MODEL SEBARAN TUMPAHAN MINYAK DI
ALUR PELAYARAN KEPULAUAN SERIBU DKI JAKARTA
S A B H A N
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI THESIS DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa thesis dengan judul “Model Sebaran Tumpahan Minyak di Alur Pelayaran Kepulauan Seribu DKI Jakarta” adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Juni 2011
Sabhan
ABSTRACT
Sabhan. Distribution model of oil spills along the cruise lane of Kepulauan Seribu, DKI Jakarta. Supervised by I WAYAN NURJAYA and TRI PPRATONO.
Tanker traffic and oil exploration as well as production activities in offshore areas have been made the Indonesian waters prone to oil spills. As we know that Kepulauan Seribu has multi-functional area such as aquaculture, marine transportation, marine tourism, marine protected areas and international cruise lines, especially tankers. Tankers often cause oil spill in the waters of Kepulauan Seribu. It is able to reduce the environmental condition, cause the impact and economic losses. For that reason it is necessary to increase our knowledge in order to predict the distribution and fate of oil spills. The aims of this study to build a 2D hydrodynamics model to see the patterns of water mass movement of Kepulauan Seribu even on the west monsoon and east of monsoon. The models of oil spills distribution based on the hydrodynamic models can be used as a tool to prevent in Kepulauan Seribu. To control oil spills at sea will be more effective when distribution we have a model of oil spills. The results of this model show that the area exposed to and the duration of exposure by the oil spill occurred in Kepulauan Seribu.Data input used in the model consist of water depth data (bathymetry), wind speed and direction, tidal data, data of the Islands cruise lines, data of tankers types and tanker transport capacity through the territorial waters of Kepulauan Seribu, currents data, and the oil fractions data..The impact of the distribution of oil occurred in the west season almost reaching marine protected areas in the north of the island of Tidung Besar within 15 hours with the distance from the source of the spill of about 10 km and thickness of oil layer is less than 45 mm with duration of exposure between 18-23 hours.Crude oil has the highest duration of exposure reached 326 hours for west monsoon season and 159 hours on the east while gasoline has a very short exposure time of about 70 hours.
RINGKASAN
SABHAN. Model sebaran tumpahan minyak di alur pelayaran Kepulauan Seribu DKI Jakarta. Dibimbing oleh I WAYAN NURJAYA dan TRI PRATONO.
Lalu lintas kapal tanker serta kegiatan eksplorasi dan produksi minyak di lepas pantai telah menjadikan kawasan-kawasan di Perairan Indonesia rawan terjadi tumpahan minyak. Kepulauan Seribu sebagai daerah pemanfaatan yang multi fungsi seperti perikanan budidaya, transfortasi laut, wisata laut, daerah perlindungan laut dan jalur pelayaran internasional khususnya kapal tanker. Kapal tanker sering menyebabkan tumpahan minyak di perairan Kepulauan Seribu, sehingga untuk mengurangi dampak terhadap lingkungan dan kerugian secara ekonomi maka perlu prediksi sebaran dan nasib dari tumpahan minyak.
Menyadari pentingnya perlindungan terhadap daerah pesisr di Kepulauan seribu dari tumpahan minyak maka di buat model sebaran tumpahan minyak untuk memprediksi pola sebaran dan nasib tumpahan minyak berdasarkan pola arus yang terjadi di Kepulauan Seribu.
Penelitian ini bertujuan untuk membangun model hidrodonamika 2 dimensi untuk melihat pola pergerakan massa air Kepulauan Seribu pada musim barat dan musim timur. Model hidrodinamika yang di gunakan untuk membangun model sebaran tumpahan minyak dapat digunakan sebagai alat yang dapat berguna dalam upaya penanggulangan tumpahan minyak di Kepulauan Seribu. Upaya penanggulangan tumpahan minyak di laut akan lebih efektif dan biayanya dapat ditekan bila memanfaatkan prediksi-prediksi yang dapat dihasilkan oleh model sebaran tumpahan minyak. Hasil pemodelan ini kemudian dapat memperlihatkan daerah terpapar dan lama pemaparan oleh tumpahan minyak yang terjadi di Kepulauan Seribu.
Lokasi kegiatan penilitian ini berada di Peraiaran Kepulauan Seribu dengan 3 batas terbuka yaitu lintang 5°40'12"LS di sebelah utara di sebelah timur dibatas oleh bujur 106.40'BT disebelah barat berbatasan dengan garis bujur 106.21'48" BT dan batas tertutup Pantai Utara Jawa yang rentan terhadap kejadian tumpahan minyak.
Data yang digunakan dalam pemodelan tumpahan minyak terdiri atas: data kedalaman perairan (Batimetri), data arah dan kecepatan angin, data pasang-surut (pasut), data jalur pelayaran, data jenis kapal tanker dan kapasitas tanker angkutan yang melewati daerah perairan Kepulauan Seribu, data arus laut, data komponen fraksi crude oil.
simulasi adalah 10 detik. Daerah model dibagi 1380 x 1735 grid dalam bentuk matriks dengan lebar grid x= y=25 meter.
Desain tumpahan dilakukan untuk membangun data input model tumpahan minyak yang terbagi dalam dua komponen yaitu parameter dasar dan parameter tumpahan minyak. Parameter dasar dalam desain tumpahan minyak terdiri atas: data hidrodinamika, sumber tumpahan yang memuat volume dan debit tumpahan, dispersion, eddy dan profil kecepatan logaritmik, sifat air laut, kondisi angin, excending contentration dan time exposition.
Pola arus yang terjadi di perairan Kepulauan Seribu pada musim barat cenderung dipengaruhi oleh pasang surut dibandingkan dengan arus musiman. Pola arus permukaan bergerak mengikuti pola perambatan pasang surut, pada saat dalam kondisi MSL (surut menuju pasang), pasang surut merambat dari timur ke barat dari bidang batas terbuka sehingga arus merambat mengikuti perambatan pasut dengan kecepatan maksimal 0.5 m/s
Pola sebaran tumpahan minyak pada musim barat dari ke-4 jenis minyak yang dimodelkan memperlihatkan bahwa tumpahan minyak dominan bergerak kearah barat dengan menyapu daerah bagian utara dan selatan Pulau Tidung Besar dan Pulau Tidung Kecil serta daerah bagian selatan Pulau Karangberas dan Pulau Karangpandang.
Sebaran minyak yang terjadi pada musim barat berdampak mencapai daerah perlindungan laut di utara Pulau Tidung Besar dalam waktu 15 jam dengan jarak dari sumber tumpahan sekitar 10 km dan ketebalaan lapisan minyak adalah kurang dari 45 mm dengan lama pemaparan antara 18-23 jam.
Proses yang menentukan nasib minyak di perairan adalah evaporasi, dissolusi, dan sedimentasi. Karena minyak mentah memiliki fraksi residual yang lebih tinggi maka cenderung akan berada di perairan dalam jangka waktu yang lama dan berpotensi memiliki waktu pemaparan yang tinggi. Minyak mentah mepunyai lama pemaparan yang paling tinggi mencapai 326 jam untuk musim barat dan 159 jam pada musim timur sedangkan bensin mempunyai waktu pemaparan yang paling singkat sekitar 70 jam
© Hak cipta milik IPB, tahun 2011
Hak cipta dilindungi Undang-Undang
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumber
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan
karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan
suatu masalah
b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB
2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh
MODEL SEBARAN TUMPAHAN MINYAK DI
ALUR PELAYARAN KEPULAUAN SERIBU DKI JAKARTA
S A B H A N
Tesis
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi Ilmu Kelautan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Tesis : Model sebaran tumpahan minyak di alur pelayaran Kepulauan Seribu DKI Jakarta.
Nama : Sabhan
NRP : C 551070061
Disetujui,
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. I Wayan Nurjaya, M.Sc Dr. Ir. Tri Pratono, M.Sc Ketua Anggota
Diketahui,
Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana Ilmu Kelautan
Dr. Ir. Neviaty Putri Zamani, M.Sc Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr
PRAKATA
Alhamdulillah, Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkat, rahmat dan hidayah-Nya sehingga penelitian ini dapat penulis selesaikan. Penelitian yang kami laksanakan berjudul “Model Sebaran Tumpahan Minyak di Alur Pelayaran Kepulauan Seribu DKI Jakarta”.
Pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada:
1. Bapak Dr. Ir. I Wayan Nurjaya, M.Sc sebagai ketua komisi pembimbin, dan Dr. Ir. Tri Pratono, M.Sc. sebagai anggota komisi pembimbing yang telah dengan ikhlas memberikan bimbingan dan pengarahan dalam penelitian dan penulisan thesis ini.
2. Bapak Dr. Ir. Hefni Effendi, M.Phil. atas kesediaan menjadi penguji luar komisi pada ujian thesis dan saran demi kesempurnaan thesis ini.
3. Ibu Dr. Ir. Neviaty P. Zamani, M.Sc selaku Ketua Program Studi Ilmu Kelautan yang telah banyak memebrikan bantuan dalam penyelesian
studi penulis di IPB.
