EVALUASI PERHITUNGAN DEBIT BANJIR RENCANA DENGAN HIDROGRAF METODE ITB, NAKAYASU, SNYDER PADA SUB
CATCHEMENT SUNGAI CIUJUNG SERANG
Muhammad Reza Aditya Ready
Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana
Jl. Raya Meruya Selatan No. 01, Kembangan, Jakarta Barat 11650 41112010052@student.mercubuana.ac.id
Abstrak
Kontribusi air dari DAS Bojong manik terhadap sungai Ciujung belum dapat diketahui cara yang tepat untuk digunakan. Salah satu cara untuk mengetahui besarnya debit banjir DAS bojong manik adalah dengan memprediksi besarnya aliran dari data hujan yang ada, oleh karena itu data hujan sebagai masukan utama proses pengalihragaman hujan menjadi suatu hal yang sangat penting dan harus memiliki tingkat ketelitian yang tinggi. Penelitian ini menyajikan suatu pendekatan sederhana untuk membandingkan debit puncak dan bentuk hidrograf aliran antara hidrograf terukur dan hidrograf satuan sintetis pada DAS bojong manik.
Beberapa metode hidrograf satuan sintetis seperti cara Snyder, Nakayasu, ITB digunakan untuk menghitung debit puncak dan bentuk hidrograf.
Setiap metode menggunakan parameter-parameter yang telah ditentukan oleh metode masing-masing, untuk metode Snyder menggunakan paramter Ct:1 Cp:0,6. Lalu untuk metode Nakayasu menggunakan parameter R:1 C:0,559 dan alpha:1. Dan untuk metode ITB menggunakan parameter Ct:1 Cp:1 R:1 dan alpha:1. Dari parameter-parameter tersebut didapatkan time peak (Tp) Snyder: 2,51 jam, Nakayasu 1,38 jam, dan ITB 0,98 jam. Sedangkan untuk time base (Tb) Snyder:15,4 jam sedangkan untuk ITB dan Nakayasu tidak dirumuskan.
Dari hasil kalibrasi model didapatkan metode hidrograf satuan sintetis yang sesuai mendekati karakteristik hidrograf terukur yaitu metode Snyder, yang mana pada periode hujan 10 tahunan mempunyai nilai = 47,32 m
3/detik mendekati debit puncak terukur = 49,98 m
3/detik.
Kata kunci : Hidrograf satuan sintetis, Debit banjir, HSS Snyder, HSS Nakayasu, HSS ITB.
Pendahuluan
Dalam perencanaan di bidang sumber daya air, seringkali diperlukan data debit banjir rencana yang realistis. Banjir rencana dengan periode ulang tertentu dapat dihitung dan data debit banjir atau data hujan. Apabila data debit banjir tersedia cukup panjang (>20 tahun), debit banjir dapat langsung dihitung dengan metode analisis probabilitas. Sedang apabila data yang tersedia hanya berupa data hujan dan karakteristik DAS, salah satu metode yang disarankan adalah menghitung debit banjir dari
data hujan maksimum harian rencana dengan superposisi hidrograf satuan.
Konsep hidrograf satuan, yang banyak
digunakan untuk melakukan transformasi dari
hujan menjadi debit aliran. Data yang
diperlukan untuk menentukan hidrograf satuan
terukur di DAS yang ditinjau adalah data hujan
otomatis dan pencatatan debit di titik
pengamatan tertentu. Namun jika data hujan
yang diperlukan untuk menyusun hidrograf
satuan terukur tidak tersedia digunakan analisis
hidrograf banjir sintetis.
Tinjauan Pustaka
Metode hidrograf satuan sintetis adalah metode yang populer digunakan dan memainkan peranan penting dalam banyak perencanaan di bidang sumber daya air khususnya dalam analisis debit banjir DAS yang tidak terukur.
Metode ini sederhana, karena hanya membutuhkan data-data karakteristik DAS seperti luas DAS dan panjang sungai dan dalam beberapa kasus dapat juga mencakup karakteristik lahan digunakan. Oleh karena itu, metode ini merupakan alat berguna untuk mensimulasikan aliran dari DAS tidak terukur dan daerah aliran sungai mengalami perubahan penggunaan lahan.
Menurut definisi hidrograf satuan sintetis adalah hidrograf limpasan langsung (tanpa aliran dasar) yang tercatat di ujung hilir DAS yang ditimbulkan oleh hujan efektif sebesar satuan (1 mm, 1 cm, 1 inchi) yang terjadi secara merata di seluruh DAS dengan intensitas tetap dalam suatu satuan waktu (misal 1 jam) tertentu. Beberapa asumsi dalam penggunaan hidrograf satuan adalah sebagai berikut:
1. Hujan efektif mempunyai intensitas konstan selama durasi hujan efektif. Untuk memenuhi anggapan ini maka hujan deras untuk analisis adalah hujan dengan durasi singkat.
