Keterhantaran Hidrolik dan Permeabilitas :
Kaitan, Perumusan dan Perkembangan Penglompokan
Oleh :
Kemala Sari Lubis,SP,MP
FAKULTAS PERTANIAN
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
DAFTAR ISI
Halaman
Kata Pengantar i
Daftar Isi ii
Pendahuluan 1
Keterhantaran Hidrolik Jenuh 1
Pengukuran Keterhantaran Hidrolik pada Tanah Jenuh di Laboratorium dan Lapangan 1
1. Penentuan Keterhamtaran Hidrolik di Laboratorium Menggunakan Permeameter 1
2. Penentuan Keterhamtaran Hidrolik di Lapangan 1
Pemindahan Air Melalui Tanah pada Kondisi Jenuh 2
1. Hukum Darcy 2
2. Kecepatan Aliran Air (J) 2
3. Gradien Hidrolik 3
Potensial Air 3
Potensial Air Tanah pada Aliran Jenuh 3
Hubungan Antara Permeabillitas dan Keterhantaran Hidrolik 4
Istilah Permeabilitas 4
Keterkaitan Permabilitas dengan Keterhamtara Hdrolik Jenuh 6
Perkembangan Peralihan dari Permeabilitas menjadi Keterhan- taran Hidrolik 7
Sebelum Tahun 2003 7
Tahun 2003 8
Penutup 8
Daftar Pustaka 9
Lampiran 10
Pendahuluan antara 2 variabel yanitu J (kecepatan aliran air) dan i (gradient hidrolik). Kemiringan garis J/I menunjukkan hubungan antara kecepatan aliran air dan gradient hidrolik.
Pengelompokan permeabilitas dan keterhantaran hidrolik jenuh berubah dan mengalami perbaikan sejalan dengan perkembangan ilmu dari tahun 1951 hingga 2003, kecuali untuk kelas tertinggi.
Keterhantaran Hidrolik Jenuh
Keterhantaran hidrolik (K), adalah perbandingan antara debit terhadap gradient hirdolik atau sudut pengaliran dan kurva gradient. Pada tanah jenuh dengan struktur stabil, serta pada media sarang yang mantap seperti batu berpasir, sebagai contoh, keterhantaran hidrolik dicirikan oleh nilai yang tetap. Besarnya sekitar 10-2 – 10-3 cm/detik pada tanah pasir dan 10-4 -10-7 cm/detik untuk tanah-tanah liat. Keterhantaran hidrolik (K) bukan hanya merupakan sifat khas tanah itu sendiri, karena K bergantung pada atribut tanah dan fluida secara bersama-sama. Sifat tanah yang mempengaruhi keterhantaran hidrolik adalah porositas total, distribusi ukuran pori, kelokan secara ringkas adalah geometri pori suatu tanah . Atribut fluida yang mempengaruhi keterhantaran adalah densitas dan viskositass fluida.
Keterhantaran hidrolik jenuh adalah pengukuran secara kuantitatif kemampuan tanah yang dijenuhi air kiriman jika dihubungkan dengan gradient hidrolik. Keterhantaran hidrolik jenuh dipengaruhi oleh tanah dan sifat-sifat cairan. Ini bergantung pada ukuran pori dan juga kekentalan cairan dan kerapatan. Keterhantaran hidrolik jenuh untuk suatu tanah tertentu menjadi lebih rendah jika cairan labih kental daripada air.
Pengukuran Keterhantaran Hidrolik pada Tanah Jenuh di Laboratorium dan Lapangan
1.Penentuan Keterhantaran Hidrolik di Laboratorium Menggunakan Permeameter
2.Penentuan Keterhantaran Hidrolik di Lapangan
Oleh Talisma (1960) dan Boersma (1965 a,b) dalam penentuan keterhantaran hidrolik dilakukan dengan mudah di bawah muka air tanah, seperti dengan metode lubang bor (Luthin, 1957) atau dengan metode pezometer (Johnsn et al., 1952). Cara lain dengan metode tabung ganda (Bouwer, 1961, 1962), metode pemompaan dalam sumur dangkal dan dengan metode permeameter lapangan (Winger,1960).
