Pengembangan Model SWAT-MODFLOW UntukPendugaan Ketersediaan Airtanah di Kab. Nganjuk, Jawa Timur
Dietrich Gerry Pelikas Tarigan – F14120076
Dibimbing oleh : Dr. Liyantono, S.TP, M.Agr
Pendahuluan
• Pada musim kering (Maret – Oktober)
terjadi defisit air di Kabupaten Nganjuk
• Utilisasi surface water dan groundwater
untuk memenuhi kebutuhan air
• Penurunan muka air tanah
• Persaingan penggunaan air (kebutuhan
domestik dan industri)
Latar Belakang
Pendahuluan
• Bagaimana menduga ketersediaan air permukaan dengan model
simulasi SWAT dan SWAT modul padi ?
• Bagaimana korelasi data ketersediaan air permukaan antara pengukuran
aktual dan hasil model SWAT & SWAT modul padi ?
• Bagaimana integrasi model SWAT-MODFLOW dalam pendugaan
ketersediaan airtanah ?
• Bagaimana korelasi data ketersediaan airtanah antara pengukuran
aktual dan hasil model integrasi SWAT-MODFLOW ?
Perumusan Masalah
Pendahuluan
Penerapan integrasi model SWAT-MODLFOW untuk menduga
ketersediaan irigasi airtanah di Kabupaten Nganjuk, Jawa Timur
Tujuan Penelitian
Hasil dari penelitian ini merupakan sebuah integrasi model SWAT-
MODFLOW yang dapat digunakan sebagai sarana pendugaan ketersediaan
irigasi airtanah. Sehingga perencanaan dan pengelolaan irigasi dapat
dilakukan baik dan memadai.
Manfaat Penelitian
Tinjauan PustakaSiklus Hidrologi
Gambar 1 Siklus hidrologi“Gambar direproduksi dari Neitsch et al. (2009)”
Tinjauan Pustaka
Model SWAT
• Model fisik kontinyu untuk skala DAS yang beroperasi secara harian
dan dirancang untuk memprediksi dampak pengelolaan lahan
terhadap air, sedimen, dan kimia pertanian
• SWAT mensimulasikan proses akuifer dangkal dan permukaan
berdasarkan HRU (Hydrological Response Unit)
• Model SWAT hanya mensimulasikan dinamika air tanah dangkal di
atas batas bawah domain model SWAT. Perkolasi di bawah 6 m dari
permukaan tanah diasumsikan sudah di luar sistem.
𝑆𝑊𝑡 = 𝑆𝑊0 +
𝑡=𝑖
𝑡
𝑅𝑑𝑎𝑦 − 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 − 𝐸𝑎 −𝑊𝑠𝑒𝑒𝑝 − 𝑄𝑔𝑤 … . (1)
Keterangan :
• SWt : Kandungan akhir airtanah (mm)
• SW0 : Kandungan airtanah awal pada hari ke-i (mm)
• Rday : Jumlah presipitasi pada hari ke-i (mm)
• Qsurf : Jumlah surface runoff pada hari ke-i (mm)
• Ea : Jumlah evapotranspirasi pada hari ke-i (mm)
• Wseep : Jumlah air yang memasuki vadose zone pada profil
tanah hari ke-i (mm)
• Qgw : Jumlah air yang kembali pada hari ke-i (mm)
Tinjauan Pustaka
Model MODFLOW
• Modflow adalah model beda hingga tiga dimensi dari aliran air tanah
bawah permukaan dengan perhitungan aliran memenuhi Hukum
Darcy.
• Dimana Kxx, Kyy, an Kzz adalah hydraulic conductivities pada
sumbu koordinat x,y,z paralel dengan sumbu utama hydraulic
conductivities, h adalah potentiometric head, W adalah fluks
volumetrik per unit volume yang mengalir ke luar sistem (W bernilai
negatif) dan mengalir ke dalam sistem (W bernilai positif), Ss
adalah penyimpanan spesifik dari media poros dan t adalah waktu.
• Interaksi groundwater-surface water dimodelkan dalam river
package (.riv) dimana perhitungan aliran volumetrik air (Qleak)
dilakukan berdasarkan Hukum Darcy dengan persamaan berikut.
