Aplikasi Potensial Air Tanah
Oleh
Kemala Sari Lubis,SP,MP
Fakultas Pertanian
Ubiversitas Sumatera Utara
M e d a n
2 0 0 7
Kata Pengantar
Syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Subhana Wata’ala yang
telah memberikan kemudahan dan kelapangan pikiran maupun waktu
kepada penulis dalam menyelesaikan tulisan ini.
Tulisan ini berjudul
“Aplikasi Potensial Air Tanah”
yang berisikan
tentang konsep-konsep potensial air, potensial matrik, potensial pelarut,
potensial gravitasi dan perumusan masing-masing berikut beberapa contoh
soal. Rumusan-rumusan yang diuraikan dapat diaplikasikan untuk
meyelesaikan masalah-masalah yang berkaitan potensial air tanah pada
kondisi tertentu yang ditemukan di lapangan.
Penulis mengucapkan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada
Mr.Hanks dan Mr. Ashcroft yang telah menyumbangkan ilmu
pengetahuannya kepada penulis. Semoga tulisan ini bermanfaat bagi para
pembaca terutama yang berminat pada ilmu-ilmu tanah.
Medan, April 2007
Penulis
Daftar Isi
Halaman
KataPengantar ………..i
DaftarIsi ……….ii
Daftar Tabel ………iii
Pendahuluan .……….1
Suhu Tanah ……….………2
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Suhu Tanah ...……… ……….2
Faktor Lingkungan ……….………..2
Faktor Tanah ………3
Panas Tanah ………..………..4
Kandungan Panas ………..………..4
Kapasitas Panas ……….………..4
Keterhantaran Panas ………..………..6
Contoh Soal ……….6
Aliran Panas Tanah ……….7
Aliran Panas pada Kondisi Tetap ………7
Aliran Panas pada Kondisi Tidak Tetap ………...10
Beberapa Contoh Soal ………..11
Penutup ……….12
Daftar Pustaka ………...13
Daftar Tabel
No. Tabel Halaman 1. Rata-rata suhu tanah yang diukur di Manhattan, Kansas pada periode
Juni ………2
Daftar Tabel
No. Tabel Halaman 1. Nilai Potensial Matrik pada Empat Kondisi Tanah ……….4
Daftar Gambar
No. Gambar Halaman 1. Pipa keramik dalam tanah yang dihubungkan dengan manometer air
membentuk suatu tensiometer. Potensial matrik berat air tanah pada pipa berjarak vertikal dari pipa ke level air dalam manometer ( m =
-15 cm)………..……… 3
2. Tensiometer dibuat dengan menguhungkan pipa keramik ke mano- meter merkuri melalui tabung yang diisi air. Simbol berhubungan
dengan persamaan 4 dan 7………..………….. 3
3. Tabung piezometer yang digunakan untuk menentukan level muka air dalam tanah dan dapat digunakan untuk menentukan potensial te- kanan air tanah. Potensial tekanan pada titik dalam tanah adalah ja-
rak antara titik dan level air pada tabung piezometer….………. 3
Pendahuluan
Air tanah berhubungan dengan aspek-aspek beragam dari kandungan air tanah. Beberapa penyelidikan meyakinkan kita bahwa adanya keharusan untuk mendefenisikan sifa-sifat yang berhubungan dengan air tanah berdasarkan keadaan-keadaan berikut.. Pertama, tanah yang diperlakukan sama memiliki kandungan air yang berbeda. Kedua, tanah selalu tumbuh pada tanah yang berbeda meskipun memiliki kandungan air yang sama. Ketiga, jika tanah dengan kandungan air yang sama tetapi dengan tekstur yang berbeda di tempatkan dalam kondisi berhubungan satu dengan lainnya, air biasnya akan mengalir dari satu tanah ke tanah lain. Secara umum akan mengalir dari tanah bertekstur kasar ke tanah bertekstur halus.
Ada dua metoda dalam mencirikan atau mengukur air dalam tanah. Pertama, mengukur jumlah air dalam tanah. Pendekatan ini berdasarkan kondisi kandungan air tanah. Kedua, mengukur jumlah air dalam tanah dengan mengukur keadaan energi air. Pendekatan ini berdasarkan kondisi potensial air tanah.
Air, seperti semua bahan dapat melibatkan dua energi, yakni energi kinetik dan energi potensial. Potensial air mencirikan energi potensial air dalam tanah. Energi potensial didefenisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja. Energi potensial absolut suatu objek tidak dapat diukur. Namun, perbedaan atau perubahan energi potensial dapat diukur. Perbedaan dan perubahan dalam energi potensial dapat diukur dalam istilah kerja. Perbedaan energi potensial antara dua objek secara numeric sama dengan kerja yang dibutuhkan untuk memindahkan objek-objek ke kondisi atau lokasi yang sama. Kerja, dan perubahanenergi potensial dapat positif atau negatif.
