Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai · 2018-02-15 · perhitungan limpasan (run-off) dengan...
Transcript of Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai · 2018-02-15 · perhitungan limpasan (run-off) dengan...
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
MODUL HIDROLOGI DAN HIDROLIKA SUNGAI
PELATIHAN PENGENDALIAN BANJIR
2017
PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN SUMBER DAYA AIR DAN KONSTRUKSI
MODUL 05
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas selesainya
pengembangan Modul Hidrolika dan Hidrologi Sungai sebagai materi inti/substansi
dalam Pelatihan Pengendalian Banjir. Modul ini disusun untuk memenuhi
kebutuhan kompetensi dasar Aparatur Sipil Negara (ASN) di bidang SDA.
Modul hidrolika dan hidrologi sungai disusun dalam 3 (tiga) bagian yang terbagi atas
Pendahuluan, Materi Pokok, dan Penutup. Penyusunan modul yang sistematis
diharapkan mampu mempermudah peserta pelatihan dalam memahami hidrolika
dan hidrologi sungai. Penekanan orientasi pembelajaran pada modul ini lebih
menonjolkan partisipasi aktif dari para peserta.
Akhirnya, ucapan terima kasih dan penghargaan kami sampaikan kepada Tim
Penyusun dan Narasumber, sehingga modul ini dapat diselesaikan dengan baik.
Penyempurnaan maupun perubahan modul di masa mendatang senantiasa terbuka
dan dimungkinkan mengingat akan perkembangan situasi, kebijakan dan peraturan
yang terus menerus terjadi. Semoga Modul ini dapat memberikan manfaat bagi
peningkatan kompetensi ASN di bidang SDA.
Bandung, September 2017
Kepala Pusat Pendidikan dan Pelatihan
Sumber Daya Air dan Konstruksi
Ir. K. M. Arsyad, M.Sc.
NIP. 19670908 199103 1 006
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi ii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .............................................................................................. i
DAFTAR ISI ........................................................................................................... ii
DAFTAR TABEL .................................................................................................. iv
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................... v
PETUNJUK PENGGUNAAN ................................................................................ vi
PENDAHULUAN ................................................................................................... 1
A. Latar Belakang ................................................................................................ 1
B. Deskripsi Singkat ............................................................................................. 1
C. Tujuan Pembelajaran ...................................................................................... 1
D. Materi Pokok dan Sub Materi Pokok ................................................................ 2
E. Estimasi Waktu ................................................................................................ 2
MATERI POKOK 1 HIDROLOGI DAN HIDROLIKA SUNGAI ............................... 3
1.1 Banjir Rencana ................................................................................................ 3
1.1.1 Hubungan Empiris Curah Hujan-Limpasan ......................................... 3
1.1.2 Cara Hidrograf Satuan Synder .......................................................... 17
1.1.3 Pengamatan Langsung di Lapangan ................................................. 18
1.1.4 Debit Dominan .................................................................................. 19
1.1.5 Periode Ulang ................................................................................... 21
1.1.6 Cara Sederhana Perhitungan Debit Banjir ......................................... 27
1.2 Aliran Steady dan Unsteady .......................................................................... 30
1.2.1 Aliran Tunak (Steady Flow) ............................................................... 30
1.2.2 Aliran Tidak Tunak (Unsteady Flow) .................................................. 47
1.3 Flood Routing ................................................................................................ 56
1.4 HEC-HMS, HEC RAS .................................................................................... 57
1.5 Latihan .......................................................................................................... 58
1.6 Rangkuman ................................................................................................... 58
PENUTUP ............................................................................................................ 59
A. Simpulan ....................................................................................................... 59
B. Tindak Lanjut ................................................................................................. 59
EVALUASI FORMATIF ....................................................................................... 60
A. Soal ............................................................................................................... 60
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi iii
B. Umpan Balik dan Tindak Lanjut ..................................................................... 61
DAFTAR PUSTAKA
GLOSARIUM
KUNCI JAWABAN
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi iv
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 - Besarnya nilai untuk berbagai jenis tata guna lahan ....................... 12
Tabel 1.2 - Hubungan F dan 2 dari Melchior (Subarkah, 1980) ........................... 15
Tabel 1.3 - Perkiraan Harga To............................................................................. 16
Tabel 1.4 - Hubungan luas DAS dan debit ekstrim di Canada (Watt, 1989) ......... 28
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi v
DAFTAR GAMBAR
Gambar I.1 - Deskripsi DAS untuk penggunaan metode rasional ......................... 4
Gambar I.2 - Debit Q untuk beberapa macam curah hujan ................................ 11
Gambar I.3 - Hubungan βq dengan daerah hujan F untuk waktu 24 jam (sehari)
dengan curah hujan = 200 mm.................................................... 14
Gambar I.4 - Contoh penentuan ellips untuk suatu DAS .................................... 15
Gambar I.5 - Cara snyder................................................................................... 17
Gambar I.6 - Contoh dokumentasi pengamatan banjir ....................................... 19
Gambar I.7 - Sketsa dan contoh daerah yang terkena banjir dan
tanggul pengaman (pelindung) .................................................... 25
Gambar I.8 - Hubungan luas DAS dan debit ekstrim di Canada (Watt, 1989) .... 29
Gambar I.9 - Banjir-banjir puncak (tak umum/unusual) di Canada yang diplot
dengan super imposed pada plot Creager (Creager et al., 1945) 29
Gambar I.10 - Variasi hubungan debit tahunan maximum dengan luas DAS untuk
sungai-sungai di Quebec, Canada (Watt, 1989) .......................... 30
Gambar I.11 - Aliran seragam tunak (steady uniform flow) ................................. 32
Gambar I.12 - Optimasi luas pembawa aliran pada potongan melintang saluran
(Henderson, 1966) ...................................................................... 34
Gambar I.13 - Aliran pada puncak bendung ....................................................... 36
Gambar I.14 - Kehilangan energi dari x1 ke x2 .................................................. 38
Gambar I.15 - Kondisi aliran untuk dy/dx yang berbeda-beda ............................ 40
Gambar I.16 - Klasifikasi profil aliran berubah perlahan (Chow, 1959) ............... 41
Gambar I.17 - Profil aliran sungai dengan bendung ........................................... 42
Gambar I.18 - Perambatan (propagation) gelombang kinematik dari tn = 0 sampai
tn+1 = T ........................................................................................ 49
Gambar I.19 - Perbedaan proses gelombang kinematik dan difusive ................. 51
Gambar I.20 - Kurva hubungan debit Q dan kedalaman air y ............................. 52
Gambar I.21 - Sebaran karakteristik untuk aliran gelombang dinamik ................ 54
Gambar I.22 - Proses dam-break, aliran URVF menjadi aliran UGVF ................ 55
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi vi
PETUNJUK PENGGUNAAN
Deskripsi
Modul hidrolika dan hidrologi sungai ini terdiri dari 1 (satu) materi pokok yang
membahas hidrolika dan hidrologi sungai.
Peserta pelatihan mempelajari keseluruhan modul ini dengan cara yang berurutan.
Pemahaman setiap materi pada modul ini diperlukan untuk memahami hidrolika dan
hidrologi sungai. Setiap materi pokok dilengkapi dengan latihan yang menjadi alat
ukur tingkat penguasaan peserta pelatihan setelah mempelajari materi pada materi
pokok.
Persyaratan
Dalam mempelajari modul ini, peserta pelatihan diharapkan dapat menyimak
dengan seksama penjelasan dari pengajar, sehingga dapat memahami dengan baik
materi yang merupakan materi inti/substansi dari Pelatihan Pengendalian banjir.
Untuk menambah wawasan, peserta diharapkan dapat membaca terlebih dahulu
materi yang berkaitan dengan hidrolika dan hidrologi sungai dari sumber lainnya.
Metode
Dalam pelaksanaan pembelajaran ini, metode yang dipergunakan adalah dengan
kegiatan pemaparan yang dilakukan oleh Pengajar/Widyaiswara/Fasilitator, adanya
kesempatan diskusi dan On The Job Training (OJT).
Alat Bantu/Media
Untuk menunjang tercapainya tujuan pembelajaran ini, diperlukan Alat Bantu/Media
pembelajaran tertentu, yaitu: LCD/projector, Laptop, white board dengan spidol dan
penghapusnya, bahan tayang, serta modul dan/atau bahan ajar.
Kompetensi Dasar
Setelah mengikuti seluruh rangkaian pembelajaran, peserta diharapkan mampu
memahami hidrologi dan hidrolika sungai.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 1
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Pegawai Negeri Sipil mempunyai peranan yang sangat penting dalam rangka
pelaksanaan cita-cita bangsa dan mewujudkan tujuan negara sebagaimana
tercantum dalam pembukaan Undang-Undang Dasar Negara Republik Indonesia
Tahun 1945. Dengan semakin bertambahnya volume dan kompleksitas tugas-tugas
lembaga pemerintahan dan silih bergantinya regulasi yang begitu cepat perlu
upaya-upaya preventif untuk memperlancar tugas-tugas yang harus diemban oleh
Pegawai Negeri Sipil.
Untuk mewujudkan penyelenggaraan pemerintahan dan pembangunan, Pegawai
Negeri Sipil harus memiliki integritas, profesional, netral dan bebas dari intervensi
politik, bersih dari praktik korupsi, kolusi, dan nepotisme, serta mampu
menyelenggarakan pelayanan publik bagi masyarakat dan mampu menjalankan
peran sebagai unsur perekat persatuan dan kesatuan bangsa berdasarkan
Pancasila dan Undang-Undang Dasar Negara Republik Indonesia Tahun 1945, hal
tersebut dapat terwujud dengan melalui pembinaan yang dilaksanakan
berkelanjutan. Sesuai dengan Undang-Undang Nomor 43 tahun 1999 yang
dinyatakan bahwa manajemen PNS diarahkan untuk menjamin penyelenggaraan
tugas pemerintahan dan pembangunan secara berhasil guna dan berdaya guna.
B. Deskripsi Singkat
Mata pelatihan ini membekali peserta pelatihan dengan pengetahuan/wawasan
mengenai hidrologi dan hidrolika sungai, melalui metode ceramah interaktif, diskusi
dan On The Job Training (OJT). Keberhasilan peserta pelatihan dinilai dari
kemampuan memahami hidrologi dan hidrolika sungai.
C. Tujuan Pembelajaran
1. Kompetensi Dasar
Setelah mengikuti seluruh rangkaian pembelajaran, peserta diharapkan mampu
memahami hidrologi dan hidrolika sungai.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 2
2. Indikator Keberhasilan
Setelah mengikuti pembelajaran, peserta diharapkan mampu menjelaskan
hidrologi dan hidrolika sungai.
D. Materi Pokok dan Sub Materi Pokok
Dalam modul hidrologi dan hidrolika sungai ini akan membahas materi:
1. Banjir Rencana:
a. Hubungan empiris curah hujan-limpasan,
b. Cara hidrograf satuan synder,
c. Pengamatan langsung di lapangan,
d. Debit dominan,
e. Periode ulang,
f. Cara sederhana perhitungan debit banjir.
2. Aliran steady dan unsteady:
a. Aliran tunak (steady flow),
b. Aliran tidak tunak (Unsteady flow).
3. Flood routing;
4. HEC-HMS, HEC-RAS.
E. Estimasi Waktu
Alokasi waktu yang diberikan untuk pelaksanaan kegiatan belajar mengajar untuk
mata pelatihan “Hidrologi dan Hidrolika Sungai” ini adalah 10 (sepuluh) jam
pelajaran (JP) atau sekitar 450 menit.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 3
MATERI POKOK 1
HIDROLOGI DAN HIDROLIKA SUNGAI
1.1 Banjir Rencana
Untuk menentukan banjir rencana ada banyak metode perhitungan. Untuk
mengetahui metode-metode perhitungan lebih detail pembaca dapat membaca
buku-buku hidrologi diantaranya Chow dkk. (1988), McGuen (1989) dan beberapa
buku hidrologi dalam bahasa Indonesia seperti Subarkah (1980), Harto (1993),
Loebis (1984). Beberapa metode perhitungan banjir rencana, diantaranya:
1. Hubungan empiris curah hujan-limpasan (Metode-metode: Rasional,
Weduwen, Melchior, dsb.).
2. Dengan menggunakan hidrograf satuan untuk menghitung hidrograf banjir.
3. Dengan pengamatan langsung di lapangan.
1.1.1 Hubungan Empiris Curah Hujan-Limpasan
1. Metode rasional
Metode ini sudah dipakai sejak pertengahan Abad 19 dan merupakan metode
yang sering dipakai untuk perencanaan banjir daerah perkotaan (Chow dkk.,
1988; Grigg, 1996). Walaupun banyak yang mengkritik akurasinya, namun
metode ini tetap dipakai karena kesederhanaannya. Metode ini dipakai untuk
DAS yang kecil. Untuk perencanaan banjir daerah perkotaan dan bangunan
fasilitas air misal gorong-gorong, drainase saluran terbuka (Grigg, 1996; Loebis,
1984; Soebarkah, 1980).
