Tugas 1 Rekayasa Hidrologi 2

Tugas Rekayasa Hidrologi II

REVIEW

REKAYASA HIDROLOGI I

Ilmu Cuaca (Meteorologi): Ilmu yang menelaah keadaan dan perilaku cuaca di lapisan atmosfer bawah dan proses terjadinya. Ilmu Iklim (Klimatologi): Ilmu yang menelaah keadaan dan perilaku iklim. Cuaca: Keadaan atmosfer pada saat yang pendek di tempat tertentu. Iklim: Deskripsi dari keadaan cuaca di daerah yang luas dalam waktu yang panjang. Iklim adalah kebiasaan alam yang digerakkan oleh gabungan unsur-unsur iklim, yaitu: radiasi matahari (lama penyinaran), suhu udara, kelembaban udara (kelengasan), tekanan udara (tekanan atmosfer), angin, awan, presipitasi (hujan, salju, embun), evaporasi, dan transpirasi. Keduanya (cuaca dan iklim), merupakan: -

Sumber

daya,

salah

satu

bagian

untuk

keberhasilan

dalam

pembangunan. -

Salah satu komponen alam, sehingga semua organisme, bahan sandang, bahan makanan, bangunan, gedung, dll. tidak terlepas dari pengaruh atmosfer.

Atmosfer: Lapisan gas (selubung udara) yang tebal, yang menyelubungi seluruh permukaan bumi. Terdiri atas: Trofosfer, Stratosfer, Mesosfer, dan Termosfer (berturut-turut dari lapisan bawah ke atas) Keadaan atmosfer meliputi suhu udara, tekanan udara, kelembaban udara, angin, awan, evaporasi, dan transpirasi.

1

Tugas Rekayasa Hidrologi II

HIDROLOGI: Ilmu yang menyangkut masalah air. Pembidangan HIDROLOGI yaitu: -

POTAMOLOGY Æ Sungai. CRYOLOGY Æ Salju.

LIMNOLOGY Æ Danau.

Air dalam bahasan HIDROLOGI ada 2 (dua), yaitu: -

Air permukaan.

-

Air tanah.

KONSEP DASAR ILMU HIDROLOGI: -

Mengestimasi (memperkirakan) volume air yang tersedia. Merupakan tahapan yang sangat penting dalam semua sumber daya air.

-

Lalu dianalisa. Analisa ini adalah landasan bagi pengembangan perencanaan dan sistem pengembangan sumber daya air.

DASAR HIDROLOGI: Ilmu HIDROLOGI mempelajari “Siklus Hidrologi”. HIDROLOGI: Ilmu tentang seluk beluk air di bumi, kejadiannya, peredaran dan distribusinya, sifat

alami

dan

kimianya,

serta

reaksinya

terhadap

lingkungan

dan

hubungannya dengan kehidupan. (Federal Council for Science and Technology, USA; 1959) Sumber informasi pokok dalam HIDROLOGI: -

Data Hujan: Besaran, intensitas, volume, lama/durasi, dan arah gerak hujan (tergantung Kecepatan angin).

-

Data Sungai:

o Data Tinggi Muka Air Æ Piesal Meter atau AWLR. o Debit Sungai di suatu tempat tertentu (Hidrometri).

2

Tugas Rekayasa Hidrologi II

SIKLUS HIDROLOGI

Lapisan Tak Jenuh: Lapisan dalam tanah yang bila tidak hujan akan berupa rongga kosong. Lapisan Jenuh: Lapisan dalam tanah yang rongganya selalu terisi oleh air. Limpasan: Hujan yang tidak ditangkap oleh tanaman/bangunan-bangunan lain di atas bumi, yang tidak dapat menguap (evaporasi), yang tidak meresap (infiltrasi), atau yang menempati suatu tampungan. Limpasan (Run-off): Semua air yang mengalir bergerak meninggalkan Daerah Tangkapan Sungai (DAS), tanpa memperhatikan asal/jalan yang ditempuh, sebelum mencapai saluran. Air Limpasan

=

Aliran Permukaan + Aliran dalam Tanah

=

Air Permukaan + Aliran Air Bawah Permukaan.

