PEMODELAN HIDROLOGI

                                                                                                       I.            PENDAHULUAN

Latar Belakang

Model merupakan representasi atau gambaran tentang sistem (systems), obyek atau benda (objects) dan kejadian (events). Model hidrologi merupakan gambaran sederhana dari suatu sistem hidrologi yang aktual. Model hidrologi biasanya dibuat untuk mempelajari fungsi dan respon suatu DAS dari berbagai masukan DAS. Melalui model hidrologi dapat dipelajari kejadian-kejadian hidrologi yang pada gilirannya dapat digunakan untuk memprediksi kejadian hidrologi yang akan terjadi. Model simulasi hidrologi dapat diklasifikasikan berdasarkan luas kisaran karakteristiknya.

Pemodelan dalam hidrologi awalnya bertujuan mencari hubungan antara hujan dan respon debit sungai terhadap hujan tersebut. Namun seiring dengan perkembangan komputer, model hidrologi menjadi lebih rumit dan kompleks, mencakup kejadian erosi dan lain-lain. Secara garis besar model-model hidrologi dapat digolongkan berdasarkan proses, skala, dan metode pemecahannya.

Berdasarkan proses, model hidrologi dibagi menjadi model lumped (memisahkan DAS sebagai satu sistem utuh) dan distributed (membagi DAS menjadi elemen-elemen kecil). Model distributed misalnya ANSWER dan SWAT. Sedangkan model lumped, diantaranya termasuk unit hydrograph dan tank model.

B. Tujuan

Tujuan praktikum ini adalah:

1. Menganalisis data hidrologi menggunakan model hidrologi tank model

      II.            TINJAUAN PUSTAKA

Secara sederhana, DAS dianggap sebagai suatu sistem yang menggambarkan bahwa terdapat hubungan yang erat atara hujan sebagai masukan DAS, dan aliran sebagai keluaran. Dalam hal ini, data hujan sebagai masukan dan debit aliran sungai sebagai keluaran. Data aliran sungai merupakan data hidrologi yang penting karena dapat digunkan sebagai dasar perencanaan dan pengembangan DAS. Salah satu model hidrologi yang dapat diaplikasikan dalam sebuah perhitungan debit aliran dalam sebuah DAS. Model tangki merupakan salah satu model hidrologi yang gunanya untuk menganalisis karakteristik aliran sungai. Model ini dapat memberikan informasi mengenai kualitas air dan untuk memprediksi banjir. Model ini menerima masukan data harian hujan, evapotraspirasi dan debit sungai dalam satuan mm/hari sebagai parameter tank model.

Menurut Sugawara (1956), model tangki dikembangkan untuk menghitung run off yang diakibatkan hujan yang jatuh pada suatu daerah tangkapan air. Model ini mendeskripsikan suatu daerah tangkapan air digantikan kombinasi beberapa tangki yang disusun sedemikian rupa untuk mewakili lapisan tanah di dalam daerah tangki air. Salim et al, (2006) juga berpendapat bahwa tank model merupakan model hidrologi dengan lumped parameter. Tank model digunakan untuk menduga debit aliran yang ada pada pemotongan bagian DAS dengan asumsi bahwa parameter-parameter yang signifikan dalam seluruh proses hidrologi adalah homogen.

Siklus hidrologi merupakan salah satu aspek penting yang diperlukan pada proses analisis hidrologi. Persamaan dasar yang menjadi landasan bagi semua analisis hidrologi adalah persamaan neraca air (water balanced equation). Persamaan neraca air dari suatu DAS untuk suatu periode dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :

 ∆S = Input – Output

Di mana :

∆ S       = perubahan tampungan (storage change)

Input    = masukan (inflow)

Output = keluaran (outflow).

 Pendekatan sistem dalam analisis hidrologi merupakan suatu teknik penyederhanaan dari sistem prototipe ke dalam suatu sistem model, sehingga perilaku sistem yang kompleks dapat ditelusuri secara kuantitatif. Hal ini menyangkut sistem dengan mengidentifikasikan adanya aliran massa/energi berupa masukan dan keluaran serta suatu sistem simpanan.