Pemindahan Air Melalui Tanah pada Kondisi Jenuh
Dalam menghitung pemindahan air melalui tanah pada kondisi jenuh dikenal suatu hukum yakni hukum Darcy yang biasa juga digunakan dalam menghitung permeabilitas. Pada kenyataannya hukum Darcy juga melibatkan keterhantaran hidrolik dan gradient hidrolik sebagai parameter. Hukum Darcy ini melukiskan aliran air pada kondisi jenuh secara kuantitati . Untuk memudahkan kita dalam memahaminya dapat dilihat pada uraian berikut.
1. Hukum Darcy
Hukum Darcy secara kuantitatif merupakan satu ukuran pengaliran air pada tanah jenuh dan dirumuskan sebagai berikut :
q = J = - Ki (pers.1), dimana : J = kecepatan aliran air; K = keterhantaran hidrolik dan i = gradient hidrolik
Tanda negatif menunjukkan K positif dan mempertahankan kesauan arah ; gradient selalu menurun pada/sejalan arah aliran air. Untuk mudahnya, tanda (-) diabaikan pada pembahasan ini. Hukum Darcy menunjukkan bahwa kecepatan aliran air (J) berbanding lurus dengan gradient hidrolik (i). Keterhantaran hidrolik (K) adalah konstansta yang menegaskan hubungan yang sebanding antara kecepatan aliran dengan gradient hidrolik.Ukuran –ukuran yang menentukan kecepatan aliran air dan gradient hidrolik dalam penetapan keterhantaran hidrolik bias bervariasi. Dalam hukum Darcy, keterhantaran hidrolik jenuh adalah konstanta yang menunjukkan hubungan linier antara 2 variabel J dan i (Gambar 3). Kemiringan garis J/i menunjukkan hubungan antara kecepatan aliran air dan gradient hidrolik.
2.Kecepatan Aliran Air (J)
Kecepatan aliran air dirumuskan sebagai berikut :
Gambar 1. Kecepatan aliran air (J) adalah jumlah air (Q) yang lewat melalui irisan me- lintang (A) per satuan waktu (t)
Kecepatan aliran air dapat didefenisikan sebagai pengaliran air dari sebuah pipa air (hose). Kecepatan aliran air adalah tingkat (banyak) air yang keluar melalui pipa air, dibagi dengan luas irisan melintang dari pipa (Contoh : gal/hr in2 atau in3/hr in2 = in/hr).
3.Gradien Hidrolik
Gradien hidrolik melukiskan efektifitas kekuatan pada pemindahan air dan dirumuskan sebagai berikut :
i = H/l (pers.3)
dimana H adalah perbedaan atau perubahan total potensial air antara titik-titik dalam tanah, dan l adalah jarak antara titik-titik. Gradien hidrolik adalah perbedaan total pusat hidrolik per satuan jarak.
Potensial Air Tanah
Potensial Air Tanah pada Aliran Jenuh
Dua kekuatan gerak utama adalah komponen bawah permukaan yaitu pusat tekanan dan hidrolik (H) yang dirumuskan sebagai berikut :
H = Hg + Hp (pers.4)
Dimana : Hg = pusat gravitasi, dimana posisi vertical suatu titik berhubungan dengan kemiringan datum tertentu (lihat datum pada Gambar 2). Persamaan pusat gravitasi positif bila di atas datum atau negatif bila di bawah datum (contoh : pusat potensial dalam cm). Kemiringan relatif berbeda antara suatu titik dan datum menentukan pusat gravitasi (Hg). Pusat gravitasi adalah kerja yang dibutuhkan untuk memindahkan air dari datum ke posisi sekarang (Hig pada Gambar 2). Hp = pusat tekanan akibat bawah permukaan air, memiliki nilai 0 pada permukaan air dan meningkat (memiliki nilai positif) dengan kedalaman mengikuti/di bawah permukaan air) (Contoh : Hip pada Gambar 2). Gambar 2 berikut menunjukkan variabel yang terlibat pada gradient hidrolik. Gambar ini menunjukkan lubang tanah sebagai suatu silinder untuk kedua ukuran : areal irisan melintang dan satu dimensi aliran air vertikal. Total pusat hidrolik pada keduanya yaitu aliran ke dalam (Hi =Hig +H) dan aliran keluar (Ho =0) yang ditentukan oleh datum. Total perbedaan ( H = Hi – Ho) antara aliran ke dalam dan keluar adalah kekuatan gerak untuk aliran air. Efektifitas kekuatan gerak ini bergantung pada jarak (l) antara aliran air ke dalam dan aliran air ke luar ( H) dibagi dengan l (jarak) adalah gerakan hidrolik. Hasilnya adalah suatu peningkata dalam kecepatan aliran atau tingkat aliran.