𝑄𝑙𝑒𝑎𝑘 = 𝐾𝑏𝑒𝑑 (𝐿𝑠𝑡𝑟 𝑃𝑠𝑡𝑟)ℎ𝑠𝑡𝑟−ℎ𝑔𝑤
𝑧𝑏𝑒𝑑…..(3)
• Dimana Kbed adalah konduktivitas hidrolik sungai (m/s), Lstr adalah
panjang sungai (m), Pstr adalah wetted perimeter sungai (m), hstr
adalah elevasi muka sungai, hgw adalah hydraulic head dari airtanah
(m), dan zbed adalah ketebalan permukaan sungai (m)
• Modflow tidak mampu mensimulasikan proses di permukaan seperti
interaksi daratan dan atmosfir, infiltrasi dan limpasan permukaan,
dampak manajemen sistem pertanian (tutupan lahan), siklus dan
transpor nutrient serta pertumbuhan tanaman.
Tinjauan PustakaModel Padi Sawah
Gambar 2 Perbandingan keadaan irigasi padi aktual, modul pothole, dan modul padi(Sakaguchi et al. 2014)
Gambar 3 Tata letak sawah plot to plot(Sapei 2015)
Tinjauan Pustaka
Ketersediaan Air
• Air jatuh ke DAS
• Jumlah air selalu tetap
• Ketersediaan air yang merupakan bagian dari fenomena alam
mengandung unsur variabilitas ruang (spatial variability) dan
variabilitas waktu (temporal variability) yang sangat tinggi
• Air di suatu luasan tertentu di hamparan bumi dipengaruhi oleh
masukan (input) dan keluaran (output) yang terjadi
perkolasi & infiltrasi
menguap
mengalir
Tinjauan PustakaPenelitian Terdahulu
• Utilisasi model SWAT-MODFLOW :
Guzman et al. (2015)
A Model Integration Framework for Linking SWAT and MODFLOW
Bailey RT (2015)
SWAT-Modflow tutorial, documentation for preparing model simulations
• Modul padi sawah untuk analisis hasil air (water yield) menggunakan
SWAT : Sakaguchi et al. (2015)
Development and Evaluation of A Paddy Module for Improving
Hydrological Simulation in SWAT
Lokasi Penelitian
Metodologi
Kegiatan pembangunan model dan simulasi dilakukan di Laboratorium
Teknik Bioinformatika, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem,
Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Lokasi
permodelan adalah Kabupaten Nganjuk dengan luasan cakupan model
adalah 1390 km² seperti terlihat pada Gambar 4.
Gambar 4 Lokasi Permodelan
Bahan
Metodologi
Data masukan model SWAT :
o Data cuaca (suhu, curah hujan,
kecepatan angin, radiasi, dan
kelembaban)
o Data observasi lapang
o Peta DEM (Digital Elevation Model)
o Peta jenis tanah
o Peta penggunaan lahan
Modifikasi model padi SWAT :
o SWAT source code Rev.637
Data masukan model Modflow :
o Hasil delineasi SWAT
Alat
• ArcGIS 10.1 & ArcSWAT 2012
• SWATcup 2012
• MODFLOW 2005
• Ms. Visual Studio & Intel Visual
Fortran
• SWAT-Modflow executable
program
• Modelmuse
• Ms. Excel
Data Cuaca
• Data cuaca harian terdiri atas suhu, curah hujan, kecepatan angin,
radiasi, dan kelembaban
• Pengukuran curah hujan dilakukan pada 43 titik
• Data curah hujan ini telah disusun oleh Fajardo (2014) untuk tahun
2009 s.d 2012
• Data curah hujan yang digunakan pada penelitian ini rentang tahun
2010 s.d 2011
• Data suhu, kecepatan angin, radiasi, dan kelembaban Kab. Nganjuk
pada rentang tahun yang sama diperoleh dari data Globalweather
yang disediakan oleh SWAT di laman web resminya
(http://swat.tamu.edu/) untuk seluruh dunia sejak tahun 1979 hingga
2014
Data Observasi
• Data observasi lapang digunakan untuk:
o analisis dan validasi model SWAT
o analisis ketersediaan airtanah dengan melihat perubahan elevasi
muka airtanah hasil model SWAT-Modflow
• Data observasi lapang harian 2010-2011 yang digunakan adalah :
o data debit air permukaan titik pantau Bolowono
o Data fluktuasi muka airtanah di 4 titik observasi yaitu Tanjung Rejo,
Sumberkepuh, Ngadiboyo dan Banjardowo
• Data observasi debit dan pemantauan fluktuasi muka airtanah
merupakan data sekunder hasil pengukuran Liyantono et al. (2013)
Gambar 5 Peta Elevasi SubDAS (DEM)
Gambar 6 Peta penggunaan lahan subDAS
Peta penggunaan lahan
• Jenis penggunaan lahan pada suatu DAS sangat mempengaruhi
hidrologi kawasan tersebut
• Data penggunaan lahan diperoleh dari pengolahan citra satelit Landsat
tahun 2004 oleh Liyantono (2009).