Metode ini juga menunjukkan parameter-parameter yang dipakai metode-
metode perkiraan banjir lainnya, yaitu: koefisien run off, intensitas hujan dan
luas DAS. Kurva frekuensi intensitas - lamanya (frekuensi i - t) dipakai untuk
perhitungan limpasan (run-off) dengan rumus rasional dan untuk perhitungan
debit puncak. Metode rasional dipakai untuk daerah perkotaan dengan luas
Indikator keberhasilan : setelah mengikuti pembelajaran ini, peserta diharapkan
mampu menjelaskan hidrologi dan hidrolika sungai.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 4
DAS kurang dari 200 acres atau + 81 ha (Subarkah, 1980; Grigg, 1996), dengan
persamaan:
CIA278.0Q 1.1
dimana:
C = koefisien run-off (dari tabel atau dengan rumus) besarnya antara 0 - 1.
I = intensitas maksimum selama waktu konsentrasi (mm/jam)
A = luas daerah aliran (km2)
Q = debit maksimum (m3/detik)
Asumsi-asumsi metode ini (Chow dkk., 1988; Loebis, 1984):
Curah hujan mempunyai intensitas yang merata di seluruh daerah aliran
sungai untuk durasi tertentu.
Debit yang terjadi (debit puncak) bukan hasil dari intensitas hujan yang lebih
tinggi dengan durasi yang lebih pendek dimana hal ini berlangsung hanya
pada sebagian DAS yang mengkontribusi debit puncak tersebut.
Lamanya curah hujan = waktu konsentrasi dari daerah aliran. Dengan kata
lain waktu konsentrasi merupakan waktu terjadinya run-off dan mengalir dari
jarak antara titik terjauh dari DAS ke titik inflow yang ditinjau.
Puncak banjir dan intensitas curah hujan mempunyai tahun berulang yang
sama.
Asumsi-asumsi itu dapat digambarkan berikut ini.
Gambar I.1 - Deskripsi DAS untuk penggunaan metode rasional
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 5
Metode-metode lainnya yang didasarkan pada Metode Rasional dalam
memperkirakan debit puncak banjir di sungai antara lain Melchior, Weduwen,
dan Haspers dengan kriteria (KepDirJen Pengairan No. 185/KPTS/A/1986):
Metode Der Weduwen untuk luas daerah aliran sungai sampai 100 km², dan
Metode Melchior untuk luas daerah aliran sungai lebih dari 100 km²
Metode Haspers untuk DPS lebih dari 5000 ha (50 km2)
dengan persamaan dasarnya adalah:
A*q**CQ 1.2
dimana:
C = angka pengaliran atau koefisien run-off (tak berdimensi)
= koefisien reduksi
q = curah hujan terpusat maksimum di DAS (m/det dari m3/det/km2)
A = luas daerah aliran (km2)
Q = hujan maksimum (m3/det)
2. Metode weduwen
A*q**Q nn 1.3
dimana:
7q
1.41
1.4
A120
A1209t1t
1.5
45.1t
65.67
240
Rq n
n
1.6
25.0125.0 ILQ25.0t 1.7
dimana:
Qn = debit banjir (m3/det) dengan kemungkinan tak terpenuhi n%
Rn = curah hujan harian maksimum (mm) dengan kemungkinan tak terpenuhi
n%
= koefisien limpasan air hujan (angka pengaliran atau koefisien run-off (tak
berdimensi)
= koefisien pengurangan daerah untuk curah hujan DAS
qn = debit persatuan luas dari hasil perhitungan curah hujan maksimum Rn
(m3/det/km2).
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 6
A = luas daerah aliran (km2) sampai 100 km2
t = lamanya curah hujan (jam) saat-saat kritis curah hujan yang mengacu
pada terjadinya debit puncak waktu konsentrasi Metode Melchior.
L = panjang sungai (km)
I = Kemiringan rata-rata sungai (gradien sungai) atau medan. I ditentukan
dengan cara yang sama seperti pada Metode Melchior. Sepuluh persen
hulu (bagian tercuram) dari panjang sungai dan beda tinggi tidak dihitung.
Catatan: Persamaan-persamaan Metode Der Weduwen dibuat untuk curah
hujan sehari sebesar 240 mm.
Langkah-langkah perhitungannya adalah sebagai berikut:
Hitung A, L, I dari peta garis tinggi DAS, substitusikan ke dalam persamaan.
Buat harga perkiraan untuk debit awal Qo dan gunakan persamaan di atas
untuk menghitung besarnya Q konsentrasi = Qc.
Ulangi lagi untuk harga baru Qo = Qc di atas.
Debit puncak ditemukan Qn, jika Qo yang diambil = Qc atau Qn=Qo=Qc.
Hubungan antara panjang sungai L (m), luas DAS A (km2) adalah
L = 1.904 A0.5 1.8
Masukkan Persamaan 1.7 ke dalam Persamaan 1.8 maka didapat
t = 0.476 Q-0.125 I-0,25 A0.5 1.9
Dalam Gambar I.2 dari KP - 01 Perencanaan Jaringan Irigasi, Standar Kriteria
Perencanaan 1986 (KepDirJen Pengairan No. 185/KPTS/A/1986) dalam bentuk
grafik dengan curah hujan R (mm) berturut-turut 80, 120, 160, 200 dan 240.
Debit puncak dapat dicari dengan interpolasi dari grafik. Untuk sungai yang
panjangnya lebih besar dari Persamaan 1.9, harga debit puncak yang diambil
dari grafik tersebut terlalu tinggi. Harga-harga debit puncak Qo dari grafik
tersebut dapat dipakai sebagai harga awal untuk proses perhitungan yang
dilakukan berulang-ulang pada langkah b dan langkah c.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 7
a. Gambar: Debit Q Untuk Curah Hujan Harian R = 80 mm
2 3 4 5 6 8 10 20 30 40 50 60 80 100
Q dalam m /dt3
10090
80
70
60
50
40
30
20
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
A d
ala m
km
2
1 =
0.00
010.
0002
0.00
030.
0005
0.00
10.
002
0.00
30.
005
0.01
0.02
0.03
0.05
0.1
R = 80 mm
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 8
b. Gambar: Debit Q Untuk Curah Hujan Harian R = 120 mm
1 =
0.00
010.
0002
0.00
030.
0005
0.00
10.
002
0.00
30.
005
0.01
0.02
0.03
0.05
0.1
10090
80
70
60
50
40
30
20
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
A d
ala m
km
2
4 5 6 8 10 20 30 40 50 60 80 100 200 300
Q dalam m /dt3
R = 120 mm
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 9
c. Gambar: Debit Q Untuk Curah Hujan Harian R = 160 mm
10090
80
70
60
50
40
30
20
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
A d
ala m
km
2
6 8 10 20 30 40 50 60 80 100 200 300 400 Q dalam m /dt
3
R = 160 mm
1 =
0.00
010.
0002
0.00
030.
0005
0.00
10.
002
0.00
30.
005
0.01
0.02
0.03
0.05
0.1
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 10
d. Gambar: Debit Q Untuk Curah Hujan Harian R = 200 mm
10090
80
70
60
50
40
30
20
109
8
7
6
5
4
3
2
1
A d
ala m
km
2
8 10 20 30 40 50 60 80 100 200 300 400 600 Q dalam m /dt
3
R = 200 mm
1 =
0.00
010.
0002
0.00
030.
0005
0.00
10.
002
0.00
30.
005
0.01
0.02
0.03
0.05
0.1
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 11
e. Gambar: Debit Q Untuk Curah Hujan Harian R = 240 mm
Gambar I.2 - Debit Q untuk beberapa macam curah hujan
(KepDirJen Pengairan No. 185/KPTS/A/1986)
3. Metode melchior
A*q**Q 1.10
dimana:
Q = debit maksimum (m3/detik)
1009080
70
60
50
40
30
20
109
8
7
6
5
4
3
2
1
A
dala
m
km2
10 20 30 40 50 60 80 100 200 300 400 600 800
Q dalam m /dt3
R = 240 mm
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 12
= koefisien limpasan air hujan (angka pengaliran atau koefisien run-off (tak
berdimensi) tergantung tata guna lahan seperti dalam
Tabel 1.1.
= angka reduksi (tak berdimensi)
q = intensitas hujan terpusat maksimum di DAS m3/det/km2.
A = luas DAS (km2)
Pada mulanya Melchior menganjurkan harga–harga koefisien limpasan air hujan α berkisar antara 0,41, 0,52, 0,62 dan 0,75 (Soebarkah, 1980) dan lebih spesifik 0,52. Harga-harga ini ternyata sering terlalu rendah dan dianjurkan memakai harga dalam
Tabel 1.1 yang diambil dari metode kurve bilangan US Soil Conservation
Service (US SCS) dan antara lain diterbitkan dalam USBR Design of Small
Dams (KepDirJen Pengairan No. 185/KPTS/A/ 1986).
Tabel 1.1 - Besarnya nilai untuk berbagai jenis tata guna lahan
No. Tanah Penutup Kelompok hidrologis tanah
C D
1.
2.
3.
Hutan lebat (vegetasi dikembangkan dengan baik)
Hutan dengan kelebatan sedang (vegetasi
dikembangkan dengan cukup baik)
Tanaman ladang dan daerah-daerah gundul (terjal)
0,60
0,65
0,75
0,70
0,75
0,75
Keterangan Tabel 1.1
Kelompok C:
Tanah dengan laju infiltrasi rendah pada saat dalam keadaan sama sekali
basah, terutama terdiri dari tanah yang lapisannya menghalangi gerak turun air
dengan tekstur agak halus sampai halus. Laju transmisi air jenis tanah ini
sangat lambat.
Kelompok D:
(Potensi limpasan air hujan tinggi), tanah dengan laju infiltrasi sangat rendah,
terutama terdiri dari tanah lempung dengan potensi mengembang (expansive)
yang tinggi, tanah dengan muka air tanah yang tinggi dan permanen, tanah
dengan lapis lempung penahan (claypan) atau dekat permukaan serta tanah
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 13
dangkal diatas bahan yang hampir kedap air. Laju transmisi air jenis tanah ini
sangat lambat.
Angka q diambil mulai dari intensitas hujan rata-rata sampai waktu terjadinya
debit puncak. Periode ini adalah waktu konsentrasi T terhitung dari mulainya
hujan turun. q disebut juga sebagai intensitas hujan terpusat (point raiinfall) lalu
dikonversi menjadi luas daerah hujan βq. Dalam Gambar I.3 luas daerah curah
hujan βq (m3/dt/km²) diberikan sebagai fungsi waktu dan luas untuk curah hujan
sehari sebesar 200 mm.
10000
5000350025002000
1500
1000
750
500400300
200
150
100
75
50
40
25
2015
10
6
4
2
F = 1
20
25
30
40
50
75
100
150
200
250
300
400
500
750
1000
150020002500
3500
50007500
10000
150
200
250
300
400
500
750
1000
1500
2000
2500
3500
50007500
10000
F=15
100
F=1
50 100
500
1000
25005000
F=10000
14131211109876543321604530150
Lamanya dalam jam
0
5
0
5
20
q
Da
era
h h
uja
n d
ala
m m
/dt/
km
32
F = Daerah hujan dalam km2
S ahih/berlaku untukcurah hujan sehari R (1)dari 200 m m /hari
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 14
2500
5000
7500
10000
500
100
50
F=1
10000
500
2500
5000
1000
100
F=1
140
Lamanya dalam jam
15 16 17 18 19 20 20 22 24 25 28 30 32 34 36 38 4040 42 44 46 48
1
2
3
4
q
Da
era
h h
uja
n d
ala
m m
/dt/
km
32
Gambar I.3 - Hubungan βq dengan daerah hujan F untuk waktu 24 jam
(sehari) dengan curah hujan = 200 mm (KepDirJen Pengairan No.
185/KPTS/A/1986; Soebarkah, 1980 )
βq untuk F = 1 km2 dan T = 24 jam dihitung dengan data sebagai berikut:
200 mm = 0,2 m,
1 km2 = 1000 x 1000 m2
24 jam = 24 x 3600 detik
Nilai βq sesuai Gambar I.3 adalah:
23/dt/km2,31m=24x3600
1000×1000×0,2=q
Bila curah hujan dalam sehari q berbeda, maka harga-harga pada gambar
tersebut akan berubah secara proporsional. Misal untuk curah hujan sehari q =
240 mm, harga βq dari F = 1 dan T = 24 jam akan menjadi:
23/dt/km2.77m=200
2402,31=q
Berdasarkan pengamatan hujan di Bagelen Selatan yang dilakukan oleh Ir.
S.J.G van Overveldt dan Ir. H.P. Mensinga pada Tahun 1889. Melchior
menentukan hubungan antara hujan rata-rata sehari dengan hujan terpusat
maksimum sehari dan memperoleh hubungan angka reduksi 1 dan luas F
(Soebarkah, 1980) sebagai berikut:
11
1720396012.0
1970F
1.11
dimana:
F = luas ellips yang mengelilingi DAS dengan sumbu panjang tidak lebih dari
1.5 kali sumbu pendek (km2)
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 15
1 = angka reduksi untuk hujan sehari
Contoh penentuan luas ellips F dalam suatu DAS diilustrasikan dalam Gambar
I.4.