2. Hujan efektif terdistribusi secara merata pada seluruh DAS. Dengan anggapan ini maka hidrograf satuan tidak berlaku untuk DAS yang sangat luas, karena sulit untuk mendapatkan hujan merata di seluruh DAS.
Karakteristik bentuk hidrograf yang merupakan dasar dari konsep hidrograf satuan ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Prinsip penting dalam penggunaan hidrograf satuan dapat sebagai berikut:
1. Lumped response: hidrograf menggambarkan semua kombinasi dari karakteristik fisik DAS yang meliputi (bentuk, ukuran, kemiringan, sifat tanah) dan karakteristik hujan.
2. Time invariant: hidrograf yang dihasilkan oleh hujan dengan durasi dan pola yang serupa memberikan bentuk dan waktu dasar yang serupa pula.
3. Linear response: respons limpasan langsung dipermukaan (direct run off) terhadap hujan effektif bersifat linear, sehingga dapat dilakukan superposisi hidrograf.
Dan untuk mengembangkan hidrograf satuan sintetis, beberapa metoda telah tersedia.
Beberapa metoda hidrograf satuan sintetis seperti cara nakayasu, snyder-alexeyev, dan ITB sangat populer dan umum digunakan di Indonesia untuk menghitung debit puncak dan bentuk hidrograf banjir.
Metode ITB
Untuk menganalisis hidrograf satuan sintetis pada suatu DAS dengan cara ITB perlu diketahui beberapa komponen penting pembentuk hidrograf satuan sintetis berikut:
1. Tinggi dan durasi hujan satuan 2. Time lag (Tl), waktu puncak (Tp),
dan waktu dasar (Tb) 3. Bentuk hidrograf satuan 4. Debit puncak hidrograf satuan Tinggi dan durasi hujan satuan
Tinggi hujan satuan yang umum
digunakan adalah 1 inchi atau 1 mm.
Durasi hujan satuan umumnya diambil Tr
= 1 jam, namun dapat dipilih durasi lain asalkan dinyatakan dalam satuan jam (misal 0,5 jam, 10 menit = 1/6 jam). Jika durasi data hujan semula dinyatakan dalam 1 jam, jika diinginkan melakukan perhitungan dalam interval 0,5 jam, maka tinggi hujan setiap jam harus dibagi 2 dan didistribusikan dalam interval 0,5 jam.
Time lag (Tl), waktu puncak (Tp), dan waktu dasar (Tb)
Dari karakteristik fisik DAS dapat dihitung dua elemen-elemen penting yang akan menentukan bentuk dari hidrograf satuan itu yaitu Time lag (Tl), waktu puncak (Tp), dan waktu dasar (Tb). Selain parameter fisik terdapat pula parameter non-fisik yang digunakan untuk proses kalibrasi.
Saat ini ada banyak sekali rumus time lag yang telah dikembangkan oleh para peneliti baik di dalam maupun di luar negeri. Beberapa software seperti misalnya program HEC-HMS (Hydrology Modeling System) membebaskan pengguna memilih rumusan time lag yang akan digunakan.
Prosedur umum ini juga direncanakan cukup fleksibel dalam mengadopsi rumusan time lag yang akan digunakan.
Fleksibilitas seperti ini perlu diberikan karena sudah banyak hasil penelitian tentang time lag yang masih berjalan bahkan dipublikasikan.
Namun sejauh ini hasilnya tidak ada yang menunjukkan bahwa satu rumusan time lag sangat jauh lebih baik (superior) dibanding rumusan time lag yang lainnya.
Karena itu semua rumus time lag seharusnya dapat digunakan sesuai dengan batasan yang dibuat oleh penyusunnya.
Rumus standard untuk time lag yang digunakan adalah penyederhanaan dari rumus snyder sebagai berikut:
Tl = Ct 0,81225 L
0,6Dimana:
Tl = time lag (jam) Ct = koefisien waktu L = panjang sungai (km).
Koefisien Ct diperlukan dalam proses kalibrasi harga Tp. Harga standar koefisien Ct adalah 1, jika Tp perhitungan lebih kecil dari Tp pengamatan, harga diambil Ct > 1 agar harga Tp membesar.