4. Rektor Universitas Tadulako dan Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Tadulako yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk mengikuti pendidikan di Sekolah Pasca Sarjana IPB.
5. Bapak Andri Purwandani, S.Pi. yang dengan segala keikhlasan dan kesabaran mengajarkan dasar-dasar pemodelan dalam penelitian ini. 6. Seluruh rekan mahasiswa IKL 2007 atas segala bantuannya dan kepada
semua pihak yang telah membantu namun tak dapat saya sebutkan satu persatu.
7. Istri tercinta, Nurjannah Ramli dan ananda tersayang Nailah Fakhirriah dan Muhammad Isyraq Abqary, kedua orang tua dan keluarga besar atas segala doa, motivasi, pengorbanan dan dukungannya.
Penulis berharap semoga penelitian ini dapat berguna bagi kemajuan ilmu pengetahuan dan bermanfaat bagi semua pihak.
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan pada tanggal 8 Oktober 1980 merupakan anak kedua dari pasangan H. Faharuddin dan Hj. Sariana di Camba, Kabupaten Maros, Sulawesi Selatan. Penulis masuk Sekolah Dasar (SD) tahun 1987 pada SD Inpres No. 41 Ara, desa Timpuseng dan tamat tahun 1993, pada tahun yang sama melanjutkan pendidikan ke Sekolah Menengah Pertama (SMP) Negeri Camba dan tamat tahun 1996. Setelah menamatkan SMP, penulis melanjutkan pendidikan ke Sekolah Menengah Umum (SMU) Negeri 3 Poso, Sulawesi Tengah dan tamat tahun 1999. Pendidikan dilanjutkan pada tahun 1999 di Program Studi Geofisika, Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Hasanuddin dan menamatkan studi pada tahun 2004 dengan gelar Sarjana Sains (S.Si). Tahun 2006 penulis diterima sebagai staf pengajar Program Studi Fisika, Fakultas
DAFTAR
ISI
2.1 Kondisi Umum Kepulauan Seribu ... 7
2.2 Persamaan Pembangun Model ... 9
2.2.1 Persamaan Hidrodinamika ... 9
2.2.2 Persamaan Oil Spill ... 12
2.3 Karakteristik Minyak ... 21
2.3.1 Komposisi Minyak ... 22
2.3.2 Karakteristik Minyak ... 24
2.4 Proses-proses Fisik dan Kimia Minyak di Laut ... 25
2.4.1 Penyebarang ... 26
2.4.2 Penguapan ... 27
2.4.3 Entrainment (Natural Dispersion) ... 28
2.4.4 Pelarutan ... 29
2.4.5 Emulsifikasi ... 30
2.4.6 Sedimentasi ... 30
2.4.7 Biodegradasi ... 31
3. METODE PENELITIAN... 33
3.1 Waktu dan Lokasi ... 33
3.2 Data... 35
4.1 Hasil Model Hidrodinamika ... 47
4.1.1 Musim Barat ... 47
4.1.2 Musim Timur ... 52
4.2 Verifikasi Hidrodinamika ... 56
4.2.2 Verifikasi Arus ... 57
4.3 Pola Sebaran Tumpahan Minyak ... 58
4.3.1 Musim Barat ... 58
4.3.2 Musim Timur ... 66
4.4 Hasil Pemodelan Tumpahan Minyak ... 73
4.4.1 Pola Sebaran Tumpahan Crude Oil ... 74
4.4.2 Pola Sebaran Tumpahan Bensin ... 76
4.4.3 Pola SebaranTumpahan Aftur ... 80
4.4.4 Pola Sebaran Tumpahan Diesel ... 82
4.4.5 Konsentrasi Tumpahan Minyak ... 85
4.5 Proses Pelapukan Tumpahan Minyak. ... 87
4.5.1 Minyak Mentah ... 88
4.5.2 Bensin ... 89
4.5.3 Aftur ... 91
4.5.4 Diesel... 92
4.6 Perubahan Konsentrasi Fraksi Dan Waktu Papar ... 94
5. KESIMPULAN ... 97
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Bagan alir perumusan masalah untuk mencapai tujuan ... 5
2 Fraksi destilasi minyak mentah (ITAC 1996) ... 24
3 Perubahan tumpahan minyak mentah oleh proses pelapukan terhadap waktu. ... 26
4 Presentasi penguapan air dan minyak dalam berbagai variasi kecepatan angin (Fingas 1994)... 27
5 Konsentrasi penguapan dari hidrokarbon aromatik di dalam air (Payne et al. 1983) ... 28
6 Lokasi penelitian daerah Perairan Kepulauan Seribu ... 34
7 Diagram alir desain hidrodinamika ... 36
8 Peta batimetri Perairan Kepulauan Seribu ... 37
9 Arah dan Kecepatan Angin pada musim barat (a) dan musim timur (b). ... 39
10 Diagram alir desain Tumpahan minyak ... 40
11 Profil perubahan temperatur air laut pada musim barat (a) pada Bulan Januari 2008 dan musim timur (b) pada Bulan Juli 2008 ... 42
12 Profil temperatur udara pada musim barat (a) dan musim timur (b)... 43
13 Presentase tutupan awan musim barat(a) pada Bulan Januari 2008 dan musim timur (b) pada Bulan Juli 2008 ... 43
14 Pola hidrodinamika pada kondisi surut ... 48
15 Pola hidrodinamik pada kondisi MSL surut menuju pasang ... 49
16 Pola hidrodinamik pada kondisi pasang ... 50
17 Pola hidrodinamik pada kondisi MSL pasang menuju surut ... 51
18 Pola hidrodinamika pada saat kondisi msl surut menuju pasang ... 52
19 Pola hidrodinamik pada kondisi pasang ... 53
20 Pola hidrodinamika pada kondisi pasang menuju surut ... 54
21 Pola hidrodinamik pada kodisi surut ... 55
22 Grafik pasang surut antara model dengan data Bakosurtanal selama 2 minggu perekaman Bulan Januari di musim barat ... 56
23 Grafik pasang surut antara model dengan data Bakosurtanal selama 2 minggu perekaman di Bulan Juli di musim timur ... 56
25 Pola sebarang tumpahan minyak mentah pada kondisi awal kejadian dimusim barat ... 59 26 Pola sebaran tumpahan minyak mentah pada kondisi MSL (pasang
menuju surut) setelah 7.5 jam pada musim barat ... 60 27 Pola sebaran tumpahan minyak mentah musim barat pada kondisi
surut (setelah 12 jam) pada musim barat ... 62 28 Pola sebaran tumpahan minyak mentah pada kondisi MSL (surut
menuju pasang) 18 setelah kejadian pada musim barat ... 64 29 Pola sebaran tumpahan minyak mentah pada kondisi pasang (24 jam
setelah tumpahan) pada musim barat... 65 30 Pola sebarang tumpahan minyak mentah musim timur pada kondisi
awal di musim timur ... 67 31 Pola sebaran tumpahan minyak mentah pada kondisi MSL (surut
menuju pasang), 6 jam setelah kejadian pada musim timur. ... 68 32 Pola sebaran tumpahan minyak mentah pada kondisi pasang (12 jam
setelah kejadian) pada musim timur ... 69 33 Pola sebaran tumpahan minyak mentah pada kondisi MSL (pasang
menuju surut, 18 jam setelah kejadian) pada musim timur ... 71 34 Pola sebaran tumpahan minyak mentah pada kondisi surut (24 jam
setelah kejadian) pada musim barat ... 72 35 Pola sebaran tumpahan minyak mentah (48 jam setelah kejadian) 38 Pola sebaran tumpahan bensin (48 jam setelah kejadian) pada musim
timur ... 79 39 Pola sebaran tumpahan aftur (48 jam setelah kejadian) pada musim
barat ... 81 40 Pola sebaran tumpahan aftur (48 jam setelah kejadian) pada musim
timur ... 82 41 Pola sebaran tumpahan minyak diesel (48 jam setelah kejadian) pada
musim barat ... 83 42 Pola sebaran tumpahan minyak diesel (48 jam setelah kejadian) pada
musim timur ... 84 43 Sebaran konsentrasi tumpahan minyak mentah (48 jam setelah
kejadian) pada musim barat ... 86 44 Sebaran konsentrasi tumpahan minyak mentah (48 jam setelah
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Komposisi kandungan hidrokarbon dari berbagai jenis produk minyak (dalam%). ... 22 2 Karakteristik dari berbagai jenis produk minyak ... 24 3 Fraksi tersedimentasi tumpahan minyak ... 31 4 Matriks waktu penelitian ... 33 5 Petensi, lokasi, volume, debit dan lama tumpahan minyak ... 41 6 Konstanta transfer bahang ... 43 7 Konstanta emulsifikasi ... 44 8 Koefisein transfer massa dan tegangan permukaan antara minyak
dan air ... 44 9 Karakteristik fisik dan kimia dari tiap fraksi minyak... 45 10 Komponen fraksi tiap jenis minyak ... 45 11 Persentase tingkat pelapukan jenis minyak mentah pada musim barat... 88 12 Persentase tingkat pelapukan jenis minyak mentah pada musim
1.1 Latar Belakang
Lalu lintas kapal tanker serta kegiatan eksplorasi dan produksi minyak di lepas pantai telah menjadikan kawasan-kawasan di Perairan Indonesia rawan terjadi tumpahan minyak. Kepulauan Seribu merupakan salah satu contoh kasus terjadinya tumpahan minyak yang menimbulkan pencemaran pada perairan. Perairan bagian selatan Kepulauan Seribu tercemar oleh tumpahan minyak mentah. Tumpahan minyak menggenang di sekitar empat pulau yang ada di Kepulauan Seribu Selatan, yakni Pulau Pari, Pulau Tikus, Pulau Burung, dan Pulau Payung. Minyak mentah setebal 1 hingga 20 cm menggenang sejauh dua meter dari bibir pantai Pulau Pari (Sianipar 2008). Pencemaran minyak dapat merusak ekosistem laut, hewan dan tumbuhan mempunyai resiko oleh polutan minyak jika menyentuh atau terkontaminasi oleh polutan minyak. (Romero &
Wikelski 2002). Sembilan pulau wisata umum dan 36 pulau berpotensi dikembangkan sebagai lahan wisata terancam tak diminati lagi untuk dikunjungi,
lantaran tumpahan minyak yang kerap datang pada musim angin barat. Kerugian secara ekonomi antara Rp 58-65 triliun rupiah per tahun, akibat tumpahan minyak di Kepulauan Seribu (Sianipar 2008).