Gambar 2. Hi dan Ho adalah total pusat hidrolik pada masing-masing aliran ke dalam dan
ke luar. Datum plane adalah pilihan pada keluaran Ho = 0. Perbedaan antara antara Ho dan Hi adalah H. Untuk lubang vertikal dengan datum pada bagian bawah gravitasi (Hig) dan panjang lubang (l ) adalah sama
Konskuensinya, keragaman adalah panjang (kedalaman) bawah permukan (Hip) mendapatkan tingkat aliran air yang efektif. Peningkatan panjang kedalaman bawah permu- kaan (Hip) meningkatkan gradien, yang pada gilirannya meningkatkan kecepatan aliran air
Pemindahan air berasal dari titik-titik yang lebih tinggi ke yang lebih rendah total pusat hidroliknya tanpa melihat apakah titik-titik ada dalam lubang (seperti Gambar 2) atau pada suatu bentang lahan.
1. Pada ilmu tanah, permeabilitas didefenisikan secara kualitatif sebagai pengurangan gas-gas, cairan-cairan atau penetrasi akar tanaman atau lewat melalui suatu massa tanah atau lapisan tanah (SSSA, 2001).
2. Permeabilitas intrinsic menurut Richards (1952) adalah sifat-sifat kuantitatif dari bahan berpori dan dikendalikan semata-mata oleh geometri pori . Tidak seperti keterhantaran hidrolik jenuh, permeabilitas intrinsik tidak bergantung dari kekentalan cairan dan kerapatan. Permeabilitas intrinsic dirumuskan sebagai keterhantaran hidrolik dikali dengan kekentalan cairan dibagi dengan kerapatan cairan dan konstanta gravitasi. Tabel 1 menunjukkan perbandingan keterhantaran hidrolik jenuh dan permeabilitas interinsik.
3. Pada beberapa masalah, permeabilitas digunakan sebagai persamaan untuk Ks (keterhantaran hidrolik jenuh ), meskipun beberapa jumlah lain biasa menggunakan istilah permeabilitas. Sebagai contoh dalam studi permeabilitas oleh Uhland dan O’Neal (1951), kecepatan aliran air (pada kondisi gradient hidrolik >1) diukur sebagai permeabilitas tanah. Hukum Darcy menunjukkan bahwa kecepatan aliran (flux) adalah sama dengan Ks (keterhantaran hidrolik jenuh) hanya jika gradient hidrolik sama dengan 1. Karenanya, nilai kecepatan aliran yang dilaporkan dalam studi ini tidak sama dengan Ks.
(Skopp, 199)
Keterhantar Hidrolik Jenuh (Ks) Permeabilitas (k)
Bergantung suhu Tidak bergantung suhu
Bergantung kekentalan cairan Berhubungan konstan dengan
Kekentalan cairan, berkurangnya cairan merubah struktur tanah
Terjadi perubahan dengan berubahnya Terjadi perubahan dengan berubahnya Struktur struktur
Ukuran-ukuran bergantung pada kecepatan Ukuran-ukuran adalah panjang (cm2); dan gradient; waktu adalah komponen dimana suatu unit area; waktu bukan merupakan komponen
Keterkaitan Permeabilitas dengan Keterhantaran Hidrolik Jenuh
Dalam Hukum Darcy yang dipakai pada permeabilitas, keterhantaran hidrolik jenuh adalah suatu konstanta yang menunjukkan hubungan linier antara 2 variabel J dan I (Gambar 3). Kemiringan garis J/I menunjukkan hubungan antara kecepatan aliran air dan gradient hidrolik. Penyelesaian persamaan Darcy terhadap K menghasilkan J/I (lihat persamaan 5). Kecepatan aliran air menunjukka jumlah pemindahan air dalam arah dan pada suatu tingkat yang proporsional terhadap gradient hidrolik.
