Pengembangan Model untuk DAS
Bagiawan dan
'Peneliti Bidang Hidrologi, Sumber Daya Air Peneliti Hidrologi, Sumber Daya Air
Abstract
The population g r o w t h without being followed by the rising in the living standard will cause a great competition and conflict due t o the water quality and water shortage problems. Land exploitation would cause a bad impact towards the natural habitats and environments. The catchment ecosystem has a major role in avoiding natural disasters such as floods and droughts. Catchments' conservation is required t o reduce these risks (floods, erosion, sedimentation, drought, The catchment and climate change will have a major impact towards water flows. Events such as the uncontrol forest tree cutting, the changes in land usage may cause erosion, sedimentation, flood, and drought. This would make the constructed hydrological structures not t o function as they required. In order t o observe these catchment characteristic change, a combined hydrological model w i t h is implemented. Digital Map, DEM, and hydrologicaldata, andcatchmentcharacteristicsare required t o implement this methodology. The combined hydrological and hydraulic model has been applied t o approximate t h e amount of floods in Jakarta which comes from Ciliwungcatchments in different rainy period. By simulating t h e combined model, one can predict the flood occurrence which then can plan a flood counter measure which minimizes the flood impact.
Pertumbuhan penduduk perlu diikuti dengan meningkatnya kegiatan ekonomi dan perbaikan akan standar kehidupan, bila tidak terjadi keseimbangan maka akan pada peningkatan kompetisi
konflik karena keterbatasan kuantitas air permukaan air Penduduk mengeksploitir lahan sumber daya yang berlebihan, akan mengakibatkan pengaruh negatif
kelestarian sumber daya air. Pengelolaan dengan pendekatan sektoral masih mendominasi, pada pengelolaan sumber daya yang terpecah-pecah tidak terkoordinasi; sehingga masalah tidak dapat dipecahkan secara menyeluruh yang disebabkan oleh yang tidak
Lokakarya DAS: pengembangan Data" September 2007
alih fungsi lahan dan pengembangan yang tidak terkendali mengakibatkan banjir, kekeringan dan erosi-sedimentasi. ini terjadi maka sarana prasarana yang telah dibuat menjadi tidak optimal lagi. Untuk d a p a t mengetahui
mana pengaruh perubahan suatu DAS akan berdampak pada perubahan d a p a t dilakukan dengan melakukan pemodelan hidrologi yang digabungkan dengan pendekatan CIS agar mampu menggambarkan spasial sehingga sirkulasi air yang jatuh pada suatu DAS d a n dampaknya dapat diketahui. Pemodelan suatu DAS dengan memasukkan semua komponen karakteristik iklim, hujan d a n karakteristik DAS-nya seperti penutup lahan, kemiringan, bentuk DAS, panjang sungai d a n lain sebagainya rnerupakan yang perlu dilakukan jika akan melakukan simulasi d a n optimasi terhadap berbagai alternatif pengelolaan DAS.
Pernodelan DAS d a p a t dilakukan dengan menterjernahkan proses hidrologi dan komponennya kedalam persamaan-persamaan rnatematik d a n bila persamaan- persamaan d a p a t dipecahkan maka parameter dan variabel yang dimasukkan dalarn pembentukan model d a p a t diketahui. Untuk d a p a t mensimulasikan perubahan karakteristik DAS a n d karakteristik iklim dalam suatu DAS secara spasial perlu mengembangkan model DEM, model hidrologi, model hidrolika d a n yang didukung oleh data hidrologi, peta digital serta data karakteristik DAS-nya. Cabungan model DEM, hidrologi, model hidrolika dan ini diaplikasikan untuk memperkirakan aliran banjir dari suatu DAS dan Jaringan sungainya serta untuk menentukan peil banjir untuk berbagai periode ulang hujan. Dengan rnengkombinasikan model d a n mensimulasi beberapa alternatif pengelolaan maka informasi yang dari beberapa skenario pengelolaan dapat digunakan sebagai pedoman dalam pengelolaan DAS.
d a n
Maksud dari makalah ini adalah untuk memberikan garnbaran
pengembangan model DEM, hidrologi, hidrolika dan yang m a m p u untuk mensimulasi- kan hubungan antara hujan d a n aliran serta kondisi DAS-nya sehingga dampak dari perubahan karakteristik iklim, DAS d a n lingkungan d a p a t d a n diketahui. Tujuan studi adalah untuk memberikan masukan kepada pengambil kebijakan dalam merencanakan tahapan-tahapan aktivitas yang perlu dilakukan t e r h a d a p berbagai alternatif skenario kondisi perubahan iklim dan DAS.