20.0 km 20.0 km
+ 750 m+ 700 m
H = 600 m+ 100 m
datum + 0 m0. 1L 0.9 L
L = 50 km
13.8 km
13.8 km
Gambar I.4 - Contoh penentuan ellips untuk suatu DAS
(KepDirJen Pengairan No. 185/KPTS/A/1986)
Bilamana hujan kurang dari sehari maka perbandingan untuk waktu hujan
kurang dari sehari (atau kurang dari 24 jam) dengan hujan maksimum disebut
2. Hubungan F dan 2 oleh Melchior ditunjukkan dalam Tabel 1.2.
Tabel 1.2 - Hubungan F dan 2 dari Melchior (Subarkah, 1980)
Besarnya 2 (%) F Hujan selama (jam) km 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 16 20 24
0 44 64 80 89 92 92 93 94 95 96 98 100 10 37 57 70 80 82 84 87 90 91 95 97 100 50 29 45 57 66 70 74 79 83 88 94 96 100
300 20 33 43 52 57 61 69 77 85 93 95 100 12 23 32 42 50 54 66 74 83 92 94 100
93 86 77 65 60
93 89 80 73 70 ~
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 16
Pada kondisi ini maka angka reduksi yang dipakai adalah = 1x2.
Dimana:
Β1 = angka reduksi untuk hujan sehari
β2 = angka reduksi untuk hujan kurang dari sehari
Waktu konsentrasi Melchior:
4.02.0o ILQ186.0T 1.12
dimana:
To = waktu konsentrasi (jam)
L = panjang sungai (km)
Q = debit puncak (m3/det)
I = kemiringan rata-rata sungai (10% bagian hulu dari panjang sungai tidak
dihitung). Beda tinggi dan panjang diambil dari suatu titik 0.1 L dari batas
hulu DAS. Dalam Gambar I.4 → I = H/0,9L.
Hubungan F dan To dapat dilihat dalam Tabel 1.3.
Tabel 1.3 - Perkiraan Harga To
F
Km2
To
jam
F
Km2
To
jam
100
150
200
300
400
7.0
7.5
8.5
10.0
11.0
500
700
1.000
1.500
3.000
12.0
14.0
16.0
18.0
24.0
Langkah perhitungan banjir rencana Melchior:
Tentukan besarnya curah hujan sehari untuk periode ulang rencana yang
dipilih.
Tentukan untuk daerah aliran sesuai tata guna lahan dari
Tabel 1.1 - Besarnya nilai untuk berbagai jenis tata guna lahan.
Hitung A, F, I
Buat perkiraan harga pertama waktu konsentrasi To berdasarkan Tabel 1.3.
Ambil harga To = Tc untuk qno dari Tabel 1.3 dan hitung Qo = qno A.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 17
Hitung To untuk Qo dengan To = 0.186 LQ-0.2I-0.4
Ulangi langkah d. dan e. untuk harga To baru yang = Tc sampai waktu
konsentrasi yang sudah diperkirakan dan dihitung mempunyai harga yang
sama.
Hitung debit puncak untuk harga akhir Tc.
1.1.2 Cara Hidrograf Satuan Synder
Misalnya dengan hidrograf satuan sintetik dari Snyder yaitu:
Gambar I.5 - Cara snyder
3..0catL L.LCT 1.13
2
DTT s
Lp 1.14
LL
s T182.05.5
TD 1.15
L
pp
T
AC640Q 1.16
dimana:
TL = time lag dalam jam yaitu interval waktu yang diperlukan untuk
mencapai puncak dari pusat hujan efektif.
L = panjang aliran dari titik terjauh dari A sampai outlet (mil)
Lca = jarak antara centroid dengan mulut aliran (mil)
CL = koefisien (1.8 - 2.2)
Qp = debit (cfs)
A = luas daerah tangkapan (mil2)
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 18
Cp = konstanta (0.4 - 0.8)
1.1.3 Pengamatan Langsung di Lapangan
Lebar sungai b dan tinggi muka air y dapat diukur, sehingga luas potongan
melintang A sungai dapat dihitung. Kecepatan rata-rata aliran v dapat diukur dengan
alat current meter atau ditentukan dengan Persamaan Manning. Dengan dasar ini
maka untuk menghitung besarnya debit banjir Q pada waktu pengamatan langsung
di lapangan dapat dilakukan hal-hal sebagai berikut:
Mewawancara penduduk dan menanyakan ingatan/informasi penduduk
setempat tentang muka air yang paling tinggi yang pernah terjadi. Bisa
ditanyakan kepada orang yang paling tua yang pernah mengalami banjir
terbesar. Semakin banyak informasi penentuan debit semakin baik.
Mengamati dan menganalisis tanda bekas batas air pada pilar/abutment
jembatan.
Mengamati dan menganalisis tanda bekas batas air pada penampang sungai.
Mengamati dan menganalisis tanda bekas batas air pada bangunan sekitar
sungai yang ada (misal pada tembok rumah, bekas-bekas benda yang terbawa
waktu banjir).
Dokumentasi pengamatan langsung ditunjukkan dalam Gambar I.6. Cara ini cukup
efektif untuk dipakai sebagai pembanding dengan metode-metode perhitungan
yang dipakai.
a. Contoh 1 dokumentasi bekas muka air banjir yang pernah terjadi
(DPU Prov. Jambi, 2010)
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 19
b. Contoh 2 dokumentasi bekas muka air banjir yang pernah terjadi
c. Contoh 3 bekas benda-benda hanyutan banjir yang menempel
di pepohonan untuk memprediksi muka air banjir
Gambar I.6 - Contoh dokumentasi pengamatan banjir
1.1.4 Debit Dominan
Debit dominan diperlukan karena berdasarkan penyelidikan banyak ahli debit ini
memberikan kontribusi yang dominan atau berperan terhadap pembentukan
geometrik hidraulik dari penampang suatu sungai. Diperkenalkan awalnya untuk
mengembangkan aplikasi teori regim dari kanal-kanal ke sungai-sungai yang
mempunyai lebih banyak variabel aliran regim, konsep debit dominan menjadi
berperan penting (Knighton, 1998). Perlu diketahui bahwa dalam kaitan dengan
transport sedimen, metode-metode perhitungan transport sedimen dikembangkan
dan dianalisis umumnya berdasarkan data dari saluran-saluran ideal (Garde &
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 20
Ranga Raju, 1977). Data yang diambil baik dari lab maupun lapangan merupakan
data dengan kondisi aliran seragam, saluran lurus, penampang seragam dan debit
konstan untuk waktu yang lama. Oleh karena itu perlu dilakukan analisis ulang atau
justifikasi dengan kondisi data primer yang ada.
Sungai aluivial alami menunjukkan banyak karakteristik untuk saluran stabil yang
ideal. Di samping itu, sungai alam akan membawa air dan sedimentasi dengan
variasi debit yang cukup besar. Sebagai contoh, di daerah hulu perbedaan debit
maksimum dan minimum akan nampak jelas terutama pada waktu musim
penghujan dan musim kemarau. Rasio perbedaan debit bisa mencapai angka
hingga 1.000 kali. Sehingga dengan perbedaan ini perlu pengetahuan untuk
justifikasi aplikasi hubungan dan perbedaan tersebut karena dengan perbedaan
debit yang besar akan menyulitkan penentuan sebuah debit yang representatif
dalam mengkaji karakteristik aliran.
Banyak metode telah dikembangkan untuk pemilihan debit representatif ini. Salah
satu metode adalah konsep debit dominan. Menurut Inglis (1947) adalah debit dan
gradien (kemiringan) dominan yang mana saluran kembali setiap tahun. Pada
kondisi ini kesimbangan terjadi dengan kecenderungan berubah relatif sangat kecil.
Kondisi ini dapat dipandang sebagai efek yang integral dari semua kondisi yang
bermacam-macam dalam tempo yang relatif panjang.
Beberapa definisi debit dominan dalam beberapa cara telah diungkap banyak
pakar, diantaranya:
Sebagai debit yang steady (tunak) secara hipotetis yang mana debit ini akan
menghasilkan produk yang sama dengan bermacam-macam debit pada kondisi
nyata di lapangan dalam kaitannya dengan dimensi sungai rata-rata (Inglis,
1947).
Blench (1956) mendefinisikan debit dominan sebagai debit dengan kemungkinan
terjadi sama atau lebih besar 50 % waktu (dapat disebut debit dengan kala ulang
2 tahunan).
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 21
USBR mendefinisikan debit dominan sebagai debit yang akan membawa muatan
sedimen terbesar untuk material lebih kasar dari 0.0625 mm berkenaan dengan
waktu.
Sebagai aliran yang menentukan parameter-parameter saluran utama, misalnya
sebagai kapasitas penampang melintang (Wolman dan Leopold, 1957) atau
sebagai panjang gelombang meander (Ackers dan Charlton, 1970). Pada
dasarnya argumentasinya adalah mengenai tipe aliran yang mengendalikan
sungai/saluran.
Sebagai aliran yang menampilkan kerja yang utama, dimana kerja utama
tersebut dikaitkan dengan transport sedimen (Wolman dan Miller, 1960)
Sering disebut sebagai debit aliran dengan ketinggian memenuhi tebing (bankfull
discharge) dan biasanya merupakan debit dengan periode ulang 1 - 2 tahun
(Wohl, 1998).
Merupakan debit yang umumnya berhubungan dengan debit periode ulang
antara 1,5 tahun sampai 5 tahun (Q1,5 - Q5) (Watt, 1989).
Sebagai catatan besarnya debit dengan periode ulang 100 (Q100) sering pada
jangkauan 2 sampai 4 kali bankfull discharge (Watt, 1989).
Dengan banyaknya definisi debit dominan, perbedaan iklim, topografi, geomorfogi
sistem fluvial, sifat-sifat aliran laminer dan turbulen maka konsep debit dominan
masih perlu dikaji dan dikembangkan berkaitan dengan geometrik hidraulik, pola
aliran dan laju sedimentasi.
1.1.5 Periode Ulang
Untuk perhitungan debit banjir dipakai data intensitas hujan I (mm/jam) yang
merupakan salah satu parameter penyebab banjir. Data yang diambil adalah data
curah hujan harian maksimum yang terjadi setiap tahun untuk rentang waktu
tertentu (misal 10 tahun, 20 tahun) dihitung mulai tahun sekarang berjalan mundur.
Bila data dimulai Tahun 2012 maka data 10 tahun terakhir rentang waktu 10 tahun
diambil mulai dari Tahun 2002 sampai Tahun 2012. Semakin lama rentang waktu
semakin baik dan semakin akurat artinya bila diperoleh data 20 tahun, 30 tahun
atau 40 tahun sebelumnya maka hasilnya akan makin baik.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 22
Sebagai contoh bila dipakai data 10 tahun terakhir dengan 2011 sebagai waktu data
yang terakhir, maka data diambil mulai pada Tahun 2001 sampai Tahun 2011. Pada
tahun ini misal data curah hujan harian maksimum terjadi pada 20 Januari, maka
dari Tahun 2011 diperoleh satu data. Bila rentang waktu 10 tahun maka akan
diperoleh 10 data curah hujan harian maksimum mulai dari Tahun 2001 sampai
Tahun 2011. Sesudah data dikompilasi maka dilakukan analisis secara statistik.
Tujuan utama pertahanan bencana (disaster defence) khususnya banjir secara
struktur atau fisik adalah untuk melindungi jiwa, harta benda manusia serta
meminimalkan kerugian lainnya seperti rusaknya infrastruktur serta untuk menjamin
agar aktifitas sosial dan ekonomi tidak lumpuh dan tetap bisa berjalan. Pertahanan
bencana banjir tidak bisa 100 % melindungi manusia terhadap semua kemungkinan
kerugian akibat atau dampak dari bencana ini.
Sebagai contoh pembangunan penahan (defence) atau pengendali (control) banjir
tidak bisa 100 % melindungi dan membebaskan manusia dari semua kemungkinan
kejadian banjir karena analisis perencanaan banjir menggunakan periode ulang
(return period). Untuk menentukan kapasitas penampang sungai dipakai debit
dengan periode ulang tertentu, misalnya Q100, Q50, Q25, dll. Q100 berarti sungai
mampu mengalirkan air untuk periode (kala) ulang 100 tahun.
Pengertian Q25 tidak berarti terjadi banjir setiap 25 tahun. Analisis periode ulang
debit menggunakan ilmu statistik dalam menentukan besaran tersebut, yaitu dalam
konsep analisis kemungkinan (probability). Pemahamam analisis itu diungkapkan
dalam dua contoh berikut: ambil sebuah dadu, kemudian lemparkan dadu itu. Bila
menginginkan angka dua yang keluar, maka dengan mudah sekali kita lihat bahwa
kemungkinannya adalah 1/6 atau enam belas dua pertiga persen. Kapan akan
keluar angka dua, tidak diketahui waktunya. Contoh berikutnya, bila kita akan
bepergian mengendarai mobil, maka pada saat sebelum berangkat kita tidak tahu
apa yang bakal terjadi di tengah jalan (uncertainty). Yang kita harapkan adalah
semoga dapat selamat sampai tujuan. Dari pernyataan “semoga dapat selamat
sampai tujuan”, secara tersirat kita sudah mempunyai padangan atau bisa
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 23
menerima bahwa kecelakaan mungkin bisa terjadi. Artinya kita bisa menerima
adanya unsur risk factor (Kodoatie, 1995a dan 2001a).
