Hidrologi Dasar-1

Daerah Aliran Sungai (DAS) merupakan satu kesatuan ekosistem yang unsur-unsur utamanya terdiri atas sumberdaya alam tanah, air dan vegetasi serta sumberdaya manusia sebagai pelaku pemanfaat sumberdaya alam tersebut (TKPSDA, 2003). DAS di Indonesia jumlahnya ratusan dan telah dibagi menjadi 3 skala prioritas. Menurut Kepmen Kehutanan dan Perkebunan No. 284 (1999), DAS prioritas I berjumlah 62 sedangkan prioritas II dan III berturut-turut berjumlah 232 dan 178 DAS. DAS prioritas I mengindikasikan bahwa DAS tersebut telah mengalami kekritisan lahan yang berat dan harus segera direhabilitasi, dan secara berjenjang tingkat penanganannya bergilir dari DAS prioritas II ke III. DAS dengan tingkat kekritisan lahan yang berat umumnya terkait dengan beban tingkat kepadatan penduduk yang sangat tinggi dan pemanfaatan sumberdaya alam yang intensif dan berlebih sehingga terdapat indikasi bahwa kondisi DAS semakin menurun. Tanda atau indikasi adanya penurunan daya dukung DAS adalah adanya peningkatan kejadian tanah longsor, erosi dan sedimentasi, banjir, dan kekeringan.

Untuk menanggulangi tingkat kekritisan DAS maka bentuk penanggulangannya harus terpadu yaitu mencakup komponen biotik dan abiotik. Dalam kajian saat ini, titik berat pembahasan pada komponen abiotik, khususnya pada aspek hidrologi. Menurut International Glossary of Hydrology (1974, dalam Seyhan, 1990) bahwa hidrologi adalah suatu ilmu yang berkaitan dengan air bumi, terjadinya, peredaran dan distribusinya, sifat-sifat kimia dan fisikanya, dan reaksi dengan lingkungannya, termasuk hubungannya dengan makhluk-makhluk hidup. Dalam kaitannya dengan pelatihan ini maka bagian hidrologi yang akan diurai adalah siklus dan proses hidrologi, teknik pengukuran dan pendugaan data hidrologi, dampak perubahan hujan dan penggunaan/penutup lahan terhadap debit sungai.

SIKLUS DAN PROSES HIDROLOGI
Kajian Siklus Hidrologi sangat bermanfaat dalam memahami konsep keseimbangan air dalam skala global hingga daerah aliran sungai (DAS) atau bahkan dalam skala lahan. Dalam sub bagian ini akan dijelaskan definisi dan ilustrasi dari siklus hidrologi, kemudian akan dilanjutkan hingga pembahasan proses yang terjadi selama siklus tersebut berlangsung. Tujuan dari kajian ini adalah memberikan pemahaman kualitatif dari proses hidrologi fisis yang terjadi pada sistem global hingga terutama DAS. Metode kuantitatif dan teknik matematik yang terkait dengan pengumpulan, penggunaan data yang benar dan interpretasi data klimatologi dan hidrologi akan dijelaskan lebih jauh pada sub bagian selanjutnya.

1. Siklus Hidrologi
Siklus Hidrologi adalah konsep dasar dalam kajian hidrologi dan merupakan konsep keseimbangan atau neraca air. Konsep ini mengenal empat fase perubahan zat cair, yaitu penguapan, pencairan, pembekuan, dan penyubliman atau dalam istilah hidrologi mencakup evaporasi dan transpirasi, presipitasi, salju, dan lelehan salju atau kristal es. Tenaga yang digunakan untuk berubah dari fase cair ke gas (evaporasi) dan menggerakkannya ke atmosfer adalah energi radiasi surya. Proses berikutnya adalah pendinginan, kondensasi dan presipitasi; selanjutnya akan diikuti oleh infiltrasi, limpasan permukaan, perkolasi dan kembali ke laut atau badan air yang lain. Proses sirkulasi dan perubahan fase zat cair tersebut dikenal sebagai Siklus Hidrologi (lihat Gambar 1).

Gambar 1. Siklus Hidrologi (Sumber: http://observe.arc.nasa.gov/nasa/earth/hydrocycle/hydro2.html)

Menurut Wiersum (1979, dalam Lieshout, tanpa tahun) selama siklus atau sub siklus hidrologi maka air akan mempengaruhi kondisi lingkungan baik secara fisik, kimia ataupun biologi. Efek fisik akan terlihat selama proses gerakan air sehingga menimbulkan erosi pada bagian hulu dan sedimentasi pada bagian hilir. Efek kimia terlihat setelah proses kimiawi antara air yang mengandung bahan larutan tertentu dengan kimia batuan sehingga batuan tersebut terlapukkan, sedangkan efek biologi terutama sebagai media transport bagi perpindahan binatang karang serta media bagi pertumbuhan tanaman.