Lingkup dari makalah ini d a p a t diringkas sebagai berikut: Mengembangkan konsep d a n untuk pengelolaan DAS
Memodelkan hubungan antara hujan, karakteristik DAS d a n aliran
Mengumpulkan data d a n rnengidentifikasi kondisidan karakteristikdaerah tangkapan, karakteristik hujan d a n karakteristikaliran
Menyiapkan dan menganalisa karakteristik hujan, karakteristik aliran, karakteristik daerah tangkapan d a n pasangsurut
Membuat kondisi peil banjir untuk berbagai perioda ulang hujan sebagai respon dari suatu kondisi DAS.
Pengembangan Model u n t u k DAS
2. dan
2.1. Pendekatan
Beberapa dan pendekatan telah digunakan untuk menyiapkan
karakteristik hujan dan wilayah tangkapan sebagai data masukan dalam model
gabungan yangdikembangkan. Makalah ini pengembangan model DEM, model
hidrologi dan hidrolik serta untuk dapat mensimulasikan kondisi iklim dan DAS dan
pengaruhnya terhadap aliran yang terjadi serta kondisi banjirakibat hujan
dengan berbagai periode ulangnya.
Model hidrologi yang akan dibangun merupakan model berdasarkan Peubah
hidroiogi direpresentasikan dalam grid-grid bujur sangkar. Peubah yang digunakan sebagai masukan model dibedakan menjadi dua jenis, yaitu peubah statik dan peubah dinamik.
Peubah statik dianggap tidak terhadap waktu yang kemiringan
aspek, koefisien abstraksi dan koefisien kekasaran manning, sedangkan peubah dinamik
dianggap terhadap waktu yaitu hujan. Peubah hujan dapat dinyatakan dalam
harian atau mingguan. Gambar menampilkan hubungan model dan peubah
hidrologi. Struktur model keseluruhan yang dikembangkan yang merupakan kaitan model
hidrologi dan spasial dalam bentuk alir disajikan dalam Gambar 2.
Pengukuran
Gambar Hubungan model dan peubah hidrologi
ini terdiri dari beberapa model, termasuk model hidrologi dan hidrolika, yang diintegrasikan dengan untuk menampilkan analisa ruang tiga dimensi. Untuk analisa tersebut, ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi, diantaranya adalah peta digital, DEM serta data non-spasial seperti hujan, debit
aliran, penampangmemanjangdan melintangsungai serta fasilitas air.
Data" 5 September 2007
DEM adalah model permukaan yang dapat divisualisasikan dengan
Model menggambarkan titik-titik, garis-garis dan area poligon yang mewakili
elevasi permukaan ini kemudian diolah menggunakan
jaringan segitiga tak beraturan untuk menghasilkan grid-grid elevasi yang digunakan untuk
menyediakan informasi kedalaman wilayah banjir atau genangan banjir.
banjir yang akan dilakukan dapat dibagi dalam tiga kelompok aktivitas, yaitu
data hidrologi, spasial pengembangan model hidrologi dan hidrolika.
2. alir desain model
2.3. Data
data hidrologi mencakup penentuan hujan rata-rata harian atau aliran dasar, waktu konsentrasi atau perjalanan, konsistensi dan debit rata-rata
harian atau jam-jaman. Data hujan yang dari akan didistribusikan
dalam semua grid dalam wilayah studi menggunakan Thiessen yang akan
dijelaskan dalam spasial. Waktu konsentrasi sangatlah penting untuk menentukan
unit hidrograf berdasarkan waktu-luas yang dihasilkan dari spasial dan pengoiahan DEM.
