Mata Kuliah

Bab X - 12

JURUSAN TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK SIPIL & PERENCANAAN

UNIVERSITAS MERCU BUANA

Mata Kuliah : Rekayasa Hidrologi

Modul No. 10 : Air TanahTujuan Instruksional Umum (TIU)

Mahasiswa mengetahut definisi dan pengertian air tanah, parameter yang mempengaruhi air tanah, kecepatan rembes aliran air tanah, contoh dan dasar-dasar perhitungan debit aliran air tanah serta pemanfaatan hasil perhitungan.

Tujuan Instruksional Khusus (TIK)

Mahasiswa mampu menjelaskan pengertian dan tujuan mempelajari air tanah terkait dengan bangunan sipil, dapat melaksanakan perhitungan air tanah serta dapat memanfaatkan hasil perhitungan untuk kepentingan bangunan sipil.

10. Air Tanah

10.1. Umum

Air tanah merupakan mata rantai dari siklus hidrologi dan air ini sejak dahulu kala sudah dipakai untuk kepentingan manusia, khususnya kepentingan rumah tangga dan kerajinan tangan.

Untuk memenuhi kebutuhan air tanah, digali sumur dengan diameter sedemikian hingga orang kerja (gali dan pasang tembok) dengan bebasnya (diameter minimal 1,00 m atau lebih). Kedalaman sumur adalah terbatas. Dalam musim kemarau ada pula daerah yang mengusahakan air tanah untuk irigasi tanaman, untuk keperluan ini petani menggali lubang, umumnya tidak dalam, dan air dibor dan dialirkan ke atas dengan menggunakan pompa untuk memenuhi kebutuhan tanah pertaniannya.

Usaha ini adalah perseorangan untuk keperluan areal irigasi yang tidak luas. Dengan pesatnya kemajuan teknologi dibarengi dengan meningkatnya kepadatan penduduk, yang dengan sendirinya meningkat juga kebutuhan akan air, maka peranan air tanah menjadi penting. Tidak lagi air tanah diusahakan dengan gali sumur secara sederhana, tetapi sumur-sumur dibor sampai kedalaman cukup dalam (bisa lebih dari 100 m) dan air dipompa ke atas pakai pompa sumur (deep well pump).

Sudah barang tentu untuk keperluan ini dibutuhkan pengetahuan mengenai sifat-sifat air tanah, dimana ada kemungkinan mendapatkannya, bagaimana geraknya dan lain sebagainya.

10.2. Keadaan Air TanahSeperti telah diuraikan air tanah merupakan mata rantai siklus hidrologi, dari air presipitasi yang sampai pada permukaan bumi, sebagian mengalir tents kebagian muka bumi yang lebih rendah dan sebagian lagi meresap di dalam tanah merupakan air infirtrase (infiltration) dan dari air infiltrasi ini ada yang mengalir meluas, ialah air perkollasi (percolation). Tanah terdiri atas butiran-butiran campuran mineral, yang satu sama lain terpisah oleh ruang kosong yang dikenal dengan liang-liang renik.

Air, mengalir melalui liang-liang renik, di bawah pengaruh gaya tarik bumi, ke bawah "meresap" mencapai daerah yang telah jenuh air atau gravitasi ini mencapai daerah jenuh air (zone of saturation).

Zone jenuh air ini bisa dinamakan zone pengandung air atau aquifer. Kalau ruang-ruang antara butiran tanah itu terlalu kecil, maka aliran air karena gravitasi akan terhenti dan akan terjadi aliran berlawanan dengan gaya tarik bumi, aliran ini dinamakan aliran kapiler dan airnya dinamakan air kapiler.

Daerah dimana terdapat aliran air gravitasi dan kapiler disebut daerah aeration, dalam daerah ini terdapat pula uap air dan air yang terikat pada butiran-butiran tanah, akibat kohesi, ialah air higroskopis.

Batas antara zone aeration dan zone satuaration ialah permukaan air tanah (water tabel atau muka piezometris), Gambar No. 10.1. adalah ikhtisamya.

Tebalnya zone aeration bisa nol, bisa besar ini tergantung pada tanahnya. Kecepatan peresapan tergantung pada struktur dan tekstur tanah. Pada umumnya butiran-butiran tanah kasar kecepatan lebih besar dari pada kalau tanah itu terdiri atas butiran-butiran halus.