Analisis kuantitatif dari konsep siklus hidrologi dapat didekati dengan dua cara yang berbeda, yaitu sederhana dan komplek. Pendekatan sederhana berlandaskan pada persamaan kontinuitas dalam bentuk neraca air atau hidrologi (lihat Persamaan 1)

Inflow = Outflow ± Storage ............................... 1.

Persamaan 2.1. cenderung hanya memperhatikan aliran masuk dan keluar serta cadangan air tapi tidak memperhatikan proses yang terjadi di antara keduanya, sehingga dari pandangan konsep mekanistik maka pendekatan pertama kurang sempurna. Berdasarkan keterbatasan tersebut maka pendekatan kedua yang lebih komplek layak untuk diperhitungkan. Pendekatan kuantitatif kedua dari siklus hidrologi adalah diawali dengan pengertian bahwa suatu siklus dibatasi oleh kondisi fisik tertentu seperti DAS atau sebidang lahan, dan di dalamnya menerima masukan (input), proses, dan keluaran (output). Masukan (input) mencakup presipitasi dengan berbagai bentuknya. Keluaran (output) mencakup dua keluaran utama yaitu evaporasi dan limpasan serta bocoran akifer, sedangkan proses meliputi berbagai transfer air yang terjadi dalam system siklus tersebut. Pendekatan kedua ini apabila dikaji lebih jauh bentuknya sama dengan pendekatan pertama yaitu neraca air atau hidrologi, namun prosedur perhitungannya lebih komplek (lihat Persamaan 2)

P – (Q + ET) ± L = S ............................... 2.

dimana:

P = presipitasi total
Q = total limpasan dan aliran sungai termasuk aliran air bumi
ET = total evaporasi dan transpirasi
L = bocoran (leakage) air yang keluar dari system atau bocoran air yang masuk ke dalam sistem
S = perubahan cadangan air dalam sistem dan dipertimbangkan setiap periode waktu tertentu

Metode untuk mengukur dan mengestimasi unsur-unsur yang terdapat dalam Persamaan 1 dan 2. akan dibincangkan lebih jauh dalam kajian atau analisis neraca air secara khusus, yaitu neraca air lahan, daerah aliran sungai dan global.

2. PROSES HIDROLOGI
Kajian proses hidrologi mencakup pembahasan sederetan unsur-unsur yang terdapat dalam siklus hidrologi. Secara garis besar dalam kajian ini proses hidrologi akan dipilah jadi dua, yaitu ketika masih ada di atmosfer dan setelah ada di daratan. Kajian pertama dimasukan dalam kajian air di atmosfer dan yang terangkum di dalamnya adalah evaporasi, transpirasi, kondensasi dan presipitasi; sedangkan kajian kedua adalah kajian air di atas dan bawah muka bumi yaitu meliputi intersepsi, infiltrasi, perkolasi, airbumi dan limpasan permukaan.

Kajian air di atmosfer dapat dilihat pada materi klimatologi sedangkan pada tulisan ini titik berat pembahasan pada air yang ada di atas dan bawah muka bumi. Air dari presipitasi yang jatuh di muka bumi dapat dipilah jadi 2 kelompok berdasarkan lokasi jatuhnya, yaitu vegetasi dan atau lahan terbangun (building area) serta tanah permukaan. Air presipitasi yang tertangkap/terintersepsi oleh vegetasi, sebagian akan menguap dan sebagian lain akan jatuh ke tanah permukaan melalui proses drip, stem flow, dan through fall. Air dari tetesan tajuk daun ataupun aliran batang tersebut akan masuk ke tanah permukaan (top soil) melalui proses infiltrasi bersama dengan air presipitasi yang jatuh langsung ke permukaan tanah. Tahap lanjutan setelah proses infiltrasi adalah perkolasi yaitu mengisi lapisan tanah jenuh (saturation zone) dan menambah cadangan airbumi (groundwater). Air hasil proses infiltrasi dan perkolasi akan bergerak menuju ke daerah yang tekanan hidroliknya rendah dan keluar sebagai mata-air di sungai, danau ataupun laut.