Tabel 1 Kelas penggunaan lahan pada subDAS
Gambar 7 Peta Tanah SubDAS
Tahapan Penelitian
Metodologi
o Pembangunan Model SWAT
o Pembuatan dan Simulasi SWAT Modul Padi
o Integrasi Model SWAT-Modflow
Prosedur Analisa Hasil
o Perhitungan Koefisien Korelasi dan Kalibrasi
o Analisis Sensitivitas
o Analisis Ketersediaan Airtanah
Pembangunan model SWAT
o Deliniasi daerah observasi dengan menggunakan data citra DEM
o Pembentukan HRU (Hydrological Response Unit) menggunakan hasil
delineasi dan peta jenis tanah serta peta tutupan lahan
o Penggabungan dengan data iklim dalam selang waktu simulasi
permodelan
o Proses simulasi kemudian dilakukan dengan metode SCS curve number
untuk melakukan prediksi aliran permukaan
o Dilakukan uji parameter pada program SWATcup
o Setelah didapat nilai NS ≥0.6 dan R2 >0.65 maka model SWAT sudah
layak untuk dianalisa
Pembuatan dan Simulasi SWAT Modul Padi
oSWAT menyediakan source code Fortran untuk
pengembangan lanjutan model SWAT
oDigunakan source code SWAT2012 rev.637 dengan
304 modul dalamnya termasuk pothole (permodelan
water balance budidaya padi di Amerika)
oModul pothole pada SWAT dimodifikasi menjadi
SWAT paddy module sesuai Sakaguchi et al. (2014)
oModifikasi dilakukan dengan perangkat lunak Intel
Visual Fortran sebagai plug-in pada Ms. Visual Studio
oDikompilasi dengan seluruh 304 modul untuk
dijalankan di ArcSWAT
oKalibrasi dan Validasi dengan data observasi
(Sakaguchi et al. 2014)
Integrasi Model SWAT-Modflow
oUsaha memodelkan interaksi airtanah dengan air permukaan
oPada laman resmi SWAT telah disediakan tahapan pembangunan model
SWAT-Modflow, contoh model dan executable files
Gambar 9 Proses KerjaSWAT-MODFLOW
Wible (2014), Bailey (2015)
Perhitungan Koefisien Korelasi dan Kalibrasi
o Metode statistik yang digunakan dalam melakukan kalibrasi dan validasi
adalah model koefisien determinasi (R²) dan model efisiensi Nash-Sutcliffe
(NSE) yang direkomendasikan oleh The American of Civil Engineers (Ahl et
al. 2008)
𝑅2 =σ𝑖=1𝑛 (𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖− ത𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖)(𝑄𝑐𝑎𝑙,𝑖− ത𝑄𝑐𝑎𝑙,𝑖)
σ𝑖=1𝑛 (𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖− ത𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖)
2 σ𝑖=1𝑛 (𝑄𝑐𝑎𝑙,𝑖− ത𝑄𝑐𝑎𝑙,𝑖)
2
2
.... (4)
𝑁𝑆𝐸 = 1 −σ𝑖=1𝑛 (𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖− 𝑄𝑐𝑎𝑙,𝑖)
2
σ𝑖=1𝑛 (𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖− ത𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖)
2 .... (5)
o Qobs,i adalah debit observasi (m3/dt), Qcal,i adalah debit hasil simulasi
(m3/dt), sedangkan Q ̅obs,i adalah debit observasi rata-rata (m3/dt).