Beberapa studi mengenai tumpahan minyak di Perairan Indonesia dan sekitarnya telah dilakukan baik dengan menggunakan rumus empiris maupun model matematika. Sembiring (1987) melakukan simulasi tumpahan minyak di Perairan Cilacap akibat pengaruh angin dan arus laut menggunakan rumus-rumus empiris dan diagram vektor. Metode yang sama telah dilakukan oleh Valencia (1978) untuk memprediksi gerakan tumpahan minyak di Perairan Pantai Sabah.
Hadi et al. (1989) telah membangun suatu model matematik numerik tumpahan minyak di laut berdasarkan model matematika yang dibangun oleh Dippner. Model Hadi et al. (1989) dibangun dengan model beda hingga eksplisit yang terikat pada kriteria stabilitas Courant-Frederick-Lewy (CFL) di mana pengambilan langkah waktu komputasi sangat terbatas.
eksplisit dengan metoda semi implisit dua langkah, model ini telah dapat mensimulasikan pola arus dan pergerakan tumpahan minyak khususnya lintasan partikel tumpahan minyak, pola penyebaran, dan luas sebaran tumpahan minyak.
Menyadari pentingnya perlindungan terhadap daerah pesisr di Kepulauan seribu dari tumpahan minyak maka di buat model sebaran tumpahan minyak untuk memprediksi pola sebaran dan nasib tumpahan minyak.
1.2 Dasar Pemikiran
Sebaran horisontal tumpahan minyak dapat diatur oleh adveksi akibat angin dan arus, difusi turbulen, dan penyebaran mekanik oleh karena gravitasi, kelembaman, kekentalan dan gaya tegangan permukaan (Gua et.al 2009). Ketika tumpahan minyak besar terjadi manyapu daerah pantai, pesisir dan rawa yang dapat berakibat serius terhadap kerusakan lingkungan dan ekonomi (Riazi & Ghazi 1999). Kerusakan dapat di kurangi dengan penanganan yang tepat dan perediksi arah sebaran tumpahan minyak yang tepat sehingga dapat di antisipasi lebih awal.
Kepulauan Seribu sebagai daerah pemanfaatan yang multi fungsi seperti
perikanan budidaya, transfortasi laut, wisata laut, daerah perlindungan laut dan jalur pelayaran internasional khususnya kapal tanker. Kapal tanker sering menyebabkan tumpahan minyak di peraiaran Kepulauan Seribu, sehingga untuk
mengurangi dampak terhadap lingkungan dan kerugian secara ekonomi maka perlu prediksi sebaran dan nasib dari tumpahan minyak.
Penelitian tentang tumpahan minyak dilaut belum secara utuh menampilkan secara kwantitatif proses pelapukan pada tumpahan minyak sepeti emulsifikasi, dissolusi, penguapan dan lama pemaparan. Martinez dan Tovar (1999) telah memebuat pemodelan komputasi sebaran tumpahan minyak dengan metode high accuracy namuan belum tepat diterapkan untuk daerah muara sungai dan dekat
dikembangkan oleh Hadi dan Latif (2000). dengan menyederhanakan langkah komputasinya.
Pemodelan yang ada belum memberikan gamabaran tumapahan minyak secara utuh meliputi pemodelan proses pergerakan, penyebaran, serta pelapukan tumpahan minyak akibat kombinasi pengaruh proses fisika dan kimia. Dengan pengembangan model ini selain dapat ditentukan arah gerak atau lintasan tumpahan minyak, juga dapat ditentukan persentasi tumpahan minyak yang mengalami pelapukan oleh prose penguapan, dissolusi, emulsifikasi, disversi
vertikal dan luas permukaan laut yang tercemar serta jumlah tumpahan minyak yang masih tersisa setelah perioda waktu tertentu. Model ini juga dapat memberikan waktu tempuh yang dibutuhkan oleh tumpahan minyak untuk mencapai perairan pantai.
1.3 Rumusan Masalah
Menyadari pentingnya perlindungan terhadap daerah pesisir di Kepulauan Seribu dari tumpahan minyak maka dibuat model sebaran tumpahan minyak untuk memprediksi pola sebaran dan nasib tumpahan minyak berdasarkan pola arus yang terjadi di Kepulauan Seribu.
Pergerakan tumpahan minyak tidak terlepas dari proses hidrodinamika yang terjadi di daerah tumpahan minyak. Lokasi penyebaran dapat diperidiksi dengan membangun model yang menjelaskan proses hidrodinamika pada daerah tumpahan minyak. Keberadaan tumpahan juga ditentukan oleh sifat fisika kimia minyak serta volume tumpahan minyak. Maka pada penelitian ini digunakan model flow model dan particel/spill analysis yang tersedia pada MIKE 21 untuk menjawab pertanyaan berikut:
1. Bagaimana hidrodinamika Kepulaun Seribu?
2. Bagaimana model sebaran minyak bila terjadi tumpahan minyak di Kepulauan Seribu?
3. Berapa persen minyak yang mengalami pelapukan bila terjadi tumpahan minyak di Kepulauan Seribu?
Perumusan masalah yang telah dikemukakan untuk mencapai tujuan penelitian ini dilakukan dengan melakukan pemodelan hubungan antara farameter fisika dan kimia pada tumpahan minyak yang merupakan gabungan dari model hidrodinamika dan model tumpahan minyak. Hasil dari simulasi ini memperlihatkan pola sebaran tumpahan minyak, ketebalan lapisan tumpahan minyak dan persentasi pelapukan tumapahan minyak serta lama waktu pemaparan. Pendekatan penyelesaian masalah untuk mencapai tujuan penelitian disajikan pada Gambar 1.
1.4 Tujuan
Penelitian ini bertujuan membangun model hidrodonamika 2D untuk melihat pola pergerakan massa air Kepulauan Seribu pada musim barat dan musim timur. Model hidrodinamika digunakan untuk membangun model sebaran tumpahan minyak digunakan sebagai alat yang berguna dalam upaya penanggulangan tumpahan minyak di Kepulauan Seribu. Upaya penanggulangan tumpahan minyak di laut akan lebih efektif dan biayanya dapat ditekan bila memanfaatkan prediksi-prediksi yang dapat dihasilkan oleh model sebaran
tumpahan minyak. Hasil pemodelan ini kemudian dapat memperlihatkan daerah terpapar dan lama pemaparan oleh tumpahan minyak yang terjadi di Kepulauan Seribu.
1.5 Manfaat Penelitian
Batimetri
emulsifikasi Penguapan Pelarutan Dispersi
vertikal
2.
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kondisi Umum Kepulauan Seribu
Kepulauan seribu terdiri atas 110 pulau, dan 11 pulau diantaranya telah berpenghuni. Pulau-pulau lainnya digunakan seperti untuk arena rekreasi, cagar alam dan cagar budaya. Luas Kepulauan Seribu kurang lebih 108,000 ha, terletak di lepas pantai utara Jakarta dengan posisi memanjang dari Utara ke Selatan yang ditandai dengan pulau-pulau kecil berpasir putih dan gosong-gosong karang (Ariadi 2004) .
Keadaan angin di Kepulauan Seribu sangat dipengaruhi oleh angin monsoon yang secara garis besar dapat dibagi menjadi Angin Musim Barat (Desember-Maret) dan Angin Musim Timur (Juni-September). Musim Pancaroba terjadi antara bulan April-Mei dan Oktober-Nopember. Kecepatan angin pada musim Barat bervariasi antara 13-30 km per jam, yang umumnya bertiup dari Barat Daya sampai Barat Laut (Ariadi 2004).
