Aliran Dan Kapasitas Pengangkutan Sedimen Di Saluran Bertanaman

Kelompok IX

HANTARAN ALIRAN dan KAPASITAS

PENGANGKUTAN SEDIMEN DI SALURAN

BERTANAMAN

(Flow Conveyance and Sediment Transport Capacity in Vegetated Channels)

Weiming Wu1, Zhiguo He2, Sam S.Y. Wang3

ABSTRAK

Makalah ini membahas tentang pendekatan untuk memperkirakan kekasaran dari tanaman

fleksibel dan kaku dalam kondisi tenggelam dan terapung, dan kemudian menyajikan

model hidrolik untuk menghitung debit aliran di saluran bertanaman. Efek tahanan dari

tanaman dipertimbangkan dalam koefisien kekasaran dalam penentuan aliran didalam

saluran. Kapasitas pengangkutan sedimen dalam saluran bertanaman juga telah diteliti.

Sedimen dasar dihitung dengan menggunakan Rumus Wu et al, dimana beban tegangan

geser efektif dihitung dengan menggunakan τ b= γ Rs S dengan S menjadi kemiringan

saluran, γ berat jenis air, dan Rs jari-jari hidrolik jarak didefinisikan oleh Barfield et al.

Model yang dibentuk telah diuji terhadap data lapangan dan eksperimental. Perhitungan

Debit aliran dan sedimen mengendap rata-rata sesuai dengan data yang diukur.

1. PENDAHULUAN

Vegetasi adalah bagian penting dari berbagai sungai, menyediakan habitat bagi organisme

air lainnya dan meningkatkan nilai kemudahan bagi manusia (Jordanova dan James,

2003). Manajemen lingkungan sungai memerlukan pemahaman dan kemampuan prediksi

dari proses-proses, dan khususnya pengaruh tanaman terhadap pengangkutan sedimen.

Ada tiga hubungan timbal balik antara saluran hidrolik, pengangkutan sedimen dan

tanaman. Tanaman dan bentuk saluran dapat menentukan kondisi hidrolik menyebabkan

perlambatan aliran dan pembelokan serta endapan lokal (Kouwen et al., 1969; Li dan

Shen, 1973; Shields dan Gippel, 1995); tanaman dapat mempengaruhi morfologi sungai

(Thorne, 1990; Millar , 2002; Brooks dan Brierley, 2002; Bennett et al, 2002; Simon dan

collision, 2002; Montgometry et al., 2003); dan kondisi hidrolik dan tanaman menyediakan

Hidraulika Lanjutan 1

Kelompok IX

habitat air dengan mengurangi atau mempercepat kecepatan, pengendapan sedimen

halus (Wallace dan Benke, 1984; Shields dan Cooper, 2000).

Tahanan pada tanaman meningkatkan tahanan aliran secara keseluruhan dan mengurangi

tegangan geser yang diteruskan ke sedimen, sehingga mengurangi kapasitas untuk

pengangkutan sedimen mengendap dan meningkatkan kecenderungan untuk menangkap,

mengendap, dan stabilisasi sedimen. Penelitian eksperimental yang menjadikan efek dari

dalam saluran dan tanaman di tepi sungai pada tahanan aliran dan pengangkutan sedimen

telah dilakukan selama bertahun-tahun (misalnya Chow, 1959; Tollner, 1977; Barfield,

1979; Bache dan MacAskill, 1984; Tsujimoto dan Kitamura, 1995; Jordanova dan James,

2003). Dan juga, berbagai pendekatan yang telah diusulkan untuk model pengaruh

tanaman terhadap aliran saluran terbuka dan pengangkutan sedimen (misalnya Tsujimoto

et al 1993;. Schimizu dan Tsujimoto, 1994; Darby, 1999; Lopez dan Garcia, 2001; Wu

Wang, 2004; Wu et al, 2005.). Model empiris telah dibentuk dalam penelitian ini untuk

menghitung arus dan debit sedimen mengendap di saluran bertanaman.

2. HAMBATAN ALIRAN DI SALURAN BERTANAMAN

Tanaman di alam dapat berupa fleksibel (rumput) atau kaku (pohon), dan baik terapung

atau tenggelam dalam periode aliran rendah dan tinggi. Dampak dari jenis kekasaran

tanaman pada aliran perlu ditentukan dengan menggunakan metode yang berbeda, seperti

dijelaskan dibawah.

2.1 Kekasaran pada tanaman kaku

Karena bentuk vegetasi sangat tidak beraturan, membuat tantangan untuk menghadirkan

unsur tanaman dengan bentuk sederhana. Sebagai perkiraan, batang tanaman (seperti

batang pohon) sering diartikan sebagai suatu silinder dengan tinggi, hv, dan perwakilan

diameter, D. gaya tarikan yang bekerja pada elemen tanaman dinyatakan sebagai

Fd=12Cd ρ|U V|UV

……………………………………………………………… (1)


Kelompok IX

Dimana Cd adalah koefisien tahanan, ρ adalah rapat massa air, UV adalah vektor

kecepatan aliran yang bekerja pada elemen tanaman, |U V| dan besar dari UV . Untuk

tanaman terapung, UV adalah kedalaman kecepatan rata-rata aliran U . Namun, untuk

tanaman terendam, UV adalah kecepatan rata-rata di atas lapisan vegetasi, seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 1. UV dapat ditentukan dengan menggunakan Metode Stone

dan Shen’s (2002) sebagai berikut :

UV=ηvU ( hvh )1/2

………………………………………………………………….. (2)

di mana h adalah kedalaman aliran, dan adalah ηv koefisien dari sekitar 1,0.

