Andalan Debit

Dr. Ir. M. Syahril B. K.

Pendahuluan

Dalam hidrologi, analisis debit dilakukan untuk memperoleh

debit banjir rencana atau debit andalan rencana. Debit banjir

rencana diperlukan untuk memperhitungkan tingkat keamanan

bangunan yang ingin direncanakan, dalam hal ini tinggi

rendahnya tingkat keamanan yang diinginkan ditunjukan

dengan besar kecilnya periode ulang yang dipakai. Sementara

itu debit andalan rencana diperlukan untuk memperhitungkan

tingkat kepercayaan yang dapat dipegang dalam

merencanakan fasilitas suplai air untuk memenuhi kebutuhan

akan air. Dalam hal ini tinggi rendahnya tingkat kepercayaan

digambarkan pada tinggi rendahnya probabilitas yang harus

diperhitungkan dalam menghitung debit andalan tersebut.

Analisis Debit Andalan

Seperti yang telah diuraikan di atas, istilah debit andalan dipakai sebagai debit

rencana untuk memenuhi kebutuhan air dari suatu kegiatan seperti pertanian, air

minum, pembangkit listrik tenaga air, industri dll. Debit andalan didefinisikan sebagai

besarnya debit yang mempunyai peluang keberhasilan sesuai dengan

probabilitasnya, misalnya Q90% dianggap merupakan debit yang besarannya dapat

dicapai dengan peluang 90 % dari waktu penampilan data debit tersebut. Dengan

memperhatikan definisi dan kegunaannya, besaran debit andalan biasanya

ditentukan berdasarkan data pengukuran debit atau debit sintetis. Data pengukuran

debit diperoleh dari pengolahan data hasil pengukuran kecepatan aliran di

sungai/saluran yang dilakukan baik secara manual maupun menggunakan AWLR.

Debit sintetis dapat ditentukan dengan menggunakan metoda analisis yang

dikembangkan berdasarkan konsep model tampungan

Analisis Debit berdasarkan Hasil Pengukuran

Berdasarkan hasil pengukuran kecepatan dapat diperoleh besarnya debit pada tiap

saat pengukuran tersebut. Berdasarkan data ini, kemudian dibuat kurva durasi debit,

dimana probabilitas dari debit tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan

metoda plotting (metoda yang sering dipakai adalah metoda Weibull).

Analisis Debit Andalan Sintetis

Dalam perencanaan pengembangan serta operasi suatu sistem sumber daya air, data

debit aliran merupakan data utama yang harus ada dalam bentuk runtut waktu (time

series) yang berkesinambungan. Kenyataannya data debit aliran umumnya hanya

tersedia dalam kurun waktu sepuluh tahun terakhir, bahkan kurang dari itu. Kondisi

data debit aliran yang ada inipun biasanya belum siap pakai, karena banyak terdapat

data yang kosong dan menjadikan data tidak berkesinambungan, Untuk mengisi data

debit aliran yang kosong serta memperpanjang seri data debit, maka dikembangkan

model untuk simulasi curah hujan - limpasan (rainfall - runoff) yang tujuannya adalah

membuat data debit aliran sintetis berdasarkan data hujan dan evapotranspirasi.

Pada prinsipnya, model tampungan merupakan konsep yang berupaya

mendeskripsikan hubungan antara hujan dan aliran permukaan berdasarkan

parameter DAS yang dikaji, terutama kapasitasnya dalam menampung air hujan.

Faktor-faktor yang mempengaruhi kapasitas ini antara lain adalah prositas tanah dan

sifat kapilaritas tanah. Dibawah ini disajikan dua model yang dikembangkan dengan

menerapkan konsep tersebut.

MODEL NRECA

Model ini dikembangkan dengan mengasumsikan DAS sebagai tampungan yang

dapat dibagi menjadi 2 bagian. Pembagian tersebut dilakukan berdasarkan

perbedaan reaksi masing-masing bagian tersebut terhadap infiltrasi air hujan yang

melaluinya. Kedua bagian tersebut adalah :

1. Zona atas yang dianggap sebagai tampungan air yang terjadi akibat adanya

kapasitas tanah dalam menahan air sampai tanah tersebut menjadi jenuh.

Tampungan ini biasanya dinyatakan dalam tingkat kelengasan tanah (soil

moisture)

2. Zona bawah yang dianggap sebagai tampungan air yang terjadi akibat adanya

kapasitas tanah dalam menahan air pada saat tanah tersebut jenuh (air tanah).

Tingkat kelengasan ditentukan oleh neraca air hujan dan evapotranspirasi aktual.