Kawasan Kepulauan Seribu memiliki tofografi datar hingga landai dengan
ketinggian sekitar 0-2 m diatas permukaan laut. Luas daratan dapat berubah oleh pasang surut dengan ketinggian pasang antara 1-1.5 m. Morfologi Kepulauan Seribu dengan demikian merupakan dataran rendah pantai, dengan perairan laut ditumbuhi karang yang membentuk atol maupun karang penghalang. Atol dijumpai hampir diseluruh gugusan pulau, kecuali Pulau Pari, sedangkan fringing reef dijumpai antara lain di Pulau Pari, Pulau Kotok dan Pulau Tikus (Ariadi
2004).
oleh daerah tubir dengan kemiringan curam hingga mencapai 70° dan mencapai dasar laut dengan kedalaman bervariasi dari 10 m hingga 75 m (DISHIDROS-AL 2008).
Pola sirkulasi arus perairan Kepulauan Seribu mentukan pola pergerakan tumpahan minyak yang terjadi perairan Kepulauan Seribu, karena kedangkalan Laut Jawa, transpor volume didominasi oleh angin (Sofian 2001). Pengaruh angin dan arus laut memiliki peranan penting dalam pergerakan tumpahan minyak di laut. Hydrodinamika tumpahan minyak 100% oleh pengaruh arus dan 3% oleh pengaruh angin (Hadi & Latif 2000; ITAC 1996). Arus laut permukaan di Kepulauan Seribu pada musim barat berkecepatan maksimum 0.5 m/detik dengan arah ke Timur sampai Tenggara. Pada musim timur kecepatan maksimumnya 0.5 m/detik. Gelombang laut yang terdapat pada musim barat mempunyai ketinggian antara 0.5-1.75 meter dan musim timur 0.5-1.0 meter.
Berdasarkan pengukuran di stasiun penelitian oleh ITB Bandung tahun 2001 yang berlokasi di Pulau Untung Jawa pada koordinat 05°58’45,21”LS,
106°42’11,07”BT, kondisi pasang surut di Kepulauan Seribu dapat dikategorikan
sebagai harian tunggal. Kedudukan air tertinggi dan terendah adalah 0.6 dan 0.5 m dibawah duduk tengah. Rata-rata tunggang air pada pasang perbani adalah 0.9 m dan rata-rata tunggang air pada pasang mati adalah 0.2 m. Tunggang air tahunan
terbesar mencapai 1.10 m (Ariadi 2004)
2.2 Persamaan Pembangun Model
2.2.1 Persamaan Hidrodinamika
2.2.1.1 Persamaan massa
Persamaan massa secara matematik dinyatakan sebagai:
(1)
Suku pertama menyatakan perubahan posisi muka air, suku kedua dan ketiga menyatakan perubahan fluks densitas dalam arah x dan y dan suku keempat menyatakan perubahan kedalaman perairan. Solusi persamaan (1) dengan metode elemen hingga selisih depan dalam arah x adalah:
(2)
Dalam arah y
(3)
2.2.1.2 Persamaan momentum
Persaamaan momentum dalam arah x
(4)
Solusi persamaan momentum akan diuraikan solusinya tiap suku dari persamaan (4)
Suku pertama
(5)
Dengan menggunakan metode ekspansi Taylor dengan pusat n+1/2 persamaan x menjadi
(6)
Suku keempat menyatakan pengaruh grafitasi dengan pendekatan selisih depan di tulis sebagai:
(7)
dengan
Dengan cara dilinerisasi dalam menghasilkan formula aljabar koreksi kesalahan dapat tentukan dengan menggunakan ekspansi Taylor.
(8)
FDS adala solusi linier dari persamaan gravitasi.
Suku kedua dan ketiga merupakan perubahan flux densitas dalam arah x dan y yang diselesaikan dengan metode elemen hingga sebagai berikut:
(9)
dengan a = n+1, b = n
Suku ke 9 merupakan faktor gesekan angin yang didefinisikan sebagai:
(10)
(11)
dengan
Suku kelima menyatakan faktor gesekan dasar yang dinyatakan dalam formula Chezy number
(12)
dapat diselesaikan dalam bentuk
(13)
dengan :
(14)
Chezy number dapat dihitung dari Manning number
(15)
Suku kedelapan menyatakan gaya coriolis yang dinyatakan sebagai
(16)
2.2.2 Persamaan Oil Spill
2.2.2.1 Penyebaran
Fay (1969) menyatakan bahwa laju penyebaran minyak ditentukan oleh gaya gravitasi, kelembaman, kekentalan, tegangan permukaan dan dispersi. Mackay et al. (1980) telah memodifikasi model gravitasi dan viskositas dari Teori Fays ke dalam formula numerik melalui persamaan matematis untuk menghitung penyebaran minyak dengan asumsi minyak sebagai massa homogen, menyebar dalam bentuk lapisan tipis dan tidak ada perubahan massa tumpahan.
Dengan menggunakan asumsi di atas, maka perubahan luas tumpahan minyak (Aoil) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
(17)
dimana,
= konstanta [s-1]
t = waktu [s]
= πRoil2 [m2]
Volume minyak tumpah dihitung dengan menggunakan persamaan:
(18)
ketebalan tumpahan minyak diestimasi:
= 10 cm , pada t=0
Nilai ini telah diketahui dari hasil penelitian sesudah terjadi tumpahan minyak di suatu perairan.
2.2.2.2 Evaporasi
Penguapan tumpahan minyak ditentukan oleh komposisi dari minyak, suhu udara, suhu perairan, area tumpahan, kecepatan angin, radiasi matahari dan
ketebalan tumpahan minyak. Beberapa hasil penelitian telah menghitung laju penguapan minyak. Asumsi yang digunakan adalah sebagai berikut:
2. Bentuk minyak adalah campuran yang ideal.
3. Tekanan parsial udara pada perhitungan tekanan uap diabaikan.
Dengan menggunakan asumsi di atas, laju penguapan minyak dihitung dengan menggunakan persamaan:
(19)
dengan,
ke = koefisien transport massa
PSAT = Tekanan uap
Untuk mengestimasi nilai dari digunakan persamaan dari Mackay et al
(1980), yaitu:
(20)
dimana,
k = Konstanta
Aoil = Luas area tumpahan minyak [m2]
= Konstanta penguapan Schmidts pada fraksi minyak ke-i
Uw = Kecepatan angin [m/detik]
2.2.2.3 Dispersi vertikal
Transport minyak ke dalam kolom air terjadi dari beberapa mekanisme yaitu kelarutan, dispersi, akomodasi dan sedimentasi. Fraksi minyak yang terdispersi di dalam kolom air per waktu dihitung sebagai fraksi yang hilang di permukaan laut, pada kondisi tidak ada gelombang pecah dan dihitung menggunakan persamaan, yaitu :
(21)
= fraksi minyak yang terdispersi di permukaan air per satuan waktu.
= fraksi minyak telah terdispersi yang tidak kembali lagi ke
permukaan.
dan dihitung dengan menggunakan persamaan, yaitu:
(22)
= Tegangan permukaan minyak dan air [dyne cm-1]
Laju butiran minyak dalam air yang kembali lagi ke permukaan dihitung dengan persamaan, yaitu:
(24)
2.2.2.4 Kelarutan
Dengan menggunakan asumsi bahwa konsentrasi sebenarnya hidrokarbon terhadap kelarutannya, maka laju kelarutan minyak dihitung dengan menggunakan persamaan, yaitu:
(25)
dimana,
Csat = kelarutan fraksi minyak ke-i [mg/kg air laut] Xmol = molar fraksi dari fraksi minyak ke-i [kg/mol]
M = Berat molar dari fraksi minyak ke-i
= Densitas minyak fraksi ke-i
Aoil = Luas area tumpahan minyak [m2]
(26)
dimana,
ei = 1.4 untuk fraksi minyak alkana
ei = 2.2 untuk fraksi minyak aromatik
ei = 1.8 untuk fraksi minyak ringan
2.2.2.5 Emulsifikasi
Proses emulsifikasi merupakan proses sangat penting yang menentukan keberadaan minyak di permukaan karena akan membuat minyak menjadi sangat kental. Masuknya butiran air ke dalam minyak dan stabilitas di dalamnya sangat ditentukan oleh kondisi lingkungannya. Stabilitasnya ditentukan oleh kandungan surfaktan di dalamnya dan masuknya butiran air kedalam minyak di tentukan oleh kondisi perairannya terutama gelombang dan proses turbulen di perairan.
Model matematis yang ada saat ini tidak semua parameter yang mempengaruhi proses emulsifikasi masuk semua dalam perhitungannya.