Besarnya kemungkinan terjadinya kecelakaan, kita perkecil dengan beberapa
usaha dan tindakan. Antara lain, untuk faktor-faktor internal, usaha yang kita
lakukan adalah memeriksa kondisi kesehatan kita apakah sudah siap untuk
mengendarai mobil, juga mobil dan segala peralatan vitalnya kita cek seperti, rem,
kondisi ban, lampu, dan lain-lainnya. Untuk faktor-faktor-eksternal, apakah jalan
dalam kondisi baik, pertimbangan ”Apakah pengendara mobil yang lain akan
berhati-hati seperti yang akan kita lakukan?” dan lain sebagainya.
Di sini terlihat bahwa, semakin besar dan banyak usaha atau tindakan kita, maka
semakin kecil peluang/kemungkinan terjadinya kecelakaan, walaupun tidak bisa
kita jamin 100 % selamat. Tetapi, biaya atau dana yang kita butuhkan menjadi
semakin besar. Batasan usaha dan tindakan kita, bergantung pada kemampuan
khususnya dana yang kita miliki. Bisa saja kita membuat mobil yang super kuat,
namun dari kacamata ekonomi tidak layak (feasible).
Ada dua prinsip dasar yang harus dipahami. Pertama, misal intensitas hujan I
dianalisis dengan periode ulang dua puluh lima tahunan kemungkinan atau peluang
untuk I setiap tahunnya adalah 1/25 atau empat persen. Untuk I lima puluh tahunan,
kemungkinan terjadi setiap tahunnya adalah 1/50 atau dua persen, dan untuk I
seratus tahunan 1/100 atau satu persen. Kemungkinan atau peluang yang terjadi
setiap tahunnya akan semakin kecil bila kala ulangnya semakin besar. Kedua bila
kita menggunakan I rencana dengan kata ulang dua puluh lima tahunan (I25) pada
perencanaan sungai, tidak berarti tahun berulangnya adalah tiap dua puluh lima
tahun, tetapi terdapat kemungkinan dalam seribu tahun misalnya akan terjadi empat
puluh kejadian dengan I sama atau lebih besar dari I dengan kala ulang dua puluh
lima tahunan.
Debit merupakan fungsi dari I, sehingga bila kita memakai I dengan kala ulang dua
puluh lima tahunan (I25) maka debit juga dengan kala ulang dua puluh lima tahunan
(Q25). Pengertian Q25 adalah sama dengan pengertian I25, yaitu bahwa Q25 tidak
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 24
berarti tahun berulangnya adalah tiap dua puluh lima tahun, tetapi terdapat
kemungkinan dalam seribu tahun misalnya akan terjadi empat puluh kejadian
dengan Q sama atau lebih besar dari Q dengan kala ulang dua puluh lima tahunan.
Demikian pula dalam waktu seratus tahun akan terjadi 4 kejadian dengan Q sama
atau lebih besar dengan Q25. Kapan terjadinya tidak diketahui, namun setiap tahun
besar kemungkinannya adalah 1/25 atau 4% (Kodoatie, 1995a dan 2001a). Dengan
kata lain Q25 tidak berarti banjir berulang yang terjadi setiap 25 tahun demikian pula
untuk Q5 tidak berarti banjir berulang setiap 5 tahun sekali.
Dalam hal ini dipakai persamaan sederhana dari statistik bahwa
P = 1/T
Dimana
P = probabilitas (kemungkinan) yang akan terjadi biasanya dalam %
T = periode ulang (Tahun)
Misal debit rencana dipakai debit dengan priode (kala) ulang 100 tahun maka
besarnya kemungkinan terjadi banjir dengan debit besaran sesuai kala ulang
tersebut (Q100) yang terjadi setiap tahunnya sama dengan 1/100 atau 1%. Untuk
kala ulang 25 tahun kemungkinan terjadi banjir dengan debit besaran sesuai kala
ulang tersebut (Q25) sama dengan 1/25 atau 4%.
Dari uraian tersebut, maka kala ulang dapat didefinisikan sebagai interval waktu dari
suatu peristiwa yang mencapai suatu harga tertentu atau melampaui harga
tersebut. Umumnya data hidrologi yang dipakai sebagai dasar perhitungan I
rencana, adalah data curah hujan harian maksimum tahunan yang hanya terjadi
sekali setiap tahunnya. Maka fungsi waktunya adalah tahunan.
Sebagai contoh untuk pengendalian banjir suatu daerah, sungai yang menjadi
sumber terjadi banjir di desain untuk:
Periode ulang 100 Q100 dengan biaya pengendalian banjir untuk peninggian
tanggul sungai Rp. 250 Milyard.
Periode ulang 25 Q50 dengan biaya pengendalian banjir untuk peninggian
tanggul sungai Rp. 125 Milyard.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 25
Periode ulang 25 Q25 dengan biaya pengendalian banjir untuk peninggian
tanggul sungai Rp. 75 Milyard.
Daerah yang dilindungi secara skematis ditunjukkan dalam Gambar I.7. Semakin
besar periode ulang maka biaya yang dibutuhkan juga makin besar, namun
kemungkinan banjir terlampau (melimpas tanggul) tiap tahun makin kecil karena
tanggul semakin tinggi dan besar, sehingga dapat dikatakan bahwa untuk:
Q100 biaya Rp. 250 Milyard dan kemungkinan banjir terlampau tiap tahun adalah
1/100 = 1 %.
Q50 biaya Rp. 125 Milyard dan kemungkinan banjir terlampau tiap tahun adalah
1/50 = 2 %.
Q25 biaya Rp. 75 Milyard dan kemungkinan banjir terlampau tiap tahun adalah
1/100 = 4 %.
a. Sketsa pengamanan tanggul dengan berbagai Q
b. Contoh dokumentasi pengamanan tanggul
Gambar I.7 - Sketsa dan contoh daerah yang terkena banjir dan
tanggul pengaman (pelindung)
tanggul
daerah yang diamankan
A
A
1 adalah tinggi tanggul untuk Q100 2 adalah tinggi tanggul untuk Q50 3 adalah tinggi tanggul untuk Q25
2%
1%
4%
Potongan AA (potongan melintang tanggul)
muka air banjir 1
2
3
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 26
Mengingat besaran intensitas I (mm/jam) yang disebabkan oleh curah hujan R (mm)
merupakan hasil dari suatu proses alam yang mengikuti siklus hidrologi, besarnya
tidak bisa diduga, hanya Tuhan Yang Maha Esa yang tahu. Ramalan cuaca di
televisi setiap hari, sebenarnya juga telah mengakui keterbatasan manusia untuk
menganalisis peristiwa alam secara eksak. Hujan yang terjadi di kota-kota di
Indonesia, yang bisa menyebabkan banjir, oleh badan meteorologi diramal. Istilah
“diramal”, mengandung konotasi bisa terjadi dan bisa tidak. Di sini kita berbicara
lagi tentang kemungkinan (probability).
Namun dari data atau peristiwa lampau yang kita rekam, hujan-hujan terbesar yang
menyebabkan banjir maksimum bila dilihat proses fenomenanya akan mempunyai
kejadian berulang. Data lampau yang ada, kita proses berdasar analisis hidrologi
untuk meramal dan memperkirakan besarnya debit dengan periode ulang yang kita
inginkan.
Secara ideal, dalam kajian studi kelayakan suatu proyek analisis yang dilakukan
banyak sekali dan sangat beragam, namun pada prinsipnya dapat dikelompokan
menjadi enam aspek. Yaitu aspek-aspek teknis, ekonomi, sosial-budaya, hukum,
kelembagaan dan lingkungan. Aspek-aspek itu berpengaruh terhadap manfaat dan
terhadap sumber dana yang ada. Analisis teknis akan menghasilkan kekuatan dan
stabilitas dari bangunan yang direncanakan, sehingga dapat diketahui umur
bangunan, aspek ekonomi akan mengkontribusi keuntungan (benefit) yang
diperoleh dari pembuatan proyek tersebut, aspek sosial-budaya akan memberikan
jawaban manfaat dan risiko/respon positif dan negatif terhadap masyarakat. Aspek
hukum berupa norma, standard, pedoman dan manual (NSPM), aspek
kelembagaan berupa peran-peran institusi serta aspek lingkungan mempelajari
dampak positif dan negatif akibat adanya proyek tersebut. Semua aspek tersebut,
dianalisis dan dioptimasi sehingga muncul suatu pertanyaan apakah proyek
tersebut layak dilaksanakan.
Pengendalian banjir tidak berarti suatu daerah bebas banjir, tetapi lebih mengarah
kepada usaha untuk mengurangi risiko banjir serta penanggulangannya. Usaha-
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 27
usaha sistem pengendalian banjir, juga menelusuri kajian analisis seperti di atas
dengan memakai tolok ukur periode ulang tertentu.
Dari analisis teknis, ekonomi, sosial, dan lingkungan yang dikaitkan dengan analisis
risiko (risk of failure), para penentu kebijakan dan perencana berusaha untuk
mendapatkan nilai yang optimal sehingga dapat dihitung periode ulang yang akan
dipakai.
Di Jakarta misalnya, dipakai debit banjir rencana (dihitung dari I rencana) dengan
periode ulang 50 tahunan (Q50). Karena dengan padatnya penduduk dan segala
fasilitas serta utilitasnya, risiko kerugian jiwa, harta benda, dan materi akan lebih
besar bila dibandingkan dengan suatu daerah rural yang sedikit atau bahkan tak
ada penduduknya. Di daerah itu bisa dipakai kala ulang yang lebih kecil, misalnya
Q 5 tahunan (Q5); karena bila terjadi banjir lebih besarpun, risiko kerugiannya
secara ekonomi dan sosial akan lebih kecil.
1.1.6 Cara Sederhana Perhitungan Debit Banjir
Pada waktu kunjungan lapangan maka perlu menentukan debit banjir yang lewat di
suatu wilayah kota dengan cara cepat. Pada saat pengamatan sungai atau saluran
bisa dilakukan perhitungan debit sederhana dengan cara menebak. Ada beberapa
tip atau petunjuk sederhana dalam perhitungan debit tersebut, yaitu (Kodoatie,
2011):
Luas DAS = 1 km2 debit banjir adalah 3,5 - 7 m3/detik
Persamaan di atas dapat dipakai sebagai tebakan pertama sebelum dilakukan
analisis dan perhitungan yang detail. Persamaan tersebut juga dapat dipakai
sebagai referensi untuk meyakinkan perhitungan debit yang rumit tidak mengalami
kesalahan yang besar.
Persamaan tersebut hanya berlaku untuk luas DAS kurang dari 100 km2. Untuk luas
DAS yang lebih besar dari 1.000 km2 atau bahkan di atas 10.000 km2, tidak
menghasilkan solusi yang akurat.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 28
Beberapa pendekatan perhitungan debit dengan luas DAS lebih dari mulai dari <
10 km2 sampai > 10.000 km2 diuraikan berikut ini.
Hubungan luas DAS dan Debit ekstrim di Canada ditunjukkan dalam
Tabel 1.4.
Tabel 1.4 - Hubungan luas DAS dan debit ekstrim di Canada (Watt, 1989)
No. DAS Debit
No. DAS Debit
km2 m3/det km2 m3/det
1 7 127 12 11.300 6.300
2 69 428 13 15.100 7.640
3 117 500 14 17.200 5.660
4 181 1.180 15 19.200 9.460
5 347 807 16 19.700 4.670
6 800 1.280 17 35.200 8.810
7 1.130 1.250 18 43.500 6.630
8 1.340 1.840 19 50.200 9.200
9 3.480 2.400 20 65.300 8.290
10 5.050 2.790 21 186.000 15.500
11 9.350 7.930 22 277.000 16.200
Bila tabel tersebut dibuat grafik maka hasilnya ditunjukkan dalam Gambar I.8.