Untuk sekelompok elemen tanaman kaku, total perlawanan, τ , terdiri dari tegangan geser

sedimen mengendap,τ b dan gaya tarik pada tanaman, NaFd :

(1-cv) τ = (1-cv) τ b+ NaFd ………………………………………………………… (3)

dimana Na adalah kepadatan tanaman, yang mengacu pada jumlah elemen tanaman per

satuan luas dasar, dan Cv konsentrasi volumetric tanaman, yang didefinisikan sebagai

Cv=NaπD2min( hv , h )

4h . Perhatikan bahwa faktor 1 – Cv yang muncul dalam persamaan 3

untuk menjelaskan daerah dasar yang ditempati oleh aliran. Jika vegetasi relatif jarang, 1 –

Cv adalah dekat dengan 1 dan dapat dihilangkan dari Persamaan 3.


Kelompok IX

Gambar 1. Tanaman kaku di saluran terbuka (tampak samping)

Total perlawanan dan tegangan geser dasar ditentukan berdasarkan rumus :

……………………………………………………. (4)

di mana cf dan n adalah faktor gesekan dan koefisien Manning sesuai dengan total

kekasaran, cfb dan nb faktor gesekan dan Manning yang sesuai dengan koefisien

kekasaran dasar, dan Rs adalah jari-jari hidrolik dasar tanaman. Jari-jari hidrolik Rs telah

didefinisikan secara berbeda dalam literatur. Banyak model hanya menetapkan Rs sebagai

h kedalaman aliran, sementara Barfield et al. (1979) menganggap pengaruh tanaman

terhadap aliran " bilangan eddy" dan menggunakan persamaan berikut:

R s=hln2h+ln

……………………………………………………………………… (5)

dimana ln jarak lateral antar elemen tanaman. Dengan analogi, untuk vegetasi terendam,

yang dapat mendefinisikan Rs sebagai

R s=hv ln2hv+ ln

+h−hv

…………………………………………………………... (6)

Perhatikan bahwa ternyata terjadi adanya kebingungan dan ketidak tentuan dalam

penentuan Rs dan h dalam menggunakan Persamaan 5 dan 6. Ini tidaklah penting karena

koefisien kekasaran Manning dikalibrasi berdasarkan definisi yang dipilih dan memiliki nilai


τ= ρ gn2U2

RS1/3

,τ= ρgn2U2

RS1/3

Kelompok IX

yang berbeda. Namun, kalibrasi koefisien kekasaran Manning pada tabel harus dilakukan

secara seksama.

Subsitusikan persamaan 1, 2, 4 ke dalam persamaan 3, maka dihasilkan

n2=nb+1

2g (1−cv 0 )CdN aAvηv2

hvhRs1/3

……………………………..……. (7)

Untuk saluran dengan tanaman yang berdistribusi rapat, tahanan dari tanaman menjadi

kontributor utama terhadap total perlawanan, dan dengan demikian jangka waktu dalam

Pers. 7 dapat dihilangkan.

Penentuan koefisien tahanan adalah aspek kunci untuk persamaan 7 untuk digunakan

dalam praktek. Koefisien tahanan untuk silinder tunggal adalah berkaitan dengan bilangan

Reynolds Re = Uv.D/ν (White, 1991). Li dan Shen (1973) meneliti koefisien tahanan bagi

sekelompok tanaman dengan berbagai susunan. Mereka mengidentifikasi empat faktor

yang perlu dipertimbangkan untuk menentukan koefisien hambatan: (1) turbulensi aliran;

(2) profil kecepatan tidak seragam; (3) permukaan bebas, dan (4) halangan. Lindner

(1982) menyimpulkan bahwa, dalam saluran bertanaman rapat, pertama dari dua faktor ini

penting kecil dan dapat diabaikan. Dia memperluas karya Li dan Shen (1973), sehingga

metode untuk koefisien tahanan, Cd, untuk kelompok tanaman tunggal. Berdasarkan

pendekatan Lindner dan eksperimen lebih lanjut, Pasche dan Rouve (1985) menyajikan

proses semi-empiris untuk menentukan Cd. Banyak peneliti lainnya, misalnya Klaassen

dan Zward (1974) dan Jarvela (2002), menyarankan koefisien hambatan memiliki nilai-nilai

dari sekitar 1,5 untuk kasus-kasus yang paling praktis.

