan sampingnya (sprayline). Faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja pencurah menurut Keller (1990) adalah angin, laju aplikasi, dan jumlah air irigasi yang diperlukan. Angin akan mempengaruhi pola sebaran air yang dihasilkan. Untuk mengurangi pengaruh angin, jarak spasi harus diperkecil dan lateral diletakkan tegak lurus arah angin. Sebagai pegangan, dapat digunakan Tabel 6 untuk menentukan jarak spasi berdasarkan kecepatan angin.
Tabel 6. Spasi maksimum untuk pencurah bertekanan rendah sampai medium (Keller, 1990) Kecepatan angin
Spasi dari diameter pembasahan
(km/jam)
Spasi sepanjang lateral
Spasi sepanjang pipa utama
0
50 %
65 %
1-6
45 %
60 %
7-12
40 %
50 %
>12
30 %
30 %
2.4 Sistem Pakar
Oxman (1985) dalam Marimin (2005) menyebutkan bahwa sistem pakar adalah perangkat lunak komputer (software) yang menggunakan pengetahuan (aturan-aturan tentang sifat dari unsur suatu masalah), fakta dan teknik inferensi untuk masalah yang biasanya membutuhkan kemampuan seorang ahli. Pengetahuan yang digunakan pada sistem pakar terdiri dari kaidah-kaidah (rules) atau informasi dari pengalaman tentang tingkah laku suatu unur dari suatu gugus persoalan. Tujuan perancangan sistem pakar adalah untuk mempermudah kerja atau bahkan mengganti tenaga ahli, penggabungan ilmu dan pengalaman dari beberapa tenaga ahli, training tenaga ahli baru, penyediaan keahlian yang diperlukan oleh suatu proyek yang tidak ada atau tidak mampu membayar tenaga ahli (Marimin, 2005). Karakteristik sistem pakar menurut Waterman (1986) dalam Marimin (2005) adalah (a) Memiliki domain persoalan yang terbatas; (b) Memiliki kemampuan memberikan penalaran; (c) Memiliki kemampuan mengolah data yang mengandung ketidakpastian; (d) Memisahkan mekanisme inferensi dengan basis pengetahuan; (e) Dirancang untuk dikembangkan secara bertahap (modular); (f) Keluarannya bersifat anjuran; dan (g) Basis pengetahuan didasarkan pada kaidah. Software Rancangan Hidrolika Sub-unit Irigasi Tetes yang telah ada dibangun dengan metode Newton-Raphson (Newton-Raphson Method) dan JST dengan tujuan memudahkan perhitungan secara cepat dan relatif mudah pada perancangan hidrolika sub-unit irigasi tetes. Software Rancangan Hidrolika Subunit Irigasi Tetes tersebut dibangun dengan program delphi.
Metode Newton-Raphson merupakan salah satu metode penyelesaian akar-akar persamaan non linier f(x), dengan menentukan satu nilai tebakan awal dari akar yaitu xn. Persamaan dasar metode Newton-Raphson adalah :
x n +1 = x n -
f(x n ) ................................................................................................ (16) f' (x n )
Nilai x yang dicari didapatkan dengan melakukan iterasi atas turunan persamaan non linier tersebut. Iterasi dihentikan jika dua iterasi yang berurutan menghasilkan hampiran akar yang sama
Gambar 4. Tampilan program desain hidrolika sub-unit dengan metode Newton-Raphson (Prastowo, et al, 2007).