o Dalam kriterianya, simulasi dianggap baik jika nilai NS > 0.75, memuaskan
jika 0.36 < NS < 0.75, serta kurang baik jika NS < 0.36
Analisis Sensitivitas
o Respon dari semua parameter diidentifikasi melalui analisis sensitivitas
o Tahapan untuk menentukan tingkatan parameter-parameter hidrologi,
serta memberikan nilai terhadap parameter tersebut agar model dapat
merepresentasikan kondisi aktual
oProses ini dilakukan program SWATcup dengan algoritma pengolahan SUFI2
oHasil analisis keluaran model terpilih kemudian menjadi patokan dalam
menentukan parameter yang akan dimodifikasi dalam proses kalibrasi
Tabel 2 Parameter analisis sensitivitas pada subDAS Kuncir (Fajardo 2014)
Analisis Ketersediaan Airtanah
o Airtanah dan air permukaan merupakan sumber
air yang saling tergantung satu sama lain
o Salah satu cara untuk memantau ketersediaan
airtanah adalah melihat muka airtanah (water
table)
oMuka airtanah merupakan pemisah antara zona
airtanah (soil water zone) dengan pipa kapiler
(capillary fringe) & perkiraan elevasi permukaan
air pada sumur yang hanya merembes pada
jarak pendek ke zona jenuh air
oPergerakan airtanah sangat dipengaruhi oleh
gaya adhesi dan kohesi tanah dan air yang
didefinisikan sebagai 2 sifat air yang tersimpan
dalam tanah yaitu specific yield & specific
retention
Gambar 10 Fluktuasi muka airtanah(water table) – USGS 2016
Analisis Ketersediaan Airtanah
Neraca air yang disusun adalah khusus pada airtanah seperti pada persamaan
(6) dengan penyetaraan basis pada data pengamatan menjadi basis volume
pada persamaan (7).
𝐺𝑊 𝑡 = 𝐺𝑊 𝑡−1 + 𝑃 + 𝐵𝐹 . . . (6)
𝐺𝑊 𝑜𝑏𝑠 = 𝑆𝑦 ×𝑊𝑡 . . .(7)
Keterangan :
GW(t) : Elevasi muka airtanah pada hari t (m)
GW(obs) : Elevasi muka airtanah hasil konversi data pengamatan pada hari t (m)
GW(t-1) : Elevasi muka airtanah hari sebelumnya (m)
BF : Pergerakan airtanah hasil SWAT-MODFLOW pada hari t (m)
P : Perkolasi (m)
Wt : Elevasi aliran air dalam tanah/water table (m)
Sy : Specific yield diambil 20% sebagai nilai yang cukup mewakili kondisi tanah
• Hasil Simulasi Awal SWAT
• Sensitivitas Parameter dan Kalibrasi Model SWAT
• Simulasi SWAT Modul Padi
• Simulasi SWAT-Modflow
o Debit SWAT-Modflow
o Ketersediaan Airtanah
Hasil & Pembahasan
Hasil Simulasi Awal SWAT
Fluktuasi debit sungai model sudah mengikuti pola naik-turun debit observasi dengan debit rata-rata harian model sebesar 59.43 m³/s dandebit rata-rata harian observasi adalah 46.68 m³/s.
Sensitivitas Parameter dan Kalibrasi Model SWAT
• Uji sensitivitas memperlihatkan parameter-parameter yang sensitif
terhadap perubahan nilai debit air hasil keluaran model
• Nilai parameter tersebut diurutkan berdasarkan tingkatan pengaruhnya
terhadap simulasi dan diubah untuk kemudian dimasukkan ke dalam
proses SWAT hingga dihasilkan debit terkalibrasi
Sensitivitas Parameter dan Kalibrasi Model SWAT
• Nilai debit rata-rata observasi lapang adalah sebesar 46.68 m3/s, sedangkan nilai debit rata-rata model adalah sebesar 41.152 m3/s.
• NSE>0.65 sehingga model dapat diterima untuk merepresentasikankondisi sebenarnya
Simulasi SWAT Modul Padi
• Debit rataan SWAT modul padi 41.145 m³/s sementara model SWAT 41.152 m3/s.
• Penurunan debit pada SWAT padi menunjukkan bahwa modifikasi yang dilakukan untuk melihat pengaruh perkolasi di lahan padi sawah telahberhasil
Simulasi SWAT-Modflow
Debit SWAT-Modflow
• Pengecekan awal kesesuaian model maka dilakukan perhitungan nilai
efisiesiensi Nash-Sutcliffe (NSE) dan R2 terhadap debit simulasi harian
SWAT-Modlfow
• Diperoleh nilai NSE 0.67094 dan R2 0.69027 dengan rataan debit harian
38.9 m3/s.
