II. DAUR HIDROLOGI A. Siklus Air di Bumi Air merupakan sumberdaya alam yang sangat melimpah yang tersebar di berbagai belahan bumi. Di bumi terdapat kurang lebih 1,3 - 1,4 milyard km3 air yang terdistribusi ± 97,5% berada di lautan dan sisanya ± 1,75% berbentuk es di kutub dan ± 0,73% berada di daratan sebagai air sungai, air danau, air tanah dan sebagainya. Hanya ± 0,001% yang berada di udara sebagai uap air. Menurut Wisler & Brater (1967) walaupun air sebagian besar berada di lautan, namun siklus air bersifat konstan di sembarang tempat. Penguapan air (evaporation) dari permukaan taut dan daratan ke udara lambat laun berubah menjadi awan dan kemudian akan jatuh kembali sebagai hujan (rain fall) dan atau saiju ke permukaan bumi. Sebelum sampai ke permukaan bumi, sebagian air hujan langsung kembali menguap ke udara dan sebagian sampai kepermukaan bumi. Sebagian air yang sampai di permukaan tanah akan masuk ke dalam tubuh tanah (infiltration), sebagian akan menguap ke udara (evaporation), dan sebagian akan mengalir dipermukaan tanah (runoff) menuju sungai-sungai, danau dan akhirnya ke laut. Air yang masuk ke dalam tubuh tanah sebagian akan mengalir ke luar masuk ke sungai-sungai, sebagian akan dimanfaatkan tanaman, sebagian akan diuapkan oleh tanaman (transpiration) dan sebagian akan tersimpan sebagai air tanah (groundwater) Sirkulasi air di bumi ini tidak merata. Perbedaan curah hujan dari tahun ke tahun, dari musim ke musim, dan dari satu wilayah ke wilayah yang lain inilah yang menyebabkan terjadinya ketimpangan sirkulasi air. Kondisi meteorologi (seperti suhu udara, tekanan atmorfir, gerakan angin, dan lain-lain) dan kondisi topografi (seperti kemiringan, penutupan lahan, elevasi dan lain-lain) sangat menentukan siklus air di suatu tempat. Secara sederhana siklus air di bumi menurut Srosrodarsono dan Takeda (1983) tertera pada Gambar 1. Air yang masuk ke dalam tubuh tanah merupakan air yang dimanfaatkan bagi kehidupan di atas bumi. Adanya ketidakmerataan sirkulasi air di setiap tempat akan menyebabkan terjadinya berbagai kesulitan seperti kekeringan, dan atau kebanjiran.
Universitas Gadjah Mada
Universitas Gadjah Mada
B. Persamaan Air Dalam proses daur hidrologi (siklus air) terdapat hubungan antara aliran air yang masuk (Qi) dengan aliran air yang keluar (Q0) di dalam suatu wilayah tertentu. Hubungan ini dalam keadaan keseimbangan dan dikenal sebagai neraca air (water balance), yang dapat dilukiskan dalam persamaan berikut: Qi = Qo H + I + W S = E + T + R + P +Id.............................. (1)
Dimana : Qi
= Debit air yang masuk ke dalam satu wilayah
Qo
= Debit air yang keluar dari satu wilayah
H
= Curah hujan
I
= Irigasi permukaan
Ws
= Cadangan air dalam tanah (kelembaban tanah & air tanah)
E
= Evaporasi permukaan tanah
T
= Transpirasi tanaman
R
= Aliran permukaan tanah (runoff)
P
= Aliran ke bawah meninggalkan tubuh tanah (Perkolasi)
Id
= Aliran lateral dalam tubuh tanah (internal drainage)
Beberapa peneliti rnenganggap bahwa laju perkolasi (P) dan laju aliran lateral (ld) sangat kecil dibandingkan dengan laju kehilangan yang lain, maka persamaan (1) berubah menjadi: H + I + W S = E + T + R .............................. (2)