Pendekatan yang dilakukan adalah melalui persamaan empiris dari prilaku emulsifikasi dari kondisi di alamnya. Perhitungan perubahan kandungan air di dalam minyak dapat dihitung melalui persamaan sebagai berikut:
(27)
dimana:
= Kandungan air dalam minyak
= Masuknya air ke dalam minyak
= Keluarnya air dari minyak
Nilai dari masuknya air ke dalam minyak akan bertambah dengan
K1 = Koefisien
R2 = Laju keluarnya air dari minyak
Nilai dari R2 akan meningkat dengan meningkat dengan meningkatnya
kandungan alphaltenes, wax (lilin) dan surfaktan minyak sehingga menyebabkan miningkatnya viskositas minyak. Nilai dari R2 dihitung dengan persamaan sebagai
berikut:
(29)
dimana :
As = Kandungan asphaltenes di dalam minyak (wt%) = Kandungan lilin di dalam minyak (wt%)
K2 = Koefisien tumpahan minyak lebih panas dari kondisi lingkungannya baik udara maupun perairannya. Oleh karena itu sangat penting untuk memodelkan perubahan suhu pada tumpahan minyak.
Transfer bahang antara udara dan minyak
= Suhu udara [Kelvin]
= Densitas udara [kg/m3]
= Kapasitas panas udara [J/kg/°C]
Koefisien Prandtl’s untuk udara dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
(32)
Jika tidak ada penguapan, maka kHoil-air dihitung dengan persamaan dari
Duffie dan Beckmann (1974), yaitu sebagai berikut:
(33)
Bahang dari radiasi yang diemisikan dan diterima antara minyak, udara dan air
Tumpahan minyak akan menerima dan kehilangan bahang karena emisi radiasi gelombang panjang matahari. Jumlah bahang yang hilang dan diterima dihitung dengan dengan hukum dari Stefan-Boltzman’s. Nilai bersih bahang yang diterima oleh tumpahan minyak dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
(34)
(35)
dimana:
Dalam satu hari dimulai dari matahari terbit sampai dengan tenggelam.
= waktu matahari terbit [detik] dimulai dari tengah malam. = waktu matahari terbit [detik] dimulai dari tengah malam.
dapat dihitung dengan menambahkan lamanya waktu dalam sehari
( ), dengan persamaan sebagai berikut:
(36)
dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
(37)
adalah emisi matahari dari daratan, dihitung dengan persamaan yang
digunakan dari Duffie dan Beckmann (1974), yaitu sebagai berikut:
(39) dimana:
= Konstanta matahari (1.353 [W/m]) = hari dalam setahun
= sudut matahari. dan,
Jika matahari tidak berawan, maka , tetapi akan meningkat
dengan meningkatnya tingkat perawanan. Jika a adalah albedo maka nilai bersih radiasi dari matahari adalah sebagai berikut:
Bahang yang hilang dari proses penguapan
Penurunan suhu karena penguapan mengakibatkan hilangnya bahang dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
(41)
dengan:
= Bahang dari penguapan pada fraksi minyak ke-I [J/mol]
Sehingga keseimbangan bahang dinamis dari tumpahan minyak diberikan sebagai berikut:
(42)
dimana:
= Laju butiran air yang masuk [m3/s]
= Laju butiran minyak yang masuk ke kolom air [m3/s]
= Kapasitas bahang minyak [J/kg °C]
= Kapasitas bahang air [J/kg °C]
Transfer bahang antara minyak dan air
Transfer bahang antara minyak dan air, dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
(43)
dimana kHoil-water koefisien transfer bahang dari Bird et al (1960) dihitung
dengan persamaan sebagai berikut:
(44)
Konstanta Prandtl’s dari air dihitung dengan persamaan yang dikemukakan
oleh Duffie dan Beckmann (1974), yaitu sebagai berikut:
adalah koefisien Reynolds untuk menghitung koefisien transfer bahang antara minyak dan air, dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
(46)
dimana adalah viskositas kinematik dari minyak.
2.2.2.7 Viskositas
Viskositas minyak akan meningkat selama proses pelapukan minyak, terutama diakibatkan oleh proses emulsifikasi dan penguapan. Selain itu, viskositas sangat ditentukan oleh suhu tumpahan minyak. Perhitungan viskositas minyak dilakukan melalui tiga tahap yaitu pertama, viskositas tanpa adanya butiran air dalam minyak pada suhu referensi Tref = 100°F, dengan persamaan dari
Kendall-Monroe yaitu sebagai berikut:
(47)
dimana:
= Fraksi model dari fraksi ke-i
Kedua, perhitungan viskositas minyak pada suhu aktual dengan menggunakan persamaan dari CONCAWE (1983), yaitu sebagai berikut:
(48)
dengan:
T = Suhu [K]
v = Viskositas kinematik pada suhu T (Cs)
B = 3.98
Ketiga, perhitungan viskositas minyak pada suhu aktual dan kandungan air dengan menggunakan persamaan dari Hossain dan Mackay (1980), yaitu sebagai berikut:
(49)
Penguapan juga akan menyebabkan peningkatan viskositas dan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
= dimensi kandungan didalam minyak [wt%]
= Fraksi minyak yang terevaporasi
Kombinasi pengaruh dari emulsifikasi dan penguapan dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
(51)
2.2.2.8 Tegangan permukaan
Tegangan permukaan dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
(52)
Suhu dihitung dengan satuan Kelvin.
2.2.2.10 Titik tuang
Titik tuang minyak dimana minyak tidak mengandung butiran air dihitung
dengan persamaan dari CMFMWOS (1985), yaitu sebagai berikut:
(56)
Nilai titik tuang akan meningkat dengan bertambahnya kandungan air dalam minyak dari proses emulsifikasi dan dihitung dengan menggunakan persamaan
sebagai berikut:
(57)
2.3 Karakteristik Minyak
yang terbentuk dari ratusan komposisi utama dan ribuan komposisi kimia lainnya. Adanya keberagaman mengakibatkan setiap produk minyak mempunyai karakteristik unik yang berbeda satu dengan lainnya. Karakteristik minyak akan menentukan nasib minyak pada saat tumpah dan dampak terhadap organisme yang berada di lingkungannya. Karakteristik minyak juga menentukan tingkat efisiensi pembersihan minyak saat tumpah di laut. Disamping itu karakteristik minyak sangat penting untuk mengembangkan model pergerakan tumpahan minyak. Karakteristik minyak mentah beserta dengan turunan produknya dan komposisi kimia dan karakteristik fisika dari masing-masing jenis minyak adalah sebagai berikut:
2.3.1 Komposisi Minyak
Minyak mentah terdiri dari campuran rantai ikatan hidrokarbon mulai dari rantai terkecil dengan ikatan yang lemah sampai dengan rantai yang besar dengan ikatan yang kuat. Komposisi campuran dari rantai hidrokarbon tersebut terbentuk dan tergantung dari formasi geologi dilokasi penemuan ladang minyak dan sangat berperan dalam pembentukan karakteristik minyak (Fingas 2000). Komposisi
minyak dari berbagai jenis produk minyak dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Komposisi kandungan hidrokarbon dari berbagai jenis produk minyak (dalam%).
No Kelompok Kelas
Ikatan Gasoline Diesel
No Kelompok Kelas
Ikatan Gasoline Diesel
Light
Komponen-komponen dari minyak bumi itu disebut juga dengan istilah fraksi-fraksi minyak bumi yang dapat dipisahkan satu dengan yang lain melalui proses penyulingan atau destilasi secara bertingkat berdasarkan perbedaan titik didih masing-masing komponennya (Gambar 2).
Beberapa nama dari jenis minyak menurut (Fingas 2000) yang digunakan
dari hasil produk perminyakan adalah sebagai berikut:
1. Bensin (gasoline), digunakan untuk bahan bakar mobil-mobil kecil.
2. Diesel (diesel fuel), digunakan untuk bahan bakar kendaraan besar seperti truk, kereta dan bis.
3. Minyak mentah ringan(Light crude oil), banyak dihasilkan dari ladang minyak di sebelah barat Kanada dan Louisiana.
4. Minyak mentah berat (Heavy crude oil), banyak dihasilkan dari negara-negara Arab dan California.
5. Minyak bakar intermediat(Intermediate fuel oil), campuran dari residu minyak berat dan diesel biasa digunakan untuk bahan bakar kapal.
6. Bunker C(Bunker fuel), residu berat bahan bakar dari sisa produksi bensin dan diesel, sering juga disebut minyak bakar.
Gambar 2 Fraksi destilasi minyak mentah (Seager & Stocker 1976)
2.3.2 Karakteristik Minyak
Karakteristik minyak meliputi viskositas, densitas, spesifik gravitasi, kelarutan, titik bakar, titik tuang, fraksi destilasi, tegangan permukaan dan tekanan uap. Emulsi minyak mentah memiliki nilai viskositas yang paling tinggi (Tabel 2) menunjukkan bahwa jenis ini mempunyai kecepatan alir yang lebih lambat jika dibandingankan dengan jenis bensin. Kekentalan berpengaruh secara langsung terhadap kecepatan menyebar tumpahan minyak yang mengalami tumpahan di perairan. Densitas sangat penting digunakan karena akan memberikan indikasi
apakah minyak akan terapung dipermukaan air atau tenggelam ke dalam air jika mengalami tumpahan. Karena densitas air sebesar 1.0 gr/cm3 pada suhu 15°C dan
kebanyakan minyak memiliki kisaran densitas sebesar 0.7-0.99 g/cm3 maka minyak akan terapung di permukaan air (Fingas 2000).