Ketika curah hujan yang terjadi lebih besar dari evapotranspirasi aktual, akan

terdapat kelebihan air yang mampu menambah kelengasan tanah sehingga tanah

menjadi jenuh dan akan melimpahkan kelebihan airnya dalam dua bentuk, yaitu

sebagai aliran yang akan langsung menjadi aliran permukaan dan aliran yang

mengisi tampungan air tanah. Aliran permukaan yang terjadi dari tampungan air

tanah yang keluar kembali disebut Base Flow.

Skema Konsep Model NRECA

Menentukan Kelengasan Tanah

Agar tampungan akibat kelembaban tanah dapat terjadi, diperlukan nilai awal

kelembaban tanah pada tingkat tertentu. Besarnya infiltrasi air hujan menuju

tampungan kelengasan tanah dapat dihitung dari neraca air sbb.:

WATER BALANCE = RAIN EACT

EACT = K1 x EPOT

K1 = RAIN/EPOT (1 - 0,5 SMOLD/SMNOM) + 0,5 SMOLD/SMNOM

dimana :

EACT = evapotranspirasi aktual (mm)

RAIN = curah hujan pada periode yang ditinjau (mm)

K1 = rasio antara evapotranspirasi aktual dan evapotranspirasi potensial

SMOLD = kelengasan tanah pada akhir periode sebelumnya (mm)

SMNOM = kapasitas (nominal) kelengasan tanah (mm)

EPOT = evapotranspirasi potensial (mm) Kc x Eto

Jika SMOLD/ SMNOM 2,0 atau RAIN/EPOT 1,0 maka EACT = EPOT.

Pada saat hujan lebih besar dari evapotranspirasi aktual, akan terjadi infiltrasi

menuju zona bawah sehingga akan menambah volume air tanah sebesar:

RECH = ESM x KRECH

ESM = 0,5 x [1 + tgh (2

SMOLD/SMNOM - 2] x (RAIN-EACT)

dimana :

RECH = tingkat pengisian tampungan air

tanah dengan asumsi sistem linier (mm)

KRECH = koefisien pengisian tampungan

air tanah (mm)

ESM = kelebihan kelengasan tanah

(mm)

Besar kelebihan kelengasan tanah akan menjadi limpasan langsung yang besarnya

dapat ditentukan sbb.:

QDIR = ESM RECH

Dengan demikian, besar tampungan (reservoir) air tanah (GW) akan bertambah

sebesar RECH. Pada suatu saat sebagian air dari tampungan air tanah tersebut

akan menjadi aliran dasar yang besarnya dapat ditentukan sbb.:

QBASE = (GWOLD + RECH) x

KBASE

dimana :

GWOLD = kandungan awal air tanah (sisa

periode sebelumnya).

Menentukan Tampungan Air Tanah

Total Runoff

Dengan diketahuinya besaran kedua tampungan tersebut, besarnya total Runoff

pada model NRECA dapat diekspresikan dalam bentuk :

QTOT = QDIR + QBASE

METODA SACRAMENTO Model Sacramento merupakan salah satu model konseptual yang berupaya

memperhitungkan secara lebih detail pengaruh parameter tanah terhadap

kandungan airnya atau kapasitas tampungan tanah terhadap aliran air permukaan.

Model ini dikembangkan oleh National Weather Service Forecast Center di

Sacramento, California, Amerika Serikat. Konsep dasar Model Sacramento adalah

menyatakan daerah pengaliran atas beberapa waduk/tampungan yang saling

berhubungan dan mempunyai kapasitas tertentu. Dalam hal ini DAS dibagi dalam

beberapa komponen yaitu terdiri dari :

- zona atas

- zona bawah

Perkolasi

Aliran air tanah

Evaporasi

Debit sungai, terdiri dari

- aliran dari areal kedap air

- aliran permukaan yang kedap air

- interflow

- base flow

Deskripsi dari komponen model ini dapat dilihat sebagaimana berikut :

1. Lahan

Lahan dibagi atas lahan yang tidak kedap air (previous) dan lahan yang tidak kedap

air (imprevious). Untuk lahan yang kedap air(imprevious), hujan langsung masuk ke

dalam saluran/sungai dari sitem drainase alami. Dengan catatan, pada lahan yang

tidak kedap air (previous), sebelum air sampai di saluran, sebagian dari air hujan

yang jatuh masuk kedalam tanah sampai tanah menjadi jenuh. Dengan demikian,

sistem drainase dari bagian lahan yang previous dari daerah tangkapan dibagi

menjadi :

zona atas, yang menyatakan sistem tanah permukaan catchment

zona bawah, yang menyatakan sistem tampungan air tanah

Tanah pada kedua area tersebut mempunyai kandungan air (tension water) dan air

bebas (free water). Pada umumnya resapan air akan membentuk tension water

sampai tanah menjadi jenuh, pada saat tanah menjadi jenuh, tension water

mencapai nilai maksimum, dan resapan air langsung menjadi air tanah.