Jika sumber pemasukan air itu hanya dari air hujan (wilayah tadah hujan) maka persamaan (2) menjadi H+ W S = E + T + R .............................. (3)
Menurut Seyhan (1995), neraca air menggambarkan antara perolehan dan kehilangan air dari suatu sistem. Seyhan (1995) membagi neraca air menjadi 5 kelompok yaitu: 1. Neraca air danau atau reservoir Qi + Qg + P + ∆S = Qo + Sq + Eo Dimana :
Qi
=
Masukan air
Qg
=
Debit air tanah
Universitas Gadjah Mada
P
=
Curah hujan
∆S
=
Perubahan dalam cadangan
Qo
=
Keluaran air
Sq
=
Perembesan
Eo
=
Evaporasi permukaan air bebas
2. Neraca air kolam tanah Qsi + Qi + C + P + ∆S = Qso + Qo + Fr + E Dimana :
Qsi
=
Masukan air timpasan permukaan
Qi
=
Masukan air di bawah permukaan tanah
C
=
Airkapiler
P
=
Curah hujan
∆S
=
Perubahan pada lengas tanah
Qso
=
Keluaran air limpasan permukaan
Qo
=
Keluaran air di bawah permukaan tanah
FR
=
Perkolasi
E
=
Evaporasi tanah
3. Neraca air aquifer Batas-batas ruang untuk penerapan persamaan neraca air tergantung dari tujuan kajian. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2. Batas untuk kajian Untuk banjir
= ABGH
Untuk pertanian
= ACFH
Untuk air tanah
= CDEF, dan
Untuk sumberdaya air
= ADEH
4. Neraca air daerah aliran sungai (daerah tangkapan air) P = Ea + Q + ∆S Dimana :
P
=
Curah hujan
∆S
=
Cadangan permukaan dan bawah permukaan
Q
=
Debit
Ea
=
Evapotranspirasi
Universitas Gadjah Mada
5. Neraca air dunia. PL+ ∆S = EL + QL Dimana :
PL =
Curah hujan daratan dan lautan
EL =
Evapotranspirasi daratan dan evaporasi laut
QL =
Air limpasan ke laut dan samudra
∆S =
Cadangan air tanah
Universitas Gadjah Mada
C. Infiltrasi Permukaan tanah apabila diberi air baik air irigasi maupun air hujan, sebagian air tersebut akan bergerak masuk ke dalam tanah karena adanya beberapa gaya yang bekerja pada air tersebut yaitu gaya gravitasi (gaya berat) dan gaya adsorpsi matrik tanah atau potensial matrik tanah. Proses masuknya air dari permukaan tanah ke dalam tubuh tanah dikenal sebagai Infiltrasi. Besarnya air yang terinfiltrasi, sangat ditentukan oleh keadaan permukaan tanah dan sifat intrinsik (dakhil/internal) tubuh tanah. Keadaan permukaan tanah antara lain berkaitan dengan ketertutupan tanah, kemiringan tanah, ketermampatan (kepadatan) permukaan tanah. Sifat dakhil tanah berkaitan dengan tekstur, struktur, kandungan lengas tanah, ketersekapan udara, keberadaan dan kedalaman lapisan kedap atau air tanah, dan keseragaman profil tubuh tanah. Volume maksimum air yang masuk ke dalam tubuh tanah persatuan waktu dikenal sebagai kapasitas infiltrasi (I), sedang kecepatan masuknya air ke dalam tubuh tanah persatuan waktu dikenal sebagai laju infiltrasi (i) yang merupakan turunan atau diferensial dari kapasitas infiltrasi, secara matematis ditulis sebagai berikut:
I = atau
Beberapa model empiris telah dikembangkan dalam kajian infiltrasi. Model-model empiris tersebut antara lain : 1. Model Persamaan Kostiakov Kostiakov (Jury ef a/., 1991) mengembangkan model fnfiltrasr pada tahun 1932 dengan persamaan sebagai berikut : l = tβ atau Log I = log ( ) + βlog (t) yang I = jumlah air infiltrasi kumulatif dari waktu 0 ke t (kapasitas infiltrasi), sedang a dan |3 adalah konstanta yang berkaitan dengan sifat tanah. Laju infiltasi diperoleh dengan menurunkan persamaan I sebagai berikut: i = β-1atau log i = log ( ) + ( ) log (t)