• Menurunnya nilai rataan debit harian terhadap simulasi SWAT asli dan
SWAT modul padi menunjukkan telah terjadi interaksi antara surface
water dengan groundwater pada model SWAT-Modflow
Simulasi SWAT-Modflow
Ketersediaan Airtanah
Proses yang dilakukan di SWAT-Modflow :
• Menyalurkan hasil perhitungan perkolasi dari SWAT pada setiap HRU ke grid cell
Modflow
• Dihitung fluks interaksi groundwater-surface water di Modflow river package
(.riv) -> SWAT stream channel (sungai)
• SWAT menghitung volume aliran permukaan dan aliran lateral air tanah
permukaan ke sungai
• Modflow menghitung volume pengisian airtanah ke sungai dan SWAT kemudian
menelusurkan (routing) volume air hasil perhitungan gabungan melalui jaringan
sungai subDAS
• Perhitungan aliran volumetrik air pada modul river package (.riv) dilakukan
sesuai persamaan (3).
• Hasil Qleak(m3) yang telah dipetakan kembali ke SWAT sesuai subDAS digunakan
sebagai nilai BF (m) pada persamaan (6) setelah sebelumnya dibagi terhadap
luasan subDAS (m2).
Simulasi SWAT-Modflow
Ketersediaan Airtanah
Tabel 5 Analisa Elevasi Muka Airtanah Tahun 2010 s.d 2011
Simulasi SWAT-Modflow
Ketersediaan Airtanah
• Uji Statistik NSE dan koefisien determinasi menunjukkan model masih belum
mampu menggambarkan fluktuasi muka airtanah dengan baik.
• Pada model SWAT-Modflow belum mampu menggambarkan hidrograf yang
menyerupai hidrograf hasil pengukuran meskipun dengan pendekatan grafik
terekstrapolasi berdasarkan recession curve hasil pengukuran
Titik Pantau NSE R²
Tanjung rejo -4.1772 0.06418
Sumber kepuh -13.88 0.10049
Banjar dowo -2.9613 0.01085
Ngadiboyo 0.75774 0.25558
Simulasi SWAT-Modflow
Ketersediaan Airtanah
Beberapa faktor yang menyebabkan model SWAT-Modflow belum mampu
menggambarkan fluktuasi muka air tanah dengan baik antara lain :
• Proses penggabungan dan transfer data SWAT & Modflow belum baik
• Pendefinisian beda elevasi muka airtanah dan muka air sungai pada setiap
grid cell di Modflow masih terbatas
• Nilai konduktivitas hidrolik pada modul sungai (river module - .riv) yang
digunakan adalah slope kemiringan sungai yang diperoleh melalui delineasi
SWAT
Simpulan
• Pendugaan ketersediaan air permukaan (surface water) telah dapat
dilakukan dengan baik pada model SWAT asli maupun SWAT modul padi
• Efisiensi Nash-Sutcliffe (NSE) pada SWAT modul padi juga relatif lebih baik
dibandingkan SWAT asli
• Permodelan SWAT-Modflow juga telah berhasil dilakukan untuk simulasi air
permukaan dengan nilai efisiensi Nash-Sutcliffe (NSE) sebesar 0.670 dan R2
sebesar 0.690 yang cukup representatif pada subDAS Kabupaten Nganjuk
• Analisa fluktuasi muka airtanah belum mampu dilakukan oleh model SWAT-
Modflow sesuai karakteristik yang spesifik pada setiap titik pengukuran.
Saran
• Analisa sensitivitas pada modul SWAT asli perlu dilakukan atas 10-15
parameter lagi sehingga mampu meningkatkan akurasi model SWAT
• Perlu dilakukan pengukuran perkolasi dan tingkat evapotranspirasi sehingga
SWAT modul padi mampu mensimulasikan aliran soilwater pada budidaya
padi sawah.
• Model SWAT-Modflow masih memerlukan penelitian lanjutan dan penjelasan
detail interaksi algoritma yang stabil antara model SWAT dan Modflow
sehingga dapat disesuaikan spesifik wilayah.
• Perlu dilakukan pengukuran terhadap parameter hidrologis setiap sungai
baik distribusi konduktivitas hidrolik, batas dasar sungai, batas maksimum
permukaan sungai dan muka air sungai pada beberapa titik sepanjang
sungai selama selang waktu tertentu atau menggunakan river bathymetry
toolkit (RBT)
Saran
• Penggabungan modul padi dengan SWAT-Modflow juga telah dapat
dilakukan. Hal ini memungkinkan karena pada awal Juli 2016 di laman resmi
SWAT (http://swat.tamu.edu/) telah disediakan source code gabungan
model SWAT-Modflow dan penjelasan singkat kerangka program tersebut
Terima kasih