Potensial Air Tanah
Potensial air secara didefenisikan sebagai jumlah kerja sejumlah air pada suatu keseimbangan sistem air - tanah (air - tanaman) yang mampu bekerja jika bergerak menuju simpanan air dalam keadaan tetap dan suhu yang sama. Potensial air tanah dapat didefenisikan dalam dua pengertian berikut :
1. Kerja yang dilakukan per satuan jumlah air, melalui air tanah yang berpindah secara isothermal, dan dapat balik dari tanah ke keadaan tertentu;
2. Perbedaan energi potensial per satuan jumlah air antara air tanah dan air pada keadaan tertentu.
tetap harus terjadi melalui membrane semipermeabel. Potensial air lebih mudah dipahami jika kita memecahnya menjadi komponen potensial. Untuk potensial air , w, dapat ditulis sebagai berikut :
w = p + s + m …………pers.1
dimana p adalah potensial tekanan, s adalah potensial larutan dan m adalah potensial
matrik. Juga dapat didefenisikan potensial gravitasi, z, yang jika digabung dengan
potensial air, w, menghasilkan potensial total air , t, yakni :
t = w + z ……….pers.2
Semua potensial didefenisikan dengan hubungannya terhadap satuan jumlah air; satuan potensial akan bergantung pada cara mengkhususkan satuan jumlah air. Satuan potensial berhubungan erat dengan 3 metoda pengelompokan suatu jumlah air yang didasarkan pada sistem SI.
1. Jika jumlah air ditunjukkan sebagai suatu massa, satuan potensial adalah ergs/g. 2. Jika jumlah air ditunjukkan sebagai suatu volume, satuan potensial adalah
dynes/cm2.
3. Jika jumlah yang ditunjukkan sebagai berat, satuan potensial adalah cm air.
Mengubah dari satu pasang satuan ke satuan lain dengan cara mengkalikan atau membagi dengan faktor pengubah yang sesuai.
Potensial Gravitasi ( z)
Berat adalah salah satu dari metoda paling sering digunakan dalam mengelompokkan satuan air. Dalam hal ini, z, adalah kemiringan yang berbeda antara
titik yang ditanyakan dan titik yang telah ditetapkan. Jika titik yang ditanyakan di atas titik yang ditetapkan, z adalah positif; jikan titik yang ditanyakan di bawah titik yang
ditetapkan, z adalah negatif. Potensial gravitasi tidak bergantung pada sifat-sifat tanah,
hanya bergantung pada jarak vertikal antara titik yang ditanyakan dan titik yang ditetapkan. Potensial gravitasi adalah energi potensial dalam pengaruh gaya gravitasi di lapangan. Biasanya betanda nol pada muka air. Peningkatan 1 bar untuk tiap 1,020 cm di atas muka air.
Potensial Matrik ( m)
tanah lebih halus memiliki potensial matrik lebih rendah. Jika sejumlah air ditunjukkan dalam satuan berat, lalu m pada satu titik adalah ukuran vertikal antara titik ini dalam tanah dan permukaan air dari suatu manometer yang diisi air dan dihubungkan dengan suatu titik sembarang di dalam tanah melalui pipa keramik (lihat Gambar 1).
Gambar 1. Pipa keramik dimasukkan dalam tanah yang dihubungkan dengan manometer air membentuk suatu tensiometer. Potensial matrik berat dari air tanah pada pipa adalah berjarak vertikal dari pipa ke level air dalam manometer ( m = = -15 cm)
Gambar 2. Tensiometer yang dibangun dengan menghubungkan suatu pipa keramik dengan manometer merkuri melalui tabung yang diisi air. Simbol yang digambarkan berhubungan dengan persama- an 4 dan 7 yang dapat digunakan untuk menghitung potensial matrik.
Gambar 3. Tabung piezometer yang digunakan untuk menentukan level muka air dalam tanah dan juga digunakan untuk menentukan potensial tekanan air tanah. Potensial tekanan pada suatu titik dalam tanah adalah jarak antara titik dan level air dalam tabung piezometer. Lalu potensial tekanan pada titik A adalah 10 cm.
Potensial matrik adalah sifat dinamik dari tanah. Pada tanah jenuh, m adalah nol.
Tabel 1. Nilai Potensial Matrik pada Empat Kondisi Air Tanah
Istilah pF adalah logaritma tekanan matrik jika tekanan matrik ditunjukkan dalam cm air
Secara teori potensial air apat diukur dengan tensiometer seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. Secara praktis, tidak diperoleh pembacaan dari jenis tensiometer ini. Seca ra komersial alat-alat yang tersediaselajutnya dimodifikasi sehingga manometer air diganti dengan manometer merkuri atau dengan suatu gage vakum .