Jika Tp perhitungan lebih besar dari Tp pengamatan, harga diambil Ct < 1 agar harga Tp akan mengecil. Proses ini diulang agar Tp perhitungan mendekati Tp pengamatan.
Waktu puncak Tp didefinisikan sebagai berikut:
Tp = Tl + 0,5 Tr
Untuk DAS kecil (A < 2 km
2), menurut SCS harga Tb dihitung dengan
Tb = 8/3 Tp
Untuk DAS berukuran sedang dan besar harga secara teoritis Tb dapat berharga tak berhingga (sama dengan cara Nakayasu), namun prakteknya Tb dapat dibatasi sampai lengkung turun mendekati nol, atau dapat juga menggunakan harga berikut:
Tb = (10 s/d 20)*Tp
Bentuk dasar hidrograf satuan
Prosedur umum yang diusulkan dapat mengadopsi berbagai bentuk dasar HSS yang akan digunakan. Beberapa bentuk HSS yang dapat digunakan antara lain adalah SCS triangular, SCS cuvilinear, USGS nationwide SUH, delmarvara, fungsi gamma dan lain-lain.
Selain itu ITB telah mengembangkan dua bentuk dasar HSS yang dapat digunakan yaitu bentuk HSS ITB-1 dan HSS ITB-2 sebagai berikut:
1. HSS ITB-1 memiliki persamaan lengkung naik dan lengkung turun seluruhnya yang dinyatakan dengan satu persamaan yang sama yaitu:
Q(t) = exp {2 – t-1/t}
a.Cp2. HSS ITB-2 memiliki persamaan lengkung naik dan lengkung turun yang dinyatakan dengan dua persamaan yang berbeda yaitu:
Lengkung naik (0 < t < 1): q(t) = t
aLengkung turun (t > 1 s/d oo): q(t) = exp{1 – t
B.Cp}
Dimana t = T/Tp dan q = Q/Qp masing- masing adalah waktu dan debit yang telah dinormalkan sehingga t = T/Tp berharga antara 0 dan 1, sedang q = Q/Qp. Berharga antara 0 dan oo (atau antara 0 dan 10 jika harga Tb/Tp = 10).
Jika sangat diperlukan harga koefisien a dan B dapat dirubah, namun untuk lebih memudahkan, proses kalibrasi dapat dilakukan dengan merubah harga koefisien Cp. Harga standar koefisien Cp adalah 1, jika harga debit puncak perhitungan lebih kecil dari debit puncak pengamatan, maka harga diambil Cp > 1 ini akan membuat harga debit puncak membesar, sebaliknya jika debit puncak perhitungan lebih besara dari hasil pengamatan maka harga diambil Cp < 1 agar harga debit puncak mengecil.
Debit puncak hidrograf satuan
Sebelum membahas debit puncak
hidrograf satuan, akan dijelaskan
kesetaraan luas HSS dengan HSS yang telah dinormalkan. Hal ini berguna dalam menjelaskan penerapan prinsip konservasi mass dalam penurunan debit puncak hidrograf satuan.
Untuk memudahkan penjelasan, tinjau suatu kurva hidrograf berbentuk segitiga yang terjadi akibat hujan efektif R=1 mm pada suatu DAS luas A DAS. Integrasi kurva di bawah kurva hidrograf sama dengan volume hidrograf satuan. Misalkan Tp adalah absis dan qp adalah ordinat titik puncak P.
Jika seluruh harga pada absis t (waktu) dinormalkan terhadap Tp dan seluruh harga ordinat Q (debit) dinormalkan terhadap qp, akan didapat suatu kurva hidrograf tak berdimensi. Luas bidang di bawah kurva yang telah dinormalkan dapat dihitung dari rumus luas segitiga sebagai berikut:
A HSS = ½ * (4*l) = 2
Volume hidrograf satuan V HSS (memiliki dimensi m
3) dapat diperoleh dengan cara lebih mudah yaitu mengalikan A HSS dengan Qp dan Tp, atau
V HSS = Qp Tp A HSS = (5 m
3/s)*(2s)*(2) = 20 (m
3)
Hasil tersebut dapat digeneralisasi untuk bentuk HSS yang lebih kompleks.
Jika hidrograf banjir dinormalkan dengan faktor Qp dan Tp, maka volume HSS dapat dihitung dengan rumus
V HSS = Qp Tp A HSS
Jika Tp (jam) dikonversi dalam detik, maka:
V HS = A HSS Qp Tp 3600 (m
3)
(Sumber: Dantje K. Natakusumah Vol.
18-No. 3)
Dimana A HSS adalah luas HSS tak berdimensi yang dapat dihitung secara exact atau secara numerik.