Limpasan Permukaan (Surface Run-off): Limpasan yang selalu mengalir melalui permukaan. Aliran Dasar (Base Flow): Limpasan/Debit minimum yang masih ada, karena adanya aliran keluar/lepasan dari aquifers. 3

Tugas Rekayasa Hidrologi II

HIDROLOGI dalam Pengembangan Sumber Daya Air (PSDA): -

Water supply (untuk air minum),

-

Irigasi,

-

Pengendalian banjir,

-

Hydro power,

-

Pengendalian erosi,

-

Navigasi,

-

Rekreasi, dsb.

Ilmu Hidrologi digunakan untuk menentukan DESIGN PARAMETER yang serupa dengan DESIGN LOAD di dalam Analisa Struktur. Parameter-parameter yang didapat dari HIDROLOGI: -

Frekwensi hujan,

-

Durasi (lama) hujan,

-

Intensitas debit dan curah hujan.

DATA yang tersedia meliputi: -

MEKANISME KARAKTERISTIK daerah aliran: o Tata guna lahan yang dinamis, o Klimatologi yang sukar diprediksi, o Struktur geologi.

-

Secara umum, penelitian hidrologi mengharuskan adanya pengumpulan data-data mengenai: o Intensitas hujan, diperoleh dengan “Alat Ukur Curah Hujan”. ƒManual

Æ Gelas ukur.

ƒAutomatic Æ Rain Fall Automatic Record (RFAR).

o Kelembaban, yaitu udara yang menyerap uap air. Jumlahnya bergantung pada suhu udara dan suhu air.

ƒJika suhu udara tinggi dan suhu air rendah, maka uap air yang diserap udara semakin banyak dan kelembaban jadi tinggi.

ƒJika suhu udara dan suhu air rendah, maka kelembabannya juga rendah. 4

Tugas Rekayasa Hidrologi II

ƒMakin tinggi suhu udara, makin banyak uap air yang dikandungnya.

ƒUap air memberikan tekanan parsial yang biasanya diukur dengan BAR atau tinggi milimeter air raksa (mm Hg). ;1 BAR

= 100 KN/m2.

;1 mili BAR = 102 N/m2.

;1 mm Hg = 1,33 mm BAR.

o Suhu/temperatur, o Kecepatan angin. PRESIPITASI: Uap air yang mengkondensasi dan jatuh ke tanah dalam rangkaian proses Siklus Hidrologi (berupa: hujan, salju, dan embun). HUJAN EFEKTIP: Sebagian dari total presipitasi, yang sesungguhnya terdistribusi di permukaan bumi. INTENSITAS CURAH HUJAN: Jumlah curah hujan dalam suatu satuan waktu. -

Satuan jumlah curah hujan = mm, cm, m.

-

Satuan WAKTU = jam, harian, bulanan, tahunan.

5

Tugas Rekayasa Hidrologi II

Contoh Tabel Data Curah Hujan: -

Data Curah Hujan JAM-AN

-

Data Curah Hujan BULANAN

Hari/Tanggal: 28 Pebruari 2000;

STASIUN:

STASIUN:

TAHUN: 2000.

JAM

(mm)

BULAN

00:00

-

JANUARI

01:00

-

PEBRUARI

02:00

50

MARET

03:00

60

04:00

50

mm

(mm)

mm

bulan

jam

-

DESEMBER

23:00

-

Artinya pada jam 02:00, curah hujan yang turun sebesar 50 mm/jam.

-

-

Data Curah Hujan HARIAN

STASIUN:

BULAN: JANUARI. TAHUN: 2000. TANGGAL

Data Curah Hujan TAHUNAN

TAHUN (mm)

2000

1

2001

2

2002

3

31

(mm)

mm mm

tahun

hari

dst.

6

Tugas Rekayasa Hidrologi II

Keadaan curah hujan dengan intensitas curah hujan: Intensitas Curah Hujan (mm)

Keadaan Curah Hujan

1 jam

24 jam

<1

<5

Hujan ringan

1–5

5 – 20

Hujan normal

5 – 20

20 – 50

Hujan lebat

10 – 20

50 – 100

> 20

> 100

Hujan sangat ringan

Hujan sangat lebat

EVAPORASI: Peristiwa berubahnya air menjadi uap dan bergerak dari permukaan tanah dan permukaan air ke udara. Faktor-faktor yang mempengaruhi penguapan: Suhu air, suhu udara (atmosfer), kelembaban, kecepatan angin, tekanan udara, dan sinar matahari. EVAPORASI berhubungan dengan: -

Selisih dalam tekanan uap pada

-

-

permukaan

air

dan

- Kualitas air (air tawar, asin, payau).

pada udara di atasnya,

Contoh:

Selisih antara suhu air dan

γair tawar < γair laut

udara,

Air tawar jadi lebih dahulu

Adanya tekanan atmosfer,

menguap daripada air laut.