Koefisien tahanan Cd di persamaan 1 jelas didasarkan pada kecepatan. Stone dan Shen

(2002) menunjukkan bahwa koefisien tahanan Cdm berdasarkan kecepatan penampang

melintang Uvm yang ditunjukkan pada Gambar 2 adalah lebih tepat daripada Cd. Ini karena

Cdm lebih dekat dengan koefisien tahanan untuk silinder tunggal dan memiliki variasi yang

kurang untuk berbagai nilai untuk kerapatan tanaman, ukuran batang, dan bilangan

Reynolds silinder dibandingkan Cd . Hubungan antara Cd dan Cdm adalah :

Cd=Cdm

Uvm2

Uv2

………………………………….………………………..…….. (8)


Kelompok IX

Jika elemen tanaman dengan diameter D terdistribusi secara merata dalam arah lateral

dengan jarak, ln , U v=U vm(1−D

ln )dan Persamaan 8 dapat ditulis sebagai

Cd=Cdm

(1−D /ln )2

………………………………..………………………..…….. (9)

Selain itu, jika batang tanaman diatur dalam pola tidak beraturan dengan jarak yang sama

dalam arah longitudinal dan transversal, U v=U vm (1−D√N a) dan Pers. 8 dapat ditulis

sebagai :

Cd=Cdm

(1−√ 4 cvh

πmin (hv , h ))2

…………………………………..………….…….. (10)

Gambar 2. Definisi dari Uv dan Uvm pada matriks dari elemen tanaman

Thompson dan Roberson (1976) membuat sebuah metode untuk menentukan kecepatan di saluran di belakang tanaman yang kaku :


Kelompok IX

uwu

=¿ {0 ,48 (sv /dv )0,14 4≤Sv /dv≤20 ¿ ¿¿¿

……………….……… (11)

Dimana uv adalah kecepatan aliran di dalam saluran, u adalah pendekatan kecepatan, sv

adalah jarak antara elemen tanaman dan dv adalah diameter tanaman. Persamaan ini

didasarkan pada simulasi data yang diperoleh dari penerapan model matematik yang

dikembangkan oleh Li dan Shen (1973). Setelah memperoleh kecepatan di saluran

dikoreksi dengan menggunakan persamaan di atas, faktor gesekan Darcy-Weisbach

ditentukan dengan menggunakan rumus :

λ=8gRSuw2

………………………………………………………..…………....... (12)

Dimana S adalah kemiringan saluran, R adalah jari-jari hidrolik saluran dan g adalah

kecepatan gravitasi.

2.2 Kekasaran pada tanaman lentur

Beberapa peneliti (Kouwen et al., 1969; Pethick et al, 1990.) menunjukkan perlawanan

kecepatan disaluran dengan tanaman lentur dapat didasarkan pada pendekatan

kekasaran relatif mirip dengan hubungan perlawanan yang dikembangkan untuk

kekasaran kaku dalam pipa dan saluran. Kouwen dan Li (1980) menunjukkan bahwa faktor

gesekan Darcy-Weisbach λ, dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan pelawanan

semi logaritmik (persamaan Colebrook-Putih) :

1

√ λ=a+b log( Rk )

……………………………………………..…………...... (13)

Dimana k adalah kekasaran dari tanaman, R adalah jari-jari hidrolik dari saluran dan a, b

adalah 2 (dua) parameter estimasi yang dihasilkan tergantung pada besar relatif dari

kecepatan geser U* dan nilai kritis U*Crit . Pada uji model numerik, Darby (1999)


Kelompok IX

menggunakan persamaan Hei (1979) yaitu pendekatan umum untuk menentukan

kekasaran tanaman dan pergerakan sedimen :

1√ λ

=2 ,03 log( asRk )

……………………………………………..…………..... (14)

Dimana as adalah faktor koreksi bentuk berdimensi, yang ditentukan menggunakan

as=11 ,0( Rhmax )

−0,314

dengan hmax adalah kedalaman aliran maksimum di tampang

melintang.

Untuk tanaman fleksibel dan terendam, Kouwen dan Li (1980) menunjukkan variasi

kekasaran tertinggi adalah fungsi dari banyak tahanan kecepatan yang ditemukan dan

parameter MEI :

k=0 ,14hv[ (MEI /τ )0 ,25hv ]1,59

………………...…………………..…………...... (15)

Dimana τ adalah tegangan geser dasar dan MEI adalah kekakuan lentur. Berdasarkan

penelitian laboratorium, Kouwen (1988) dan Temple (1987) mendapatkan persamaan

empiris untuk menentukan MEI dengan ketinggian tanaman untuk variasi jenis rumput

yang tumbuh dan terbengkalai menggunakan :

MEI=¿ {319hv2,3 for green , growing grass ¿ ¿¿¿

…………….……… (16)

Persamaan 17 hanya digunakan untuk rerumputan. Pada pepohonan, metode yang

dihasilkan oleh Kouwen dan Fathi (2000) biasa digunakan untuk menentukan faktor

pergeseran (friction factor) :

λ=4 ,06( U√ξE/ ρ )

0,46 hhv

………………...…………………..…………........ (17)


Kelompok IX

Dimana ξ adalah penjumlahan semua bagian perubahan bentuk dari tanaman yaitu hasil

dari peningkatan kecepatan aliran. Parameter ξE disebut “index tanaman”, yang diperoleh

dari frekwensi getaran, massa, dan panjangnya suatu pohon dan suatu model matematika

yang didasarkan pada penelitian Niklas dan Bulan ( 1988), Fahi dan Kouwen ( 1977), dan

Fathi ( 1996) yaitu ξE=

Nf12ms

H v

, dimana ms adalah massa total dan Nf1 adalah frekuensi

alam dari pohon. Fathi ( 1996) menyajikan rata-rata indeks tanaman ξE untuk empat jenis

pohon jarum.

