BAB II DASAR TEORI
2.2 Perhitungan klimatologi
2.2.2 Evapotranspirasi
Peristiwa berubahnya air menjadi uap dan bergerak dari permukaan tanah dan permukaan air ke udara disebut evaporasi (penguapan). Transpirasi adalah proses dimana tanaman menghisap air dari dalam tanah dan menguapkannya ke udara sebagai uap. Peristiwa yang terjadi secara bersama-sama antara transpirasi dan evaporasi disebut evapotranspirasi.
Faktor-faktor yang mempengaruhi evapotranspirasi adalah suhu air, suhu udara, kelembaban, kecepatan angin, tekanan udara, sinar matahari dan lain-lain yang saling berhubungan satu sama lain.
Besamya evaporasi yang terjadi pada tanaman dihitung berdasarkan metode Penmann yang telah dimodifikasi. Dalam hal ini dipakai cara FAO yang dalam perumusannya adalah sebagai berikut:
Eto = c. [W. Rn + (1-W). f (u). (ea-ed)] ...(2.5) dimana :
Eto = Evapotranspirasi acuan (mm/hari)
c = Faktor koreksi terhadap perbedaan cuaca antara siang dan malam W = Faktor koreksi temperatur terhadap radiasi
f(u) = Faktor pengaruh kecepatan angin (km/hari) Rn = Radiasi netto (mm/hari)
ea = Tekanan uap jenuh (mbar) ed = Tekanan uap nyata (mbar)
16 (ea – ed) = Perbedaan antara tekanan uap jenuh pada temperatur rata-rata udara
dengan tekanan rata-rata air di udara yang sebenarnya ed = RH x ea = Tekanan uap nyata (mbar), dimana
RH = Kelembaban relatif (%)
f(u) = 0,27(1 +u/100) = Fungsi kecepatan angin, dimana u = Kecepatan angin (km/jam)
1 -w = Faktor pembobot, dimana w Faktor pemberat
Rs = (0,25 + 0,5 . n/N). Ra = Radiasi gelombang pendek, dimana Ra = Radiasi Extra Teresterial(mm/hari)
n/N = Rasio Lama penyinaran N = Lama penyinaran rnaksimum
Rns = Rs . (1-α) = Radiasi netto gelombang pendek, dimana α = 0,25 f(T’) = σ . T4
= Fungsi Temperatur
f(ed) = 0,33- 0,044 . (ed)0,5 = Fungsi tekanan uap nyata f(n/N) = 0,1 + 0,9 . n/N = Fungsi rasio lama penyinaran
Rnl = f(T’) . f(ed) . f(n/N) = Radiasi netto gelombang panjang Rn = Rns – Rnl = Radiasi netto
Rumus Penmann didasarkan atas anggapan bahwa suhu udara dan permukaan air rata-rata adalah sama.
17
2.3 Analisa Debit Andalan
Debit andalan (dependable discharge) adalah besarnya debit yang tersedia sepanjang tahun dengan resiko kegagalan yang telah diperhitungkan. Dalam studi ini, penentuan debit andalan menggunakan metode tahun dasar perencanaan (basic year) dimana debit yang diandalkan adalah debit yang pernah terjadi pada tahun yang lalu. Tahapan yang digunakan untuk menentukan besarnya debit andalan adalah sebagai berikut:
1. Data debit tahunan rata-rata diurutkan dari besar ke kecil
2. Dari data debit tahunan yang telah diurutkan tersebut, dicari probabilitas untuk tiap-tiap debit
3. Dari hasil perhitungan no. 2, kemudian dicari besarnya debit andalan yang dibutuhkan. Debit andalan dihitung berdasarkan data debit yang telah tercatat dengan periode yang memadai.
2.3.1 Debit Andalan Metode DR. F.J. Mock
Dengan metode Water Balance dari DR.F.J Mock dapat diperoleh suatu estimasi empiris untuk mendapatkan debit andalan. Metode ini didasarkan pada parameter data hujan, evapotranspirasi dan karakteristik DAS setempat. Untuk mendapatkan debit bulanan, pada pertimbangan hidrologi daerah irigasi digunakan metode Dr. F.J. Mock dengan langkah-langkah sebagai berikut :
1. Hitung Evapotranspirasi Potensial 2. Hitung Limitted Evapotranspirasi
18 3. Hitung Water Balance
4. Hitung Aliran Dasar dan Limpasan Langsung
a. Data Curah Hujan
Data curah hujan digunakan adalah curah hujan efektif bulanan yang berada dalam DPS. Stasiun curah hujan yang dipakai adalah stasiun yang dianggap mewakili kondisi hujan di daerah tersebut.
b. Evapotranspirasi Terbatas (Et)
Evapotranspirasi terbatas adalah evapotranspirasi aktual dengan mempertimbangkan kondisi vegetasi dan permukaan tanah serta frekwensi curah hujan. Untuk menghitung evapotranspirasi terbatas diperlukan data :
1. Curah hujan tengah bulanan (P) 2. Jumlah hari hujan tengah bulanan (n)
3. Jumlah permukaan kering setengah bulanan (d), dihitung dengan asumsi bahwa tanah dalam suatu hari hanya mampu menahan air 12 mm dan selalu menguap sebesar 4 mm.
