STUDI PUSTAKA Model Banjir Banjir adalah setiap aliran yang relatif tinggi yang melampaui tanggul sungai sehingga aliran air menyebar ke dataran sungai dan menimbulkan masalah pada manusia (Chow, 1970). Definisi di atas menjelaskan bahwa banjir terjadi apabila kapasitas alir sungai telah terlampaui dan air telah menyebar ke dataran banjir, bahkan lebih jauh yang mengakibatkan terjadinya genangan. Genangan air tidak dikatakan banjir apabila tidak menimbulkan masalah bagi manusia yang tinggal pada daerah genangan tersebut. Untuk dapat menganalisis masalah banjir diperlukan alat bantu untuk mengenali penyebab terjadinya banjir dan mencari upaya penanggulangannya (Benavides, 2001). Pada dasarnya model sebagai alat bantu untuk menganalisis banjir dapat dibedakan menjadi model hidrologi dan hidrolika. Model Hidrologi DAS Beberapa model hidrologi yang telah dikembangkan untuk menganalisis proses hidrologi sebagai komponen daur hidrologi, hubungan hujan-limpasan, dan pembangunan sumber daya air adalah model SSARR, Stanford Model IV, model Dawdy-O’Donnell, model SCS, model Sacramento, model TOPOG (Indah, 2003). Sementara itu US. Army Corps. of Engineers banyak mengembangkan model HEC (Hydrologic Engineering Centre) untuk keperluan analisis hidrologi. Salah satu model hidrologi yang dikembangkan adalah HEC-HMS (Hydrologic Modelling System). Program ini merupakan versi yang lebih baru dari program HEC-1 dan berbasis Graphical User Interface (GUI). Model hidrologi dengan program HEC-HMS dirancang untuk mensimulasikan proses hujan-limpasan dari sistem aliran. Program ini dirancang agar dapat diaplikasikan dalam luasan tertentu untuk merepresentasikan proses hidrologi DAS (Pitocchi dan Mozzali, 2001). Hitungan yang dihasilkan dapat dipakai secara langsung atau sebagai penghubung dengan perangkat lunak lain untuk studi ketersediaan air, drainase perkotaan, debit aliran, rancangan bangunan air, prakiraan kerusakan akibat banjir dan sistem operasi.
9
Program ini terintegrasi dengan sistem database, sehingga data dapat dimasukan secara manual maupun melalui DSS (Data Storage System). DSS digunakan sebagai interface antara berbagai model yang terintegrasi dan juga antara komponen yang ada dalam program HEC-HMS untuk memudahkan sistem operasi. Program ini terdiri dari tiga komponen yaitu model basin, model hidrologi dan kontrol spesifikasi. Keluaran model ini didapat berupa hidrograf limpasan dalam suatu sistem hidrologi DAS yang dilengkapi dengan hidrograf limpasan pada setiap Sub-DAS pada sistem hidrologi tersebut. Bagan alir tahapan program HEC-HMS adalah seperti pada Gambar 2.
Inisiasi Program
Data Biofisik DAS
Data curah hujan
Input data Basin
Meteorologi
Kontrol Spesifikasi
Running HEC-HMS Run Konfigurasi
Hidrograf
Run Manager
Tampilan Hasil
Tabel Debit
Interpretasi Hasil
Gambar 2 Bagan Alir model hidrologi HEC-HMS.