Tabel 2 Karakteristik dari berbagai jenis produk minyak
15°C 0.88 1.00 0.99 1.04 1.0 terlarut di dalam kolom air pada skala molekuler. Tingkat kelarutan minyak dalam air sangat penting dalam fraksi terlarut dari minyak berupa sifat toxic terhadap organisme di suatu perairan terutama dalam konsentrasi yang besar. Titik tuang adalah suhu minyak dapat bertahan pada saat tumpah dari kapal. Titik tuang menggambarkan suhu dimana minyak apabila dituangkan dengan sangat perlahan dapat bertahan digunakan sebagai indikator kestabilan dari minyak.
Tekanan uap minyak adalah tekanan yang diukur pada bagian dari partisi minyak antara fase cairan dan gas atau seberapa banyak uap minyak di dalam suatu ruang yang dapat diberikan pada suhu tetap. Tekanan uap minyak sangat beragam karena minyak terdiri dari campuran berbagai komposisi dan berubah dengan cepat karena faktor cuaca. Tekanan uap minyak sulit sekali untuk diukur dan jarang sekali digunakan sebagai parameter untuk mengkaji tumpahan minyak.
2.4 Proses-proses Fisik dan Kimia Minyak di Laut
dipengaruhi oleh proses fisika, kimia dan biologi bergantung pada sifat minyak, kondisi hidrodinamika, meteorologi dan lingkungan (Egberongbe et al. 2006)
Terdapat dua proses utama yaitu proses pelapukan minyak yang merupakan suatu urutan proses fisik dan kimia karakteristik minyak yang akan berubah ketika minyak tumpah dan kedua adalah kelompok proses yang berkaitan dengan pergerakan minyak di suatu lingkungannya. Proses pelapukan dan pergerakan minyak merupakan proses yang terjadi saling tumpang tindih bersamaan. Proses pelapukan sangat mempengaruhi bagaimana minyak bergerak di suatu lingkungan dan sebaliknya. Proses-proses ini sangat tergantung jenis minyak yang tumpah dan kondisi cuaca sesaat dan setelah minyak tumpah.
2.4.1 Penyebarang
Sumber: ITOPF. 2007 (tebal dari tiap band mengindikasikan berapa besar peranan dari tiap proses)
Gambar 3 Perubahan tumpahan minyak mentah oleh proses pelapukan terhadap waktu.
Penyebaran tumpahan minyak di atas permukaan air dalam arah horizontal dipengaruhi oleh gravitasi, kelembaman, kekentalan dan gaya tegangan permukaan (Njobuenwu 2008). Pada Gambar 3 warna biru menyajikan bahwa penyebaran adalah proses yang paling signifikan selama proses awal terjadinya tumpahan minyak di air yang meningkatkan luas daerah permukaan yang
menyebabkan minyak menyebar secara horizontal dan tegangan permukaan dari air laut. Gravitasi dan tegangan permukaan mempercepat proses penyebaran sedangkan kekentalan dan kelembaman memperlambat proses penyebaran.
2.4.2 Penguapan
Gambar 3 (warna kuning) menyajikan bahwa penguapan dominan mempengaruhi perubahan sejak awal tumpahan minyak dan efektif berlangsung dalam waktu satu minggu. Minyak mentah ringan dapat mengalami penguapan hingga 75%, minyak mentah tengah mengalami penguapan hingga 40% sedangkan minyak mentah berat dapat mengalami pengupan hingga 10% beberapa hari setelah terjadinya tumpahan minyak (Fingas 1994). Menurut Fingas 1994 menyatakan bahwa tingkat penguapan minyak meningkat dengan meningkatnya kecepatan angin sampai pada waktu tertentu dengan membentuk fungsi eksponensial (Gambar 4)
Gambar 5 Konsentrasi penguapan dari hidrokarbon aromatik di dalam air (Payne et al. 1983)
Hasil eksperimen yang dilakukan oleh Payne et al. (1983) pada Gambar 4 memperlihatkan bahwa penguapan fraksi minyak dalam air laut di dominasi oleh fraksi benzene dan toluene dengan puncak konsentrasi yang mengalami
penguapan pada jam ke 4 dengan konsentrasi mencapai 700 g/l kemudian
menurun dan mencapai kurang dari 100 g/L setelah 40 jam di air laut.
Meskipun pengaruh penguapan sangat penting namun sangat tidak signifikan dalam mengubah sifat fisik dan kimia dari tumpahan minyak. Penguapan pada minyak di dasarkan pada penguapan air walaupun terdapat perbedaan mendasar antara air dengan minyak dimana penguapan pada air bersifat linier terhadap waktu sedangkan minyak bersifat eksponensial.
2.4.3 Entrainment (Natural Dispersion)
Dispersi alamiah minyak mentah dan produk olahan setelah mengalami tumpahan di laut adalah proses pembentukan partikel kecil yang bergabung dalam kolom air. Selain penguapan, tingkat dispersi alamiah juga menetukan keberadaan lapisan minyak dipermukaan laut. Dalam prakteknya, dispersi alamiah secara signifikan menghilangkan bagian utama dari tumpahan minyak di permukaan laut (Sebastiao & Guedes 1995). Studi menunjukkan bahwa dispersi alami adalah hasil
dispersi yang merupakan transportasi dari tetesan minyak ke kolom air sebagai hasil energi kinetik pada tetesan minyak yang disebabkan oleh gelombang pecah dan gaya yang meningkat, dan proses peleburan lapisan minyak dengan lapisan air (CONCAWE 1983).
Parameter lain yang penting mempengaruhi proses dispersi adalah tegangan antar muka air dengan minyak yang hanya mempengaruhi globulation dan peleburan, bukan transpor dari tetesan minyak ke dalam lapisan air. Berat jenis dan kekentalan juga mempengaruhi proses dispersi tumpahan minyak yang semakin tinggi tingkat kekentalan maka semakin kecil kemampuan dari minyak untuk membentuk tetesan minyak.
Minyak mentah fraksi ringan dan diesel dapat terdispersi secara signifikan jika kandungan saturasinya besar dan kandungan aspaltin dan resin rendah serta terdapat aksi gaya gelombang yang cukup besar. Butiran minyak yang terdispersi ini akan berasosiasi dengan sedimen dan bersama-sama akan jatuh ke dasar perairan.
2.4.4 Pelarutan
Tingkat kelarutan minyak dalam air tergantung pada komposisi, penyebaran, suhu air laut, derajat dispersi dan turbulensi. Komponen minyak mentah berat pada dasarnya tidak larut dalam air sedangkan minyak mentah ringan terutama
hidrokarbon aromatik seperti bensena dan toluen sedikit larut. Namun, senyawa ini juga yang paling stabil dan sangat cepat hilang oleh penguapan, biasanya 10 sampai 1.000 kali lebih cepat dibandingkan dengan kelarutan (ITOPF 2007).
2.4.5 Emulsifikasi
Emulsifikasi adalah proses dimana air bercampur dengan minyak. Proses ini meningkatkan volume campuran minyak dengan air sehingga viskositas tumpahan minyak meningkat karena minyak dengan viskositas rendah bercampur dengan air dengan viskositas yang lebih tinggi. Pembentukan emulsi air-dalam-minyak tergantung pada komposisi air-dalam-minyak dan keadaan laut ( Egberongbe et al. 2006)
Emulsifikasi minyak mentah dan produk turunannya terjadi oleh dispersi tetesan air kedalam medium minyak. Potensi emulsifikasi dan stabilitas emulsi minyak ditentukan oleh persentase surfaktan alami dalam tumpahan minyak. Meskipun minyak ringan seperi bensin dan minyak tanah dapat membentuk emulsi tapi tidak stabil dan akan tetap pada kondisi tenang. Kemampuan minyak mentah untuk teremulsi terkait dengan tingkat aspaltik dalam minyak dan stabilitas emulsi terkait dengan Kristal lilin. Minyak mentah dengan kandungan aspaltik yang relatif rendah akan lebih kecil kemungkinan untuk membentuk emulsi stabil dan emulsi satbil ini terkait dengan Kristal lilin yang tinggi atau titik
tuang yang tinggi (Sebastiao & Guedes 1995).