Apabila intensitas presipitasi tinggi sedangkan kapasitas maksimum infiltrasi telah terlampaui maka tahap selanjutnya adalah terbentuknya tegangan tipis dari air presipitasi di permukaan tanah (surface detention). Tegangan ini akan semakin menebal untuk kemudian mengalir secara laminar hingga turbulen di atas permukaan tanah yaitu menuju ke daerah yang topografinya lebih rendah. Gerakan air di atas permukaan tanah tersebut dikenal sebagai overland flow atau surface runoff. Air dari limpasan permukaan (surface runoff) akan bergerak atau mengalir menuju sungai (channel flow), kemudian dilanjutkan menuju laut. Air yang terdapat di badan air (sungai, danau ataupun laut), tanah dan vegetasi akan mengalami proses evaporasi untuk kemudian menjadi presipitasi kembali dan mengikuti daur hidrologi selanjutnya.

PENGUKURAN DAN PENDUGAAN DATA HIDROLOGI
Tahap awal dalam kajian hidrologi adalah bagaimana cara mengukur dan menduga data hidrologi. Data hidrologi dapat diperoleh dengan dua cara yaitu langsung dan tidak langsung, data pertama antara lain infiltrasi, tinggi muka sungai dan kedalaman muka airtanah ; sedangkan data kedua antara lain debit air, ataupun hidrograf aliran. Debit air permukaan pada suatu outlet diperoleh dari hasil perkalian antara kecepatan aliran air terhadap luas penampang basahnya. Hidrograf aliran diturunkan dari data tinggi muka air per satuan waktu terhadap kurva/lengkung kalibrasi.

Data hidrologi umumnya diukur pada suatu lokasi (posisi lintang, bujur) dan batas tertentu. Batas atau boundary yang sering digunakan adalah Daerah Aliran Sungai (DAS). Namun, untuk kajian lebih detil batas hamparan lahan (misal: dataran aluvial di Pantai Utara Jawa) juga sering digunakan.

1. Morfometri DAS

Morfometri adalah nilai kuantitatif dari parameter-parameter yang terkandung pada suatu daerah aliran sungai (DAS). Parameter morfometri DAS diantaranya adalah batas dan luas DAS, panjang sungai utama, orde sungai, dan tingkat kerapatan drainase.

Batas DAS yang tergambar pada suatu peta jaringan sungai adalah batas artificial atau batas buatan, karena pada kenyataannya batas tersebut tidak tampak di lapangan. Batas tersebut meskipun tidak tampak di lapangan tetapi pada kenyataannya, batas tersebut membatasi jumlah air hujan yang jatuh di atasnya. Batas DAS besar tersusun atas beberapa sub-DAS, dan sebuah sub-DAS kemungkinan tersusun oleh beberapa sub-sub-DAS dan untuk jelasnya lihat ilustrasi berikut (lihat Gambar 2).

Gambar 2. Batas DAS hingga Sub-DAS (Strahler, 1975)

Banyak-sedikitnya jumlah air hujan yang diterima suatu DAS, bergantung atas luas atau tidaknya DAS tersebut serta tegas-tidaknya batas antar DAS. DAS yang memiliki luasan besar tentunya akan menghasilkan debit puncak yang lebih besar daripada DAS yang kecil. Prediksi debit puncak secara relatif dapat didekati selain dengan luas DAS adalah dengan bantuan bentuk DAS. Apabila diasumsikan intensitas hujan, luas dan topografi dua buah DAS adalah sama tapi bentuk DAS-nya berbeda (misal panjang dan bulat) maka karakteristik alirannya dapat diperbandingkan secara relatif. Bentuk DAS panjang akan memiliki waktu mencapai puncak yang lebih lama daripada bentuk DAS bulat; sedangkan debit DAS berbentuk bulat adalah lebih besar daripada bentuk DAS yang panjang. Ilustrasi berbagai bentuk DAS beserta debit puncak yang digambarkan dalam bentuk kurva hidrograf aliran dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Bentuk Hidrograf Daerah Aliran Sungai dan Limpasan (Seyhan, 1990)

Orde sungai adalah nomor urut setiap segmen sungai terhadap sungai induknya. Metode penentuan orde sungai yang banyak digunakan adalah Strahler. Sungai orde 1 menurut Starhler adalah anak-anak sungai yang letaknya paling ujung dan dianggap sebagai sumber mata air pertama dari anak sungai tersebut. Segmen sungai sebagai hasil pertemuan dari orde yang setingkat adalah orde 2, dan segmen sungai sebagai hasil pertemuan dari dua orde sungai yang tidak setingkat adalah orde sungai yang lebih tinggi. Ilustrasi dari penggunaan metode Strahler tersebut dapat dilihat pada Gambar 4. Metode lain dalam penentuan orde sungai ini antara lain adalah metode Horton, Shreve, dan Scheideger.