Manometer Merkuri
Suatu jarak, z (Gambar 2) disebut sebagai jarak dari kolom merkuri ke pusat pipa keramik. Suatu jarak kedua,zHg, disebut jaraj dari permukaan kolom merkuri ke
permukaan merkuri dalam pembuangan (reservoir). Untuk kondisi ini, potensial berat matrik, m, disebut oleh Taylor and Ashcroft (1972) dalam Hanks and Ashcroft (1986) sebagai berikut :
m = -zHg Hg/ w + z ………pers.3
Dimana Hg adalah kerapatan merkuri (13,6 g/cm3) dan w adalah kerapatan air (1,0
g/cm3). Lalu dapat ditulis sebagai berikut :
m = 13,6 z Hg + z ………..pers.4
Jarak (z) beragam seperti tinggi kolom merkuri,zHg, berubah-ubah. Namun demikian,
jarak dari permukaan pembuangan merkuri ke pusat pipa,zo, harus konstan untuk setiap tensiometer yang ditentukan. Memasukan z = z0 + zHg ke persamaan 3 sehingga :
m = - zHg Hg/ w + zHg + zo …….pers.5
Dan dapat ditulis sebagai berikut :
Memasukkan untuk kerapatan menjadi sebagai berikut :
m = - 12,6 zHg + zo ……….pers.7
Potensial Tekanan ( p)
Pada kondisi lapangan potensial tekanan ( p), dipakai kebanyakan untuk
tanah-tanah jenuh. Dikenal juga sebagai potensial submergence (potensial jenuh). Jika jumlah air ditunjukkan sebagai berat, p disebut jarak vertikal dari titik yang ditanyakan dalam
tanah hingga permukaan air dari suatu piezometer yang dihubungkan dengan titik yang ditanyakan (Gambar 3).
Di lapangan, p adalah di atas nol dan pada tingkat di dalam piezometer. Di bawah
tingkat ini , p selalu positif. Potensial tekanan akan meningkat dengan meningkatnya
kedalaman di bawah level air ini meskipun kandungan air tanah tidak berubah. Komponen potensial tekanan ini, hanya komponen biasa yang ada pada kondisi lapangan, disebut potensial submergence ( u). Di lapangan , p diukur dengan piezometer yang
mengukur potensial submergence.
Potensial Air
1.Potensial Air pada Kondisi Seimbang
Pada kondisi isotermal, air mengalir dari lokasi yang berpotensial air tinggi ke lokasi yang berpotensial air rendah. Jika potensial air total pada titik A dalam tanah adalah – 100 cm dan potenaial total air pada titik B adalah -120 cm, maka air akan mengalir dari titik A ke titik B. Jika kita beranggapan bahwa hanya cairan yang mengalir dalam tanah, komponen larutan umumnya nol. Sehingga, untuk t = z + m + p. Kombinasi
potensial ini sering digunakan sehingga diberi istilah potensial hidrolik. Karenanya potensial hidrolik, yakni :
h = z + m + p …………pers.8
Jika tidak ada membran semipermeabel, s = 0 dan h = t. Untuk kondisi seimbang,
2. Potensial Air pada Kondisi Tidak Seimbang
Kondisi ini berkaitan dengan potensial air melalui profil tanah dimana air sedang mengalir. Aliran cairan sebagai hasil dari suatu gradient potensial hidrolik, sehingga h
akan beragam melalui bagian-bagian tanah dimana aliran sedang terjadi.
Potensial Pelarut
Potensial pelarut muncul karena bahan-bahan terlarut, seperti garam-garam, dalam larutan tanah dan adanya membran semipermeabel dalam sistem. Suatu membran semipermeabel adalah bahan yang mengikuti air mengalir tetapi tidak mengizinkan garam-garam untuk melewatinya. Pada sistem air tanah terdapat dua membran semipermeabel yang penting yakni :
1. Dinding sel pada akar - bukan membran yang sempurna karena beberapa garam lewat ke dalam akar.
2. Interfase udara air – mendekati membran yang sempurna.
Dalam tanah, potensial pelarut , s relatif tidak penting dalam aliran cairan karena tidak membran semipermeabel. Suatu hubungan pada konsentrasi garam yang menghasilkan potensial pelarut ditunjukkan pada persamaan berikut :
s = - RTCs …………..pers.9
dimana, s adalah potensial pelarut, R adalah konstanta gas umum (82 bar cm3/mol K), T
adalah suhu absolut (K), dan Cs adalah konsentrasi pelarut (mol/cm3).
Pengukuran Potensial Matrik
1.Di Lapangan
Piezometer digunakan untuk mengukur potensial matrik. Suatu piezometer adalah tabung sederhana, terbuka pada kedua ujungnya, yang dimasukkan ke dalam tanah. Air mengalir ke bawah hingga level yang disebut muka air. Tingkatan air dalam tabung biasanya ditentukan dengan alat elektrik. Pada permukaan air da semua titik di atas, potensial matrik adalah nol. Di bawah permukaan air, potensial pelarut pada beberapa titik sama hingga kedalaman di bawah permukaan air dari titik yang diinginkan.