10
Fenomena banjir merupakan salah satu bagian dari proses hidrologi yang terjadi dalam DAS, sehingga perlu dilakukan analisis secara menyeluruh terhadap proses hujan-limpasan yang terjadi dalam DAS. Simulasi hidrologi dengan menggunakan HEC-HMS dapat digunakan untuk mengetahui proses hujan-limpasan yang terjadi, sehingga dapat dicari alternatif penanggulangan banjir dengan melihat permasalahan hidrologi melalui simulasi hidrologi. Metode SCS Banyak metode yang telah dikembangkan untuk menentukan laju puncak aliran permukaan terhadap hujan, salah satu metoda yang dikembangkan adalah Soil Conservation Service (SCS). Metode ini memberikan variasi komponen biofisik terlengkap, karena merupakan fungsi dari bilangan kurva atau curve number (CN) yang ditentukan berdasarkan kelompok hidrologi tanah, penggunaan lahan, dan kondisi
pengelolaan lahan tersebut. Di sisi lain
permasalahan banjir merupakan permasalahan yang komplek
sehingga
diperlukan metoda yang mempunyai keragaman variasi kompoenen biofisik. Metode SCS merupakan metode yang dikembangkan oleh Dinas Konservasi Tanah Amerika Serikat (US SCS, 1973) dan digunakan untuk menentukan laju puncak aliran permukaan terhadap curah hujan yang seragam dengan asumsi penggunaannya pada hidrograf segitiga seperti pada Gambar 3. Waktu yang diperlukan untuk mencapai laju puncak aliran permukaan adalah: Tp = D/2 + Tl = D/2 + 0,6 Tc Tp adalah waktu mencapai puncak aliran (jam), D adalah waktu (lamanya) hujan lebih (jam), Tl adalah waktu tenggang (jam), dan Tc adalah waktu konsentrasi (jam). Waktu konsentrasi pada persamaan ini adalah waktu perjalanan yang terpanjang. Waktu tenggang adalah suatu perkiraan waktu perjalanan rerata aliran permukaan. Waktu puncak aliran permukaan diperlukan untuk membuat hidrograf desain bagi keperluan penguraian (routing) aliran permukaan melalui simpanan atau untuk menyatukan hidrograf dari beberapa DAS (Arsyad, 2010).
11
Gambar 3 Hubungan Curah Hujan dan Aliran permukaan dengan Metoda SCS (US SCS, 1973). Model Hidrolika Sungai Model hidrolika aliran satu dimensi yang banyak digunakan saat ini ialah HEC-RAS (River Analysis System) (Pitocchi dan Mozzali, 2001). Program HECRAS adalah sebuah program yang didalamnya terintegrasi analisa hidrolika, di mana pengguna program dapat berinteraksi dengan sistem menggunakan fungsi Graphical User Interface (GUI). Program ini dapat menunjukkan perhitungan profil permukaan aliran mantap (steady), termasuk juga aliran tak mantap (unsteady), pergerakan sedimen dan beberapa hitungan desain hidrolika. Dalam terminologi HEC-RAS, sebuah pengaturan file data akan berhubungan dengan sistem sungai. Data file dapat dikategorikan sebagai berikut: plan data, geometric data, steadyflow data, unsteady flow data, sediment data dan hydraulic design data. Bagan alir model hidrolika HEC-RAS dapat dilihat pada Gambar 4. Program ini berkemampuan untuk melakukan simulasi mengenai (a) model aliran steady (mantap/ tunak); (b) model aliran unsteady (tidak mantap/ tak tunak); (c) mengakomodasi berbagai pengaturan air seperti daerah tampungan, pompa, pintu air dan lain-lain dan (d) memfasilitasi bentuk infrastruktur yang berada di badan air dan dampaknya seperti efek pintu air, jembatan dan lain-lain.
12
Program HEC-RAS dilengkapi dengan DSS yang merupakan penghubung data antar berbagai program HEC dan beberapa produk perangkat lunak di bidang hidrologi dan hidrolika lain. Perangkat lunak ini dimaksudkan untuk memudahkan dalam mengambil dan mengirim data dari dan ke program lain seperti HEC-HMS, WMS, Arc GIS dan lain-lain. Seperti juga HEC-HMS, HECRAS juga dilengkapi dengan fasilitas kalibrasi dengan memasukan data hasil pengamatan/pengukuran lapangan ke dalam model dan kemudian model akan merubah estimasi parameter kecepatan yang sesuai dengan hasil pengukuran/ pengamatan di lapangan.