Gambar 4. Penentuan Orde Sungai Dengan Metode Strahler (Strahler, 1975)

Panjang sungai utama sebagai morfometri ketiga dalam kajian ini akan menunjukkan besar atau kecilnya suatu DAS serta kemiringan sungai utama yang lebih-kurang identik dengan kemiringan DAS. Kemiringan sungai utama akan berpengaruh terhadap kecepatan aliran, maksudnya semakin tinggi kemiringan sungai utama maka semakin cepat aliran air di saluran untuk mencapai outlet atau waktu konsentrasinya semakin pendek.

Sungai utama beserta anak-anak sungainya membentuk pola aliran tertentu. Jumlah panjang seluruh alur sungai dibagi dengan luas DAS disebut kerapatan drainase. Menurut Linsley (1982 dalam Tikno, 1996) menyatakan bahwa kerapatan drainase atau drainage density mempunyai hubungan dengan tingkat penggenangan. Nilai kerapatan kurang dari 1 menunjukkan bahwa DAS tersebut sering tergenang atau drainasenya buruk, sedangkan kerapatan drainase 1 – 5 mengindikasikan bahwa DAS tersebut tidak pernah tergenang atau drainasenya baik.

2. Pengukuran Volume Aliran Sungai
Debit atau laju volume aliran sungai umumnya dinyatakan dalam satuan volum per satuan waktu, dan diukur pada suatu titik atau outlet yang terletak pada alur sungai yang akan diukur. Besar debit atau aliran sungai diperoleh dari hasil pengukuran kecepatan aliran yang melalui suatu luasan penampang basah. Metode pengukuran debit ini dikenal dengan istilah metode kecepatan-luas (velocity-area method). Bentuk persamaan ini dapat diekspresikan sebagai berikut:

Q = Av ............................................ 3.

di mana:
Q = laju volume aliran (cfs atau m3/detik)
A = luas penampang melintang alur sungai (f2 atau m2)adalah kecepatan rata-rata pada
v = penampang melintang alur sungai (ft/sec atau m/detik)

Kecepatan aliran tersebut dapat diukur secara manual ataupun dengan alat current meter. Pengukuran kecepatan aliran sungai dengan current meter umumnya harus memperhatikan karakteristik alur sungai terutama lebar dan dalamnya alur. Berdasarkan karakteristik alur tersebut maka ada 4 tipe pengukuran kecepatan aliran, yaitu tipe satu titik hingga lima titik untuk rincinya lihat Tabel 1.

Data debit sungai dengan menggunakan hasil pengukuran luas penampang basah dan kecepatan aliran umumnya telah direkap dan diformulasikan dalam suatu persamaan dan kurva tinggi muka air-debit aliran sungai atau lebih dikenal dengan istilah stage-discharge rating cuve yang senantiasa dikoreksi untuk setiap kurun waktu atau peristiwa tertentu. Berdasarkan persamaan atau kurva tersebut maka pengukuran di lapangan hanya mencakup tinggi muka air sungai tiap waktu (stage-hydrograph). Penggabungan dan analisis kedua kurva tersebut akan menghasilkan kurva hidrograf aliran (discharge hydrograph) yang sangat bermanfaat dalam analisis hidrologi lebih lanjut. Namun, umumnya data debit hasil pengukuran hanya terdapat pada DAS besar sehingga untuk analisis pada DAS kecil sering kali kesulitan. Untuk mengatasinya maka dikembangkan metode prediksi limpasan dan aliran sungai yang identik atau pengembangan lebih jauh dari analisis debit.


Tabel 1. Pengukuran Kecepatan Aliran Rata-rata pada Penampang Vertikal


3. Prediksi Volume Aliran Sungai
Apabila data debit sungai hasil pengukuran tidak ada maka metode tidak langsung perlu dikembangkan. Parameter hidrologi yang terkait dengan volume aliran sungai dan dapat diukur secara tidak langsung adalah total volume limpasan atau kuantitas luaran DAS dan laju debit maksimum. Debit maksimum adalah salah satu parameter penting yang sering digunakan dalam evaluasi rancang bangunan air dimana jumlah atau volume limpasan akan sangat menentukan ukuran serta kekuatan bangunan tersebut.