horizontal. Penyelesaian Hukum Darcy untuk keterhantaran hidrolik menghasilkan rumus : K = J/I (pers. 5)
Gambar 3. Suatu diagram yang menunjukkan hubungan antara flux dan gradient hidrolik. Keterhantaran hidrolik (K) adalah kemiringan yang menunjukkan hubungan timbal balik. Garis-garis yang dihubungkan menunjukkan bahwa pada gradient hidrolik, tanah dengan keterhantaran yang lebih tinggi memiliki flux yang lebih tinggi. (Hillel, 1980).
gradient hidrolik adalah kekuatan bergerak disamping flux (tidak bergantung gambar 3) dan keterhantaran hidrolik secara proporsional adalah konstan yang menunjukkan hubungan timbal balik antara keduanya. Keterhantaran hidrolik adalah suatu sifat penting karena dapat digunakan untuk menghitung hubungan kecepatan aliran (flux) dari suatu gradient hidrolik.
Perkembangan Peralihan dari Permebilitas menjadi Keterhantaran Hidrolik
Sebelum Tahun 2003
Dua pengelompokan permeabilitas adalah sesuai dan tidak sesuai. Uhland dan O’Neal (1951) mengevaluasi tingkat perkolasi sekitar 900 tanah. Mereka mendefenisikan kelas-kelas permeabilitas melalui distribusi data perkolasi yang sama antara tujuh kelas-kelas-kelas-kelas tetantatif (Lampiran 2). Dengan mengikuti data perkolasi, mereka juga mempelajari 14 sifat morfologi tanah yang mempengaruhi perpindahan air dan yang dapat digunakan untuk memprediksi kelas-kelas permeabilitas. Karena pengaruh manajemen pada horiozn permukaan, mereka memekankan kajian terhadap horizon di bawah lapisan permukaan. Kelas-kelas ini dipublikasi oleh Soil Survey Manual tahun 1951 (Soil Survey Staff, 1951). Pada tahun 1963, Komite Nasional Kelembaban Tanah (NCSS) menyusun suatu kelas/sub kelas “ skema pilihan” dengan lima hingga tujuh kelas (Tabel 2) (Soil Survey Division, 1997). Proposal ini telah diterima. Pada tahun1969 laporan akhir dari Komite Nasional Kelembaban Tanah (NCSS) adalah metoda lubang Uhland seharusnya digunakan untuk aliran jenuh (contoh : penempatan kelas permeabilitas) dan metoda auger hole seharusnya digunakan untuk kesesuaian lahan dainase (Soil Survey Division, 1997). Pada tahun 1969 Komite Nasional Kelembaban Tanah (NCSS) merekomendasikan bahwa istilah : ……keterhantaran hidrolik jenuh digunakan untuk data yang menunjukkan suatu kecepatan dan diperoleh melalui analisis menggunakan hukum Darcy pada lubang yang dijenuhi”.
pemisahan (seperti 0,01 – 0,1; 0,1 – 1, 1 -10, dan seterusnya) dengan satuan SI yakni m/detik.
Pada tahun 1981, Soil Survey Manual melalui direksi nasional mengurangi kelas Paetszold’s untuk keterhantaran hidrolik . Pengurangan kelas dengan meningkatkan batasan kelad dari 3 fold menjadi 10 fold. Pada tahun 1983 Buku Pegangan Tanah Nasional mempublikasi kelas-kelas untuk keterhantaran hidrolik jenuh dan permeabilitas .