Universitas Gadjah Mada
2. Model Persamaan Philip Philip (Jury et al., 1991) membagi infiltrasi menjadi dua komponen yaitu infiltrasi horisontal dan infiltrasi vertikal. Di alam begitu air masuk ke dalam profil tanah, maka akan bergerak ke segala arah yang s§cara garis besar ke arah horisontal atau mendatar dan ke arah vertikal atau lurus ke bawah. Gerakan mendatar berkaitan dengan potensial matrik, sedang gerakan vertikal berkaitan dengan potensial gravitasi dan kapilaritas. Secara umum persamaan infiltrasi Philip ditulis sebagai berikut: l = St ½ + At dan i = ½ St -½ + A Dari persamaan ini terlihat bahwa dalam waktu yang lama, laju infiltrasi akan konstan sebesar nilai konstanta A dan dikenal sebagai laju perkolasi tubuh tanah (profil tanah). Lamanya waktu yang diperlukan untuk mencapai laju infiltrasi yang konstan detentukan oleh kandungan lengas tanah awal profil tanah.
3. Model infiltrasi Norton Norton (Wisler & Brater, 1967) menyatakan bahwa kapasitas infiltrasi tanah pada saat awal hujan adalah yang terbesar, kemudian berkurang dengan semakin lamanya hujan, sehingga mencapai nilai minimum yang konstan. Kurva inflltrasi Horton diformulasikan sebagai berikut: F = Fc + (Fo - Fc)e-KT Dimana: F
= kapasitas infiltrasi pada suatu saat (cm/jam)
Fc
= kapasitas infiltrasi pada saat infiltrasi telah konstan
Fo
= kapasitas inflltrasi pada permulaan hujan
K
= konstanta
T
= waktu
Dan e = bilangan normal = 2,71828... D. Aliran Permukaan Bagian air hujan yang sampai ke permukaan tanah yang tidak terinfiltrasi ke dalam tubuh tanah, akan mengalir di permukaan tanah dan dikenal sebagai aliran permukaan (runoff). Aliran permukaan mencakup pengertian aliran air sungai (stream flow) atau aliran permukaan sebelum masuk badan sungai
Universitas Gadjah Mada
(surface runoff atau overland flow). Menurut Horton (Wisler & Brater, 1967) besarnya aliran permukaan ditentukan oleh tipe hujan, intensitas hujan, durasi hujan, sebaran hujan di suatu wilayah, selisih curah hujan dengan kelembaban tanah, penggunaan lahan, jenis tanah, luas areal, pola drainase, dan ketinggian, kemiringan dan bentuk wilayah. Menurut Sosrodarsono & Takeda (1983) faktor yang mempengaruhi aliran permukaan dibedakan menjadi dua yaitu (1) anasisr meteorologi dan (2) anasir daerah tangkapan hujan (catchment area). Jenis-jenis aliran limpasan menurut Norton (Wisler & Brater, 1967) dibagi menjadi beberapa tipe yaitu : Tipe 0 (nol). Pada tipe 0 intensitas hujan lebih kecil dari kapasitas infiltrasi, sehingga tidak terjadi aliran permukaan. Jumlah air yang terinfiltrasi masih dibawah defisit kadar lengas tanah awal (merupakan selisih kapasitas tanah menahan lengas maksimum (jenuh) dengan kandungan lengas tanah mula-mula), sehingga tidak terjadi perkolasi dan tidak terjadi peningkatan volume air tanah. Tidak terjadi peningkatan laju aliran air bawah tanah. Tipe ini terjadi pada musim kemarau. Tipe 1. Intensitas hujan masih lebih kecil dari kapasitas infiltrasi, dan tidak terjadi aliran permukaan. Jumlah air yang terinfiltrasi melebihi defisit kadar lengas tanah, sehingga terjadi peningkatan air bawah tanah (air tanah) dan peningkatan aliran air bawah tanah. Pada tipe ini terjadi 3 kemungkinan yaitu (1) kecepatan penambahan