TRANSPIRASI: Peristiwa penguapan dari tanaman. Dipengaruhi oleh: -

Kadar kelembaban tanah,

-

Keadaan tanaman itu sendiri.

EVAPOTRANSPIRASI: Penguapan keduanya secara bersamaan. 7

Tugas Rekayasa Hidrologi II

Pada sistem IRIGASI: Keperluan air untuk irigasi

Irr =

Et − Re + S + P Eff

Keterangan: Irr

=

Irrigation water requirement for head gate.

Et

=

Evaporation.

Re

=

Effective Rain fall

S

=

Paddy water requirement.

P

=

Percolation.

Eff

=

Irrigation Efficiency.

METODE HARGREAVES: Untuk menghitung evaporasi yang terjadi pada sistem irigasi. Et = K . Ev

Ev = 17,4 D . Tc . Fh . Fw . Fs . Fe

Dimana: Ev

=

Evaporation.

Et

=

Evapotranspiration.

K

=

Crop consumptive use coefficient.

D

=

Monthly Daytime coefficient.

Tc

=

Mean monthly Temperature.

Fh

=

0,59 - 0,55 Hn2.

Hn

=

Mean moon Relative Humidity.

Fw

=

0,75 + 0,0255 Wkh.

Wkh

=

Wind velocity (Km/jam).

Fs

=

0,478 + 0,58 S.

S

=

Sunshine (%).

Fe

=

0,95 + 10-4 E.

E

=

Elevation (m). Ketinggian tempat di atas permukaan laut.

8

Tugas Rekayasa Hidrologi II

Evaporasi pada WADUK, BENDUNG/BENDUNGAN, RESERVOIR, dsb. dipengaruhi oleh angin dan matahari (temperatur). Persamaan Empiris dari PENMAN: V   E = 0,35 [ea − ed ]1 +   100 

Dimana: E

= Evaporasi (mm/hari).

ea

= Tekanan uap jenuh pada suhu rata-rata harian (mm/Hg).

ed

= Tekanan uap sebenarnya (mm/Hg).

V

= Kecepatan angin pada ketinggian 2 m di atas permukaan tanah. V Æ 1 m/detik = 54 mile/hari.

Elemen-elemen Meteorologi dan Pengamatannya: -

Tabel Kelembaban.

-

Tabel Tekanan Uap Jenuh.

-

Tabel Harga-harga K yang digunakan dalam Rumus Evapotranspirasi Blaney.

-

Tabel Koeffisien Tanaman untuk Padi Sawah yang digunakan dalam berbagai Report (Kc).

-

Tabel Indeks Evapotranspirasi Bulanan Potensial.

9

Tugas Rekayasa Hidrologi II

EVAPOTRANSPIRASI: -

Air dalam tanah menguap ke udara melalui tumbuhan.

-

Persamaan yang banyak dipakai: o Persamaan BLANEY - CRIDDLE: U=K.F Dimana: U

= Banyaknya EVAPOTRANSPIRASI bulanan (Inch).

K

= Koefisien yang tergantung jenis tanaman.

F

= t × P/100.

t

= Suhu rerata bulanan (oF).

P

= Persen rerata penyinaran matahari tahunan dalam bulan yang ditinjau.

o Persamaan BLANEY - CRIDDLE yang diubah: U=

K ⋅ P ⋅ (45,7 t + 813) 100

Dimana:

Æ

K = Kt × Kc

[mm/bulan]

Kt = 0,0311 t + 0,240 Kc = nilainya diperoleh dari tabel.

= Suhu udara rata-rata bulanan (oC).

t

P = Persentase jam siang bulanan dalam satu tahun. o Persamaan TURC, LANG BEIN & IVUND:

( I)

E = P 0,9 + P

2

Dimana: E

= Penguapan tahunan.