Penggunaan model sebagai usaha untuk memahami suatu sistem yang rumit merupakan teknik pengkajian yang lebih sederhana dibandingkan jika melalui keadaan sebenarnya. Model ini dapat digunakan untuk menduga dan menerangkan gejala- gejala dalam suatu sistem secara tepat.

Model simulasi hidrologi dapat diklasifikasikan berdasarkan luas kisaran karakteristiknya. Untuk analisis DAS, model hidrologi diklasifikasikan ke dalam lumped parameter versus distributed parameter, event versus continous, dan  stochastic versus deterministic.

         III.            METODOLOGI

A.    Alat dan Bahan

Alat :

1.      Komputer atau laptop

2.      Software Microsoft Excel

Bahan:

1.      Data curah hujan dan debit

B.     Metode Kerja

1.      Membuat table dalam Microsoft excel sebagai berikut

T (hari)	P (mm)	Qobservasi (m3/jam)	Qmodel (m3/jam)	eror
1	19,10	0,88
2	6,37	0,72
3	122,03	1,96
4	0,00	0,97
5	56,26	1,17
6	7,93	0,89
7	6,37	0,80
8	3,18	0,57
9	3,82	0,70
10	3,51	0,71

2.      Membuat persamaan-persamaan tiap tangki dalam visual basic (dalam excel)

Option Explicit

Function Yb (b, H1, Hb)

‘H1 tinggi air di tangki 1, Hb tinggi lubang pengeluaran b

‘Yb besar air yang keluar dari lubang b

If H1 > Hb Then Yb = b* (H1-Hb) Else Yb = 0

End Function

Function Yc(C, H1, Hc)

‘H1 tinggi air di tangki 1, Hc tinggi lubang pengeluaran c

‘Yc besar air yang kelar dari lubang c

If H1 > Hc Then Yc = c*(H1-Hc) Else Yc = 0

End Function

Function Ya (a, H1)

‘H1 tinggi air di tangki 1

‘Ya besar air yang keluar dari lubang a

Ya = a*H1

End Function

Function Yd = (d, H2b, Ya)

Yd = d*(H2b + Ya)

End Function

Function NH1 (dt, P, ET, Yan, Ybn, Ycn, H1b)

‘NH1 tinggi air di tangki 1 pada time step berikutnya

‘Yan, Ybn, Ycn adalah besar air yang keluar dari lubang a,b, dan c

NH1 = H1b + (P-ET-Yan-Ybn-Ycn) * dt

End Function

Function NH2 (dt, H2b, Yan, Ydn)

‘NH2 tinggi air pada tangki 2

‘Yan, Ydn besar air yang keluar dari lubang a dan d

NH2 =H2b + (Yan-Ydn) * dt

End Function

3.      Memecahkan persamaan-persamaan tersebut dengan menggunakan fasilitas solver dalam excel.

4.      Mem-plot hubungan antara hujan-limpasan langsung dalam sebuah grafik.

                                                     IV.            HASIL DAN PEMBAHASA

A.    Hasil

t (hari)	P (mm)	QH (m3/detik)	Qmodel	error	ya
1	19.10	0.88	0.862559	0.0003042	13.78545968
2	6.37	0.72	0.739626	0.00038518	12.01399667
3	122.03	1.96	1.660506	0.08969678	25.28390519
4	0.00	0.97	1.188163	0.04759492	18.47742455
5	56.26	1.17	1.371372	0.04055067	21.1174774
6	7.93	0.89	1.053043	0.02658305	16.53034802
7	6.37	0.80	0.808289	6.8706E-05	13.00343234
8	3.18	0.57	0.601536	0.00099455	10.02412296
9	3.82	0.70	0.457991	0.05856822	7.955632436
10	3.51	0.71	0.351294	0.12867033	6.418114529
Jumlah	228.57			0.39341659
				0.6272293

yb	yd	H1	H2	ET
12.30752862	1.38854597	109.964983	12.49691371	0
10.55344856	1.21139967	89.3794359	10.902597	0
23.69314259	2.53839052	188.102365	22.84551467	0
16.95345235	1.85774246	137.464811	16.7196821	0
19.56759897	2.12174774	157.105772	19.09572966	0
15.02548202	1.6630348	122.979323	14.96731322	0
11.53317513	1.31034323	96.7404503	11.7930891	0
8.583101023	1.0124123	74.5755539	9.111710668	0
6.534908107	0.80556324	59.1867935	7.250069192	0
5.012477502	0.65181145	47.7482616	5.866303076	0