Pembentukan emulsi menyebabkan tumpahan minyak mengalami pelapukan jauh lebih lambat, minyak lebih kental dan lengket. Volume dari minyak
meningkat karena emulsi dapat mencapai 70 persen air. Emulsifikasi hampir tidak terjadi selama terjadinya tumpahan minyak pada bensin, minyak tanah dan diesel kecuali pada kondisi yang sangat dingin (Michel 2002)
2.4.6 Sedimentasi
daerah pantai sempit dan perairan dangkal dengan intensitas percampuran yang tinggi sedangkan daerah-daerah yang lebih jauh dari pantai proses sedimentasi berjalan sangat lambat (Patin 1999). Tabel 3 menunjukkan bahwa fraksi minyak yang banyak mengalami sedimentasi adalah C2-flarine sedangkan bensena merupakan fraksi yang sedikit mengalami sediementasi dengan konsentrasi di sedimen 0.035 ppm sedangkan fraksi toluen, sikloheksana dan silena tidak mengalami sedimentasi
Tabel 3 Fraksi tersedimentasi tumpahan minyak
Subtansi Hasil Satuan
Benzene 35 ug/Kg
C3-Chrysenes 1800 ug/Kg
C2-Fluorenes 4900 ug/Kg
C2-Naphthalenes 130 ug/Kg
Fluoranthene 1050 ug/kg
Diesel range organics 2890 ug/Kg
Oil Range Organics 2310 ug/Kg
Total Organic Carbon 273 mg/kg
sumber: dimodifikasi dari (EPA 2010)
2.4.7 Biodegradasi
Air laut mengandung berbagai mikro-organisme laut yang mampu menguraikan senyawa minyak. Mereka adalah bakteri, jamur, ragi, alga uniseluler dan protozoa yang dapat menggunakan minyak sebagai sumber karbon dan energi. organisme tersebut didistribusikan secara luas di seluruh lautan di dunia walaupun mereka cenderung lebih berlimpah di perairan pesisir yang tercemar, seperti yang di alur lalu lintas kapal atau buangan limbah industri yang tidak diolah. Faktor utama yang mempengaruhi laju dan tingkat biodegradasi adalah karakteristik minyak, ketersediaan oksigen, nutrisi (terutama senyawa nitrogen dan fosfor) dan suhu (ITOPF 2007).
3.
METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Lokasi
Penelitian ini berlangsung dari bulan Januari 2009 hingga Pebruari 2011 dengan perincian waktu disajikan pada Tabel 4.
Tabel 4 Matriks waktu penelitian
Uraian kegiatan Bulan pelaksanaan
Studi Pustaka Januari 2009
Penyusunan proposal Maret-April 2009
Pengumpulan data Maret-Juni 2009
Perancangan model Mei- September 2009
Eksekusi model september 2009-Juni 2010
Validasi model Juni-November 2010
Penulisan hasil penelitian Desember 2010-Januari 2011
Presentase akhir Pebruari 2011
Model skenario tumpahan minyak disimulasikan untuk satu priode musim pada tahun 2008 yang terdiri atas musim barat yang diwakili oleh Bulan Januari dan musim timur yang diwakili oleh Bulan Juli.
Lokasi kegiatan penilitian ini berada di Perairan Kepulauan Seribu dengan 3 batas terbuka yaitu lintang 5°40'12"LS di sebelah utara di sebelah timur dibatas oleh bujur 106.40'BT di sebelah barat berbatasan dengan garis bujur 106.21'48" BT dan batas tertutup Pantai Utara Jawa yang rentang terhadap kejadian tumpahan minyak seperti disajikan pada Gambar 6.
Penelitian ini dilakukan dengan membuat hidrodinamika pada jalur pelayaran di Kepulaun Seribu kemudian divalidasi dengan data hasil pengukuran yang selanjutnya digunakan sebagai pembangkit pergerakan tumpahan minyak
yang diskenariokan terjadi pada jalur pelayaran di Kepulauan seribu. Skenario tumpahan yang terjadi disebabkan oleh tiga hal yaitu tumpahan oleh tabrakan
3.2 Data
Data yang digunakan dalam pemodelan tumpahan minyak terdiri atas: 1. Data kedalaman perairan (Batimetri) yang berfungsi sebagai domain
model bersumber dari peta Dinas Hidro-Oseanografi TNI-AL.
2. Data arah dan kecepatan angin yang dikonversi dari data kecepatan zonal dan kecepetan meredional berfungsi sebagai pembangkit musiman. Data angin terdiri atas angin pada bulan Januari 2008 dan Juli 2008 dengan interval data setiap 6 jam. Data Angin diperoleh dengan mengunduh dari IFREMER (French Research Institute for Exploration of the Sea)
3. Data Pasang-Surut (pasut) digunakan dari Global Sea Level Prediction (www.dhigroup.com) dan divalidasi dengan data pasut dari dishidros dengan periode waktu yang sama. Parameter pasut digunakan sebagai kondisi batas yang bervarisai berdasarkan waktu dan tempat.
4. Data jalur pelayaran Kepulauan Seribu dari Sea Map digunakan untuk menentukan daerah rawan tumpahan oleh pengankutan bahan bakar minyak.
5. Data jenis kapal tanker dan kapasitas tanker angkutan yang melewati daerah perairan Kepulauan Seribu bersumber dari Administrator Pelabuhan Tanjung Priok.
6. Data arus laut mooring di Perairan Teluk Jakarta dari Kementrian Kelautan dan Perikanan direkam dengan menggunakan alat RCM7/8 AANDERAA.
3.3 Desain hidrodinamika
Desain hidrodinamika untuk membangun pola pergerakan arus sebagai media pengerak tumpahan minyak di Perairan Kepulauan Seribu. Gambar 7 menyajikan bagan alir desain hdrodinamika.
Batimetri
Gambar 7 Diagram alir desain hidrodinamika
3.3.1 Membangun Batimetri
Membangun domain model skenario dengan mengubah peta manual ke
(58)
(59)
(60)
(61)
Manyimpan file batimetri dalam format (*.dfs2) yang akan digunakan dalam modul Flow Model untuk membangun Hidrodinamika. Peta batimetri Kepulauan Seribu (Gambar8) dengan kedalaman perairan antara 0-87 m.
3.3.2 Data Input
3.3.2.1 Periode simulasi
Model disimulasikan dalam 2 musim yaitu: musim timur dan musim barat dengan musim barat diwakili oleh Bulan Januari 2008 dan musim timur diwakili oleh Bulan Juli 2008 dengan masa simulasi masing-masing 10 hari.
3.3.2.2 Batas model
Model dibatasi dengan 3 batas terbuka yaitu lintang 5°40'12"LS(b) di sebelah utara di sebelah timur dibatasi oleh bujur 106.40'BT(c) di sebelah barat berbatasan dengan garis bujur 106.21'48" BT(a) dan batas tertutup Pantai Utara Jawa.
3.3.2.3 Flood and ry
Komponen ini untuk membatasi perhitungan model batas atas dan bawah dari mean sea level yang diproses oleh model dengan nilai draying depth 0.2 dan flooding depth 0.3.
3.3.2.4 Data angin
Angin dari ifremer dalam bentuk kecepatan meredional dan kecepatan zonal
dikonversi kedalam kecepatan dan arah dengan persamaan:
(62)
(63)
Dengan adalah kecepatan resultan, adalah arah , u adalah kecepatan
Gambar 9 Arah dan kecepatan angin pada musim barat (a) dan musim timur (b).
3.3.2.5 Data pasang surut
Konstanta pasut diperoleh dari Global Sea Level Prediction yang dikonversi kedalam tenggang pasut dengan tenggang pasut untuk musim barat dan musim timur yang bervariasi di sepanjang garis batas terbuka.
3.3.2.6 Viskositas eddy
Viskositas eddy digunakan untuk alih momentum dari molekul fluida yang bergerak dengan kecepatan berbeda dan menghasilkan gerakan turbulen.
3.3.2.7 Manning number
Manning number yang digunakan untuk menggambarkan hambatan dasar perairan dengan menggunakan persamaan 15. Manning number yang digunakan bervariasi berdasarkan batimetri Perairan Kepulauan Seribu.
Data input dan batimetri dibangun dalam modul model alir untuk memperoleh model hidrodinamika dengan output berupa tinggi level muka air
(m), flux P(m3/s) dan flux Q(m3/s)
3.4 Desain Tumpahan
3.4.1 Parameter Dasar
Parameter dasar dalam desain tumpahan minyak terdiri atas: data hidrodinamika, sumber tumpahan yang memuat volume dan debit tumpahan, persebaran, eddy dan profil kecepatan logaritmik, sifat air laut, kondisi angin, perubahan konsentrasi fraksi dan waktu eksposisi.
3.4.1.1 Hidrodinamika
Pola pergerakan arus yang berperan sebagai media penyebarluasan tumpahan minyak yang digunakan dalam parameter dasar adalah hasil luaran desain hidrodinamika yang terdiri atas pola arus musim barat dan musim timur.