Metode Snyder
Untuk mendapatkan suatu hidrograf satuan seperti diuraikan dengan prosedur tertentu perlu tersedia data yang baik, yaitu data AWLR, data pengukuran debit, data hujan harian, dan data hujan jam- jaman. Yang menjadi masalah adalah bahwa karena berbagai sebab data ini sangat sulit diperoleh atau tidak tersedia.
Untuk mengatasi hal ini maka dikembangkan suatu cara untuk mendapat hidrograf satuan tanpa mempergunakan data tersebut. Salah satu cara tersebut dikembangkan oleh F.F. snyder dari Amerika serikat pada tahun 1983 yang memanfaatkan parameter DAS yang
diteliti oleh Snyder berada di dataran tinggi.
Snyder mengembangkan model dengan koefisien-koefisien empirik yang menghubungkan unsur-unsur hidrograf satuan dengan karakteristik DAS. Hal tersebut didasarkan pada pemikiran bahwa pengalihragaman hujan menjadi aliran baik pengaruh translasi maupun tampungannya dapat dijelaskan dipengaruhi oleh sistem DAS-nya.
Hidrograf satuan tersebut ditentukan dengan unsur yang antara lain Qp (m
3/detik), Tb (jam), dan tp (jam) dan tr (jam).
Unsur-unsur hidrograf tersebut dihubungkan dengan:
A = luas DAS (km
2)
L = panjang aliran sungai utama (km) Lc = panjang sungai utama diukur dari
tempat pengukuran (pelepasan) sampai titik di sungai utama yang terdekat dengan titik berat DAS (km)
Dengan unsur-unsur tersebut di atas snyder membuat model hidrograf satuan sintetis sebagai berikut:
Tp = 0,75 Ct (L.Lc)
0,3Tr = tp/5,5
Qp = 2,75 Cp.A/tp Tb = 72 + 3.tp atau Tb = 5,56/qpr Dimana
Tp = waktu kelambatan (time lag) (jam)
Qp = debit puncak (m
3/detik) Tb = waktu dasar (jam)
Qpr = debit per satuan luas (m
3/detik/km
2)
(Sumber: Dantje K. Natakusumah Vol.
18-No. 3)
Ct dan Cp adalah koefisien-koefisien yang bergantung pada satuan dan ciri DAS, koefisien-koefisien Ct dan Cp harus ditentukan secara empirik, karena besarnya berubah-ubah antara daerah yang satu dengan daerah yang lain. Dalam sistem empirik besarnya Ct antara 0,75 sampai 3 sedangkan Cp antara 0,9 sampai 1,4. Besaran nilai Ct dan Cp tersebut diperoleh snyder untuk sejumlah DAS di dataran tinggi, dimana bila nilai Cp mendekati nilai terbesaar maka nilai Ct akan mendekati nilai terkecil, demikian pula sebaliknya.
Menurut hasil penelitian hoffmeister dan
weisman pada tahun 1977, bahwa
pemakaian parameter Lc oleh snyder
disebabkan karena bagian hulu suatu DAS
dianggap tidak terpengaruh terhadap debit
puncak suatu hidrograf. Mengenai unsur debit puncak, penelitian yang telah dilakukan morgan dan johnson pada tahun 1962 dan sri harto menyatakan bahwa persamaan snyder memberikan debit puncak paling kecil dibandingkan dengan cara-cara lainnya.
Pemakaian cara snyder ini dibatasi hanya untuk dataran tinggi sedangkan untuk daerah lain dengan cara tersebut diperlukan ralat dan penyesuaian.
Snyder hanya membuat model untuk menghitung debit puncak dan waktu yang diperlukan untuk mencapai puncak dari suatu hidrograf saja, sehingga untuk mendapatkan lengkung hidrografnya memerlukan waktu untuk menghitung parameter-parameternya.
Ada sebuah pembaharuan pernah dilakukan Amerika serikat juga, yaitu dalam penggunaan metode snyder dengan parameter hidrograf satuan pada suatu daerah. Espey, Altman, dan Graves pada tahun 1977 mengembangkan satu set persamaan umum untuk menyusun hidrograf satuan dengan meneliti beberapa DAS yang mana menghasilkan persamaan:
Tp = 3,1 L
0,23S
-0,25I
-0,18O
1,57Qp = 31,62 . 10
3A
0,96T
-1,07Tb = 125,89 . 10
3A Qp
-0,95W50 = 16,22 . 10
3A
0,93Qp
-0,92W75 = 3,24 . 10
3A
0,79I
-0,18Qp
-0,78