Skema Konsep Model Sacramento

2. Zona Atas

Tension water pada zona atas menyatakan volume air hujan yang masih dapat

ditampung tanah pada keadaan kering sampai terjadinya pelepasan air oleh tanah

tersebut. Jika kapasitas maksimum tampungan zona atas terlampaui, maka

selebihnya menjadi air bebas yang dapat menjadi interflow ke saluran atau menjadi

perkolasi ke zona bawah.

Interflow terjadi hanya jika curah hujan melampaui laju perkolasi. Zona atas dianggap

sebagai tampungan linear yang dikuras secara eksponensial. Besarnya Interflow

adalah sbb.:

Q interflow = UZFCW * UZK

dimana :

UZFCW = volume air bebas pada zona atas

UZK = koefisien pengosongan untuk zona atas

Jika curah hujan melampaui intensitas perkolasi dan kapasitas drainase interflow

maksimum, maka tampungan zona atas bebas akan terisi penuh dan terjadilah aliran

permukaan.

3. Zona Bawah

Tension Water pada zona bawah merupakan sisa volume air yang diperlukan untuk

kelembaban tanah yang terjadi akibat daya tarik molukeler tanah. Dalam hal ini,

volume air yang dimaksud tidak termasuk air tanah bebas yang mengisi pori-pori

tanah. Volume air ini dinyatakan dengan LZTM.

4. Intensitas Perkolasi

Laju perkolasi dari zona atas ke zona bawah bergantung pada kebutuhan zona bawah,

yaitu kebutuhan yang ditentukan oleh isi zona bawah relatif terhadap kapasitasnya.

Kebutuhan perkolasi zona bawah yang minimal terjadi jika ketiga tampungan zona

bawah telah terisi penuh. Selanjutnya dengan prinsip kontinuitas, laju perkolasi adalah

sama dengan aliran air tanah dari tampungan utama dan tambahan yang sudah penuh.

Jika kebutuhan minimum adalah PBASE, maka :

PBASE = LZFPM*LZPK + LZFSM * LZSK

dimana :

PBASE = PERCmin. Kebutuhan

LZFPM = kapasitas tampungan air bersih bebas utama zona bawah

LZPK = faktor drainase tampungan utama

LZFSM = kapasitas tampungan air bebas tambahan zona bawah

LZSK = faktor drainase tampungan tampungan tambahan

Kebutuhan perkolasi zona bawah yang maksimum terjadi jika tampungan zona bawah

dalam keadaan kosong. Besarnya perkolasi maksimum ini adalah :

PERC maks.kebutuhan = PBASE * (1 + ZPERC)

dimana pada umunya ZPERC >>1. Sedangkan perkolasi yang aktual adalah :

PERC akt. = PBASE * (1 + ZPERC * G)

dimana :

G = (A/B) * REXP

A = jumlah dari seluruh kapasitas zona bawah - isi zona bawah

B = jumlah dari seluruh kapasitas zona bawah

5. Aliran Air Tanah

Jumlah aliran diasumsikan sebagai tampungan yang mempunyai sistem yang berprilaku

linear, sehingga dapat dituliskan sbb.:

Q BASE = LZFPC * LZPK + LZFSC * LZSK

dimana :

LZFPC = isi zona air bebas utama

LZFSC = isi zona air bebas tambahan

Faktor drainase LZPK dan LZSK dapat ditentukan dengan mudah dari kurva resesi

hidrograf, dengan menggambarkan pada kertas semi logaritmik, dan berdasarkan

persamaan berikut :

K = (QPt / Q Po) * (1/dt)

dan

LZPK = 1 K

dengan :

K = koefisien resesi

dt = waktu (misalnya hari)

Qpo = debit awal resesi

QPt = debit pada waktu setelah itu

Isi maksimum dari zona air bebas bawah adalah :

LZFPM = QPmaks/LZPK

dimana

QPmaks = nilai maksimum aliran rendah utama

ET DEMAND

ET

ET

ET

ET

ET

PRECIPITATION INPUT

PERVIOUS AREA IMPERVIOUS

TENSION WATER

UZTWM

FREE WATER

UZFWM

UPPER ZONE

PERCOLATIONZPERC x REXP

PFREE1-PFREE

LOWER ZONE

TENSION WATERLZTM

FREE

PLZTM

FREE

SLZTM

RSERV

PRIMARY BASE FLOW

TOTAL

BASE

FLOW

SUPLEMENTAL

BASE FLOW

SIDESUBSURFACE

DISCHARGE

STREAM

FLOW

DISTRIBUTION

FUNCTION

TOTAL

CHANNEL

FLOW

INTERFLOW

SURFACE

RUNOFF

DIRECT

RUNOFF

Skema Model Sacramento

6. Evaporasi

Evaporasi potensial terjadi di sungai, danau dan tumbuhan air. Evaporasi dari bagian lahan

lainnya ditentukan oleh banyaknya air yang berada di zona tertekan. Jika ED adalah

evapotranspirasi potensial dan E1 adalah evapotranspirasi aktual, maka :

