HIDROLOGI TERAPAN
MODEL HIDROLOGI
TIK • Pengenalan dan pemahaman model dasar hidrologi terkait dengan analisis hidrologi
1
Model dalam SDA • Dalam kegiatan analisis hidrologi untuk berbagai kepentingan dalam pengembangan sumberdaya air, dalam banyak kasus diperlukan data hujan ataupun data debit dengan jangka waktu yang cukup panjang dibandingkan dengan jangkauan data yang tersedia. • Dalam hal ini diperlukan pemahaman yang baik terhadap DAS tertentu sebagai sistem yang mengalihragamkan masukan menjadi keluaran debit atau hidrograf.
MODEL Dooge (1973) menyebutkan bahwa model adalah struktur, alat, skema atau prosedur nyta atau abstrak, yang menghubungkan masukan, sebab atau rangsangan, tenaga atau informasi, dan keluaran, pengaruh atau tanggapan dalam referensi waktu tertentu. Ponce (1989) secara spesifik menakrifkan model (matematik) sebagai satu set pernyataanpernyataan matematik yang menyatakan hubungan antara fase-fase dari siklus hidrologi dengan tujuan mensimulasikan transformasi hujan menjadi limpasan.
2
Clarke (1973) mendifinisikan model sebagai simplifikasi dari suatu sistem yang kompleks, baik berupa fisik, analog atau matematik 1. Model fisik Dibuat sebagai model dengan skala tertentu untuk menirukan prototipenya, model ini mempunyai 3 bagian terpenting yaitu: rain simulator, runoff surface dan alat-alat ukurnya. 2. Model Analog Model analog disusun dengan menggunakan rangkaian resistor-kapasitor untuk memecahkan persamaan-persamaan deferensial yang mewakili proses hidrologi, dasar analognya adalah: I = O ± S 3. Model Matematik Menyajikan sistem dalam rangkaian persamaan dan kadang-kadang dengan ungkapan-ungkapan yang menyajikan hubungan antarvariabel dan parameter.
KOMPONEN MODEL Tiruan proses hidrologi untuk keperluan analisis tentang keberadaan air menurut aspek jumlah, waktu, tempat, probabilitas dan runtun waktu (time series). • merupakan integrasi dari semua proses hidrologi. • mensimulasikan transpormasi hujan menjadi aliran (rainfall runoff model): jumlah/waktu pada tempat tertentu. • diperlukan untuk analisis, perencanaan, perancangan, perkiraan jangka panjang dan peramalan, terutama bila data yang tersedia terbatas.
3
SYARAT MODEL 1. Pemilihan jenis model yang tepat 2. Formulasi dan penyusunan model 3. Pengujian model, yang dilakukan dengan 2 cara yaitu kalibrasi dan verifikasi. 4. Pemakaian model setelah melalui berbagai pengujian.
JENIS MODEL 1.
2.
3. 4.
Model Stokastik merupakan bagian dari model probabilistik yang dapat berupa model statistik dan model stokastik. Model ini lebih menekankan pada time-dependency variabel hidrologi. Model Empirik adalah model yang hubungan antar parameternya diperoleh dengan cara coba-coba, tanpa memerlukan pemahaman proses yang sebenarnya terjadi. Model Konseptual merupakan model yang berada antara model teoritik dan empirik, yang menyajikan proses fisik dengan penyederhanaan. Model Deterministik adalah model yang disusun berdasarkan kaidah-kaidah ilmu fisika yang menunjukkan hubungan sebab akibat.
4
5. Model Parametrik, termasuk didalamnya model empiric misalnya model “kotak hitam” (black box model) merupakan model yang paling sederhana yang didasarkan pada pengamatan dan percobaan 6. Model yang bersifat linier dalam pengertian teori system adalah model yang didalamnya berlaku asas superposisi. 7. Lumped model adalah model yang tidak memperhitungkan variabilitas-ruang baik variabel masukan maupun parameter sistem DAS. 8. Event model adalah model yang hanya dirancang untuk perkiraan limpasan sesaat. 9. Continuous Model adalah model yang didasarkan pada proses menerus dari semua komponen proses.
PERTIMBANGAN UMUM PROSEDUR ANALISIS HIDROLOGI
• Ketersediaan data • Kualitas data • Tingkat ketelitian hasil yang dikehendaki • Kesesuaian cara dengan DAS yang ditinjau
5
KEBUTUHAN DAN PERKIRAAN 1. 2. 3.
4. 5. 6. 7. 8.
kualitas dan kuantitas data yag kurang memadai, kurangcocoknya berbagai model terhadap kasus-kasus spesifik di Indonesia, ketidakpuasan terhadap pemakaian cara-cara lama yang didasarkan pada cara-cara empirik atau model-model yang didasarkan hanya pada faktor geografik, karena dalam pengujian ternyata mengandung kesalahan yang cukup besar, perkembangan hardware komputer dan perkembangan perangkat matematik untuk analisis data dan penyusunan model, ketersediaan dana untuk penelitian dan pengembangan cara-cara baru, kesenjangan antara beberapa pengertian tentang sistem hidrologi, kompleksnya sistem yang dianalisis, dan timbulnya kesalahan dalam peramalan dan perkiraan.
Dua cara pendekatan •
Method non optimasi (nonoptimizing method) Dalam model ini peranan data sangat menentukan, pertanyaan yang selalu terkait dengan data ini adalah: ketersediaan data dan kualitas data. Dua istilah yang sering digunakan dalam praktek adalah: data simulasi (simulated data) adalah data yang dihasilkan sebagai keluaran oleh sebuah model dan data sintetik (syntethic data) adalah data yang dihasilkan oleh analisis stokastik.