            Dengan :

            a     : 0.134415669

            b     : 0.13309668

            c     : 0.009327923

            d    : 0.1

            Hb : 10.08783675

            Hc : 10.08784

            H1 : 102.5584

            H1b : 117.8205

            H2 : 0.1

            H2b : 0.1

            dt : 1

B.     Pembahasan

Model adalah suatu representasi atau formalisasi dalam bahasa tertentu (yang disepakati) dari suatu sistem nyata. Model merupakan representasi atau gambaran tentang sistem (systems), obyek atau benda (objects) dan kejadian (events). Model hidrologi merupakan gambaran sederhana dari suatu sistem hidrologi yang aktual. Model hidrologi biasanya dibuat untuk mempelajari fungsi dan respon suatu DAS dari berbagai masukan DAS. Melalui model hidrologi dapat dipelajari kejadian-kejadian hidrologi yang pada gilirannya dapat digunakan untuk memprediksi kejadian hidrologi yang akan terjadi.

Penggunaan model sebagai usaha untuk memahami suatu sistem yang rumit merupakan teknik pengkajian yang lebih sederhana dibandingkan jika melalui keadaan sebenarnya. Pembentukan model dan menerapkan model dalam percobaan merupakan bentukan dari simulasi, model simulasi merupakan teknik numerik dari percobaan hipotetik dari suatu gejala atau sistem dinamis dan dinyatakan secara kuantitatif.

Secara umum model dapat dibagi dalam tiga kategori, yaitu:

1.    Model fisik

2.    Model analog

3.    Model matematika

 Model simulasi hidrologi dapat diklasifikasikan berdasarkan luas kisaran karakteristiknya. Untuk analisis DAS, model hidrologi diklasifikasikan ke dalam lumped parameter versus distributed parameter, event versus continous, dan  stochastic versus deterministic. Model lumped parameter, yaitu model yang mentransformasi curah hujan (input) ke dalam aliran permukaan (output) dengan konsep bahwa semua proses dalam DAS terjadi pada satu titik spasial, yang termasuk kedalam model ini adalah USLE (universal soil loss equation), MUSLE (modified USLE), RUSLE  (revised USLE), CREAMS (chemical runoff and erosion from agricultural management system) dan GLEAMS (groundwater loading effect of agricultural management system). Model distributed parameter, yaitu model yang berusaha menggambarkan proses dan mekanisme fisik dan keruangan, memperlakukan masing komponen DAS atau proses sebagai komponen mandiri dengan sifatnya masing- masing, yang termasuk model distributed parameter adalah USLE (universal soil loss equation), MUSLE (modified USLE), RUSLE  (revised USLE), CREAMS (chemical runoff and erosion from agricultural management system) dan GLEAMS (groundwater loading effect of agricultural management system), tergolong dalam lumped parameter, yaitu model yang mentransformasi curah hujan (input) ke dalam aliran permukaan (output) dengan konsep bahwa semua proses dalam DAS terjadi pada satu titik spasial. WEPP (water erosion predicting project), KINEROS (kinematic erosion simulation), EUROSEM (european soils erosion model), TOP MODEL (topografically and physically based, variable contributing area model of basin hidrology) dan ANSWERS (areal nonpoint source watershed environmental response simulation).