Gambar 10 Diagram alir desain tumpahan minyak
3.4.1.2 Penyebaran
Koefisien dispersi yang digunakan proporsional terhadap arus dengan nilai arah longitudinal dan transversal masing-masing 1 dan 0.1 sedangkan dalam arah vertikal dianggap kecil karena dispersi minyak lebih disebabkan oleh arah longitudinal dan transversal dibandingkan arah vertikal
3.4.1.3 Sumber tumpahan
Sumber tumpahan ini memuat lokasi tumpahan dan volume tumpahan pada titik-titik rawan tumpahan minyak seperti di alur pelayaran Kepulauan Seribu. Potensi tumpahan (Tabel 5) disesuaikan dengan volume jenis kapal tanker yang berlayar pada waktu model diskenariokan dengan asumsi untuk kapal tanker memuat jenis minyak yang berbeda.
Tabel 5 Petensi, lokasi, volume, debit dan lama tumpahan minyak
Musim
Potensi
Tumpahan Bujur (BT) Lintang (LS)
Volume
Sumber: dimodifikasi dari ADPEL Tanjung Priok 2008
3.4.1.4 Eddy dan profil kecepatan logaritmik
Profil kecepatan logaritmik terkait dengan profil arus secara horizontal yang dipengaruhi oleh gesekan terhadap permukaan dasar laut dengan nilai konstan 0.1.
3.4.1.5 Sifat air laut
Gambar 11 Profil perubahan temperatur air laut pada musim barat (a) pada Bulan Januari 2008 dan musim timur (b) pada Bulan Juli 2008
3.4.1.6 Kondisi angin
Parameter angin yang digunakan adalah terdiri atas komponen arah dan kecepatan dengan menggunakan persamaan 62 da 63 seperti pada desain hidrodinamika seperti yang terlihat pada Gambar 9.
3.4.1.7 Perubahan konsentrasi fraksi
Parameter ini digunakan untuk melihat laju perubahan konsentrasi fraksi minyak dengan nilai 100 mm (Star Energy 2004)
3.4.2 Parameter Tumpahan Minyak
3.4.2.1 Sifat udara
Parameter udara meliputi suhu dan tingkat tutupan awan yang diambil dari ECMWF. Dengan profil suhu udara disajikan Gambar 12 dan tutupan awan disajikan pada Gambar 13.
a
Gambar 12 Profil temperatur udara pada musim barat (a) dan musim timur (b)
Gambar 13 Presentase tutupan awan musim barat(a) pada Bulan Januari 2008 dan musim timur (b) pada Bulan Juli 2008
3.4.2.2 Transpor bahang
Transfer bahang antara udara dan minyak dihitung dengan menggunakan persamaan 30. Nilai konstanta bahang yang digunakan dalam model ini disajikan pada Tabel 6.
Tabel 6 Konstanta transfer bahang
Keseimbangan
bahang Albedo
emissivitas minyak
emissivitas air
emissivitas udara
konstanta evaporasi
Konstanta 0.14 0.82 0.95 0.82 0.029
Sumber: Star Energy. 2004.
3.4.2.3 Emulsifikasi
Tabel 7 Konstanta emulsifikasi
Konstanta Emulsifikasi Bensin Diesel
Minyak
mentah Aftur
Kandungan air maksimum(wt %) 0.8 0.8 0.8 0.8
Kandunmgan aspal (wt%) 1 1 1 1
Kandungan Wax (wt %) 2 2 5.7 2
konstanta (k1) air masuk 5.0E-07 5.0E-07 5.0E-07 5.0E-07
Kostanta (k2) air keluar 1.2E-04 1.2E-04 1.2E-04 1.2E-04
Sumber: Star Energy 2004.
Perhitungan perubahan kandungan air didalam minyak dapat dihitung melalui persamaan 27. Tabel 7 menyajikan konsatanta emulsifikasi yang digunakan dalam model tumpahan minyak.
3.4.2.4 Dissolusi
Dengan menggunakan asumsi bahwa konsentrasi sebenarnya hidrokarbon terhadap kelarutannya, maka laju kelarutan minyak dihitung dengan menggunakan persamaan 25. Nilai koefisien transfer massa dan tegangan antar permukaan minyak dan air disajikan dalam Tabel 8.
Tabel 8 Koefisein transfer massa dan tegangan permukaan antara minyak dan air
Koefisien dissolusi dan entrainment bensin Diesel
Minyak
Tegangan permukaan air dengan minyak 35.2 29.9 47.2 35.2
Sumber: Star Energy. 2004.
3.4.2.5 Karakteristik minyak
Tabel 9 Karakteristik fisik dan kimia dari tiap fraksi minyak
(Parafin) 69-230°C 128 715 0.536 10(6.94-1417.61(t+202.17)) 29.9
C13-C25
(Parafin)
230-405°C 268 775 4.066 10(7.01-1825.05(t+149.76)) 35.2
C6-C12
(sikloparafin) 70-230°C 124 825 2 10(6.91-1441.79(t+204.7)) 29.9
C13-C23
(sikloparafin)
230-405°C 237 950 4 10(6.99-1893.78(t+151.82)) 35.2
C6-C11
(Aromatik) 80-240°C 110.5 990 0.704 10(6.91-1407.34(t+208.48)) 32.4
C12-C18
Sumber: DHI Water & Environment. 2007
Komponen fraksi untuk tiap jenis minyak yang diskenariokan mengalami tumpahan di perairan Kepulauan Seribu dirangkum dalam Tabel 10.
Tabel 10 Komponen fraksi tiap jenis minyak
No Sifat Minyak Aftur(%)
Minyak
mentah(%) Diesel(%) Bensin(%)
1 C6-C12 (Parafin) 0 5.1 14.7 30
4.
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Model Hidrodinamika
Hasil simulasi menggunakan modul analisis tumpahan minyak pada program Mike 2007 (DHI 2007) menunjukkan bahwa model hidrodinamika perairan Kepulauan Seribu bervariasi antara musim barat dengan musim timur. Pola hidrodinamika yang diamati setiap musimnya mengacu pada pola pasang surut perairan Kepulauan Seribu, yang meliputi: pasang tertinggi, surut terendah, pasang menuju surut pada kondisi MSL (Mean Sea Level) dan surut menuju pasang pada kondisi MSL. Kondisi pola pasang surut dalam hidrodinamika digunakan untuk membandingkan pola arus pada setiap kodisi pasut yang berpengaruh terhadap pola sebaran tumpahan minyak yang terjadi di Kepulauan Seribu.
4.1.1 Musim Barat
Pola arus pada saat kondisi surut terendah (Gambar 14) memperlihatkan bahwa tinggi muka air relatif sama dengan kisaran 0-6.8 cm sehingga tidak ada
perbedaan tinggi muka air yang signifikan yang terjadi pada daerah model. Daerah intertidal memperlihatkan dengan jelas yang ditandai dengan warna kuning sebagai daerah genangan yang mengalami kekeringan saat kodisi surut.
Gambar 14 Pola hidrodinamika pada kondisi surut
Gambar 15 Pola hidrodinamik pada kondisi MSL surut menuju pasang
Gambar 16 Pola hidrodinamik pada kondisi pasang
Gambar 17 Pola hidrodinamik pada kondisi MSL pasang menuju surut
arus bergerak ke barat di laut lepas sedangakan pada daerah dekat dengan garis pantai kecepatan arus cenderung melemah.
4.1.2 Musim Timur
Hasil model hidrodinamika perairan Kepulauan Seribu pada Bulan Juli 2008 yang mewakili musim timur pada kodisi perairan dalam kondisi Surut menuju pasang disajikan pada Gambar 18.
Gambar 18 Pola hidrodinamika pada saat kondisi msl surut menuju pasang
bahwa pengaruh musiman pada kondisi surut tidak signifikan mempengaruhi pola gerakan arus yang berpengruh pada pola sebaran tumpahan minyak yang terjadi.
Gambar 19 Pola hidrodinamik pada kondisi pasang
Pola arus Kepulauan Seribu pada saat pasang memperlihatkan arus bergerak ke arah barat mengikuti pola perambatan pasut sehingga menunjukkan bahwa
Gambar 20 Pola hidrodinamika pada kondisi pasang menuju surut
Gambar 21 Pola hidrodinamik pada kodisi surut
4.2 Verifikasi Hidrodinamika
4.2.1 Verifikasi Pasut
Verifikasi pasang surut antara hasil model dengan data dari BAKOSURTANAL memperlihatkan korelasi yang cukup baik untuk musim barat dengan tingakat korelasi 97.17%, sedangkan untuk musim timur dengan tingkat korelasi 93.30%, halini mengindikasikan bahwa hasil model hidrodinamika yang dibuat mendekati kodisi sebenarnya yang terjadi di daerah penalitian yaitu Kepulauan Seribu. Hasil korelasi antara pasang surut hasil model dengan pasang surut hasil prediksi dapat dilihat pada Gambar 22 untuk musim barat dan Gambar 23 untuk musim timur yang masing-masing diwakili oleh Bulan Januari dan Bulan Juli tahun 2008.
Gambar 22 Grafik pasang surut antara model dengan data Bakosurtanal selama 2 minggu perekaman Bulan Januari di musim barat
Gambar 23 Grafik pasang surut antara model dengan data Bakosurtanal selama 2 minggu perekaman di Bulan Juli di musim timur