Suatu piezometer kegunaannya untuk mengukur m, karena pada kondisi jenuh air
2.Di Laboratorium
Jika suatu saluran dibuat, maka suatu tekanan di atas atmosfir dapat ditentukan pada suatu contoh tanah, dan jika air tanah dihubungkan dengan lapisan cairan sempurna atau kapiler hingga keluar sel tekanan melalui suatu piringan atau membrane keramik yang berpori, lalu air akan dipindahkan dari tanah sampai suatu keseimbangan yang diharapkan. Pada kondisi seimbang, potensial hidrolik harus konstan. Jika rujukan yang dipilih pada contoh tanah, kedua potensial hidrolik dan potensial gravitasi adalah nol. Sehingga persamaan menjadi :
m = - p ………..pers.10
dimana potensial tekanan , p, adalah potensial pneumatik, n, merupakan hasil dari
tekanan udara yang diaplikasi. Telah dinyatakan sebelumnya bahwa potensial tekanan terdiri dari beberapa potensial. Di lapangan potensial submergence adalah komponen utama. Dalam laboratorium tanah tidak jenuh, akibatnya komponen submergence adalah nol. Komponen pneumatik tidak nol karena tekanan udara berbeda dari yang standar.
Satuan-Satuan yang Mewakili dan Istilah-Istilah Potensial
Semua satuan dapat dirubah ke bentuk lain. Pada saat tertentu yang paling
1. Diketahui dua titik dalam tanah, masing-masing titik terletak pada lokasi khusus berjarak vertikal dari kemiringan tertentu. Hitunglah perbedaan potensial gravitasi ( z antara dua titik tersebut.
Jawab : z A = 15 cm, z B = -10 cm maka z = z A – z B
= 15 cm – (-10) cm = 25 cm.
2. Jarak dari permukaan pembuangan merkuri ke pusat pipa keramik (jarak vertikal) = adalah 20 cm dan nilai zHg adalah 14,2 cm. Hitunglah potensial matrik.
Jawab : m = -12,6 zHg + zo = -12,6 x 14,2 cm + 20 cm
= -179 cm + 20 cm = -159 cm.
3. Diketahui potensial matrik adalah nol dan zo adalah 20 cm. Hitunglah jarak dari permukaan pembuangan merkuri ke permukaan kolom merkuri pada manometer.
Jawab : zo – m 20 cm – 0 cm
zHg = ________ = _____________ = 20 cm/12,6 = 1,59 cm
12,6 12,6
4. Suatu pembacaan tensiometer skala 0 -100 adalah 34. Jarak dari gage ke pipa keramik (jarak vertikal) yakni 100 cm. Hitunglah potensial matrik.
Jawab :
m - zo = - 10 cm x pembacaan gage x zo = -10 cm x 34 + 100 cm
5. Suatu gage vakum yang tersedia dikalibrasi dalam inci merkuri- dari 0 – 30. Pembacaan dial 25 inci merkuri dan gage adalah 30 inci di atas pipa tensiometer. Hitunglah potensial matrik (kerapatan air =13,6 inci/inci Hg)
Jawab : m = (-13,6 inci/inci Hg) z Hg + z
= -13,6 inci/inci Hg x 25 + 30 inci = - 340 inci + 30 inci = -310 inci
- 310 inci x 2,54 = -787 cm
6. Suatu contoh tanah ditempatkan di sisi suatu piring tekan apparatus dan diletakkan ke suatu tekanan gage (tekanan berbeda antara sisi tekanan saluran piring tekan dan tekanan atmosfir) yakni 1 x 106 dyne/cm2. Contoh ditinggalkan hingga keseimbangan tercapai. Hitung potensial matrik air dalam contoh tanah.
Jawab : m = - p = -1 x 106 dyne/cm 2
Dalam hal ini jumlah air adalah volume, akibatnya potensial adalah potensial matrik volume. Untuk mengubah potensial matrik berat, dibagi dengan gaya grafitasi (g = 980 cm/s2) dan kerapatan air ( w = 1 g/cm3). (Ingat : dyne = g
cm/detik2), sehingga :
1 x 106 g cm/s2/cm2
m = - __________________ = -1020 cm
Daftar Pustaka
Departement of Agronomy and Hotriculture . 1995. Introduction to Soil Water Potential. (http://aghort.nmsu.edu/soils/soil_physics/tutorials/wp/wp_tut.html). New Mexico State University. USA.
Fuller, R. 2007. Soil Water Energy. Soil Moisture. (http://faculty.platts burgh.edu).