3. ALIRAN DI SALURAN BERTANAMAN

Berdasarkan aliran seragam di saluran bertanaman dihasilkan :

Q=K √ So

………………...…………………………………....…………......... (18)

Dimana Q adalah debit aliran, So kemiringan saluran memanjang dan K adalah hantaran di

saluran. Jika seluruh tampang melintang terdiri dari tanaman yang tersebar tidak merata,

maka K dapat dihitung menggunakan :

K= A5/3

nP2/ 3

………………...…………………………………....…………......... (19)

Dimana A adalah luas aliran dan P adalah keliling basah di tampang melintang. Geseran di

dasar saluran dan tahanan tanaman telah dimasukkan kedalam angka Manning n, yang

dijelaskan pada persamaan 7, 12, 14 dan 17 tergantung pada jenis tanaman.

Jika di tampang melintang saluran, sebagian di lapisi oleh tanaman atau kepadatan

tanaman yang bervariasi, kecepatan aliran akan bervariasi di daerah bertanaman dan tidak

bertanaman atau di daerah tanaman yang berbeda. Dapat dilakukan pembagi penampang


Kelompok IX

menjadi beberapa subbagian yang sesuai, baik tumbuhan atau non-tumbuhan, seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 3. hantaran disetiap bagian dapat ditentukan dengan :

K i=Ai5/3

niPi2/3

…………………………………………………....…………......... (20)

Dimana Ki, Ai, Pi dan ni adalah hantaran, luas aliran, keliling basah dan koefien kekasaran

Manning pada bagian i. Total hantaran K dapat diperoleh dari pejumlahan hantaran pada

setiap bagian yaitu :

K=∑i

K i

………………………………………………..…....…………......... (21)

Tahanan pada tanaman berkaitan dengan kecepatan aliran, dimana masing-masing

bagian ditentukan berdasarkan persamaan Manning yaitu :

U i=K i√SoAi

………………………………………….……....…………......... (22)

Persamaan 18 dan 20 sampai 22 selalu memiliki keterkaitan dengan koefisien kekasaran

Manning, sedangkan Persamaan 7,12,14 atau 17 tergantung pada jenis tanaman.

Gambar 3. Skesa tampang aliran

4. KAPASITAS PENGANGKUTAN SEDIMEN AKIBAT EFEK DARI TANAMAN


Kelompok IX

Banyak rumus yang telah diusulkan untuk menentukan total dan sebagian debit dari

sedimen dengan ukuran seragam dan tak beraturan di dalam saluran yang tak

bertanaman. Pengenalan awal untuk masalah ini ditemukan oleh Simons dan Sentruks

(1992) dan Yang (1995). Pengangkutan sedimen di saluran bertanaman berbeda dari

saluran biasa. Okabe et al. (1997), Jordanova dan James (2003), dan Wu et al. (2005)

menemukan bahwa pengangkutan sedimen dasar terutama terkait dengan beban geser

daripada gaya tahanan yang bekerja pada elemen tanaman. Jika digunakan tegangan

geser efektif, ada beberapa rumus empiris yang dikembangkan untuk pengangkutan

sedimen mengendap di saluran umum dapat diperluas untuk saluran tumbuhan.

Jordanova dan James (2003) melakukan percobaan untuk menyelidiki pengangkutan

sedimen mengendap di dalam saluran tertutup dengan tanaman yang tersebar merata.

Mereka menggunakan metode Li dan Shen (1973) untuk menentukan tegangan geser

efektif pada dasar, dan mengusulkan formula empiris sederhana. Okabe et al. (1997)

menggunakan model turbulensi k-ε untuk menghitung tegangan geser efektif pada dasar,

dan menemukan bahwa Rumus Ashida-Michiue (1972) dapat digunakan untuk

menentukan pengangkutan sedimen mengendap di saluran bertanaman. Wu et al. (2005)

menggunakan pendekatan Barfield et al. (1979) untuk menentukan tegangan geser efektif

pada dasar :

τ b=γRs S

………………………………………….……....………….............. (23)

Dan mengaplikasikan rumus Wu et al. (2000) untuk menentukan sedimen mengendap di

daerah bertanaman :

φbi=0 ,0053[( nb 'nb )3 /2 τbτ ci

−1]2,2

…………………………………….............. (24)


Kelompok IX

Dimana φb adalah non dimensional pengangkutan sedimen mengendap rata-rata

φbi=qbi

[ pbi√( γsγ−1 ) gd i3 ] , qbi adalah pengangkutan rata-rata pada ukuran kelas i dari

sedimen mengendap per satuan unit lebar saluran.τ b adalah tegangan geser dasar yang

dihitung menggunakan persamaan 23, τ ci adalah tegangan geser kritis, nb’ adalah

koefisien Manning sesuai dengan kekasaran butir dengan nb'=d501/6

20 ,dan nb adalah

koefisien Manning dari dasar saluran.