E1 = ED * UZTWC/UZTWM

Jika E1 < ED, maka air diambil dari zona bawah sebagai berikut :

E2 = (ED - E1) * LZTWC/(UZTWM + LZTWM)

Selanjutnya jika evapotranspirasi terjadi pada kondisi dimana rasio kapasitas tampungan air

bebas melebihi isi tampungan tertekan, maka air dialirkan ke tampungan tertekan sampai terjadi

keseimbangan.

7. Debit Aliran Sungai

Debit aliran sungai terdiri dari komponen-komponen sebagai berikut :

Aliran dari areal yang kedap air

Aliran permukaan dari permukaan yang tidak kedap air

Interflow

Base flow

Daerah pengaliran sungai yang dikaji dapat dimodelkan dalam sebuah segmen, atau lebih.

Penelusuran (propagation) hidrograf aliran dapat dilakukan dengan berbagai cara sebagai

berikut :

Penjumlahan outflow dari masing-masing segmen

Pada outflow setiap segmen dilakukan pendekatan hidrograf satuan

Dengan pendekatan lapisan (layered) yang masing-masing mempunyai koefisien routing

Pada umumnya cara pertama, yaitu penjumlahan outflow dari masing-masing segmen banyak

digunakan sebab dapat dipandang sebagai yang paling alami.

8. Parameter Model Sacramento

Dengan demikian, untuk dntuk dapat memodelkan kondisi aliran sungai dengan baik

sesuai dengan konsep tersebut di atas, maka Model Sacramento menggunakan

beberapa parameter sebagai berikut di bawah ini, beserta nilai-nilainya yang lazim

digunakan.

UZTWM =Upper zone tension water minimum (25 - 75 mm)

UZFWM =Upper zone free water maximum (10 - 100 mm)

LZTWM =Lower zone tension maximum (75 - 600 mm)

LZFSM =Lower zone free secondary maximum

LZFPM =Lower zone free primary maximum

UZK =Upper zone koefisien (0,18 - 1,0 ; dengan nilai awal sampai 0,4)

LZSK =Lower Zone Secondary Koefisien

LZPK =Lower Zone Primary Koefisien

ZPERC =Percolation rate increase

REXP =Exponent of the percolation rate (1.0 3.0, dengan nilai awal 1,8)

PFREE =Bagian percolated yang menjadi free water (0 s/d 0.4, dengan nilai awal 0,20)

RSERV =Bagian LZFW yang tidak dapat menguap (0 - 0,4 ; dengan nilai awal 0,30)

PCTIM =Bagian lahan yang imprevious (permanen)

ADMIMP=Bagian lahan yang imprevious jika semua kebutuhan air terikat dipenuhi

SARVA =Bagian lahan yang berair (sungai, danau) dan tanaman di sepanjang sungai

SIDE =Bagian dari base flow yang berasal dari atau keluar catchment lain

Kalibrasi dan Verifikasi Model

Kalibrasi adalah proses memperkirakan parameter model. Untuk proses kalibrasi

diperlukan data debit aliran permukaan dari DAS yang akan dicari besaran parameter

model tersebut. Seringkali data debit dari sungai yang akan diprediksi debit

andalannya tidak begitu lengkap, untuk itu, sebagai pendekatan, kalibrasi dilakukan

dengan menggunakan data debit sungai yang memiliki DAS serupa dengan DAS dari

sungai yang akan diprediksi debit andalan sintesisnya. Kalibrasi dilakukan dengan

membandingkan debit hasil pemodelan dengan data debit yang ada. Kalibrasi

dilakukan sampai terjadi korelasi yang baik antara debit hasil model dan debit

pengukuran, yaitu yang mendekati angka 1.

Setelah kalibrasi, dilakukan verifikasi, yaitu pemodelan aliran permukaan pada DAS

yang akan dicari debit andalannya dengan menggunakan parameter model yang

diperoleh pada proses kalibrasi. Pemodelan/prediksi debit sintesis dilakukan setelah

verifikasi memberikan hasil yang memuaskan yaitu mendekati besarnya debit

pengukuran.