Inisiasi Program
Data Geometri Sungai
Data Aliran
Input data Alur Sungai
Penampang
Kontrol Aliran
Running HEC-RAS Plan Aliran
Hidrograf
Plan Geometri
Tampilan Hasil
Interpretasi Hasil
Gambar 4 Bagan alir model hidrolika HEC-RAS.
Tabel Debit
13
Pendekatan Integrasi Model Genangan Banjir Pada prinsipnya, sistem DAS dapat disimulasikan dalam dua bentuk yang berbeda, yaitu dengan model skala fisik dan model matematis (Indah, 2003). Model skala fisik adalah model fisik dengan ukuran skala terhadap ukuran prototype yang sesungguhnya. Model matematis merupakan abstraksi atau penyederhanaan yang berupa satu set pernyataan matematik yang diharapkan dapat menduplikasi perilaku dasar dari fenomena. Kedua model tersebut dapat digunakan untuk mengambarkan fenomena banjir yang terjadi, akan tetapi untuk mensimulasikan fenomena gerakan air pada suatu DAS lebih disarankan menggunakan model matematis mengingat sulit membuat model skala fisik yang besar. Tujuan utama dari permodelan banjir ialah untuk mensimulasikan atau mempresentasikan fenomena banjir, menduga atau memprakirakan akibat gejala yang akan terjadi, dan memberikan pemahaman atas gejala bersangkutan. Untuk mempermudah integrasi antara model hidrolika, hidrologi dan Sistem Informasi Geografis (SIG), US. Army Corps of Engineer mengembangkan HECGeoHMS dan HEC-GeoRAS. Program ini kemudian dapat digunakan sebagai interface dengan perangkat lunak SIG seperti ArcView sehingga dapat secara langsung memproses data spasial yang terdapat dalam SIG kedalam model tersebut. Selanjutnya ini dapat menjadi extension pada ArcView yang membantu menjadi media dari analisis model ke dalam analisis spasial. Integrasi ini merupakan integrasi eksternal mengingat masing-masing program telah mempunyai bahasa masing-masing akan tetapi dapat disatukan dengan adanya program interface (Moges, dkk. 2002). Ghani,
dkk
(2000)
menerangkan
bahwa
interface
HEC-GeoRAS
membentuk Shape file pada ArcView sebagai hasil dari hitungan HEC-RAS, shape file ini yang kemudian dapat diaktifkan di layar untuk mengetahui daerah banjir. Apabila telah didapatkan daerah genangan, maka kemudian dapat diekplorasi lebih lanjut mengenai kerugian yang akan terjadi seperti beberapa banyak rumah atau bangunan yang akan terendam, kerusakan lahan pertanian atau peruntukan lain, beberapa jiwa yang harus diungsikan dan lain-lain sesuai dengan tujuan analisis dan keberadaan data base spasial yang terkait dalam ArcView.