Jalannya air kapiler makin besar Jiang renik makin besar kecepatannya, tetapi tinggi kapiler adalah lebih rendah.

Waktu air meresap di dalam tanah bisa terapung antara dua lapisan tanah kedap air, air mengalir di bawah tekanan, air dalam keadaan demikian inilah yang dinamakan air artetis. Kalau diadakan pengeboran sampai menembus lapisan kedap air ini, maka air akan keluar dengan sendirinya, bisa lebih tinggi dari muka tanah, dinamakan air artetis positif (Gambar No. 10.2, pipa A);

Gambar No. 10.2

dalam keadaan permukaan air dalam pipa lebih rendah dari permukaan tanah air artetis adalah negatif (Gambar No. 10.2 pipa B).

Ada aquifer tertutup (confined) aquifer bebas (unconfined) dan diantara kedua jenis aquifer ini yang semi confined yang semu unconfined.

Keterangan Gambar No. 10.3 :

= lapisan tak kedap air

= aquifer

= lapisan kedap air

= garis piesometris

Jenis aquifer ini ada pengaruhnya pada debit kalau diadakan pemompaan quifer.

Sumber air tanah, adalah air presipitasi yang meresap dalam tanah, di samping ini ada pula kantong-kantong dalam perut bumi, yang terisi air; terbentuk pada waktu terbentuknya batu - batuan cadas kulit bumi ialah comate water proses kimia dalam bumi.

Jenis air ini umum mengandung garam.

10.3. Gerak Air Tanah

Untuk kecepatan aliran air dalam tanah Darcy memberikan rumus : v = k s

Q

Dan untuk kecepatan bisa diambil v =

A

Dimana :

S = kemiringan gradien hidrolis.

k = koefisien permeabilitas dengan satuan sama dengan satuan kecepatan (LJt), ada yang memakai untuk t-satu hari (24 jam).

Q = debit yang melalui penampang aquifer seluas A.

Kedua perumusan diatas bisa pula dibentuk rumus :

Q=kAs

Q

Atauk =

A . s

Catatan :

M.S. Geological Survey in the field or ground water memberikan harga standard buat koefisien permeabilitas.

K8 ialah banyak aliran pada 60F dalam galon flap hari melalui tanah dengan penampang luas 1 ft2 pada gradien hidrolis 1 fu ft.

Can lain untuk menentukan banyaknya aliran air tanah ialah dengan menggunakan transmisibility T yaitu banyaknya aliran (gallon perday) yang melalui penampang selebar I ft dan setebal aquifer dengan kemiringan 1 ft/ ft.

T = ky

Y = tebal aquifer

Dengan perumusan ini :Q = T. B.S

B = lebar aquifer

s = kemiringan

10.4. Dasar-Dasar Aliran Air Tanah

Air tanah selalu bergerak. Pergerakan ini asalnya dari Recharge area (pada umumnya di tempat dimana air hujan dari muka tanah terserap/disaring melalui butir-butir tanah), bergerak menuju Discharge area (tempat dimana air timbul/muncul di atas tanah dalam bentuk mata air, rembesan/seepage atau limpasan pada sumur).

Perlu diketahui : Karena infiltrasi dan perkolasi yang secara prinsip merupakan sumber dari air tanah berbeda dari 1 titik terhadap titik lainnya. (bervariasi menurut faktor geologi dan topographinya) maka air dan kecepatan pergerakan air tanah ditentukan pula oleh kondisi hidrauliknya (untuk ground water sering diperhatikan: masalah tekanan muka air dan elevasi muka air).

Persamaan aliran air tanah bentuk sederhana Laminer (Hukum Darcy)

Sebelum ada perlakuan matematik atas aliran air tanah, maka untuk menganalisa aliran air tanah diperlukan asumsi-asumsi.

Dengan tujuan mempermudah permasalahan yaitu:

1. Materi dianggap Homogen dan Isotropik

2. Tidak ada jalur rumbai kapiler/Capilary Zone

3. Alirannya adalah aliran lauggeng (Steady State)

Hukum Darcy (Dasar > Henry Darcy 1856)

V = k.i. dengan V = kecepatan aliran air antara 2 titik yang diketahui dalam akifer (sat. pan/sat. waktu) disebut juga sebagai debit spesifik yaitu debit total dari satu satuan luas dari suatu massa tanah = Q/A.