Estimasi Debit Puncak
Debit puncak pada suatu DAS dapat dihitung dengan menggunakan persamaan rasional. Persamaan ini pertama kali dikembangkan oleh Mulvaney (1847, dalam Schulz, 1976) di Irlandia. Mulvaney (1847) merekomendasikan bahwa persamaan ini sebaiknya digunakan untuk DAS kecil dengan ukuran kurang dari 100 acre atau 0.16 mil2. Apabila persamaan ini akan digunakan untuk DAS besar maka efek air yang tertahan pada depresi atau cekungan harus dipertimbangkan dan dimasukkan dalam persamaan tersebut. Persamaan rasional diekspresikan sebagai :

Qp = 0.278CiA ................................. 4.

di mana:
Qp= debit puncak (m3/detik)
C = koefisien limpasan (rasio tebal limpasan dan tebal curah hujan)
i = intensitas hujan (mm/jam) ketika lama hujan (tr) pada DAS tersebut sama dengan
waktu konsentrasinya (tc)
A = luas DAS ( km2)

Persamaan lain adalah yang dikembangkan oleh Burkli-Ziegler:

Q = CiA [S/A]^0.25 ....................................... 5.

di mana:
Q = debit puncak (cfs)
C = koefisien limpasan
I = intensitas hujan (inch/jam)
A = luas DAS
S = kemiringan permukaan tanah rata-rata

Waktu konsentrasi dapat didekati dengan menggunakan persamaan Kirpich, dan apabila persamaan ini diterapkan untuk DAS maka ekspresi dari persamaan tersebut adalah:

di mana L adalah panjang jarak dari tempat terjauh di DAS sampai outlet, diukur menurut jalannya air di sungai (feet) dan s adalah kemiringan rata-rata DAS (H:L)

Berdasarkan beberapa kajian persamaan rasional ini sering memberikan hasil yang over estimasi atau lebih besar daripada hasil pengukuran (Schulz, 1976). Namun, apabila dilihat dari sisi keamanan maka hasil perhitungan debit puncak adalah lebih aman, meskipun secara hidroekonomis hasil perhitungan ini kurang baik karena menimbulkan biaya tinggi.

4. Estimasi Volume Limpasan Permukaan
Jika tidak ada informasi kuantitatif tentang kuantitas dan waktu limpasan dan aliran sungai pada suatu DAS, maka volume limpasan dapat diestimasi dengan menggunakan karakteristik fisik DAS dan data hujan sebagai masukan. Metode estimasi itu disebut metode Bilangan Kurva (Curve Number) yang dikembangkan oleh SCS (the Soil Conservation Services). Pada metode ini, besarnya limpasan berbanding lurus dengan besarnya curah hujan dan hubungan tersebut diekspresikan sebagai berikut:



di mana:
Q = volume limpasan (dinyatakan dalam : mm)
P = curah hujan (mm)
S = beda potensial maksimum antara tebal curah hujan dan limpasan permukaan (mm), pada
saat awal hujan. Hal ini merepresentasikan kondisi penutup lahan/tanah hidrologis
dan mencerminkan kapasitas infiltrasi, lengas awal dan penutup lahannya

Dalam kajian lebih lanjut nilai S dapat didekati dengan konsep Bilangan Kurva (CN) . Konsep ini menganut pengertian adanya faktor urutan atau rating, yaitu sebagai akibat adanya pengaruh tanah dan kondisi penutup lahan terhadap besar-kecilnya limpasan. Kaitan Bilangan Kurva dengan nilai S dapat diekspresikan sebagai berikut:

SCS sebagai lembaga yang melahirkan konsep Bilangan Kurva telah mengembangkang hubungan antara Bilangan Kurva terhadap jenis penggunaan/penutup lahan beserta perlakuan konservasinya, kondisi hidrologi dan jenis tanahnya. Pengembangan tersebut diwujudkan dalam bentuk tabel. Dan, khusus untuk kajian ini jenis tanah dibagi jadi 4 kelompok besar. Masing-masing kelompok mendiskripsikan karakteristik tekstur tanahnya yang sekaligus mencerminkan sifat atau potensi limpasannya, serta laju infiltrasi akhir dari tanah tersebut.

Suatu hal yang penting bahwa estimasi limpasan ini berdasarkan suatu kejadian hujan dan bukannya hujan rata-rata bulanan ataupun tahunan. Berdasarkan hal tersebut maka besarnya limpasan yang disebabkan oleh suatu kejadian hujan sangat dipengaruhi oleh besarnya hujan 5 hari sebelumnya. Hal ini terkait dengan kondisi lengas tanah awal yang sangat berpengaruh terhadap besarnya suatu limpasan. Khusus untuk Indonesia maka kondisi 5 hari awal dikelompokkan jadi 3 AMC (Antecendent Moisture Condition):

Tabel 2. Nilai AMC untuk Wilayah Indonesia