14
Integrasi Eksternal
GIS
Data Spasial Program interface
Model Hidrologi Model Hidrolika
Model Hidrologi Model Hidrolika
Pangkalan Data Spasial
Integrasi Internal
GIS
Gambar 5 Integrasi model dan GIS. Model interface
ini memungkinkan menanggulangi aspek dua dimensi
pada aliran melalui hubungan antara geometri sungai dengan model dijital terrain dalam bentuk format Triangulated Irregular Network (TIN). Dengan interface ini, keluaran
dari
HEC-RAS
untuk
setiap
potongan
penampang
dapat
diinterpolasikan, termasuk didalamnya kedalaman air dan kecepatan air permukaan. Model ini memungkinkan untuk memetakan daerah genangan banjir untuk hidrograf banjir pada perioda ulang tertentu. Penerapan Integrasi Model HEC-RAS, HEC-HMS dengan ArcView Integrasi model HEC-RAS, HEC-HMS dengan Sistem Informasi Geografis berbasis ArcView 3.2 dikembangkan oleh Pistocchi dan Mazzoli (2001) untuk analisis manajemen resiko hidrologi (hydrologic risk management) di DAS Romagna, Italia. Sistem ini secara khusus dikembangkan untuk keperluan rekonstruksi kurva debit dan neraca air pada DAS tersebut dan memberikan hasil yang memuaskan untuk mengambarkan hubungan debit dan kedalaman air dalam kondisi muka air tinggi dan rendah dengan membangkitkan parameter Manning. Selain itu Pitocchi dan Mazzoli (2001) juga menggunakan sistem model ini untuk proses perencanaan dan manajemen DAS Romagna. Masalah utama yang dihadapi dalam penerapan sistem model ini ialah konsistensi dalam
15
pembangunan bangunan air yang tidak sesuai rencana, sehingga sistem model ini harus bisa terhubungan dengan berbagai data perencanaan. Berbeda dengan Pitocchi dan Mazzoli (2001), Johnson, dkk. (2001) meragukan penggunakan HEC-HMS untuk analisis hidrologi dalam suatu DAS. Ditekankan bahwa bagaimanapun juga HEC-HMS adalah Lumped Basin Models, sehingga perlu dipisahkan dalam sub-DAS yang merepresentasikan masingmasing parameter hidrologi, efeknya parameter tersebut dirata-ratakan untuk keseluruhan sub-DAS. Terlalu banyaknya variasi parameter dalam sub-DAS dirata-ratakan menjadi satu kedalam DAS yang kemudian digunakan dalam analisis, sehingga memberikan hasil yang tidak baik. Lebih lanjut Johnson, dkk. (2001) menjabarkan penggunaan HEC-GeoHMS sebagai interface pada ArcView 3.2 belum cukup untuk membentuk Grid-based hydrologic analysis, karena masih banyak keterbatasannya. Studi kasus di DAS East Fork Sungai San Jacinto, Texas memperkuat pendapat Johnson (2001) bahwa HEC-GeoHMS belum cukup untuk memproses data hujan dalam gridbased sehingga dapat dimasukan kedalam HEC-HMS. Sayangnya Johnson. (2001) tidak melakukan studi keterkaitannya dengan HEC-RAS sehingga tidak secara khusus dibahas kelemahan sistem integrasi antara HEC-HMS dan HECRAS dan lebih menyoroti akan kemampuan HEC-GeoHMS untuk membentuk grid-based dari analisis hidrologi pada suatu DAS. Secara terpisah Fongers (2002) melakukan studi hidrologi di DAS Ryerson Michigan, dan menghasilkan hasil yang baik untuk memprediksi volume limpasan dan aliran puncak pada hujan dengan perioda ulang 2, 10 dan 100 tahunan. Untuk mengatasi grid-based analisis hidrologi seperti yang diungkapkan oleh Johnson, dkk. (2001), Fongers (2002) membagi DAS Ryerson menjadi sub-sub DAS kecil yang kemudian dimasukan ke dalam elemen hidrologi pada HECHMS. Secara rinci Fongers (2002) melakukan uji terhadap berbagai Curve Number agar diperoleh nilai yang paling sesuai untuk setiap sub-sub DAS tersebut dan sekaligus diuji untuk setiap perioda ulang tertentu (Gambar 6). Lebih jauh Fongers (2002) menyatakan bahwa sistem ini dapat dikembangkan untuk pengelola hujan deras (storm water) secara efektif dan menjabarkan kemungkinan untuk mengembangkan manajemen storm water untuk daerah hulu DAS.