P

= Hujan tahunan rerata.

I

= 300 + 25 t + 0,05 t3

t

= Suhu rerata tahunan.

10

Tugas Rekayasa Hidrologi II

ANALISIS HUJAN -

Dalam analisis data hujan disyaratkan adanya jaringan yang memadai, baik dalam pengertian kerapatan maupun penyebarannya.

-

Hal yang perlu diperhatikan dalam Daerah Aliran (Rain Fall Area) pada ANALISIS HIDROLOGI: o Pengukuran Data Hujan Lokal (Point Rain Fall)

ƒDiperoleh dari masing-masing alat pengukur hujan, baik biasa (manual) maupun otomatis (Rain-fall Recorder).

ƒPemilihan

alat

perlu

memperhatikan

ketelitian

yang

diperoleh dan kemudahan dalam pemasangan.

ƒDatanya dapat dibuat ke dalam bentuk GRAFIK atau HISTOGRAF/HISTOGRAM (Intensitas Vs Waktu). o Sedangkan untuk keperluan analisis yang diperlukan adalah: Data Hujan Daerah Aliran (Area Rain Fall). Makin banyak STASIUN HUJAN, makin menguntungkan dari segi “informasi”. Tapi tidak dari segi operasional, serta biaya. Contoh Point Rain Fall Analysis:

11

Tugas Rekayasa Hidrologi II

DAERAH ALIRAN SUNGAI (DAS): -

Daerah Aliran Sungai (DAS), Catchments Area, Basin, Water shed.

-

Daerah dimana semua airnya mengalir ke dalam suatu sungai yang dimaksudkan.

-

Umumnya dibatasi oleh batas topografi, yang berarti ditetapkan berdasarkan aliran permukaan.

-

Nama DAS ditandai dengan nama Sungai yang bersangkutan.

-

Di dalam suatu DAS, terdapat beberapa SUB-DAS.

Perhitungan Area Rain Fall atau Average Rain Fall of BASIN: -

Cara Rerata Aljabar (Arithmetic Mean Method) Hujan Rerata:

P=

X I + X II + X III + X IV 4

Dimana: XI, XII, XIII, dan XIV adalah

tinggi

hujan

pada Stasiun I, II, III, dan IV.

12

Tugas Rekayasa Hidrologi II

o Cara ini paling mudah dan sederhana. o Hasilnya tidak teliti. o Hanya baik digunakan pada daerah yang relatif datar, serta jaringan pengukuran hujan teratur. o Data dari masing-masing stasiun tidak jauh berbeda dari angka rata-ratanya.

-

Thiessen Polygon Method o Cara

ini

memberikan

hasil yang lebih baik, karena telah memasukkan

faktor

daerah

pengaruh dari masingmasing

stasiun

hujan

tertentu. o Cara ini paling banyak dipergunakan

dalam

praktek, karena mudah dan unsur subyektifitasnya relatif kecil, meskipun

masih

mengandung

kelemahan

dimana

“Faktor

Topografi” tidak tercakup di dalamnya. o

Kerugian/kelemahan lainnya adalah kurang flexible, apabila terjadi perubahan jumlah stasiun.

.i =

Ai A

αi P i

Sta

Pi

∆H

A

Pa

Aa

αa

αa P a

B

Pb

Ab

αb

αb P b

C

Pc

Ac

αc

αc P c

A

=P

13

Tugas Rekayasa Hidrologi II

-

Isohyets Method o Dengan cara garis ketinggian hujan yang sama. Garis yang menghubungkan tempat-tempat yang mempunyai tinggi hujan yang sama. o Metode ini menggunakan “Isohyet” sebagai garis-garis yang membagi DAS menjadi daerah-daerah luasnya

dipakai

“Faktor

koreksi”

yang sebagai dalam

perhitungannya. o Pemberian

bobot

pada

masing-masing

stasiun

hujan

dengan

dilakukan

penggambaran garis Isohyet, sehingga hujan yang terjadi di antara dua buah Isohyet dianggap HUJAN RERATA dua garis Isohyet yang mengapitnya. o Cara ini baik, karena “Pengaruh Topografi” tercakup di dalamnya, yaitu dalam penggambaran garis-garis Isohyet-nya. Bahkan bisa dianggap sebagai cara yang terbaik, yang memungkinkan seseorang

memasukkan

ilmu

dan

pengalamannya

dalam

menggambarkan garis Isohyet, sehingga pengaruh distribusi hujan dapat dimasukkan. o Cara perhitungannya sama dengan cara “Thiessen”, dengan pengertian: .i =

Ai A

αi P i

Dimana:

Pi

∆H

I

P1

A1

α1

α1 P 1

adalah luas relatif

II

P2

A2

α2

α2 P 2

masing-masing

III

P3

A3

α3

α3 P 3

daerah antara dua

=P

garis Isohyet.