5. EVALUASI MODEL

5.1 Kekasaran dari tanaman terapung yang kaku di percobaan laboratorium

Penelitian Aliran dalam saluran terbuka sebagian ditutupi oleh tanaman oleh Tsujimoto dan

Kitamura (1995). Kumpulan silinder dengan diameter yang konstan di letakan di dasar

dengan jarak yang sama sepanjang sisi dinding saluran tersebut. Aliran seragam Quasi

dengan kedalaman lebih kecil dari ketinggian tanaman yang dipelajari. Percobaan

dilakukan dalam dua flumes. Salah satunya memiliki panjang 12 m dan lebar 0,4 m (flume

a), dan satu lagi panjang 12 m dan lebar 0,5 m (flume b). Kondisi percobaan diringkas

pada Tabel 1, di mana B = lebar zona bertanaman, ib kemiringan longitudinal dasar, h0 =

kedalaman air, Uave = kecepatan curah, Uk = kecepatan permukaan antara daerah

bertanaman dan zona tidak bertanaman (kedalaman -rata-rata), C f = koefisien perlawanan

bagian utama, dan Ω=

CDDh0(2 s2 ) . Sifat-sifat tanaman model diperlihatkan pada Tabel 2.

Tiga metode yang digunakan untuk menghitung kekasaran tanaman kaku muncul di sini.

Metode pertama menentukan koefisien kekasaran Manning menggunakan persamaan 7

dengan nilai-nilai koefiesien tahanan Cd yang diusulkan oleh Tsujimoto dan Kitamura

(1995): Cd=

2gs2

(Ks2D )

. Metode kedua menentukan koefisien kekasaran Manning

menggunakan eq 7 dan. koefisien tahanan Cd menggunakan Metode Stone dan Shen


Kelompok IX

(2002), Pers. 8. Metode ketiga adalah Metode Thompson dan Roberson (1976), digunakan

untuk menghitung kecepatan di saluran menggunakan Persamaan 11 dan untuk

menentukan faktor gesekan digunakan persaman 12. Ketiga metode tersebut disimbulkan

sebagai TK, SS, dan TR untuk kenyamanan penelitian. Gambar 4 menunjukkan

perbandingan debit aliran diukur dan dihitung. Semua metode memberikan kesepakatan

yang baik antara prediksi dan pengukuran. Kesalahan rata-rata relatif adalah 5.3, 4.6, dan

5,1% untuk tiga metode, masing-masing.

Tabel 1. Kondisi Penelitian

Run FlumeBs

(cm)

ib

(x10-3)

H0

(cm)

Uave

(cm/s)

Uk

(cm/s)

Cf

(x10-3)Ω

A1 a 12 1,7 4,57 32,0 20,1 3,8 0,05

B1 a 12 1,7 4,28 27,6 16,3 4,0 0,12

B2 a 12 1,7 3,22 23,7 14,1 4,5 0,09

B3 a 12 2,7 4,15 35,1 18,5 3,6 0,11

B4 a 6 1,6 4,23 33,9 14,4 3,5 0,11

C1 a 12 1,7 4,38 22,0 10,5 5,2 0,30

D1 b 25 1,5 3,65 20,3 13,5 3,1 0,18

D2 b 25 2,5 3,82 24,2 16,1 4,2 0,19

D3 b 25 3,9 3,87 27,8 16,8 3,4 0,19

Tabel 2 Kapasitas model tanaman

Model

SeriesMaterial Tanaman

Diameter

(D) cm

Tinggi

(cm)

Jarak

s (cm)

No

Selinder

Ks

(cm/s)

A Bambu 0,15 4,6 2,8 1 295

B Bambu 0,15 4,6 2,0 1 234

C Klorida Vinyl 0,2 5,0 1,0 4 120

D Nilon 6-6 0,10 4,1 1,0 1 137

E Bambu 0,25 10,0 2,0 1 172


Kelompok IX

Gambar 4 Perbandingan pengukuran dan perhitungan debit aliran (m3/s)

5.2 Kekasaran dari tanaman lentur di sungai alam

Data lapangan yang diukur di Sungai Severn di Montford, Inggris dan Sungai Era di

Capannoli, Italia digunakan untuk mengevaluasi model dari kekasaran tanaman fleksibel.

Akurasi tampang melintang dan menyalurkan data gradien diperoleh di setiap situasi

menggunakan teknik survei standar. Data sedimen diperoleh dengan sampling langsung

dari tempat material sedimen. Karakteristik vegetasi di tepi sungai juga dicatat selama

survei di tempat. Karakteristik dari kedua tampang melintang dirangkum dalam Tabel 3.