6
Dua cara pendekatan •
Method optimasi (optimizing method) Dalam model optimasi, semua aspek dalam semua bentuk dan sifatnya, baik individu maupun sifat hubungan antar variabel/parameternya dikaitkan untuk memperoleh hasil terbaik setelah memperhitungkan semua hambatan, pertimbangan, baik untung ruginya, kualitatif maupun kuantitatif. Dalam kaitan ini masalahnya dapat menjadi sangat kompleks, karena bila tujuan dan hambatannya cukup banyak, maka pemilihan hasil yang ’paling baik’ menjadi sangat sulit.
Tergantung dari tingkat kebutuhan dan ketelitian yang dikehendaki, penyimpangan dalam analisis tersebut dapat diperlakukan dengan dua cara: • membiarkan saja penyimpangan tersebut terjadi dengan menganggap bahwa hal ini merupakan hal yang wajar, karena sifat alami yang tidak mungkin dapat dimodelkan secara sempurna. • melakukan modifikasi model yang dikembangkan agar dapat memberikan unjuk raga yang lebih baik.
7
STRUKTUR MODEL 1. Struktur Komponen Hidrometeorologi 2. Struktur Komponen Permukaan 3. Struktur Komponen Bawah permukaan 4. Struktur Komponen Sungai
Struktur Komponen Hidrometeorologi
Hujan
Hujan
Hujan
Hujan Rancangan Struktur sederhana komponen hujan
Pola Elemen DAS
Hujan Tiap Elemen DAS
Komponen hujan sebagai masukan distributed
8
Struktur Komponen Permukaan Hujan
Hujan Intersepsi
Penguapan
Tampungan Permukaan
Penguapan
Aliran Limpasan
Hujan
Infiltrasi
Aliran Limpasan
Tampungan Bawah Permukaan
Struktur Komponen Bawah Permukaan Infiltrasi
Tampungan
(lateral flow)
Hujan (netto)
Limpasan Permukaan
Infiltrasi
Struktur model dengan satu tampungan
Aliran Antara
Limpasan Langsung
Struktur model dengan penggabungan aliran antara dan limpasan permukaan
9
Struktur Komponen Sungai Di sungai terjadi 2 proses yaitu proses pembangkitan aliran (fow generation) dan proses penelusuran (routing) Limpasan Permukaan
Aliran Antara
Aliran Dasar Penelusuran
Limpasan
KALIBRASI • kalibrasi dilakukan untuk memastikan besaran-besaran/parameter-parameter model. Kalibrasi dilakukan untuk menemukan besaran/parameter yang belum diketahui agar keluaran model ‘dekat’ dengan keluaran DAS prototipnya (observed characteristics). • Kalibrasi dapat dilakukan dengan beberapa cara, baik cara manual (trial and error), otomatik (automatic calibration) atau gabungan antara keduanya.
10
VERIFIKASI • Untuk menguji ulang (menguji akhir) unjuk kerja model, diperlukan tahap verifikasi. Dalam tahap in, model dengan semua parameter yang telah diperoleh dalam tahap kalibrasi diuji dengan menggunakan data yang belum digunakan dalam kalibrasi. Misalnya tersedia data sepanjang sepuluh tahun, maka data lima tahun pertama digunakan untuk kalibrasi, sedangkan data lima tahun terakhir digunakan untuk verifikasi.
MODEL HIDROLOGI SEDERHANA • Rainfall runoff model • Frequency analysis • Stochastic analysis
11
Rainfall runoff model • Prinsip pemodelan: tata baku dan imbangan air • Kegunaan: perkiraan ketersediaan air (continuous flow) dan debit/hidrograf aliran besar/banjir (event flow) Contoh: SSARR, SHE, MOCK, NASH, HEC-HMS, dll.
Even Flow Aliran Puncak (Debit Banjir) Data Record Hidrograf Satuan Analisis Frekuensi & Rasional Hidrograf Satuan Sintetik
12
Hujan Evapotranspirasi
Permukaan Tanah
Badan Air
Infiltrasi
Aliran di permukaan tanah
Lapisan Tanah
Aliran Antara
Lapisan Akuifer Air TAnah
Aliran Air di sungai
Aliran Dasar Debit di DAS
Penelusuran elemen event flow
Continuous Flow Aliran Rendah (Debit Andalan) Data Record Model Tangki Model Mock
13
Penelusuran elemen continuous flow Presipitasi
evaporasi
evaporasi
transpirasi
evaporasi Vegetasi
Aliran
Badan Air
Permukaan tanah infiltrasi
Air kapiler
Lapisan Tanah
banjir Aliran permukaan tanah Aliran
Aliran di badan air
antara perkolasi Air kapiler
Aliran dasar simpanan
Aquifer air tanah
Debit dalam DAS
Frequency analysis • Prinsip pemodelan: fungsi distribusi probabilitas. • Kegunaan: perkiraan besaran hidrologi sebagai nilai besaran rancangan dengan kala ulang tertentu (banjir rancangan, hujan rancangan). • Contoh: distribusi Normal, Log-Normal, Gumbel, Pearson III, dll.
14
Stochastic analysis • Prinsip pemodelan: perilaku komponen perulangan (tetap), trend dan simpangan (error) • Kegunaan: pembangkitan data hidrologi (hujan, debit) untuk input evaluasi unjuk kerja design capacity atau pedoman operasi bangunan air • Contoh: Thomas Fiering, Matallas, ARIMA, dll.
TERIMAKASIH
15