Pada tahun 1993, Buku Pegangan Survey Tanah Nasional menambah kelas-kelas keterhantaran hidrolik jenuh dan menetapkan kelas permeabilitas dengan menambah 8 kelas (lihat kolom “1996” pada Lampiran 2).
Tahun 2003
Untuk menyelesaikan masalah keterhantaran hidrolik, tahun 2003 Bagian Survey Tanah melaporkan kelas-kelas keterhantaran hidrolik sebagai standar untuk komunikasi pemindahan air pada survey tanah kooperatif nasional. Kesimpulan ini merupakan gabungan semua rekomendasi dari komite regional dan nasional mulai tahun 1960 dan kulminasi oleh direksi nasional , pada tahun 1981 penyebaran kelas keterhantaran hidrolik telah direvisi Soil Survey Manual. Kelas permeabilitas dan kebanyakan referensi untuk permeabilitas dipindahkan dari National Soil Survey Handbook dan diganti dengan kelas keterhantaran hidrolik jenuh dari Soil Survey Manual tahun 1993.
Penutup
Tulisan ini menjelaskan hukum Darcy yang merupakan suatu hukum yang dipakai dalam pengukuran permeabilitas tanah. Namun pada hakekatnya aliran air dalam tanah tidak terlepas dari gradient hidrolik yang terjadi akibat perbedaan ketinggian permukaan air dalam sutau kolom air tanah ( H) dibandingkan kedalaman kolom air tanah. Dengan demikian jumlah air yang mengalir pada suatu kolom air yang jenuh merupakan resultan keterhantaran hidrolik dengan gradient hidrolik , luas areal dan waktu (Q= Ki At mengingat J =Q/At).
Adanya keterkaitan antara kerterhantaran hidrolik jenuh dengan permeabilitas ditunjukkan oleh hubungan yang berbanding lurus antara keterhantaran hidrolik dengan kecepatan aliran (J). Sementara itu kecepatan aliran merupakan perbandingan jumlah air yang lewat melalui irisan melintang suatu area per unit waktu (J = Q/At). Semakin tinggi kecapatan aliran air semakin besar keterhantaran hidrolik. Ini terjadi pada tanah berpasir. Sebaliknya kecepatan aliran air menurun pada tanah berliat yang selanjutnya menunjukkan penurunan keterhantaran hidrolik pada tanah berliat tersebut.
Franzmeier,D.P.,B.R.Brasher, and S.J.Ross,Jr. Soil percolation rates during sustained testing. December 1964. Mimeographed.
Hillel, D.1980. Fundamentals of soil physiscs. Academic Press. New York,NY.
Mason,D.D., J.F.Lutz, and R.G.Petersen. 1957. Hidraulyc conductivity as related to certain soil properties in a number of great soil groups- sampling errors involved. Soil
Skopp,J. 1994. Class notes: Physical concept of soils. University of Nebraska, Lincoln, Nebraska.
Soil Science Society of America. 2001. Glossary of soil science term {Online}. Available at http://www.soil.org/sssaglos/ (verified November 23,2004).
Soil Survey Division Staff. 1993. Soil survey manual. United States Department of Agriculture, Soil Conservation Service, Agricultural Handbook No. 18.U.S. Government Printing Office, Washington,D.C.
Soil Survey Division. 199. Proceedings of National and Rrgional Cooperative Soil Survey Conference-1963-1996. United States Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service. Available on CD-ROM from the National Soil Survey Center, Lincoln,NE.
Soil Survey Staff. 1951. Soil survey manual. United States Department of Agriculture, Soil Conservation Service, Agricultural Handbook No. 18. U.S. Government Printing Office. Washington, D.C.
Soil Survey Staff. 1983. Natioal Soil Handbook, title 430-VI. United States Department of Agriculture, Soil Conservation Service, U.S. Government Printing Office, Washington,D.C. Uhland, R.E. and A.M.O’Neal. 1951. Soil permeability determination for use in soil and water conservation. SCS-TP-101. United States of Agriculture, Soil Conservation Servise, Washington,D.C.
• NCSS – National Cooperative Soil Survey