Pengembangan Model untuk DAS
2.4.
spasial mencakup pengolahan DEM, penentuan koefisien dan distribusi hujan. Pengolahan DEM meliputi semua d a t a DEM sampai diperoleh suatu jaringan aliran yang mewakili kondisi nyata. spasial meliputi penentuan dimensi grid, perhitungan kemiringan setiap sel, penentuan arah aliran, daerah tangkapan dan penataan saluran sungai bersama penyusunan aigoritma dan program komputer.
a. Pengolahan DEM
Dengan menggunakan DEM, akan dimungkinkan penyajian informasi mengenai morfologi permukaan yang berguna dalam prediksi hidrologi. Dengan algoritma yang telah dikembangkan, elevasi digital d a p a t diuraikan dalam
parameter hidrologi seperti kemiringan, aspek, vektor arah aliran dan jaringan drainase. Jaringan drainase mengidentifikasi aliran di permukaan
Pengolahan DEM yang akan dilakukan mencakup penggabungan DEM, pengisian cekungan, penentuan vektor aliran, penentuan daerah tangkapan, penentuan aliran
penentuan saluran dan jaringan drainase.
Penggabungan DEM
Penentuan dimensi sel grid menjadi p e n t i n g ketika jumlah grid mempengaruhi kapasitas memori dan kecepatan pengolahan komputer.
c. Pengisian Cekungan
Sebelum proses penguraian untuk mendapatkan parameter-parameter hidrologi, DEM harus dimanipulasi terlebih dahulu dengan mengidentifikasi daerah-daerah cekungan d a n mengisinya d e n g a n mengubah elevasi-elevasinya. Proses ini dilaksanakan secara otomatis dalam program sernua cekungan terisi, parameter-parameter hidrologi seperti kemiringan, arah aliran d a n jaringan aliran dapat ditentukan.
d. Kerniringan Aliran
Kondisi topografi menentukan reaksi hidrologi suatu daerahtangkapan. Agarsuatu prediksi hidrologi yangsignifikan dapat diperoleh untuksuatu daerah tangkapan dalam skala yang lebih kecil, variasi spasial (ketidakteraturan) dari proses-proses hidrologi harus dihitung (Moore e t muka secara otomatis menggunakan DEM memungkinkan penyajian inforrnasi morfologi permukaan
DAS: pengembangan Data" September 2007
Gambar 3. DEM dan Ketentuan Penomoran Grid
Dalam istilah yang khusus, penurunan-penurunan yang digunakan
diekspresikan sebagai berikut (Moore et
kemiringan dapat dihitungseperti berikut ini:
atau dengan menggunakan data elevasi, kemiringan dapat dihitung dengan:
dimana: z =
i = penomoran grid
I untuk arah NSEW (North, South, East and West) dan untuk arah NE, NW (Northeast, Southeast, Southwest and Northwest) = dirnensi-dimensi grid
Aspek dapat dihitung menggunakan
Berdasarkan pada kemiringan dan aspek, arah aliran (AALIR) dapat ditentukan dengan
Model untuk DAS
Dengan j adalah delapan arah utama seperti yangditunjukkan dalam matriks berikut: 64
X 2
16 8 4
P a r a m e t e r berikutnya y a n g p e n t i n g untuk diperoleh d a l a m p e m o d e l a n adalah akumulasi aliran yang nilai-nilainya sama dengan aliran menuju akumulasi. Proses skematisasi perhitungan parameter-parameter topografi ditunjukkan dalam Gambar 4.
4. Penurunan Kemiringan, Aspek, Arah Aliran d a n Aliran
2.5.
Apabila hujan turun di daerah tangkapan, air akan mengalir ke arah titik keluaran yang ditentukan. Daerah tangkapan memiliki perbendaharaan hidrologi d e n g a n yang karakteristik a t a u identitas suatu daerah tangkapan. Perbendaharaan diantaranya adalah luas wilayah tangkapan tersebut, jaringan dan pengaturan aliran, kemiringan dan kemiringan rata-rata, hujan dan ratanya, koefisien limpasan, waktu konsentrasi d a n unit hidrograf yangterkait.
Aliran
mekanika fluida, studi mengenai persamaan aliran fluida dalam sistem pengukuran yang berbeda-beda merupakan yang penting dalam penerapan pemodelan pada bentuk yang lebih besar. Studi kuantitatif t e r h a d a p jaringan aliran diperkenalkan oleh Horton (1945). Dia mengembangkan s u a t u sistem jaringan pengaturan aliran d a n memperoleh batasan-batasannya (aksioma) sehubungan dengan jumlahdan panjangaliran dalam berbagai orde.
Poligon Thiessen adalah suatu pendekatan hidrologi untuk menentukan distribusi hujan secara
2.8. Distribusi
Prosiding "Sistem DAS: pengembangan Data" September 2007
= C 3 lahan,
Dengan C adalah faktor pemberat yang nilainya dapat ditentukan berdasarkan kalibrasi.