air bawah tanah lebih kecil dari kecepatan penurunan aliran air bawah tanah, (2) kecepatan penambahan air bawah tanah lebih besar dari kecepatan penurunan aliran air bawah tanah normal, sehingga debit aliran retatif konstan untuk jangka pendek, dan (3) Penambahan air bawah tanah melebihi penurunan normal aliran air bawah tanah dan terjadi kenaikan permukaan air bawah tanah. Tipe 2. Pada tipe ini intensitas hujan lebih besar dari kapasitas infiltrasi sehingga terjadi aiiran permukaan. Jumlah air yang terinfiltasi masih dibawah defisit kadar lengas tanah, sehingga tidak menimbulkan aliran bawah tanah. Terjadi penurunan aliran air bawah tanah yang terus menerus, dan terjadi peningkatan atiran air sungai. Tipe ini tejadi pada saat hujan lebat yang singkat. Tipe 3. Pada tipe 3, intensitas hujan lebih besar dari kapasitas infiltrasi sehingga terjadi aliran permukaan. Jumlah air yang terinfiltasi jauh di atas defisit kadar lengas tanah, sehingga menimbulkan penambahan ketinggian permukaan
Universitas Gadjah Mada
air bawah tanah. Peningkatan aliran terjadi pada aliran permukaan dan aliran bawah tanah. E. Air Tanah Dalam tubuh tanah terdapat beberapa lapisan baik yang terbentuk sebagai hasil proses pedogenesa tanah maupun hasil proses geologi. Lapisan tanah ada yang berpori dan ada yang mampat bahkan kedap air. Berdasarkan mudah tidaknya dilalui atau meloloskan air, lapisan tanah dibedakan menjadi (1) Lapisan permeabel yaitu lapisan yang dengan mudah dilalui air. Lapisan ini biasanya berupa horison tanah atau lapisan sedimen pasir mapun kerikil. (2) Lapisan impermeabel yaitu lapisan yang sangat sulit dilalui oleh air. Lapisan ini biasanya berupa lapisan batuan hasil pengendapan (sedimentasi) maubun lapisan batuan beku. Lapisan impermeabel dibedakan menjadi (a) lapisan kedap air (aquiclude) yaitu lapisan yang sulit dilalui air, biasanya berupa lapisan lempung maupun lapisan debu, dan (b) lapisan kebal air (aquifuge) yaitu lapisan yang menahan air (tidak tembus air), seperti lapisan batuan beku (compacted rock layer1). Lapisan permeabel yang jenuh dengan air (semua port terisi air) dikenal sebagai akuifer. Air tanah (groundwater) merupakan tubuh air yang terdapat diantara strata geologi (perlapisan geologi) yang mengisi pori-pori tanah maupun celahcelah batuan dimana tekanan air sama dengan tekanan udara atmosfer (P = 0 atm). Ait tanah biasanya terletak di lapisan permeabel di atas tapisan kedap atau di antara dua lapisan kedap. Berdasarkan tekanan yang dimiliki, air tanah dibedakan menjadi dua yaitu (1) air tanah bebas (free groundwater) yaitu air tanah yang langsung berhubungan dengan daerah (zona) aerasi. Pada air tanah ini kemungkinan dapat terbentuk air tanah tumpang (perched groundwater) yaitu air tanah yang terbentk di atas lapisan kedap di daerah zona aerasi yang lebih besar, dan (2) air tanah terkekang (confined groundwater) yaitu air tanah yang terletak di antara 2 lapisan kedap. Air tanah terkekang mempunyai tekanan yang tinggi, dan dapat sebagai sumber air artesis. Secara ilustrasi tertera pada gambar 2.
Universitas Gadjah Mada
Gambar 3. Penampang air tanah Keterangan : A, B, C = sumur muka air tanah Aquifer A = air tanah bebas Aquifer B & C = air tanah terkekang
Universitas Gadjah Mada