DAERAH

A

A1,

A2,

dan

A3

14

Tugas Rekayasa Hidrologi II

TINGGI INTENSITAS CURAH HUJAN -

Kasus dimana data hujan jam-jaman tidak tersedia atau hanya tersedia data hujan harian/bulanan, dapat pula digunakan rumus empiris seperti Rumus MONO NOBE (SOSRODARSONO & TAKEDA; 1983).

-

Rumus empiris tersebut digunakan untuk mengubah intensitas hujan harian/bulanan ke intensitas hujan dengan lama (durasi) hujan yang lebih pendek.

Intensitas Curah Hujan Bulanan:

IB I 24 = (30 atau 31)× 24

(mm hari)

Dimana: I24 = Intensitas hujan HARIAN. IB = Intensitas hujan BULANAN (mm).

Intensitas Curah Hujan Harian:  I   24  It =  24     24   t 

2

3

Dimana: It = Intensitas hujan untuk lama hujan t (mm/jam). I24 = Intensitas hujan HARIAN (mm/hari).

t = Lama/durasi hujan (jam). ANALISA FREKUENSI -

Tujuan ANALISA FREKUENSI hujan dan banjir adalah memperkirakan besarnya variasi yang masa ulangnya panjang.

-

Variasi terbesar yang kita dapatkan dari pengamatan hujan dan banjir, umumnya tidak ada lebih besar dari variasi perkiraan.

-

Perlu

meng-ekstrapolasi

“Lengkung

Frekuensi”

atau

“Lengkung

Probabilitas”.

15

Tugas Rekayasa Hidrologi II

-

Dalam memanfaatkan berbagai cara Analisis Frekuensi (Frequency Analysis) pada pengolahan data distribusi (sebaran), yang banyak dipergunakan: o Distribusi NORMAL Æ gx = 0. o Distribusi LOG-NORMAL Æ g log x ≈ 0. o Distribusi GUMBEL Æ gx ≈ 1,14. o Distribusi LOG-GUMBEL Æ g log x ≈ 1,14.

o Distribusi LOG-PEARSON III Æ Distribusi Data lainnya.

-

Parameter Statistik (Descriptive Statistic): o Measure of Centrally (Mean = Harga Rata-rata; X ).  o Measure of Variation (Standard Deviation = Simpangan baku; S ).

 S=

N 1 2 ⋅ ∑ (Xn − X ) N − 1 n =1

Koeffisien variasi (Coefficient of Variation; Cv = %): Perbandingan antara Standar Deviasi dengan harga rata-ratanya. o Distribution of DATA. o Measure of A Symmetric. o Mean of Normality. -

Konsep Dasar Probability: o Cumulative Distribution Function (CDF). o Pengertian statis mengenai Distribusi Frekuensi: Frekuensi Kumulatif dari suatu variasi, kalau banyaknya variasi di dalam seri tak terhingga besarnya atau sama dengan: FREKUENSI KUMULATIF TEORITIS: P(X ) = ∫ F' (X ) dX

16

Tugas Rekayasa Hidrologi II

o Analisis Frekuensi digunakan untuk peramalan (forecasting). o Ramalan waktu yang menunjukkan besarnya suatu peristiwa Hidrologis (hujan, banjir, dsb.) dalam waktu dekat adalah tujuan dari Peramalan Hidrologis (Hydrological Forecasting). Periode Ulang/Masa Ulang: -

Sasaran utama “Analisis Frekuensi Peristiwa Hidrologis” adalah menentukan “Masa Ulang/Periode Ulang Peristiwa Hidrologis” yang berharga tertentu X.

-

Analisis Frekuensi menguraikan peristiwa yang dapat diharapkan menyamai atau lebih besar daripada rata-ratanya tiap N tahun.