Tabel 3. Karakteristik situasi di lapangan

Parameter Sungai Severn Sungai Era

Debit banjir 50 tahunan (m3/s) 392 475

Debit banjir 5 tahunan (m3/s) 243 193

Debit tampungan (m3/s) 165 60

Lebar bantaran sebelah kiri (m) 68 3


Kelompok IX

Lebar bantaran sebelah kanan (m) 27 5

Lebar saluran tampungan utama (m) 34 29

Kedalaman saluran tampungan utama (m) 6 3,9

Ratio lebar dan kedalaman pada saluran

utama 5,7 7,4

Ratio bantaran dan lebar saluran utama 2,8 0,3

Kemiringan saluran 1,94 x 10-4 1,12 x 10-3

Ukuran partikel material dasar (mm) 88 47

Karakteristik tanaman

Rumput hijau dengan

ketinggian 5 cm di

daerah bantaran

Kira-kira 2/3 dari bantaran

sungai ditutupi pepohonan

dan 1,5 m rerumputan dan

alang-alang

Gambar 5. Perbandingan antara debit aliran yang diperkirakan dan diukur dengan

pengangkutan rata-rata sedimen mengendap

Dari kedua kasus, rerumputan dan alang-alang adalah tanaman yang fleksibel, dimana

perhitungan kekasaran menggunakan persamaan 14 sampai 16. Untuk pepohonan

termasuk kedalam tanaman kaku, kekesarannya dihitung menggunakan persamaan 7.

Kekasaran sedimen mengendap ditentukan menggunakan metode van Rijn (1984) yang

diubah oleh Darby (1999). Gambar 5 menunjukkan Perbandingan antara debit aliran yang

diperkirakan dan diukur pada dua situasi lapangan. Untuk Sungai Severn di Montford,

debit perkiraan lebih besar daripada yang diukur untuk tahap air < 4,0 m, yang jauh di


Kelompok IX

bawah tahap penampungan, sedangkan debit perkiraan sesuai dengan data pengukuran

di atas elevasi ini. Untuk Sungai Era di Capannoli, model memprediksi debit umumnya

baik. Kesalahan relatif rata-rata antara debit aliran diperhitungkan dan diukur adalah

20,1% untuk kasus Sungai Severn dan 12,8% untuk kasus Sungai Era. Kesalahan besar

berasal dari tahap debit rendah.

5.3 Pengangkutan sedimen di saluran bertanaman

Kapasitas pengangkutan sedimen dengan efek tanaman dievaluasi berdasarkan dua

macam percobaan, pada jenis tanaman kaku yang dipertimbangkan. Kekasaran tanaman

dihitung menggunakan persamaan 7, dan pada kapasiitas pengangkutan sedimen

mengendap dihitung menggunakan persamaan 24. Tegangan geser dasar rata-rata τ b

dihitung menggunakan persamaan 23. Awalnya, debit aliran dan pengangkutan sedimen di

saluran bertanaman dihitung menggunakan pendekatan perbandingkan antara data

pengukuran dengan perhitungan yang ditemukan oleh Jordanova dan James (2003).

Dalam percobaan, tanaman terapung disimulasikan dengan silinder besi yang diatur dalam

pola tidak beraturan, dan ukuran rata-rata butir sedimen adalah 0,45 mm. Gambar 6

menunjukkan kecocokan yang sangat baik antara debit aliran dan pengangkutan sedimen

mengendap yang diamati dan diperkirakan. Kesalahan relatif rata-rata antara perkiraan

dan pengukuran adalah 6,6% untuk debitaliran dan 13,6% untuk pengangkutan sedimen.


Kelompok IX

Gambar 6. Perbandingan antara debit aliran dan pengangkutan sedimen yang diperkirakan

dan diukur

Penelitian lain yang memilih uji kapasitas pengangkutan sedimen yaitu penelitian jenis A

dari perkiraan sedimen mengendap pada dasar yang bergerak ditutupi tanaman oleh

Okabe et al. (1997) pada saluran memanjang dengan lebar 0,4 m dan panjang 12 m.

tanaman model berbentuk selinder dan melengkung yang terbuat dari pipa silikon dengan

diameter eksternal 1 mm dan ukuran butir adalah 0.6 mm. Gambar 7menunjukkan

perbandingan sedimen mengendap yang diperkirakan dan diukur. Kesalahan relatif rata-

rata antar perkiraan dan pengukuran adalah 50.9%.

6 Kesimpulan

Pada penelitian ini, awalnya melihat pendekatan untuk menghitung kekasaran tanaman

fleksibel dan kaku pda kondisi tengelam dan terapung dan membuat model hidrolik untuk

menghitung debit aliran pada saluran bertanaman. Efek tahanan tanaman

dipertimbangkan pada koefisien kekasaran Manning dalam penentuan hantaran saluran.

Model ini telah diuji terhadap percobaan Tsujimoto dan Kitamura (1995) dan dua bentuk

data sungai alam. Debit aliran dihitung dan kurva aliran banjir sesuai dengan data yang

diukur.