Gambar I.9 adalah grafik hubungan debit maximum dengan luas DAS untuk lebih
dari 150 lokasi pengamatan di sungai-sungai Canada yang disuper imposed dan
dibuat Plot Creager (Watt, 1989; Creager et al., 1945). Gambar I.10 menunjukkan
variasi hubungan debit tahunan maximum dengan luas DAS untuk sungai-sungai di
Quebec, Canada.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 29
Gambar I.8 - Hubungan luas DAS dan debit ekstrim di Canada (Watt, 1989)
Gambar I.9 - Banjir-banjir puncak (tak umum/unusual) di Canada yang diplot
dengan super imposed pada plot Creager (Creager et al., 1945)
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 30
Gambar I.10 - Variasi hubungan debit tahunan maximum dengan luas DAS
untuk sungai-sungai di Quebec, Canada (Watt, 1989)
Sering terjadi kesulitan di lapangan untuk penentuan koefisien kekasaran Manning
n. Untuk sungai alam sebuah persamaan alternatif sederhana dapat dipakai
Persamaan Lacey (1930) yaitu:
Q= 10.8 A R2/3S1/3 1.17a
Persaman lainnya yang dipakai adalah (Lacey, 1930):
2/1
C
WQ
1.17b
Dimana:
Q = debit (m3/dt)
A = luas penampang (m2)
R = jari-jari hidraulik (m)
S = kemiringan memanjang sungai
W = lebar permukaan air dari tebing kiri sungai ke tebing sungai kanan (m)
C = Koefisien 3 - 5 (koefisien terkait dengan erosi tebing)
1.2 Aliran Steady dan Unsteady
1.2.1 Aliran Tunak (Steady Flow)
Aliran tunak mempunyai persamaan umum dari hukum kontinuitas dan hukum
momentum konservatif sebagai berikut:
0x
vy
1.18
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 31
fo S Sg x
yg
x
vv
1.19
Kedua persamaan di atas berlaku pada aliran terbuka dengan asumsi sebagai
berikut:
Aliran tunak (steady flow)
Satu dimensi (percepatan vertikal dapat diabaikan)
Saluran terbuka
tidak termampatkan konstan
Saluran prismatik dan persegi panjang
Kemiringan dasar saluran sangat kecil (sin tan dan d y)
Saluran lurus
Tidak ada aliran lateral
Lebar saluran konstan
Dari Persamaan Persamaan 1.18 kita dapat mengatakan bahwa debit aliran
konstan. Dari Persamaan 1.19 aliran pada saluran terbuka dapat dibagi lagi
menjadi:
aliran seragam tunak (steady uniform flow)
aliran tidak seragam tunak (unsteady uniform flow):
- aliran berubah cepat (steady rapidly varied flow)
- aliran berubah lambat laun (steady gradually varied flow)
Pada sub-bab ini akan dijelaskan lebih rinci masing-masing jenis aliran untuk
kondisi tunak. Persamaan yang dipakai, aplikasi di lapangan dan contoh-contoh
perhitungan sederhana juga akan akan diberikan.
1. Aliran seragam (uniform flow)
Kita tulis lagi persamaan kontinuitas dan persamaan momentumnya
0x
vy
Dan
0S S fo 1.20
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 32
Dari Persamaan 1.20 kita dapat mengatakan kemiringan dasar saluran (So)
sejajar dengan kemiringan muka air (Sw) dan kemiringan geser (Sf). Kondisi
aliran seragam tunak di lapangan dapat digambarkan sebagai saluran dengan
jangkauan panjang (long reach) atau x cukup signifikan. Secara skematis
aliran seragam tunak digambarkan seperti berikut ini. Kehilangan energi hf
timbul akibat adanya perlawanan (resistance) pada dasar saluran. Dalam
kondisi seragam tunak maka kita dapati dasar saluran sejajar dengan muka air
(HGL) dan garis enersi (EL). Lebih jauh juga dapat dikatakan y1 = y2, dan v1 =
v2. Secara umum kita dapat mengatakan y, A, v dan Q konstan di setiap titik
sepanjang saluran, dan aliran ini tidak mempunyai percepatan karena dv/dt=0.
Gambar I.11 - Aliran seragam tunak (steady uniform flow)
Pada kenyataannya, di lapangan untuk kondisi ideal aliran seragam tunak
seperti di atas sangat sulit ditemukan (Henderson, 1966). Karena bentuk
geometris hidroliknya saluran air, sungai-sungai di lapangan tidak teratur akibat
adanya tanaman pada tebing saluran, adanya bangunan-bangunan air,
perubahan dasar saluran (bed forms configuration) dll. Bahkan untuk saluran
yang dibuat di laboratorium (artificial) terjadinya aliran seragam tunak tidak bisa
kontinyu karena adanya bangunan kontrol/ penghalang seperti, bangunan ukur,
bendung, pintu aliran dll. yang menimbulkan perbedaan hubungan tinggi air dan
debit dengan aliran air yang benar-benar seragam.
Namun dari segi teoritis aliran seragam tunak sangat penting untuk dipakai
sebagai dasar perencanaan saluran. Pada saluran irigasi aliran seragam tunak
dipakai sebagai salah satu alat untuk mendesain saluran stabil dan ekonomis.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 33
Untuk mempermudah analisis perhitungan sedimentasi, aliran pada saluran/
sungai terbuka diasumsikan sebagai aliran seragam tunak. Konfigurasi dasar
saluran yang berbeda-beda sepanjang saluran (yang mengakibatkan
perlawanan aliran berbeda-beda) juga mempengaruhi analisis aliran ini.
Kesimpulan dari uraian di atas ialah bahwa tingkat akurasi dalam perhitungan
aliran ini tidak bisa mencapai 100%. Pengalaman lapangan dari seorang ahli
hidrolik cukup berpengaruh dalam perencanaan saluran ekonomis dan stabil.
Perhitungan aliran seragam tunak
Persamaan yang biasa dipakai adalah Persamaan Chezy dan Manning. Untuk
riset di laboratorium Chezy lebih cenderung dipakai sedangkan untuk lapangan
bisa dipakai Persamaan Manning (Hicks, 1989). Dari kondisi So = Sf = Sw maka
Persamaan Manning dapat ditulis menjadi
21o
32 SRn
1v 1.21
dalam sistem metrik (SI unit) atau
21o
32 SRn
49.1v 1.22
dalam sistem satuan Inggeris Debit dapat ditulis menjadi
21o
21o
32 KSSRn
1AvQ 1.23
dimana
32Rn
1K disebut sebagai pembawa/pengangkutan (conveyance) aliran
Di lapangan kita bisa menggantikan So dengan Sw karena pengukuran Sw relatip
lebih mudah dibandingkan dengan pengukuran So. Namun perlu diperhatikan
lokasi sungai yang ditinjau.
Umumnya saluran di lapangan berbentuk trapesium dan persegi panjang. Untuk
bentuk saluran yang optimal, maka bentuk trapesium lebih ekonomis dalam
membawa aliran dibandingkan dengan bentuk persegi panjang seperti
ditunjukan dalam Gambar I.12. Gambar I.12a juga menunjukkan bahwa untuk
bentuk persegi panjang yang paling optimal bilamana b = 2y. Gambar I.12b
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 34
menunjukkan bentuk penampang saluran yang paling optimal bilamana
bentuknya mendekati setengah lingkaran di dalam trapesium dengan pusat jari-
jari pada bagian tengah muka air.
Gambar I.12 - Optimasi luas pembawa aliran pada potongan melintang
saluran (Henderson, 1966)
Metode perhitungannya ada beberapa cara (Hicks, 1989), yaitu:
a. Berdasarkan data lapangan:
Kita melakukan pengukuran untuk y, v, Q, So/Sw . Pengukuran diusahakan
pada aliran yang relatip seragam (air tidak banyak bergelombang, aliran
lurus, geometris hidrolik tidak terlalu berbeda jauh antara satu potongan
melintang ke potongan melintang yang lainnya.
b. Berdasarkan gambar dan tabel:
Tanpa data lapangan, pengalaman seorang ahli hiddraulik cukup
menentukan dalam keputusan perencanaan. Tentukan nilai “n” sebagai
dasar perhitungan awal, kemudian disesuaikan dengan kondisi lapangan
seperti adanya tanaman di tebing saluran, ketidak-aturan bentuk geometris
hidrolik, saluran ber”meander” dll.
c. Foto udara:
Pengembangan Geographic Information System (GIS) dan perangkat lunak
dan keras dari komputer yang begitu pesat bisa dimanfaatkan untuk dasar
perencanaan saluran.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 35
d. Analisis sensitivitas
Analisis ini adalah melakukan perhitungan desain untuk suatu jangkauan
nilai n tertentu. Dari hasil yang cukup banyak maka dapat dipilih perencanaan
yang mempunyai banyak (dominan) nilai n yang hampir sama untuk dipakai
pada aplikasi pembangunannya.
2. Aliran berubah cepat tunak (steady rapidly varied flow)
Persamaan kontinuitasnya adalah:
0x
Q
atau untuk B konstan, 0x
vy
1.24
Untuk Persamaan momentumnya (dengan mengabaikan Sf) dapat ditulis
ogS x
yg
x
vv
Persamaan ini dibagi g dan So diganti dengan dx
dz , maka dapat ditulis
0dx
dH atau 0
dx
)zyg2
v(d
2
1.25
Kondisi aliran tunak berubah cepat adalah aliran dengan debit konstan, dengan
skala panjang yang kecil dimana variable gesekan (friction) dapat diabaikan
(tidak ada Sf). Dari Persamaan 1.25b kita dapat mengatakan bahwa total energi
(H) konstan. Perlu diingat bahwa distribusi tekanan hidrostatis tidak berlaku
pada tipe aliran ini.
Seperti sudah disebutkan sebelumnya aliran ini umumnya terjadi pada
bangunan-bangunan hidrolik seperti, bendung, pintu air, sluice gate, bangunan
terjunan, bangunan penghalang (pilar di bawah jembatan), dll. Hydraulic jump
adalah sebagai hasil dari aliran ini. Solusi untuk aliran ini berdasarkan pada
percobaan atau solusi kasus per kasus (individual) dan biasanya secara tipikal
kita memakai energi spesifik dan gaya (force). Penyelesaian dengan cara-cara
jaring-jaring aliran (flow nets) merupakan salah satu cara untuk memecahkan
tipe aliran ini.
Contoh uraian di bawah ini menjelaskan penjabaran Persamaan 1.25 untuk
kasus aliran pada bendung saluran/sungai dengan puncak lebar seperti
ditunjukkan gambar berikut ini.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 36
Gambar I.13 - Aliran pada puncak bendung
Untuk kasus 1 berdasarkan Persamaan 1.25b dengan v1 kecil sekali dan dapat
dianggap = 0 maka dapat ditulis
0g2
vyh00h
22 1.26
atau
gy2v2
Besarnya debit Q adalah = vA sehingga untuk lebar bendung = b dapat ditulis
h
o
vbdyQ = h
o
dygy2b 1.27
23bhg23
2Q 23bh95.2 1.28
Untuk kasus 2 karena kondisi ini kompleks maka berdasarkan riset laboratorium
Persamaan 1.28 ditambah suatu koefisien yang disebut koefisien debit cd
sehingga untuk kasus 2, Persamaan 1.28 dapat ditulis menjadi
23d bhg2
3
2cQ 1.29
Experiment menunjukkan bahwa Q 60% Qt dan umumnya besarnya Cd 0.61
(Hicks, 1990) Rechbock (1929) mengusulkan besarnya cd adalah (lihat Gambar
I.15)
w
h08.0611.0cd untuk 5
w
h 1.30
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 37
Untuk w ~ (besar sekali/tak terhingga) Cd 0.611 dan dengan g =
9.81m/detik2 maka Persamaan 1.29 dapat ditulis menjadi
23bh71,1Q 1.31
3. Aliran berubah lambat laun tunak (steady gradually varied flow)
Dasar untuk analisis aliran balik (back water) pada pembendungan sungai dan
dasar untuk analisis sistim jaringan drainase. Aliran ini adalah aliran dengan
debit konstan (steady) namun kedalaman y bervariasi sepanjang sumbu x.
Untuk kondisi lebar saluran/sungai konstan persamaan kontinuitas dan
persamaan momentumnya adalah
0x
vy
1.32
fo S Sg x
yg
x
vv
1.33
Dari persamaan kontinuitas maka debit konstan, sedangkan dari persamaan
momentum dalam fungsi energi spesifik E dan fungsi bilangan Froude kita dapat
menyusun lagi menjadi
fo SSdx
dE 1.34
2r
fo
F1
SS
dx
dy
1.35
Bila di dalam bentuk total energi H, persamaan momentum ditulis
0Sx
zg
x
yg
x
vvf
1.36
atau
f2 Szyg2v
dx
d 1.37
fSdx
dH atau dxSdH f 1.38
Persamaan 1.36 menunjukkan bahwa aliran dari x1 ke x2 menyebabkan
kehilangan total energi sebesar H=LSf seperti ditunjukkan dalam gambar
berikut ini. Persamaan untuk kondisi ini adalah
f21 LSHH 1.39
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 38
Gambar I.14 - Kehilangan energi dari x1 ke x2
a. Klasifikasi Macam-Macam Profil Aliran
Dengan menganalis persamaan dasar aliran untuk aliran berubah lambat
laun tunak kita dapat menentukan macam-macam profil aliran dari aliran
tersebut. Untuk itu marilah kita bahas persamaan dasar dari aliran ini.