Exposed surface (m%), ditaksir berdasarkan peta tata guna lahan, atau dengan asumsi.
m = 0 % untuk lahan dengan hutan lebat
m = 0 % pada akhir musim hujan dan bertambah 10% setiap bulan kering untuk lahan sekunder.
19 m = 10 % - 40 % untuk lahan yang tererosi
m = 20 % - 50 % untuk lahan pertanian yang diolah
Secara matematis evapotranspirasi terbatas dirumuskan sebagai berikut : ET = Ep - E
E = Ep*(m/20)*(18-n) dimana :
E = Beda antara evapotranspirasi potensial dengan evapotranspirasi terbatas (mm) ET = evapotranspirasi terbatas (mm)
Ep = evapotranspirasi potensial (mm) m = singkapan lahan (Exposed surface (%)) n = jumlah hari hujan dalam sebulan c. Faktor Karakteristik Hidrologi Faktor bukaan lahan
m = 0 % untuk lahan dengan hutan lebat m = 10 – 40 % untuk lahan tererosi
m = 30 – 50 % untuk lahan pertanian yang diolah
Berdasarkan hasil pengamatan di lapangan untuk seluruh daerah studi yang merupakan daerah terbuka berbatu dapat diasumsikan untuk faktor m diambil 20 % - 40 %.
Luas Daerah Pengaliran
Semakin besar daerah pengaliran dari suatu aliran kemungkinan akan semakin besar pula ketersediaan debitnya.
20 Kapasitas Kelembaban Tanah (SMC)
Soil moisture capacity adalah kapasitas kandungan air pada lapisan tanah permukaan (surface soil) per m2. Besarnya Soil Moisture Capacity untuk perhitungan ketersediaan air ini diperkirakan berdasarkan kondisi posositas lapisan tanah permukaan dari DPS. Semakin besar porositas tanah, akan semakin besar pula Soil Moisture Capacity yang ada. Dalam perhitungan ini nilai SMC diambil antara 50 mm sampai dengan 250 mm.
Persamaan yang digunakan untuk besarnya kapasitas kelembaban tanah adalah :
SMC(n) = SMC(n-1) + IS(n)
Ws = As - IS
dimana:
SMC = Kelembaban tanah (diambil 50mm/205mm) SMC(n) = Kelembaban tanah bulan ke n
SMC(n-1) = Kelembaban tanah bulan ke n - 1
IS = Tampungan awal (initial storage) ….. mm As = Air hujan yang mencapai permukaan tanah
d. Keseimbangan air di permukaan tanah
Keseimbangan air permukaan tanah di permukaan tanah dipengaruhi oleh faktor-faktor sebagai berikut :
21 - Kandungan air tanah (soil storage)
- Kapasitas kelembaban tanah (soil Moisture Capasity) Air Hujan (As)
Air hujan yang mencapai permukaan tanah dapat dirumuskan sebagai berikut: As = P - Et
dimana :
As = air hujan mencpai permukaan tanah P = Curah hujan bulanan
Et = Evapotranspirasi Kandungan air tanah
Besar kandungan tanah tergantung dari harga As, bila harga As negatif, maka kepasitas kelembaban tanah akan berkurang dan bila As positif maka kelembaban tanah akan bertambah.
e. Aliran dan Penyimpangan Air Tanah (run off & ground water storage)
Nilai run off dan ground water tergantung dari kesimbangan air dan kondisi tanahnya. Data-data yang diperlukan untuk menentukan besarnya aliran air tanah adalah sebagai berikut :
Koefisien Infiltrasi
Koefisien nilai infiltrasi diperkirakan berdasarkan kondisi porositas tanah dan kemiringan DPS. Lahan DPS yang porous memiliki koefisien infiltrasi yang besar.
22 Sedangkan lahan yang terjal memiliki koefisien infiltrasi yang kecil, karena air akan sulit terinfiltrasi ke dalam tanah. Batasan koefisien infiltrasi adalah 0-1.
Faktor Reresi Aliran Tanah (k)
Faktor resesi adalah perbandingan antara aliran air tanah pada bulan ke-n dengan aliran air tanah pada awal bulan tersebut. Faktor resesi aliran tanah dipengaruhi oleh sifat geologi DPS. Dalam perhitungan ketersediaan air dengan metode MOCK, besarnya nilai k didapat dengan cara coba-coba (trial), sehingga dapat dihasilkan aliran seperti yang diharapkan.
Initial Storage (IS)
Initial Storage atau tampungan awal adalah perkiraan besarnya volume air pada awal perhitungan.
Penyimpangan Air Tanah (Ground Water Storage)
Penyimpangan air tanah besarnya tergantung dari kondisi geologi setempat dan waktu. Sebagai permulaan dari simulasi harus ditentukan penyimpangan awal (initial storage) terlebih dahulu.