Kapasitas pengangkutan sedimen di saluran bertanaman juga diteliti pada penelitian ini.

Debit aliran sedimen mengendap dihitung menggunakan rumus Wu et al. (2000), dimana

tegangan geser dasar dihitung menggunakan τ b= γ Rs S dengan S menjadi kemiringan

saluran, γ berat jenis air, dan Rs jari-jari hidrolik jarak didefinisikan oleh Barfield et al.

Metode ini telah dibuktikan dengan menggunakan data pengukuran dari Jordanova dan

James (2003) dan Okabe et al. (1997). Prediksi dan pengukuran secara umum memiliki

kecocokan yang baik.


Kelompok IX

Gambar 7. Perbandingan antara pengangkutan sedimen mengendap yang diperkirakan

dan diukur

PENGAKUAN

Penelitian ini adalah bagian dari proyek penelitian yang didukung oleh USDA ARS

Persetujuan Penelitian Khusus No. 58-6408-2-0062 dan Universitas Mississipi. Drs.

Stephen E. Darby, Takeshi Okabe dan Tadanori Kitamura adalah penyetujuan data

pengukuran dilapangan.

TINJAUAN PUSTAKA

Ashida, K. and Michiue, M (1972) “Study on Hidraulic Resistance and Bedload Transport

Rate in Alluvial Stream, “Proc. Of JSCE. 201,pp. 56-69.

Barfield, BJ., Tollner, E.W., and Haynes, J.C. (1979)”Filtration of Sediment by Simulated

Vegetation I. Steady-state Flow with Homogeneous Sediment,” Trans. ASCE, 22(3), pp.

540-548.

Bache, D.H., and MacAskill, I.A. (1984). Vegetation in Civil and Landscape Engineering,

Granada, New York.


Kelompok IX

Bennett, SJ., Pirim, T., and Brierley, G.J. (2002) “Mediated Equilibrium : The Influence of

Riparian Vegetation and Wood on the Long-term Evolution and Behaviour of a Near-

pristine River,” Earth Surface Processes Landform, 27, pp. 343-367.

Chow, V.T. (1959). Open-channel Hydraulics. McGraw-Hill, New York.

Darby, S. E. (1999). “Effect of Riparian Vegetation on Flow Resistance and Flood

Potential,” J. Hydraulic Eng. 125(5), pp. 443-454.

Fahi-Maghadam, M. (1996). Momentum Absorption in Non-rigid, Nonsubmerged, Tall

Vegetation along Rivers, PhD. Dissertation, University of Waterloo, Canada.

Hey, R.D. (1979). “Flow Resistance in Gravel-bed Rivers,” J. Hydr. Div., ASCE, 105(4),

pp. 365-379.

Jarvela, J. (2002). “Determination of Flow Resistance Caused by Non-submerged

Woody Vegetation,” River Flow 2002, D.Bousmar and Y. Zech (eds.), Swet & Zeitlinger,

Lisse, pp. 311-3 18

Jordanova, A.A., and James, C.S. (2003). “Experimental Study of Bed Load Transport

through Emergent Vegetation,” J. Hydraul. Eng., 129(6), pp. 474-478.

Klaassen, G.J., and Zwaard, J.J. (1974) “Roughness Coefficients of Vegetated

Floodplains,” J. Hydr. Res., 12(1), pp. 43-63.

Kouwen, N., and Li, R.M., (1980). “Biomechanics of Vegetative Channel Linings,” J. Hydr.

Div., ASCE, 106(HY6), pp. 1085-1103.

Kouwen, N., Unney, T.E. and Hill, A.M. (1969). “Flow Retardance in Vegetated Channels,”

J. Irrig. Drain. Div. Am. Soc. Civ. Eng., 95, pp. 329-342.

Kouwen, N. (1988). “Field Estimation of the Biomechanical Properties of Grass,” J.

Hydr. Res., IAHR, 26(5), pp. 559-568.

Kouwen, N., and Fathi-Moghadam, M. (2000). “Friction Factors for Coniferous

Trees along Rivers,” J. Hydraul. Eng. ASCE, 126(10), pp. 730-740.

Li, R.M. and Shen, H.W. (1973). “Effect of Tall Vegetation on Flow and Sediment,” J.

Hydraul. Div. Am. Soc. Civ. Eng., 99(HY5), pp. 793-814.

Linder, K. (1982). “Der Stroemungswiderstand Von Pflanzenbestaenden,”

Mitteilungen 75, Leichtweiss-Institut fuer Wasserbau, TU Braunschweig.

Lopez, F., and Garcia, M. (2001). “Mean Flow and Turbulence Structure of Open

Channel Flow through Non-emergent Vegetation,” J. Hydraul. Eng. 127(5), pp. 3 92-402.

Millar, R.G. (2002). “Influence of Bank Vegetation on Channel Patterns,” Water Resource

Research, 36, pp. 1109-1118.


Kelompok IX

Montgometry, D.R., and Piegay, H. (2003). “Wood in Rivers: Interactions with

Channel Morphology and Processes,” Geomorphology, 51, pp. 1-5.