Tank Model adalah salah satu model hidrologi yang digunakan untuk menganalisis karakteristik aliran sungai. Model ini dapat memberikan informasi mengenai kualitas air dan untuk memprediksi banjir. Model ini menerima masukan data harian hujan, evapotranspirasi dan debit sungai dalam satuan mm/hari sebagai parameter Tank Model. Tank Model tersusun atas 4 reservoir vertikal, dimana bagian atas mempresentasikan surface reservoir, dibawahnya intermediate reservoir, kemudian sub-base reservoir dan paling bawah base reservoir. Dalam konsep Tank Model ini air dapat mengisi reservoir dibawahnya dan bisa terjadi sebaliknya apabila evapotranspirasi sedemikian berpengaruh.

Data masukkan kedalam Tank Model adalah debit sungai (Q), evapotranspirasi (ETp) dan curah hujan (CH). Hasil keluaran dari Tank Model adalah memperoleh data surface flow, intermediate flow, sub-base flow, dan base flow. Selain memperoleh data aliran juga memperoleh nilai parameter Tank Model, indikator keandalan model, keseimbangan air, kurva hidrograf, regresi, dan aliran hitung.

Selain tank mode dalam pemodelan hidrologi dapat menggunakan model sebagai berikut :

1.      Model ANSWERS

Model ANSWERS (areal nonpoint source watershed environmental response simulation) merupakan sebuah model hidrologi dengan parameter terdistribusi yang mensimulasikan hubungan hujan-limpasan dan memberikan dugaan hasil sedimen. Model hidrologi ANSWERS dikembangkan dari US-EPA (United States Environment Protection Agency)oleh Purdue Agricultural Enviroment Station (Beasley and Huggins 1991).

Salah satu sifat mendasar dari model ANSWERS adalah termasuk kategori model deterministik dengan pendekatan parameter distribusi. Model distribusi parameter DAS dipengaruhi oleh variabel keruangan (spatial), sedangkan parameter- parameter pengendalinya, antara lain : topografi, tanah, penggunaan lahan dan sifat hujan.

Model ANSWERS adalah model deterministik yang didasarkan pada hipotesis bahwa setiap titik di dalam DAS mempunyai hubungan fungsional antara laju aliran permukaan dan beberapa parameter hidrologi yang mempengaruhi aliran, seperti intensitas hujan, infiltrasi, topografi, jenis tanah dan beberapa faktor lainnya. Dalam model ini suatu DAS yang akan dianalisis responnya dibagi menjadi satuan elemen yang berukuran bujursangkar, sehingga derajat variabilitas spasial dalam DAS dapat terakomodasi. Model ini juga mengikut sertakan semua parameter kontrol secara spasial. Oleh karena itu model ANSWERS melakukan analisis pada setiap satuan elemen.

2.      Model USLE

Model penduga erosi USLE (universal soil loss equation) merupakan model empiris yang dikembangkan di Pusat Data Aliran Permukaan dan Erosi Nasional, Dinas Penelitian Pertanian, Departemen Pertanian Amerika Serikat (USDA) bekerja sama dengan Universitas Purdue pada tahun.

Model USLE dapat dirumuskan sebgai berikut:

            A = RKLSCP

            Keterangan :

            A : jumlah tanah yang tererosi (ton/ha/tahun)

            R : faktor erosivitas hujan

K : faktor erodibilitas tanah

            L : factor panjang lereng

            S : factor kemiringan lereng

            C : faktor penutupan dan pengelolaan tanaman

             P : faktor tindakan konservasi tanah

            Model penduga erosi USLE juga telah secara luas digunakan di Indonesia. Disamping digunakan sebagai model penduga erosi wilayah (DAS), model tersebut juga digunakan sebagai landasan pengambilan kebijakan pemilihan teknik konservasi tanah dan air yang akan diterapkan, walaupun ketepatan penggunaan model tersebut dalam memprediksi erosi DAS masih diragukan. Hal ini disebabkan karena model USLE hanya dapat memprediksi rata-rata kehilangan tanah dari erosi lembar dan erosi alur, tidak mampu memprediksi pengendapan sedimen pada suatu landscape dan tidak menghitung hasil sedimen dari erosi parit, tebing sungai dan dasar sungai. Berdasarkan hasil pembandingan besaran erosi hasil pengukuran pada petak erosi standar (Wischmeier plot) dan erosi hasil pendugaan diketahui bahwa model USLE memberikan dugaan yang lebih tinggi untuk tanah dengan laju erosi rendah, dan erosi dugaan yang lebih rendah untuk tanah dengan laju erosi tinggi. Dengan kata lain kekurang-akuratan hasil pendugaan erosi pada skala plot, mencerminkan hasil dugaan model ini pada skala DAS akan mempunyai keakuratan yang kurang baik. Disamping itu, model USLE tidak menggambarkan proses-proses penting dalam proses hidrologi (Risse et al.1993). Berdasarkan beberapa kelemahan tersebut, model erosi USLE disempurnakan menjadi RUSLE (Revised USLE) dan MUSLE (Modified USLE) dengan menggunakan teori erosi modern dan data-data terbaru, tetapi masih tetap berbasis plot.