Kita tulis lagi persamaan dasar aliran ini dalam bentuk fungsi dari bilangan
Froude yang dapat ditulis menjadi
2
fo
Fr1
SS
dx
dy
1.40
Untuk menentukan profil aliran ada tiga kedalaman yang perlu dilihat yaitu
kedalaman aliran yang ditinjau y, kedalaman aliran seragam tunak yo dan
kedalaman kritis yc. Dalam hal ini kita dapat menentukan besarnya yo dan yc
sebagai berikut. yo dicari dengan menganggap aliran seragam tunak (steady
uniform flow). Persamaan momentum untuk aliran ini adalah
So = Sf
Diketahui bahwa untuk sungai yang lebar kita dapat menganggap bahwa R
= y, sehingga dari persamaan Manning untuk aliran seragam tunak kita dapat
menulis
21o
32o
21o
32 Syn
1SR
n
1v 1.41
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 39
Dari persamaan ini dapat dicari besarnya yo. Kita juga dapat mencari yo
berdasarkan satuan debit q dan faktor gesekan Darcy-Weisbach f. Di mana
masing-masing variabel adalah,
ovyq dan n
y
n
R
f
g861
o61
1.42
Dari Persamaan 1.41 dan Persamaan 1.42 maka besarnya yo adalah
31
o
223
21o
ogS8
fq
S
nvy
1.43
Besarnya kedalaman kritis dapat ditulis
312
cg
qy
1.44
Berdasarkan persamaan-persamaan di atas kita dapat menulis
3
c
3
o
y
y1
y
y1So
dx
dy 1.45
b. Analisis Kualitatip Macam-Macam Profil Aliran
Mari kita analisis Persamaan 1.45 yang kita tulis lagi
2
fo
Fr1
SS
dx
dy
Ada beberapa kemungkinan kondisi ekstrim yang dapat kita analisis yaitu
1) Bila y = yc maka Fr = 1, kita dapat mengatakan bahwa
~ 11
SS
dx
dy fo
(tak terhingga) 1.46
Secara skematis kita mengatakan aliran menjadi vertikal seperti
ditunjukkan pada Gambar I.15a.
2) Bila y = yo maka So = Sf, kita dapat mengatakan bahwa
0F1
SS
dx
dy2
r
oo
1.47
Secara skematis kita mengatakan aliran menjadi aliran seragam tunak.
Gambar I.15b memberikan penjelasan tersebut
3) Bilamana y ~, kita mengetahui bahwa
0yR
S oof
dan 0
gy
vFr
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 40
Sehingga persamaannya menjadi
oSdx
dy 1.48
Kondisi tersebut ditunjukan pada Gambar I.15c
4) Bilamana So = 0 maka
fSdx
dy 1.49
Dasar saluran menjadi horizontal
Kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 1.15d
Gambar I.15 - Kondisi aliran untuk dy/dx yang berbeda-beda
Sekarang kita lihat kedudukan y terhadap yo dan yc. Berdasarkan
kemiringannya ada 5 kondisi yang dapat terjadi pada aliran ini yaitu:
1) Kemiringan horisontal (So = 0)
Untuk kemiringan horisontal yo mendekati ~
Ada tiga kondisi yang terjadi yaitu:
H1 terjadi bila: yo = y ~ > yc dan dy/dx = 0 kondisi batas di hilir
H2 terjadi bila: yo ~ > y > yc dan dy/dx < 0 kondisi batas di hilir
H3 terjadi bila: yo ~ > yc > y dan dy/dx > 0 kondisi batas di hulu
2) Kemiringan landai (mild slope) yo >yc
Ada tiga kondisi yang terjadi yaitu:
M1 terjadi bila: y > yo > yc dan dy/dx > 0 kondisi batas di hilir
M2 terjadi bila: yo > y > yc dan dy/dx < 0 kondisi batas di hilir
M3 terjadi bila: yo > yc > y dan dy/dx > 0 kondisi batas di hulu
3) Kemiringan kritis yo = yc
Ada tiga kondisi yang terjadi yaitu:
C1 terjadi bila: y > yc dan dy/dx > 0 kondisi batas di hilir
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 41
C2 terjadi bila: y = yc dan dy/dx < 0 kondisi batas di hulu
C3 terjadi bila: y < yc dan dy/dx > 0 kondisi batas di hulu
4) Kemiringan curam (steep slope) yo < yc
Ada tiga kondisi yang terjadi yaitu:
S1 terjadi bila: y > yc >yo dan dy/dx > 0 kondisi batas di hilir
S2 terjadi bila: yc > y > yo dan dy/dx < 0 kondisi batas di hulu
S3 terjadi bila: yc > yo >y dan dy/dx > 0 kondisi batas di hulu
5) Kemiringan berlawanan (adverse slope) So < 0
Ada tiga kondisi yang terjadi yaitu:
A1 terjadi bila: y ~ > yc dan dy/dx = 0 kondisi batas di hilir
A2 terjadi bila: y > yc dan dy/dx < 0 kondisi batas di hilir
A3 terjadi bila: yc > y dan dy/dx > 0 kondisi batas di hulu
Secara skematis kelima kondisi tersebut diilustrasikan berikut ini.
Gambar I.16 - Klasifikasi profil aliran berubah perlahan (Chow, 1959)
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 42
c. Estimasi Perhitungan Profile Aliran
Salah satu cara perhitungan aliran tunak berubah perlahan diuraikan pada
paragraph berikut ini. Di bawah ini diilustrasikan suatu sungai yang di
bendung di suatu tempat tertentu.
a) potongan memanjang sungai dengan bendung
b) detail potongan 1 - 2
Gambar I.17 - Profil aliran sungai dengan bendung
dimana
hf1-2 = kehilangan energi dari potongan 1 sampai potongan 2 (= L Sf) x cukup
jauh sehingga geseran cukup signifikan So, Sw dan Sf tidak lagi saling sejajar.
Persamaan umum yang dipakai adalah persamaan kontinuitas dan
momentum untuk aliran tunak berubah perlahan. Dari persamaan kontinuitas
kita tahu bahwa debit sepanjang aliran adalah tetap. Persamaan momentum
dengan melihat Gambar 1.17 dapat ditulis kembali sebagai berikut
f21 LSHH 1.50
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 43
Persamaan ini dapat ditulis lebih detail menjadi
f2
22
221
21
11 LSzg2
vyz
g2
vy 1.51
dimana
1 dan 2 koreksi untuk persamaan energi
Langkah-langkah perhitungannya adalah sebagai berikut
Aliran di anggap sub-kritis sehingga kondisi batas adalah hilir (down-
stream boundary condition). Asumsi ini juga diartikan bahwa kita
menentukan tipe aliran berdasarkan kemiringan dasar sungai seperti
sudah dijelaskan sebelumnya (ada 5 tipe aliran). Umumnya pada aliran
bagian hulu suatu bendung aliran bertipe “kemiringan landai (mild slope)”
dengan tipe M1 atau M2.
Panjang sungai yang akan dihitung profil muka airnya di bagi menjadi
pias-pias tertentu dengan panjang L (x) tertentu. Misal bila panjang
sungai 25 km maka dapat dibagi menjadi 50 potongan dengan panjang
x = 0.5 km. Penentukan pias-pias ini harus melihat pada kondisi sungai
yang dianalisis. Bilamana tidak banyak perubahan hidrolik geometrik dan
profil memanjang sungai relatip lurus, pias lebih panjang bisa dipakai
untuk perhitungan yang lebih mudah.
Pada contoh di atas Persamaan 1.51 merupakan persamaan untuk
potongan 1 - 2. Secara umum persamaan itu dapat ditulis menjadi
f
H
1n
21n
1n1n
H
n
2n
nn LSzg2
vyz
g2
vy
1nn
1.52
Karena kondisi batas adalah daerah hilir, maka perhitungan dimulai dari
bagian paling hilir sungai yaitu bendung. Kita hitung parameter-
parameter geometris hidrolik dari aliran ini, seperti Q, n atau f, v, elevasi
dasar saluran pada bendung, tinggi muka air pada bendung (biasanya
diketahui). Cek kondisi aliran dengan menghitung bilangan Froude.
Dari data geometris yang diketahui kita dapat menghitung besarnya total
energi Hb pada bendung dengan dua cara: yaitu Hb yang dihitung dari
titik bendung yang ditinjau ialah Hb1 dan Hb yang dihitung berdasarkan
Persamaan 1.52 yaitu Hb2. Kedua cara ini dapat ditulis persamaannya
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 44
g2
vzyH
2b
bbb1b
f1nn2b xSHHH
Dari bendung kita bergerak ke hulu dan prosedur di atas.
Profile muka air dari bendung ke hulu sungai dapat dihitung
Cek lagi syarat-syarat yang harus dipenuhi. Misal kita asumsi kemiringan
landai maka aliran pada potongan memanjang yang ditinjau harus aliran
sub-kritis (Fr < 1)
Prosedur iterasi dapat dilakukan dengan analisis numerik. Secara umum
dapat dijelaskan sebagai berikut. Dengan memakai Persamaan (1.52) yang
dapat kita tulis lagi sebagai berikut
2
fo
Fr1
SS
dx
dy)y(f
1.53
1) Cara eksplisit (Euler Method)
Kita tulis Persamaan 1.53 menjadi
2
foi1i
Fr1
SS)y(f
x
yy
atau )y(fxyy i1i 1.54
2) Cara implisit
Persamaan 1.53 ditulis menjadi
)y(fx2yy 1i1i 1.55
3) Cara inverse
Persamaan 1.53 kita tulis menjadi
2
1
2
1
x
x
y
y
dx)y(f
dy 1.56
atau
2
1
y
y
2r
fo
12
F1
SS
dyxx 1.57
4) Metode langkah langsung (direct step method)
fo SSdx
dE 1.58
Untuk potongan melintang prismatik yang seragam, maka dapat dipakai
cara ini. Langkah perhitungannya adalah sebagai berikut (Hicks, 1990):
kita iterasi sampai Hb1 =
Hb2
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 45
tentukan suatu harga y
Hitung E, v, R (untuk saluran/sungai lebar)
Tentukan Sf dengan memakai Persamaan Chezy atau Manning,
gRc
v
gRS
*
2o
f
(Chezy) 1.59
atau
34
22
fR
nvS (Manning) 1.60
Tentukan harga x dengan persamaan
ratafrataSSo
Ex
1.61
dimana Sfrata-rata dihitung dari rata-rata Sf dari kedalaman air yang lama
dan yang baru
Dari Persamaan 1.61 kita dapat menghitung besarnya xn+1 dengan
persamaan
2
SSSo
EExX
fn1fn
n1nn1n
1.62
Semua variabel-variabel dari Persamaan 1.62 diketahui kecuali xn+1
5) Cara langkah standar (standard step method)
Untuk potongan melintang yang tidak prismatik dapat dipakai cara ini.
Langkah-langkah perhitungannnya adalah sebagai berikut (Hicks, 1990)
kita pilih suatu harga x untuk menghitung elevasi muka air/stage h
(= y + z) dengan mengambil suatu harga h sembarang.
kemudian kita lakukan perhitungan dengan cara coba-coba (trial and
error)
kemudian kita hitung variabel geometris hidrolik yang lainnnya seperti
luas potongan melintang A , kecepatan rata-rata aliran v, energi
spesifik E dan total energi H.
kita hitung besarnya kemringan geser Sf dan kemiringan geser rata-
rata fS dan kehilangan energi yang lain (he) pada potongan x yang
ditinjau. Kehilangan energi yang lain bisa berupa kehilangan energi
akibat ekspansi atau kontraksi yang bisa dihitung dengan cara
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 46
g2
v
g2
vch
2nn
21n1n
e 1.63
dimana c = koefisien kehilangan energi akibat ekspansi atau kontraksi.
Kehilangan energi juga bisa disebabkan oleh sungai yang berbelok
(meander)
hitung E dengan persamaan
efo hxSSdx
E
1.64
Cek harga E dengan melakukan perhitungan ulang
6) Program HEC-2
Merupakan paket program dari USCE (United State Corps of Engineers).
Paket program ini memakai cara langkah standar sebagai dasar
perhitungannnya. Secara umum HEC-2 dapat dipakai untuk menghitung
aliran tunak berubah perlahan dengan penampang saluran proismatik
atau non-prismatik, baik untuk aliran sub-kritis maupun super-kritis. Di
samping itu Hec-2 juga dapat dipakai untuk menghitung saluran
gabungan (compound channels). Umumnya pada beberapa lokasi di
sungai atau saluran ada banguan air seperti pilar jembatan, gorong-
gorong, bendung, dll. Kita sudah mengetahui bahwa aliran sungai di
sekitar bangunan air mengalami perubahan dari aliran seragam, aliran
berubah cepat dan aliran berubah perlahan dengan perubahan aliran
tergantung dari kondisi sungai tersebut. Artinya bisa aliran dari seragam
ke aliran berubah cepat, dari aliran berubah perlahan ke aliran berubah
cepat, dari aliran berubah cepat ke aliran seragam atau aliran berubah
perlahan yang kesemuanya ini tergantung dari situasi dan kondisi aliran
sungai/saluran yang ditinjau.
Paket ini bisa menghitung profil muka air dengan proses iterasi dari data
masukan yang sudah kita olah sesuai dengan kriteria dan standar yang
di minta oleh paket program ini. Untuk analisis jaringan sungai, jaringan
drainase, paket program ini sangat dianjurkan untuk dipakai.
tambahan kehilangan energi akibat
ekspansi atau kontraksi saluran.sungai
(melebar atau menyempit)
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 47
7) HEC-RAS
HEC-RAS merupakan pengembangan program HEC-2. Perbedaan yang
menonjol adalah bahwa program HEC-RAS dilakukan dengan
menggunakan fasilitas “windows”. Sehingga hasilnya mudah
dihubungkan dengan program-program lainnya.