Niklas, K.J., and Moon, F.C. (1988). “Flexural Stiffness and Modulus of Elasticity of Flower

Stalks from Allium Sativum as Measured by Multiple Resonance Frequency Spectra, Am.

J. Botany, 75(10), pp. 1517-1525.

Okabe, T., Yuuki, T., and Kojima, M. (1997). “Bed-load Rate on Movable Beds

Covered by Vegetation,” Environmental and Coastal Hydraulics: Protecting the Aquatic

Habitat, pp. 1396- 1401.

Pasche, E., and Rouve, G. (1985). “Overbank Flow with Vegetatively Roughened

Floodplains,” J. Hydraulic Eng., ASCE 111(9), pp. 1262-1278.

Pethick, J., Leggett, D., and Husain, L. (1990). “Boundary Layer under Salt Marsh

Vegetation Developed in Tidal Currents,” Vegetation and Erosion, J.B. Thornes (ed.),

Wiley, Chichester, England, pp. 113-124.

Schimizu Y., and Tsujimoto, T. (1994). “Numerical Analysis of Turbulent Open Channel

Flow over a Vegetation Layer Using a k- å Turbulence Model,” J. Hydroscience

and Hydraulic Engineering, 11(2), pp. 57-67.

Shields, F.D.Jr., and Gippel, C.J. (1995). “Prediction of Effects of Woody Debris Removal on

Flow Resistance,” J. Hydraul. Eng., 121(4), pp. 341-354.

Shields F.D.Jr., and Cooper, C.M. (2000). “Woody Vegetation and Debris for In-channel

Sediment Control,” Int. J. Sediment Research, 15, pp. 83-92.

Simon, A., and Collison, A.J. (2002). “Quantifying the Mechanical and Hydrologic

Effects of Riparian Vegetation on Streambank Stability,” Earth Surface Processes

Landforms, 27, pp. 527-546.

Simons, D.B., and Senturk, F. (1992). Sediment Transport Technology Water and

Sediment Dynamics, Water Resources Publications.

Stone, B.M and Shen, H.T. (2002) “Hydraulic Resistance of Flow in Channels with

Cylindrical Roughness,” J. Hydraulic Eng., ASCE, 128(5), pp. 500-506.

Temple, D.M. ( 1987). “Closure of Velocity Distribution Coefficients for Grass-lined

Channels,” J. Hydraul. Eng., ASCE, 113(9), pp. 1224-1226.

Thorne, C.R. (1990). “Effects of Vegetation on Riverbank Erosion and Stability, in

Vegetation and Erosion, edited by J.B. Thornes, pp. 125-143, John Wiley, Hoboken, N.J.

Thompson, G.T., and Roberson, J.A. (1976). “A Theory of Flow Resistance for

Vegetated Channel,” Trans. ASCE, 19(2), pp. 288-293.


Kelompok IX

Tollner, E.W., Barfield, B.J., Vachirakornwatana, C., and Haan, C.T. (1977). “Sediment

Deposition Patterns in Simulated Grass Filters,” Trans. ASCE, 20(5), pp. 940-944.

Tsujimoto, T. and Kitamura, T. (1995). “Lateral Bed-load Transport and Sand-rigde

Formation near Vegetation Zone in an Open Channel,” J. Hydroscience and Hydraulic

Engineering, Vol.13, pp. 35-45.

Tsujimoto, T., Okada, T., and Kontani, K. (1993). “Turbulent Structure of Open Channel

Flow over Flexible Vegetation,” Kanazwa Hydr. Lab. Communication, 4, pp. 37-46.

Van, Rijn, L.C. (1984). “Sediment transport. III: Bed Forms and Alluvial Roughness,” J.

Hydr. Eng., ASCE, 110(12), pp. 1733-1754.

Wallace, J.B., an d Benke, A.C. (1984). “Quantification of Wood Habitat in Subtropical

Coastal Plain Streams,” Can. J. Fish. Aquat. Sci., 41, pp. 1643-1652.

White, F.M. (1991). Viscous Fluid Flow, McGraw-Hill, New York.

Wu, W. and Wang, S.S.Y. (2004). “Depth-averaged 2-D Numerical Modeling of Unsteady

Flow and Nonuniform Sediment Transport in Open Channels,” J. Hydraul. Eng. 130(10), pp.

1013-1024.

Wu, W., Shields, F.D.Jr., Bennett, S.J. and Wang, S.S.Y. (2005). “A Depth-

averaged Two- dimensional Model for Flow, Sediment Transport, and Bed Topography

in Curved Channels with Riparian Vegetation,” Water Resources Research, Vol. 41, pp. 1-

15.

Wu, W., Wang, S.S.Y., and Jia, Y. (2000). “Nonuniform Sediment Transport in Alluvial

Rivers,” J. Hydr. Res., IAHR, Vol. 3 8(6), pp. 427-434.

Yang, C.T. (1995). Sediment Transport: Theory and Practice, McGraw-Hill Co., Inc.


Documents

Aliran Dan Kapasitas Pengangkutan Sedimen Di Saluran Bertanaman