2.9. Model
menghitung koefisien limpasan, model akan dikalibrasi terhadap
data pengamatan yang ada untuk memperoleh nilai-nilai parameter DAS atau sub-DAS. dengan model trial-and-error dilaksanakan sampai diperoleh hubungan yang baik
antara debit yang teramati dengan debit dari hidrologi dan
rnengidentifikasi parameter-parameter model tersebut, pengujian
dilakukan menggunakan data dari kasus-kasus lain. Apabila pengujian rnernberikan hasil yang baik antara debit yang teramati dengan yang terhitung maka parameter-parameter dapat dikatakan stabil. tidak demikian maka proses kalibrasi harus diulang kembali.
Persarnaan dalarn Model
Persamaan Kontinuitas
Persamaan Momentum
Dimana menyatakan debit, A luas rerata, x jarak dalam arah aliran, q aliran lateral, So kemiringan dasar saluran, dan adalah kemiringan akibat gaya gesek.
Model Kota Metropolitan Jakarta
Konsep umum pengendalian banjir di Jakarta dapat dilihat pada Gambar Dalarn konsep tersebut, banjir dari hulu dari daerah tangkapan didistribusikan ke banjir dan kanal banjir timur yang disarankan. Daerah-daerah tangkapan di Jakarta dibagi ke dalam dua bagian, yaitu bagian daerah dengan aliran air gravitasi dan bagian
daerah di dimana airtidakdapat mengaiirdengan menuju akibat
muka air laut yang tinggi dan kondisi topografi wilayah tersebut. Pendekatan dan rnetodologi pengendalian banjirdapat diketahui dari Garnbar 6.
Debit banjir yang ke wilayah DKI Jakarta dari hulu dengan
menggunakan model gabungan hidrologi, hidrolika dan sehingga masing-masing
anak sungai yang rnasuk dapat dimodelkan dan diketahui berapa besarnya debit aliran DAS akibat hujan yangterjadi serta waktu terjadinya banjir.
Suatu model rainfall-runoff digunakan untuk mensimulasikan hidrograf banjir untuk berbagai periode ulang. Sebelum melakukan simulasi berbagai alternatif penanggulangan banjir perlu melakukan kalibrasi dan verifikasi terhadap model yang diaplikasikan untukmendapatkan dari parameter model.
Model DAS
CONCEPT OF
5. Konsep Pengendalian Banjir
DAS: September 2007
Parameter model yang perlu meliputi CN, n dan slope. Dengan membandingkan Q perhitungan dan Q observasi. Jika Q perhitungan tidak sama dengan Q observasi perlu dilakukan koreksi nilai CN dengan trial and error. Jika kurva parabolik banjir hitungan tidak sesuai dengan historisnya maka yang dikoreksi adalah nilai n
kerniringannya. Demikian terus dilakukan trial and error sehingga didapatkan Q perhitungan mendekati Q observasi. 7 dan 8 perbandingan data pengukuran (titik-titik rnerah muda) dan hasil prognosa dilakukan serangkaian kalibrasi biru). Data dan hidrograf banjiryang dipergunakan untuk kalibrasi masing-masing adalah data 18 Januari dan Februari Data hujan diambil dari stasiun hujan Citeko dan Ciawi. Sedangkan data dari Pos Duga
Perbandingan data atau observasi dan hasii prognosa model kalibrasi, dengan periode 18 Januari
8. Perbandingan atau observasi dan prognosa model kalibrasi, dengan periode Februari
Pengembangan Model untuk
Hidrograf simulasi hasil kalibrasi yang paling mendekati hidrograf pengukuran adalah hidrograf bergaris biru dengan koreksi nilai CN dan Koefisien Manning (n) seperti
pada Sedangkan nilai n untuk di saluran seperti pada Untuk mengetahui
sejauh mana atau kemiripan hidrograf hasil pengukuran atau observasi dengan
hasil model kalibrasi, maka diperlukan uji koefisien determinasi, yaitu perbandingan selisih kuadrat (beda observasi dan model) dan kuadrat (beda observasi dan rata-rata observasio) dengan kuadrat (beda observasi dan rata-rata observasi). Perhitungan koefisien determinasi dari hasil kalibrasi dan observasi untuk kejadian hujan dan banjir
18 Januari dan Februari cukup tinggi, yaitu masing-masing
dan 0.85.