((= k . k = Koef. Permeabilitas (sat. pan/sat. waktu)

((i = Gradien hidraulik yang diukur secara dengan aliran

(= Tinggi tekan Piezometrik (potential head)

(( = Jarak

SehinggaQ = V. A.

= k.i.A

denganQ = Debit air yang melewati akifer dengan luas penampang A

(sat. panjang3 sat. waktu)

A = Luas penampang melintang dari aliran (panjangz) = B x D.

Q

q =

= debit aliran air dalam akifer persatuan lebar (panj.2/waktu).

B

= k.D.i

(( (1 - (2

v = k. = k . ( = h + z

(( ((

(h1 + z1) (h2 + z2)

k .

((1dengan:V = kecepatan darcy dari aliran air (sat.panj/sat) antara titik 1 dan 2.

k = koef. Permeabilitas atau kelulusan atau konduktivitas hidrolik (sat. panjang/sat.waktu)

((= jarak titik 1 dan 2 di ukur searah dengan aliran (satuan panjang)

zi , z2 = Elevasi titik pengukuran (head elevation) dari titik 1 dan 2

hi , hz = Tekanan M.A. Piezometrik (pressure head) pada titik 1 dan 2.

(1, (2 = Tinggi muka air piezometrik (piezometrik head) pada titik 1 dan 2.

Permeabilitas : k

Adalah suatu ukuran untuk menyatakan sifat kemudahan dalam meluluskan cairan (Fluida) melalui pori-pori yang bersambungan tanpa merusak partikel-partikel.

Rumus :

( = k . I

HK. Darcy

k ((

( = + ( g sin (

Bentuk umum Hk. Darcy

( (s

dengan ( = kecepatan aliran volumetrik persatuan luas penampang normal atau kecepatan debit per unit area (meter' / hari /meter' = cm/det)

k = Permeabilitas

( = Viscositas fluida

s = arah aliran yang membentuk sudut sebesar dengan arah horizontal.

(( = Konstribusi (sumbangan) tekanan luar kepada gradient tekanan (= gradient

(s hidraulis =I) as (Atm/cm)

( = masa jenis fluida

(g sin Q = kontribusi (sumbangan) massa fluida kepada gradient tekanan

(= gradien hidraulis = I)

Jadi apabila suatu fluida dengan ( = 1 centipoise, mengalir melalui penampang dengan luas 1 cm2 dengan kecepatan aliran sebesar 1 cm3/det, dibawah gradient hidraulis sebesar 1 atm/cm maka permeabilitas bahan yang dilalui oleh fluida berfase satu tersebut =1 Darcy.

Pada umumya dalam praktek satuan (sebagai koefisien permeabilitas)

Satuan Panjangk =

Satuan Waktu

Koefisien Permeabilitas (k)

Didefinisikan sebagai : kecepatan aliran yang terjadi melewati saluran potongan melintang (Cross section) dari tanah (Akifer), akibat I = I satuan gradien Hidraulis.

Tabel No. 10.1 Daftar Harga Koef. Permeabilitas

Tipe TanahKoep. Permeabilitas

(cm/det)(m/hari)

Kerikil (clean gravel)

Pasir kasar (coarse/celan sand)

Pasir campuran (sand-mixture)

Pasir halus (fine sand)

(silty sand)

(silt)

Tanah lempung (clay)1.0 dan lebih

1.0-0.01

0.01-0.005

0.05-0.001

0.0005-0.0001

0.0005-0.00001

0.00000 dan kurang102-lebih

102-101101-100100-10-1100-10-210-4-10-610-4-kurang

10.5. Bentuk Persamaan Differesial Aliran Air Tanah pada Akifer Bebas

d(Hukum Darcy : Vs = -k .

Ds

Dengan s = jarak yang diukur dengan arah aliran

Dengan memperhatikan 2 asumsi (Dupuit Theory) :

d(d(1. = bila d( relatiof kecil.

dsdx

2. Aliran air dalam akifer dianggap horizontal dan garis equipotentialnya diambil vertikal (anggapan ini benar, kecuali pada tempat disekitar titik pemompaan).

d( dhSehingga =

dx dx

dh

Maka hukum Darcy menjadi : Vx = - Kx .

dxSedang qx = Vx . h

dh

= - kx . h...................................................... (3)

dx

d (h2) dh d (h2)

= -kx . . (sebab h =

dx

dx dx

dqx

d (h2)