Persamaan yang dipergunakan dalam perhitungan penyimpanan air tanah adalah sebagai berikut :
Vn = k * V(n-1) + 0.5 (1 + k) ln Vn = Vn - V(n-1)
dimana :
Vn = Volume air tanah bulan ke n K = qt/qo = faktor resesi aliran tanah
23 qt = aliran air tanah pada waktu bulan ke t
qo = aliran air tanah pada awal bulan (bulan ke 0) vn-1 = volume air tanah bulan ke (n-1)
vn = Perubahan volume aliran air tanah
f. Aliran Sungai
Aliran Dasar = infiltrasi - Perubahan aliran air dalam tanah Aliran permukaan = volume air lebih - infiltrasi
Aliran sungai = aliran permukaan + aliran dasar Debit andalan =
1 bulan dalam detik
Air yang mengalir di sungai merupakan jumlah dari aliran lansung (direct run off), aliran dalam tanah (interflow), dan aliran tanah (base flow).
Besarnya masing-masing aliran tersebut adalah :
Interflow = infiltrasi - volume air tanah Direct run off = water surflus - infiltrasi
Base flow = aliran yang selalu ada sepanjang tahun Run off = interflow + direct run off + base flow
Dalam perhitungan debit andalan Sungai Nantalu, digunakan data curah hujan wilayah tengah bulanan dari stasiun Sei Kepayang, Perhitungan debit andalan Sei Kepayang dapat dilihat pada tabel
24
Tabel 2.1 Pengaruh Suhu Udara pada Panjang Gelombang Radiasi f(T) Suhu udara
(◦C) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 21 22 24 26 28 30 32 34 36
f(T) = c Ta 4 11,0 11,4 11,7 12,0 12,4 12,7 13,1 13,5 13,8 14,2 14,6 14,8 15,0 15,4 15,9 16,3 16,7 17,2 17,7 18,1 Sumber : Laporan Nota Perencanaan Jaringan Utama dan Tertier CV. Biro Permcanaan Sketsa (1995)
Tabel 2.2 Tekanan Uap Jenuh (ea), (mbar) Suhu udara (◦C) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 f(T) = c Ta 4 6,1 6,6 7,1 7,6 8,1 8,7 9,3 10,0 10,7 11,5 12,3 13,1 14,0 15,0 16,1 17,0 18,2 19,4 20,6 22,0 Suhu udara (◦C) 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 f(T) = c Ta 4 23,4 24,9 26,4 28,1 29,8 31,7 33,6 35,7 37,8 40,1 42,4 44,9 47,6 50,3 53,2 56,2 59,4 62,8 66,3 69,9 Sumber : Laporan Nota Perencanaan Jaringan Utama dan Tertier CV. Biro Permcanaan Sketsa (1995)
25
Tabel 2.3 Sudut Tekanan Uap Jenuh (D), (mbar)
Sumber : Direktorat Irigasi, Pedoman dan Kriteria Perencanaan Teknik Irigasi, Volume IV, 1980, Jakarta
Ta 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 13 0,973 0,979 0,985 0,992 0,998 1,004 1,010 1,017 1,023 1,029 14 1,035 1,042 1,048 1,054 1,060 1,067 1,073 1,079 2,085 1,092 15 1,098 1,104 1,110 1,117 1,124 1,130 1,136 1,143 1,149 1,156 16 1,162 1,169 1,175 1,182 1,188 1,195 1,202 1,028 1,215 1,221 17 1,228 1,235 1,242 1,249 1,256 1,236 1,270 1,277 1,284 1,291 18 1,298 1,305 1,313 1,320 1,327 1,335 1,342 1,349 1,356 1,364 19 1,371 1,379 1,386 1,394 1,402 1,410 1,417 1,425 1,433 1,440 20 1,448 1,456 1,464 1,472 1,480 1,488 1,496 1,504 1,512 1,520 21 1,528 1,536 1,545 1,553 1,562 1,570 1,578 1,587 1,595 1,604 22 1,612 1,621 1,629 1,638 1,647 1,656 1,664 1,673 1,682 1,690 23 1,699 1,708 1,717 1,726 1,735 1,745 1,754 1,769 1,772 1,781 24 1,790 1,800 1,809 1,819 1,828 1,838 1,848 1,857 1,867 1,876 25 1,886 1,896 1,906 1,916 1,926 1,936 1,946 1,956 1,966 1,976 26 1,986 1,997 2,007 2,018 2,028 2,039 2,049 2,060 2,070 2,081 27 2,092 2,102 2,113 2,123 2,134 2,144 2,155 2,165 2,176 2,186 28 2,197 2,207 2,218 2,228 2,239 2,249 2,260 2,270 2,281 2,291 29 2,302 2,312 2,323 2,333 2,344 2,354 2,365 2,375 2,386 2,396 30 2,397 2,417 2,428 2,438 2,449 2,495 2,470 2,480 2,491 2,501