Persamaan dasarnya sama persis dengan persamaan untuk aliran tunak
berubah perlahan
1.2.2 Aliran Tidak Tunak (Unsteady Flow)
Aliran tidak tunak berdasarkan persamaan kontinuitas dan persamaan momentum
sebagai berikut:
0x
Q
t
A
(kontinuitas) 1.65
Persamaan momentum
0SSgAdx
dygBy
x
Qv
t
Qfo
(momentum) 1.66
Penyederhanaan kedua persamaan di atas dengan asumsi lebar penampang B
tetap adalah
0x
vy
t
y
1.67
0SSgx
yg
x
vv
t
vfo
1.68
1. Penelusuran waduk (reservoir routing)
Aliran tidak tunak berdasarkan persamaan kontinuitas dan persamaan
momentum sebagai berikut:
0x
Q
t
A
(kontinuitas) 1.69
Persamaan momentum
0SSgAdx
dygBy
x
Qv
t
Qfo
(momentum) 1.70
Penyederhanaan kedua persamaan di atas dengan asumsi lebar penampang
B tetap adalah
0x
vy
t
y
1.71
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 48
0SSgx
yg
x
vv
t
vfo
1.72
2. Gelombang kinematik (kinematic wave)
Aliran ini juga disebut aliran tidak tunak yang seragam (unsteady uniform flow).
0x
vy
t
y
dan Sf =So 1.73
definisi untuk tidak tunak definisi untuk seragam
Seperti kita ketahui bahwa kecepatan rata-rata dengan menggunakan
Persamaan Chezy adalah
f* gRSCv
Bilamana Sf =So maka
o* gRSCv 1.74
Bila kita anggap R = y (untuk sungai yang sangat lebar), dan Persamaan 1.74
dimasukkan ke dalam Persamaan 1.74a didapat
0gSCyxt
yo*
23
1.75
atau
0x
ygSCy
yt
yo*
23
1.76
0x
ygSCy
2
3
t
yo*
21
1.77
atau
0x
yv
2
3
t
y
1.78
atau
0x
yv
t
y
1.79
Bila dipakai Persamaan Manning maka kecepatan rata-rata aliran adalah
21f
32 SRn
1v 1.80
Dengan prosedur yang sama didapat
0x
ySy
n
1
3
5
t
y 21o
32
1.81
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 49
atau
0x
yv
3
5
t
y
1.82
atau
0x
yv
t
y
1.83
Dari Persamaan 1.81 dan Persamaan 1.82 maka
= 3/2, bila kita memakai Persamaan Chezy
= 5/3 bila kita memakai Persamaan Manning
Persamaan 1.83 dapat ditulis
0x
y
t
x
t
y
Dt
Dy
1.84
dimana
vt
x
=c (celerity) dan tergantung dari persamaan yang dipakai (=3/2 untuk
Chezy, dan = 5/3 untuk Manning)
Karena 0Dt
Dy , maka sepanjang v
t
x
, kedalaman y konstan.
Gelombang kinematik hanya menyebabkan pergeseran gelombang dari waktu
tn = 0 ke waktu tn+1 = T. Puncak gelombang setelah waktu tn+1 tidak akan
melebihi puncak gelombang pada waktu tn. Gelombang kinematik umumnya
terjadi pada daerah atas (upland) karena lebar dasar saluran umumnya lebih
kecil dibanding di daerah hilir (low land), namun mempunyai So yang lebih
besar.
Gambar I.18 - Perambatan (propagation) gelombang kinematik dari tn = 0
sampai tn+1 = T
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 50
3. Gelombang sebaran (diffusive wave)
Persamaan dasarnya adalah
0x
vy
t
y
(kontinuitas) dan dx
dySS of (momentum) 1.85
Gelombang ini bisa terjadi pada kelandaian sedang (mild) maupun kelandaian
curam (steep). Untuk penyelesaian Persamaan 1.85 solusi numerik dianjurkan.
Evaluasi Persamaan 1.85 didapat
2
2
x
yD
x
yv
t
y
1.86
dimana
= 3/2 bila memakai Persamaan Chezy
= 5/2 bila memakai Persamaan Manning
v2
CgyD
2*
2
= aproksimasi difusive pada saluran terbuka, atau disebut juga
convection diffusion pada saluran terbuka (Hicks, 1990)
2
2
x
y
= penyebab gelombang menjadi lebih menyebar dan rata (flatter)
Persamaan 1.86 dapat ditulis menjadi
2
2
x
yD
x
y
t
x
t
y
Dt
Dy
1.87
dimana
vt
x
=c (celerity)
Persamaan 1.87 dapat dikatakan bahwa
0
Dt
yD pada kurva v
t
x
1.88
Kecepatan rata-rata dengan cara Manning untuk aliran gelombang kinematik
dan gelombang difusive dapat ditulis
21o
32 SRn
1v untuk gelombang kinematik 1.89
21
o32
dx
dySR
n
1v
untuk gelombang difusive 1.90
Aliran yang terjadi akibat gelombang-gelombang tersebut diilustrasikan sebagai
berikut
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 51
a. gelombang kinematik
b. gelombang difusive
Gambar I.19 - Perbedaan proses gelombang kinematik dan difusive
Perbedaan muka air gelombang kinematik dan gelombang difusive dapat
dijelaskan berikut ini. Besarnya kecepatan gelombang untuk aliran kinematik
dan aliran difusive adalah
21o
32 SRn
1
3
5v
3
5c untuk gelombang kinematik 1.91
21
o32
dx
dySR
n
1
3
5v
3
5c untuk gelombang difusive 1.92
Mengamati Persamaan 1.91 dan Persamaan 1.92 dan Gambar I.19 dapat
dilihat bahwa debit gelombang kinematis Qk dan debit gelombang difusive Qd
pada potongan 1-2 berbeda, yaitu,
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 52
21o
32k SR
n
1AAvQ untuk gelombang kinematik 1.93
21
o32
ddx
dySR
n
1AAvQ untuk gelombang difusive 1.94
Qk pada potongan 1-2 konstan karena v1 = v2, namun Qd pada potongan 1-2
tidak lagi konstan akibat v2 > v1. Hal ini menimbulkan proses aliran seragam
kurva debit Q dan kedalaman air y (uniform flow rating curve) untuk gelombang
kinematis namun aliran histeristis (loop rating curve) untuk gelombang difusive.
Bila digambarkan kurva hubungan debit dan kedalaman airnya seperti berikut
ini.
Gambar I.20 - Kurva hubungan debit Q dan kedalaman air y
Gambar I.20 menunjukkan perbedaan kurva Q-y gelombang kinematik dan
gelombang difusive. Pada gelombang kinematik kurva Q-y berbentuk garis
(lumped curve), sedangkan gelombang difusive (maupun gelombang dinamik)
membentuk suatu loop. Pada potongan 1-2, hanya ada satu hubungan Q-y
untuk gelombang kinematik, namun pada potongan 1-2 , untuk harga y1 = y2
debitnya tidak sama (Q1>Q2). Loop terjadi bilamana dy/dx pada Persamaan
1.94 > So. Kondisi ini juga menunjukkan pada debit Q maks kedalaman airnya
y tidak maksimum, demikian juga pada kedalaman air y maks debitnya Q tidak
maksimum (Lihat Gambar I.20).
4. Gelombang dinamik (dynamic wave)
Dasar analisisnya adalah Persamaan Saint Venant yang lengkap baik untuk
persamaan kontinuitas maupun persamaan momentumnya. Artinya semua
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 53
parameter dan variabel dari Persamaan Saint Venant menjadi penting.
Persamaan tersebut dapat ditulis lagi menjadi,
0x
vy
t
y
dan fo S Sg x
yg
x
vv
t
v
1.95
percepatan gelombang (celerity) dapat didefinisikan sebagai
gyc 1.96
Percepatan gelombang c dapat juga dikatakan mewakili kedalaman air y,
karena hubungan kedua variabel itu proporsional yaitu makin besar c maka y
juga makin besar.
Evaluasi dari Persamaan 1.96 didapat
fo SSg
x
c2vcv
t
c2v
1.97a
fo SSg
x
c2vcv
t
c2v
1.97b
Persamaan (1.97) dapat ditulis menjadi
fo
ii
ii SSgx
AB
t
A
Dt
)A(D
1.98
dimana
Ai = bagian yang merambat
Bi = kecepatan perambatan
Bilamana So-Sf = 0 maka Bi merupakan garis lurus namun karena So-Sf 0
maka Bi merupakan kurva. Persamaan 1.98 dapat ditulis menjadi
fo SSg
Dt
c2vD
pada cvdt
dx 1.99
dimana cvdt
dx merupakan bilangan Courant Cr.
Bilangan ini dipakai untuk kestabilan dari persamaan diferensial maka untuk Cr
= 1, Persamaan 1.99 mempunyai solusi eksak, dan bila Cr = 0 merupakan kasus
khusus (Hicks, 1990; Steffler, 1989).
Untuk Persamaan 1.99 yang negatip dengan cvdt
dx , pada kondisi v = c atau
Fr = 1 atau disebut juga aliran kritis, maka gangguan kecil yang terjadi pada
aliran ini tidak dapat merambat (propagate) ke arah hulu (upstream).
Perambatan ke hulu akan terjadi bilamana c > v. Pada kondisi aliran super kritis
(Fr > 1) maka v > c akan terjadi gerakan gelombang ke arah hilir. Demikian juga
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 54
untuk Persamaan 1.99 yang positip dengan cvdt
dx , perambatan akan
berjalan ke arah hilir (down stream). Sehingga dapat dikatakan bahwa
Persamaan 1.99 menimbulkan dua jenis gelombang, satu ke hulu dan satunya
ke hilir. Gambar berikut ini menunjukkan sketsa karakteristik dari gelombang
dinamik tersebut.
Gambar I.21 - Sebaran karakteristik untuk aliran gelombang dinamik
Kecepatan v dan kecepatan gelombang c merupakan garis lurus bilamana
pada persamaan 1.99 besaran
0
Dt
D
, atau pengaruh fo SSg sangat kecil
dan dapat diabaikan ( 0). Pada waktu terjadi kehancuran konstruksi waduk
(dam break) misalnya hal tersebut bisa terjadi dan aliran air pada saat itu
menjadi aliran tidak tunak berubah cepat untuk jangkauan yang pendek seperti
yang diuraikan pada sub-bab berikut ini. Namun pada kenyataannya
gelombang bersifat dinamis dan untuk jangkauan x yang jauh sifat-sifat aliran
dinamis lebih dominan sehingga karakteristik alirannya berupa kurva yang
bergerak ke arah hulu dan hilir dan cukup sulit untuk dipecahkan secara
numerik.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 55
5. Aliran tidak tunak berubah cepat (unsteady rapidly varied flow)
Aliran ini terjadi pada kondisi dimana geseran dapat diabaikan. Oleh karena itu
persamaan dasarnya dapat ditulis menjadi
0x
vy
t
y
kontinuitas 1.100
0gSx
yg
x
vv
t
vo
momentum 1.101
Persamaan momentum dapat disusun lagi menjadi
0dx
dH atau 0
dx
)zyg2
v(d
2
1.102
Karena tidak ada unsur Sf maka jangkauan (x) adalah pendek. Pada kasus
bobolnya suatu waduk (dam break) proses ini terjadi sangat cepat, sehingga
proses dam break merupakan gabungan dari aliran unsteady rapidly (URVF)
dan unsteady gradually varied flow (UGVF). Atau dengan kata lain proses dam
break dapat diilustrasikan sebagai berikut:
Gambar I.22 - Proses dam-break, aliran URVF menjadi aliran UGVF
Seperti halnya aliran dinamis, garis aliran (stream lines) tidak lagi linier namun
berbentuk kurva. Profil muka air menjadi tidak menerus (discontinuous) dalam
jangkauan yang pendek. Melihat Persamaan 1.101 dengan tidak ada unsur
geseran (Sf = 0), maka persamaan karakteristik mirip dengan Persamaan 1.102
yang dapat ditulis
ogS
Dt
c2vD
pada cvdt
dx 1.103
Karena jangkauan (x) adalah pendek, maka (v+c) adalah jauh lebih besar
daripada (gSo). Sehingga Persamaan 1.103 dapat disederhanakan menjadi
0
Dt
c2vD
pada cvdt
dx 1.104
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 56
Untuk Persamaan 1.104, kurva karakteristiknya dapat diasumsikan berupa
garis lurus. Salah satu cara untuk solusi dari persamaan ini dapat dilakukan
dengan cara numerik.
1.3 Flood Routing
Penelusuran banjir dimaksudkan untuk mengetahui karakteristik hidrograf, yang
diperlukan dalam pengendalian banjir. Perubahan hidrograf banjir antara inflow (I)
dan outflow (O) disebabkan oleh:
Adanya faktor tampungan → misal adanya waduk
Adanya penampang sungai yang tidak uniform atau akibat adanya meander
sungai.
Jadi penelusuran banjir ada dua, untuk mengetahui perubahan inflow dan outflow
pada waduk dan inflow dan outflow pada suatu titik dengan suatu titik di tempat lain
pada suatu sungai.
Perubahan inflow dan outflow akibat adanya faktor tampungan: pada suatu waduk
terdapat inflow banjir (I) akibat adanya aliran banjir dan outflow (O) apabila muka
air waduk naik di atas spillway (terdapat limpasan).