= - . kx

dx

dx

Tanpa meninjau adanya infiltrasi menurut Hukum keseimbangan air (air yang masuk = air yang keluar)

dq

= 0

dx

d (h2)

sehingga : = 0 ...................................... (4)

dx2 Dengan meninjau adanya infiltrasi

Gambar No. 10.5

Hukum keseimbangan air (air yang masuk = air yang keluar)

Qx + I . dx = qx + dqdqx = I

dx

d2 (h2)

- kx . = I

dx2

d2 (h2) 21

= ............................................. (5)

dx2 Kx

10.6. Contoh Perhitungan Aliran Pada Akifer Bebas

Gambar No. 10.6

Hitung :

Aliran air tanah antara 2 kanal yang berjarak 1000 meter

Koef. Permeabilitas tanah = 12 m/hari

Benda tinggi M.A. pada kedua kanal = 2m

Kedalaman akifer = 20 m dibawah permukaan air kanal 1

Hujan tahunan = 1,2 m/tahun

Diasumsikan infiltrasi = 60% dari hujan

Jawaban :

Dengan mengambil titik 0 sebagai titik pusat kordinat (seperti pada gambar) ;

Maka :

Kondisi batas (boundary conditions)

x1 = 0 h1 = 20 meter

x2 = 1000 mh2 = 22 meter

I = 0,60 x 1,2 meter / tahun

= 0.72 m/tahun

0.72

= m / hari

365

Dari persamaan (5) diatas didapat :

d2 (h2) 2.I

=

dx2

kxd2 (h2) 2.I

= . X + C1

dx

kx

I

h2= - . X2 + C1 . X + C2

kx

x1 = h1 = 20 meter sehingga

400 = -0 + 0 + C2

C2 = 400

X2 = 1000 h2 = 22 meter sehingga

0.72

484 = - . 106 + C1 . 1000 + 400

365

C1 = 0.084 + 0.164 = 0.248

I

h = ( . x2 + 0,248 x + 400

kx

I

= (1/2 , dengan ( = . x2 + 0,248 x + 400

kx

dh dh du 1

I

=

= . . 2 x + 0,248 =

dx du dx 2 U1/2 kx

I I

= .2 x + 0.248

2.h kx

dh

Dari pers. (3) : qx = kx . h . hitung qx dx

x = 0 ( = 400; h = ( 400 = 20;

dh 1

=

( 0 + 0.248)

dx2 x 20

1

qx = 12 x 20 x . (0.248) = 1.49 m2 / hari / m

2 x 20

1 0.72 x 2 x 1000

x = 1000 qx = 12.22

+ 0.248

2.22 365 x 12

( - 0.328 + 0.248) = 0.48 m3 / hari / m

10.7. Istilah Istilah

Zona SaturationAeration

Aliran kapilerAir artesis

Air hidroskopisGaris piesometris

AquiferPermeabilitas.

10.8. Soal Latihan

1. Jelaskan pengertian dari air tanah dan tujuan mempelajarinya

2. Jelaskan proses terjadinya air tanah dan sebutkan lapisan-lapisan tanah yang terkait dengan aliran air tanah

3. Lihat Gambar No. 10.6. Tetapi jarak antara genangan air diganti 1200 m dan tinggi hujan tahunan sebesar 1,50 m/tahun.

Hitung besar debit air tanah, bila aliran bersifat bebas.

4. Jelaskan kegunaan perhitungan aliran air tanah bila dikaitkan dengan pelaksanaan konstruksi bangunan sipil dan berikan contoh.

5. Jelaskan pengaruh tinggi muka air tanah terhadap perhitungan stabilitas bangun sipil dan berikan sketch / gambar penjelasan saudara.

10.9. Referensi

1. Hidrologi Untuk Pengairan, Ir. Suyono Sosrodarsono, Kensaku Takeda, PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 1976.

2. Hydrologi for Engineers, Ray K. Linsley Ir. Max. A. Kohler, Joseph L.H. Apaulhus.Mc.Grawhill, 1986.

3. Mengenal dasar dasar hidrologi, It. Joice Martha, Ir. Wanny Adidarma Dip]. H. Nova, Bandung.

4. Hidrologi & Pemakaiannya, jilid I, Prof Ir. Soemadyo, diktat kuliah ITS. 19765. Hidrologi Teknik It. CD. Soemarto, Dipl. HE

REKAYASA HIDROLOGI

MODUL 10

AIR TANAH