-

Interval waku rata-rata suatu peristiwa akan sama atau dilampaui 1 kali, disebut: Masa Ulang/Periode Ulang (Recurrence Interval).

-

Jumlah tahun rata-rata antara timbulnya suatu peristiwa dengan peristiwa yang lebih besar disebut: Selang Waktu Pelampauan. Dimana: Te =

t (N − m )

N = Banyaknya data pengamatan. T = Banyaknya tahun pengamatan. m = Nomor terendah menurut urutan besarnya peristiwa di dalam seri.

-

Selang waktu per-ulangan (Recurrence Interval) Tr =

-

t (N − m + 1)

Kalau seri data-nya diurut dari besar ke kecil, maka:

t Te = (M − 1)

dan

t Tr = M

Dimana: M = Nomor data-nya di dalam seri.

17

Tugas Rekayasa Hidrologi II

Waktu Konsentrasi (Time Concentration): Lama waktu yang diperlukan untuk mencapai titik F oleh air hujan yang jatuh di tempat terjauh dari F. Dimana: 0,77

L S0,385

t C = 0,00013 ⋅

[Jam]

L = Panjang jarak dari tempat terjauh daerah

aliran

sampai

tempat

pengamatan (diukur menurut jalanatau:

nya sungai) (feet). H = Selisih ketinggian antara tempat ter-

L1,15 tC = 7700 ⋅ H 0,385

[Jam]

jauh dan tempat pengamatan (feet).

Kalau L dan H dinyatakan dalam meter dan tC dalam menit, rumusnya:  L  t C = 0,0195   S

0,77

[Menit]

Dimana:

S=

H L

Melengkapi Curah Hujan yang Hilang: -

Regresi Linear Æ Persamaan Garis Lurus. Metode ini digunakan untuk mencari data hujan yang hilang pada 1 (satu) stasiun tanpa membandingkannya dengan data hujan stasiun lainnya.

Y = aX + b

a=

∑ [(X − X )(Y − Y )] 2  ∑ (X − X )   

b = Y− aX X=

Y=

Jika (X − X ) = X dan (Y − Y ) = Y, maka :

(X ⋅ Y ) ∑ (X )2

a=∑

(X ⋅ Y ) ⋅X 2 ( ) ∑X

b=Y−∑

∑X n

∑Y n

Y-Y=

∑ (X ⋅ Y ) ⋅ (X − X ) ∑ (X )2 18

Tugas Rekayasa Hidrologi II

Dimana: n = Banyaknya data hujan. X = Variabel tahun (waktu). Y = Variabel curah hujan.

-

Normal Ratio Method (Linsley, Kohler & Paulhus; 1958) o DATA yang hilang diperkirakan dengan data yang tercatat pada saat yang sama di 3 s/d 5 Stasiun Hujan di sekitarnya. o Cara sederhana ini dipandang “kurang realistik”, karena pengaruh hujan suatu titik stasiun dengan stasiun sekitarnya juga dipengaruhi oleh jarak antara stasiun hujan tersebut.

PX =

1  N X ⋅ Pa   N X ⋅ Pb   N X ⋅ Pc  ⋅ + +  n  Na   Nb   Nc 

Dimana: PX

= Hujan yang diperkirakan (mm).

NX

= Hujan tahunan normal pada Stasiun X (mm).

Pa Pb Pc

= Hujan yang diketahui pada Stasiun A, B, dan C.

Na Nb Nc

= Hujan tahunan normal pada Stasiun A, B, dan C.

19

Tugas Rekayasa Hidrologi II

-

Reciprocal Method (Simanton & O. Borne; 1980) o Cara ini memperbaiki cara sebelumnya, dengan memperhitungkan pengaruh jarak antara 2 (dua) Stasiun Hujan. o Cara ini cukup memakai data dari 3 (tiga) Stasiun Hujan saja.

1 1 1 ⋅ Pa + ⋅ Pb + ⋅ Pc 2 2 2 Dxa ) Dxb ) Dxc ) ( ( ( Px = 1 1 1 + + 2 2 (Dxa ) (Dxb ) (Dxc )2

Dimana: Dxa Dxb

Jarak antara Stasiun X (yang datanya hilang) dengan

Dxc

Stasiun A, B, dan C.

20