16
Benavides (2001) mengaplikasikan HEC-HMS, HEC-RAS, dan HECGeoRAS dengan sistem informasi geografis dengan ArcView 3.2 dan menggunakan data dari NEXRAD radar untuk menganalisis alternatif metode pengendalian banjir pada DAS Clear dengan luas 260 mil2 dengan fokus daerah banjir seluas 164 mil2 di Houston Amerika Serikat (Gambar 7). Tujuan dari studi ini ialah untuk menguji keragaman dan efektivitas dari alternatif pengendalian banjir yang spesifik untuk mendapatkan hasil yang dapat diterima. Untuk pengendalian banjir pada DAS Clear dibuat kombinasi saluran sepanjang 4 mil dengan perioda ulang 10 tahunan dan dilakukan uji efektivitas dari kombinasi saluran yang direncanakan tersebut. Drainase Marsh atas
Mouth Wood
Home Geety
Drainase Marsh Tengah
Drainase Marsh bawah
M46 atas Drainase Holland atas M46 bawah Drainase Holland Selatan
Elemen Hidrologi
Gambar 6 Sub-DAS dan elemen hidrologi (Fongers, 2002). Sistem model ini kemudian digunakan untuk mengevaluasi rencana saluran yang ada dengan berbagai skenario kombinasi dengan mendasarkan analisis
17
dengan SIG dan HEC-GeoRAS. Skenario tersebut digunakan Benavides (2001) untuk
menghitung kerugian atau biaya yang harus dikeluarkan untuk
memperbaiki kerusakan akibat banjir dengan memperhitungkan berapa rumah atau bangunan yang rusak akibat banjir tersebut. Perlunya metoda hitungan kerugian banjir diperkuat oleh Sanders dan Tabuchis (2000) yang membahas secara rinci mengenai analisis resiko banjir pada Sungai Thames, Inggris. Sistem informasi geografis berbasis ArcView 3.2 dikembangkan untuk
mengetahui nilai kerugian (value of damage) akibat
terjadinya banjir. Dengan menggunakan data kedalaman air, portofolio asuransi dan fungsi kehilangan, maka dapat ditentukan perkiraan kerugian berdasarkan jumlah dan banyaknya permukiman yang terendam, sistem ini memanfatkan pada kode pos bangunan yang telah memuat data tipe bangunan dan lokasinya dalam sistem informasi geografis. Lebih lanjut Sanders dan Tabuchis (2000) mengisyaratkan perlunya dibuat loss curve atau kurva kerugian sebagai fungsi dari kedalaman banjir.
Keseluruhan Metodologi
Gambar 7 Susunan metode oleh Benavides (2001). Untuk mengetahui daerah genangan banjir berdasarkan perioda ulang tertentu seperti yang dibutuhkan pada analisis kerugian di atas. Ghani (2000) mengembangkan model integrasi antara ArcView 3.2 dengan HEC-6, Fluvial 12 dan HEC-RAS. Model integrasi ini digunakan untuk meramalkan perubahan
18
muka air sungai, sehingga dapat diketahui luapan air sungai yang akan terjadi. Lebih lanjut Ghani (2000) menyarankan hasil hitungan model ini kemudian digambarkan dalam bentuk poligon dengan bantuan HEC-GeoRAS dan kemudian diekspor ke dalam sistem informasi geografis. Hal ini merupakan overlay antar peta dasar lokasi dengan hasil hitungan model yang digambarkan secara spasial pada ArcView. Overlay ini memberikan penampakan yang jelas akan daerah rawan banjir. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa luasan dan kedalaman daerah genangan. Interface HEC-GeoRAS membentuk shape file pada ArcView sebagai hasil dari hitungan HEC-RAS, shape file ini yang kemudian dapat diaktifkan di layar untuk mengetahui daerah rawan banjir. Apabila telah didapatkan daerah genangan, maka kemudian dapat diekplorasi lebih lanjut mengenai resiko banjir yang akan terjadi seperti banyaknya rumah atau bangunan yang akan terendam, kerusakan lahan pertanian atau peruntukkan lain, banyaknya jiwa yang harus diungsikan dan lain-lain sesuai dengan tujuan analisis dan keberadaan data base spasial yang terkait dalam ArcView. Pengembangan sistem model yang hampir sama di Malaysia dilakukan oleh Sinnakuadan dkk. (2001) untuk mendefinisikan dataran banjir secara tepat berdasarkan analisis SIG berbasis ArcView 3.2 dan diintegrasikan dengan HEC6 dengan bantuan interface AVHEC-6.avx untuk mengetahui pergerakan sedimen atau menentukan gerakan morfologi sungai (Gambar 8). Lebih jauh Sinnakuadan dkk. (2001) melakukan analisis untuk menentukan garis batas dataran banjir Sungai Pari di Ipoh Malaysia sehingga dapat memberikan arahan bagi perkembangan kawasan dengan didasari batas daerah rawan banjir pada perioda ulang tertentu.