Koefisien dan CN dilakukan kalibrasi parameter.
koefisien kekasaran Manning (n) kalibrasi pada saluran atau sungai
order sungai atau
input kedalam model simulasi dipersiapkan data karakteristik
Pengolahan data hujan dilakukan untuk menentukan hujan rencana pada
pengembangan Data" 5 September 2007
Gambar g. Hujan Rencana
Untuk mendapatkan hidrograf banjir dilakukan dengan input hujan rencana dengan berbagai periode ulang (yang terlebih dahulu didistribusikan ke periode jam-jaman) dan dengan model yang telah dikembangkan serta parameter yang telah dikaiibrasi dan verifikasi maka didapatkan hidrograf banjir rencana untuk berbagai periode ulang hujan rencana. Hidrograf banjir untuk berbagai periode ulang
dapatdilihat pada Gambar
Gambar Hidrograf Banjir Rencana
Untuk mendapatkan peil banjir dan visualisasinya, harus dilakukan tahap-tahap keruangan seperti pada Gambar Sebagai dasar penentuan peil banjir
harus ada grid ketinggian yang didapatkan dari pengolahan dari semua informasi ketinggian baik berupa kontur, break line atau titik-titik ketinggian. Grid ketinggian ini sedapat mungkin harus mendekati keadaan yang sebenarnya di Jika ada keraguan lebih baik dilakukan periksi (cross check). pihak, ada grid tinggi genang yang didapatkan berdasarkan kedalaman g e n a n g pada titik-titik genang. Sebelum dilakukan pengolahan DEM. Nilai kedalaman g e n a n g harus dijadikan nilai
Pengembangan Model
Dimana
: ketinggian genang pada : kedalaman genang pada
: ketinggian muka pada dengan datum muka = meter.
Titik-titik ketinggian genang ini kemudian dijadikan TIN
Networking), dan kemudian dikonversi grid dengan ukuran sama dengan grid ketinggian tanahnya. Langkah berikutnya adalah membandingkan antara grid ketinggian dan grid tinggi genang. Perbandingan dilakukan per sel-grid pada posisi yang sama. Ketinggian sel dibandingkan dengan Jika tinggi genang lebih besar dari ketinggian peil banjir sarna dengan tinggi genang dikurangi ketinggian.
tinggi genang sama dengan atau kebih dari ketinggian, maka peil sama dengan nol. dilakukan tahap ini untuk sel-grid didapatkan grid peil Langkah terakhir adalah memvisualisasikan atau menampilkan nilai peil banjir untuk semua set-grid ini pada layar monitor dengan variasi warna berdasarkan nilai peil banjirnya.
Pengendalian banjir secara non-struktural dilaksanakan dengan memanfaatkan peramalan Model gabungan yang yang terdiri dari model
DEM dan telah banjir yang terjadi di masing-masing anak sungai yang ke Jakarta. Dengan memasukkan Data DEM, dan data rencana untuk berbagai periode ulang, model gabungan digunakan untuk menentukan genangan untuk berbagai periode ulang banjir. peramalan banjir dapat dilihat pada Gambar 12 sedangkan hasil tinggi genangan banjir dapat diketahuidari
Pengembangan Model DAS
dan Saran
Konsep penggabungan beberapa model mampu untuk mensimulasikan kondisi
aliran akibat perubahan dan tata guna lahan dampaknya sehingga dapat
digunakan sebagai suatu masukkan dalam penanganan daerah banjir
khususnya dan pengelolaan DAS pada umumnya.
dapat diestimasi pada suatu DAS dengan pengukuran maupun pengukuran dengan menggunakan penggabungan beberapa model yang terlebih dahulu dikalibrasi.
Tinggi genangan banjir untuk berbagai periode ulangdapat ditentukan
ar
Arnold JG, BA and R. Srinivasan. Continuous Time Cell Watershed Model;.
Application of Advanced Information Technologies: Effective Management of Natural Resource. ASAE Publication
Borrough PA. 1986. Principles of Geographical Information System for Land Assessment. Oxford
S. Adapting a Physically Based Hydrological Model with a Geographic Information System for Runoff Prediction in a Small Watershed. diss., Civ. Eng., Purdue University, West Lafayette, Indiana