3.      Model AGNPS

Model AGNPS bekerja pada basis sel geografis (dirichlet tesselation) yang digunakan untuk menggambarkan kondisi daratan (upland) dan saluran (channel). Dirichlet tesselation adalah proses pembagian dan pengelompokan DAS menjadi sel (tiles) yang juga dikenal dengan nama polygon Thiessen atauVoronoi. Setiap sel berbentuk bujur sangkar seragam yang membagi DAS secara merata, di mana memungkinkan analisis pada titik dalam suatu DAS. Polutan potensial ditelusuri melalui sel-sel dari awal hinggaoutlet secara bertahap, sehingga aliran pada setiap titik antar sel dapat diperhitungkan. Seluruh karakteristik DAS dan masukan digambarkan pada tingkatan sel.

Setiap sel utama dapat dibagi lagi menjadi sel-sel yang lebih kecil untuk memperoleh resolusi yang lebih rinci dari kondisi topografi yang komplek. Ketelitian hasil dapat ditingkatkan dengan mengurangi ukuran sel, tetapi hal ini akan membutuhkan waktu dan tenaga yang lebih banyak untuk menjalankan model. Nilai-nilai parameter model untuk skala sel ditetapkan berdasarkan kondisi biofisik aktual pada masing-masing sel. Oleh sebab itu, untuk mendapatkan satu nilai parameter yang seragam pada masing-masing sel, perlu ditetapkan nilai tunggal parameter sel dengan menghitung nilai rata-rata tertimbang dari berbagai kondisi bergam yang ada.

Contoh penelitian yang terkait dengan tank model adalah simulasi hidrologi dalam pengolahan DAS. Pengelolaan DAS dijalankan atas prinsip kelestarian sumberdaya yang memadukan kepentingan produktivitas dan konservasi sumberdaya untuk mencapai beberapa tujuan. Kelestarian DAS berkaitan dengan pemahaman terhadap tata air didalam DAS. Oleh karena itu indikator hidrologi merupakankunci yang signifikan dan mudah terbaca terhadap terjadinya gangguan ekologi/degradasi DAS atau sebaliknya dapat menunjukkan adanya peningkatan kualitas/ perbaikan lingkungan DAS. Di dalam pekerjaan analisis sistem seperti DAS yang sangat rumit digunakan alat bantu berupa model yang menyederhanakan sistem dengan mempertimbangkan aspek-aspek yang terkait dalam masalah tersebut dan mengabaikan aspek-aspek yang dapat menimbulkan komplikasi yang tidak relevan. Suatu penyederhanaan yang memberikan kemudahan dalam pemahaman dan pengendalian serta merupakan suatu versi dari dunia nyata. Salah satu model yang dapat digunakan untuk  simulasi hidrologi dalam pengolahan DAS adalah tank model.

Dari data dan grafik hasil praktikum dapat di tarik beberapa persepsi diantaranya adalah sebagai berikut:

1. Semakin tinggi curah hujan menyebabkan nilai tinggi debit aliran juga semakin besar.
2. Grafik diatas menunjukan pengaruh atau hubungan antara hujan, debit aliran terhadap waktu.
3. Bila intensitas hujan berkurang maka jumlah debit airpun ikut berkurang.
4. Fungsi koefesien tangki berpengaruh terhadap penentuan Q model.