I > O → tampungan waduk naik → elevasi muka air waduk naik
I < O → tampungan waduk turun → elevasi muka air waduk turun
Pada penelusuran banjir berlaku persamaan kontinuitas:
I - O = S/t
Dimana: S adalah perubahan tampungan air di waduk
Persamaan kontinuitas pada periode t = t2 - t1 adalah:
122121 SSt*
2
OOt*
2
II
Langkah yang diperlukan penelusuran banjir pada waduk adalah:
Menentukan hidrograf inflow sesuai skala perencanaan.
Menyiapkan data hubungan antara volume dan area waduk dengan elevasi
waduk.
Menentukan atau menghitung debit limpasan spillway (bangunan pelimpah)
waduk pada setiap ketinggian air diatas spillway dan dibuat dalam grafik.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 57
Ditentukan kondisi awal waduk (muka air waduk) pada saat dimulai routing
(penelusuran). Hal ini diperhitungkan terhadap kondisi yang paling berbahaya
dalam rangka pengendalian banjir.
Menentukan periode waktu peninjauan t1, t2, ..... dst, periode waktu (t2-t1)
semakin kecil adalah semakin baik.
Data lain sebagai pendukung yang diperlukan.
Selanjutnya perhitungan dilakukan dengan tabel, seperti contoh dibawah
(dengan cara analitis langkah demi langkah).
Contoh penelusuran banjir waduk (dengan tabel)
Waktu
ke: t
I
Inflow
Ir
Irata2
Vol.
Ir * t
asumsi
el. wdk.
O
out flow
Or
rata2
Vol.
Or * t
S
storage
kom.
storage
x103
El.
m.a.
wdk.
1.00 1,0 70,0 0,0 1000,0 70,0
60 2,0 1200 1,0 3600 3600
2.00 3,0 71,2 2,0 1003,6 71,1
dan seterusnya
1.4 HEC-HMS, HEC RAS
HEC-RAS merupakan program aplikasi untuk memodelkan aliran satu dimensi di
sungai atau saluran, River Analysis System (RAS), dibuat oleh Hydrologic
Engineering Center (HEC) yang merupakan satu divisi di dalam Institute for Water
Resources (IWR), di bawah US Army Corps of Engineers (USACE). Fitur HEC-RAS
terdiri dari empat komponen hitungan hidraulika satu dimensi, yaitu 1) hitungan
profil muka air aliran permanen, 2) simulasi aliran tak permanen, 3) hitungan
transpor sedimen (mobile bed, moveable boundary), dan 4) analisis kualitas air.
Hydrologic Engineering Center’s Hydrologic Modeling System (HEC-HMS)
merupakan perangkat lunak yang dirancang untuk mensimulasikan proses hujan-
aliran/limpasan (rainfall-runoff) pada suatu sistem tangkapan hujan atau daerah
aliran sungai (DAS). HEC-HMS dapat diterapkan secara luas untuk berbagai
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 58
permasalahan diantaranya adalah ketersediaan air dan banjir di perkotaan maupun
DAS alami. Hidrograf yang dihasilkan dari program ini dapat digunakan untuk studi
ketersediaan air, drainase perkotaan, peramalan aliran, pengaruh urbanisasi,
perancangan pelimpah bendungan, mitigasi dampak banjir, pengelolaan daerah
genangan, hidrologi lahan basah, dan operasi sistem seperti waduk, dsb.
Sistem hidrologi di dalam HEC-HMS direpresentasikan dalam beberapa komponen
model, yaitu model DAS, model meteorologi, control specification, dan data
masukan. Respon DAS dalam mengalihragamkan hujan menjadi aliran
disimulasikan berdasarkan model meteorologi yang diterapkan. Control
speciification digunakan untuk mendefinisikan periode dan tahapan waktu dalam
suatu simulasi. Komponen masukan data, seperti seri data, pasangan data, dsb
digunakan sebagai parameter atau kondisi batas dari suatu model DAS dan
meteorologi.
1.5 Latihan
Diketahui:
Luas daerah aliran sungai A = 50 km2
Panjang sungai L = 12.5 km
Kemiringan sungai I = 0.071
Curah hujan harian R = 140 mm
Hitung debit banjir rencana dengan menggunakan Metode Weduwen dan Metode
Melchior!
1.6 Rangkuman
Dalam hal pengendalian banjir penting juga untuk memahami hidrologi dan hidrolika
sungai. Hidrologi dan hidrolika sungai memberikan wawasan/pengetahuan
mengenai banjir rencana, aliran steady dan unsteady, flood routing serta HEC-HMS
dan HEC RAS.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 59
PENUTUP
A. Simpulan
Modul ini menjelaskan mengenai hidrologi dan hidrolika sungai dalam pengendalian
banjir. Untuk menentukan banjir rencana ada banyak metode perhitungan.
Beberapa metode perhitungan banjir rencana tersebut, diantaranya:
Hubungan empiris curah hujan–limpasan (Metode-metode: Rasional, Weduwen,
Melchior, dsb.).
Dengan menggunakan hidrograf satuan untuk menghitung hidrograf banjir.
Dengan pengamatan langsung di lapangan.
Selain itu, juga dijelaskan perhitungan aliran steady dan unsteady, flood routing
serta HEC-HMS dan HEC RAS.
B. Tindak Lanjut
Sebagai tindak lanjut dari pelatihan ini, peserta diharapkan mengikuti kelas lanjutan
untuk dapat memahami detail pengendalian banjir dan ketentuan pendukung terkait
lainnya, sehingga memiliki pemahaman yang komprehensif mengenai
pengendalian banjir.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 60
EVALUASI FORMATIF
Evaluasi formatif adalah evaluasi yang dilakukan di akhir pembahasan modul
hidrologi dan hidrolika sungai pada pelatihan pengendalian banjir. Evaluasi ini
dimaksudkan untuk mengetahui sejauh mana pemahaman peserta pelatihan
terhadap materi yang disampaikan dalam modul.
A. Soal
1. Berikut ini merupakan jenis-jenis aliran steady, kecuali...
a. aliran seragam tunak (steady uniform flow)
b. aliran seragam tidak tunak (steady varied flow)
c. aliran tidak seragam tunak (unsteady uniform flow):
d. aliran berubah cepat (steady rapidly varied flow)
e. aliran berubah lambat laun (steady gradually varied flow)
2. Beberapa metode perhitungan banjir rencana yang merupakan hubungan
empiris curah hujan – limpasan adalah, kecuali...
a. Rasional
b. Weduwen
c. Melchior
d. Hidrograf Banjir
e. Flood routing
3. Diketahui:
Luas daerah aliran sungai A = 50 km2
Panjang sungai L = 12.5 km
Kemiringan sungai I = 0.071
Curah hujan harian R = 140 mm
Debit banjir rencana dengan menggunakan Metode Weduwen adalah...
a. 253
b. 254
c. 255
d. 256
e. 257
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 61
4. Diketahui:
Luas daerah aliran sungai A = 50 km2
Panjang sungai L = 12.5 km
Kemiringan sungai I = 0.071
Curah hujan harian R = 140 mm
Debit banjir rencana dengan Metode Melchior adalah...
a. 168
b. 169
c. 170
d. 171
e. 172
5. Fitur HEC-RAS terdiri dari empat komponen hitungan hidraulika satu dimensi,
kecuali...
a. Hitungan profil muka air aliran permanen
b. Simulasi aliran tak permanen
c. Simulasi proses hujan-aliran/limpasan (rainfall-runoff)
d. Hitungan transpor sedimen (mobile bed, moveable boundary)
e. Analisis kualitas air
B. Umpan Balik dan Tindak Lanjut
Untuk mengetahui tingkat penguasaan peserta pelatihan terhadap materi yang di
paparkan dalam materi pokok, gunakan rumus berikut :
𝑇𝑖𝑛𝑔𝑘𝑎𝑡 𝑃𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑠𝑎𝑎𝑛 =Jumlah Jawaban Yang Benar
Jumlah Soal × 100 %
Arti tingkat penguasaan :
90 - 100 % : baik sekali
80 - 89 % : baik
70 - 79 % : cukup
< 70 % : kurang
Diharapkan dengan materi yang diberikan dalam modul ini, peserta dapat
memahami hidrologi dan hidrolika sungai. Proses berbagi dan diskusi dalam kelas
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi 62
dapat menjadi pengayaan akan materi hidrologi dan hidrolika sungai. Untuk
memperdalam pemahaman terkait materi hidrologi dan hidrolika sungai, diperlukan
pengamatan pada beberapa modul-modul mata pelatihan terkait atau pada modul-
modul yang pernah Anda dapatkan serta melihat variasi-variasi modul-modul yang
ada pada media internet. Sehingga terbentuklah pemahaman yang utuh akan
pengendalian banjir.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi
DAFTAR PUSTAKA
Kodoatie R. J. dan Sugiyanto. 2001. Banjir. Pustaka Pelajar, Semarang. Kodoatie R. J. dan Syarief R. 2006. Pengelolaan Bencana Terpadu. Andy,
Yogyakarta. Kodoatie R. J. dan Syarief R. 2010. Tata Ruang Air.Andy, Yogyakarta. Kodoatie, Robert J., 2012. Tata Ruang Air Tanah. xxvi + 514 = 540 Halaman.
Penerbit Andi, Yogyakarta. Kodoatie, Robert J., 2013. Rekayasa Manajemen Banjir Kota. Penerbit Andi,
Yogyakarta. Kodoatie R. J. dan Syarief R. 2013. Pengelolaan Sumber daya Air Terpadu. Andy,
Yogyakarta. Peraturan Presiden No. 8 tahun 2008 tentang Badan Nasional
Penanggulangan Bencana. Peraturan Menteri Pekerjaan Umum dan Perumahan Rakyat No. 4 Tahun 2015
tentang Penetapan Wilayah Sungai. Peraturan Menteri Pekerjaan Umum dan Perumahan Rakyat No. 26 Tahun 2015
tentang Pengalihan Alur Sungai dan/atau Pemanfaatan Ruas Bekas Sungai. Peraturan Menteri Pekerjaan Umum dan Perumahan Rakyat No. 27 Tahun 2015
tentang Bendungan. Peraturan Menteri Pekerjaan Umum dan Perumahan Rakyat No. 28 Tahun 2015
tentang Penetapan Garis Sempadan Sungai, dan Garis Sempadan Danau. Suripin, 2001. Pelestarian Sumberdaya Tanah dan Air. Andi Offset, Yogyakarta. Undang-Undang Republik Indonesia No. 24 Tahun 2007 Tentang Penanggulangan
Bencana.
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi
GLOSARIUM
Justifikasi : Putusan (alasan, pertimbangan, dan sebagainya);
Penyesuaian.
Representatif : Dapat (cakap, tepat) mewakili; sesuai dengan
fungsinya sebagai wakil.
Substitusi : Penggantian
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi
KUNCI JAWABAN
Berikut ini merupakan kumpulan jawaban atau kata kunci dari setiap butir
pertanyaan yang terdapat di dalam modul. Kunci jawaban ini diberikan dengan
maksud agar peserta pelatihan dapat mengukur kemampuan diri sendiri.
Adapun kunci jawaban dari soal latihan pada setiap materi pokok, sebagai berikut :
Latihan Materi Pokok 1
Diketahui:
Luas daerah aliran sungai A = 50 km2
Panjang sungai L = 12.5 km
Kemiringan sungai I = 0.071
Curah hujan harian R = 140 mm
Debit banjir rencana dengan menggunakan Metode Weduwen
Asumsi 1 : ambil t = 2.9
802.050120
5012099.219.2
07.045.19.2
65.67
240
140q
713.0707.9x802.0
1.41
det/m25950x07.9x802.0x713.0Q 3
302.0071.032.259x5.12x25.0t 25.0125.0
Asumsi 2: ambil t = 3
804.050120
501209313
87.845.13
65.67
240
140q
71.0787.8x804.0
1.41
det/m25350x87.8x804.0x71.0Q 3
Modul 5 Hidrologi dan Hidrolika Sungai
Pusat Pendidikan dan Pelatihan Sumber Daya Air dan Konstruksi
03.3071.017.253x5.12x25.0t 25.0125.0
Debit banjir rencana dengan menggunakan Metode Melchior
A = 12.5 km B = 8.4 km
(F = 0.25 a.b = 82 km2) To = 7 jam F = 82 km2
(diperoleh Qo = qo A)
det/m 100200
14050x5.5x52.0 3
To = 0.186 LQ-0.2I0.4 = 0.186 x 12.5 x 100. 1-0.2 0.071-0.4 = 2.67
1) Ambil: To = 2.67 jam F = 82 km2
(diperoleh qo = 9)
Qo = 0.52 x 9 x 50 x 200
140
= 164 m3/det To = 0.186 x 12.5 x 163.8-0.2 0.071-0.4 = 2.41 2) Ambil: To = 2.40 jam
F = 82 km2 (diperoleh qo = 9.4)
Qo = 0.52 x 9.4 x 50 x 200
140 = 171 m3/det
To = 0.186 x 12.5 x 171.06-0.2 0.071-0.4 = 2.89 ok
Adapun kunci jawaban dari soal evaluasi formatif, sebagai berikut :
1. b (aliran seragam tidak tunak (steady varied flow))
2. e (Flood routing)
3. a (253)
4. d (171)
5. c (Simulasi proses hujan-aliran/limpasan (rainfall-runoff))