19
Gambar 8 Prakiraan luapan air dari sungai/ saluran (Ghani, 2000). Kerugian Akibat Terjadinya Banjir Kerusakan akibat banjir tidaklah terlepas dari peluang terjadinya banjir itu sendiri yang umumnya dinyatakan dalam suatu perioda ulang tertentu. Keterkaitan antara aspek fisik seperti debit, tinggi muka air dengan aspek ekonomis pada memperkirakan kerugian akibat banjir disajikan pada Gambar 9 yang menunjukkan derivasi kurva peluang kerugian akibat banjir (Departemen Pekerjaan Umum, 1996). Kurva peluang akan menentukan debit banjir pada perioda ulang tertentu dan apabila telah diketahui kurva debit (rating curve) pada penampang sungai dapat diperkiraan tinggi muka air yang akan terjadi. Kurva kerusakan terhadap muka air sangat menentukan dalam analisis kerugian akibat banjir, Sanders dan Tabuchis (2000) menegaskan perlunya kurva kerusakan terhadap tinggi muka air sehingga dapat dipergunakan untuk memperkirakan kemungkinan kerusakan pada perioda ulang tertentu. Gambar 9 menunjukkan peluang kerusakan/ kerugian akibat banjir dan sangat ditentukan oleh prioda ulang rancangan bangunan air, sehingga keterbatasan biaya akan memberikan kontribusi kerusakan akibat banjir yang lebih besar. Estimasi kerugian akibat banjir dapat didiskripsikan sebagai (a) Kerusakan fisik langsung,
yaitu
setiap
kerusakan
fisik
langsung
diperkirakan
menggunakan hubungan antara frekuensi-tinggi muka air-unit
dengan luas dan
perkiraan kerusakan unit tempat spesifik. Kerusakan yang sesungguhnya sangat tergantung pada kondisi-kondisi lokal, karakteristik banjir (tinggi dan lama banjir). Seperti kondisi pemukiman (perdesaan dan perkotaan); perdagangan/komersial;
20
industri; tanaman beririgasi; tanaman tegalan; ternak; kolam ikan; bangunan yang berhubungan dengan air; infrastruktur fisik yang lain; dan lain-lain; (b) kerugian komersial “tidak langsung”, Kehilangan tidak langsung dapat terdiri dari gangguan lalu lintas, turunnya harga tanah, produktivitas industri, kehilangan yang berasal dari gangguan karena pengaruh banjir untuk kegiatan pelayanan, biaya operasi darurat dan lain-lain dan (c) kerugian non-pasar atau “tak nyata”, metoda yang dapat digunakan untuk menentukan kerugian tidak nyata atau nonmarket seperti timbulnya rasa takut, gelisah, turunnya kesehatan dll adalah metoda valuasi (Braden, 2000).
Gambar 9 Derivasi kurva probabilitas kerugian.
21
Metoda ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1936 di Amerika Serikat untuk mengkaji
kesetimbangan
lingkungan
dalam
analisis
kelayakan
sebuah
pengendali banjir. Analisis ini dilakukan untuk menentukan nilai dampak pengendali banjir tersebut terhadap berbagai aspek lingkungan. Pada tahun 1970, pada ahli mulai mengembangkan berbagai metoda untuk menilai atau valuasi terhadap kerugian akibat bencana alam yang tidak secara langsung dapat didasarkan pada acuan harga yang berlaku dan dapat dihitung dalam analisis kelayakan ekonomis.
