1
DDA3332 Nota Kuliah Hidrologi
Bab 3 Air Larian Permukaan (Surface-water Runoff)
3.1 Pengenalan
Air larian permukaan (surface-water runoff), Q, adalah air hujan yang sampai ke saluran atau sungai setelah ditolak kehilangan (susupan [I], sejatan, sejatpepeluhan [ET], recaj ke air bumi [G])
Q = P – I – ET – G
Komponen penting dalam kitaran hidrologi
Berkait rapat dengan kejuruteraan hidraulik contohnya dalam menjawab soalan yang berikut:
(1) Kekerapan banjir (flood frequency) (2) Magnitud banjir (flood magnitude)
(3) Kekerapan dan jangkamasa kemarau (frequency and duration of drought periods or
low-flow periods)
3.1.1 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Q
Keluasan tadahan, Q berkadar terus dengan isipadu hujan
Kecerunan tadahan, Tc: Air lebih cepat sampai ke titik tumpuan
Aspek atau orientasi tadahan: di mana hujan berlaku, muara atau hulu
Kedalaman tanah: tanah dalam mempunyai kapasiti simpanan air yang tinggi → Q rendah
Tumbuhan: tadahan berhutan menggunakan lebih banyak air berbanding tadahan rumput
Peratus kawasan yang telap
Order dan ketumpatan sungai (stream density)
Bentuk tadahan: mempengaruhi masa yang diambil untuk larian permukaan sampai ke titik
tumpuan
3.1.2 Pengaruh Bentuk Tadahan terhadap Air Larian Permukaan (ALP)
Tadahan A Tadahan B
Q
Tadahan B
Tadahan A
2
Bentuk Tadahan
i) Faktor Bentuk (Ff, Shape Factor) =
yang mana:
Wb = lebar tadahan
Lb = panjang tadahan: jarak pada titik paling jauh dari titik tumpuan
ii) Faktor Kemampatan (Cc, Compression Factor) =
yang mana:
Pb = panjang perimeter tadahan A = keluasan tadahan
3.2 Pengukuran Luahan (Measurement of Discharge, Q)
Data luahan adalah asas untuk menganggar larian air permukaan, isipadu aliran sungai, dan
kadar alir
Luahan diukur pada satu keratan rentas sungai pada satu unit masa (e.g., m3/s, ft3/s)
Keratan rentas biasannya keratan kawalan (control section) yang mana hubungan tetap antara paras air dan kadar alir sebab paras air di hulu dikawal oleh keratan tersebut
Keperluan untuk mengukur aliran sungai
Ada dua jenis pengukuran luahan: langsung (direct) atau tidak langsung (indirect)
3.2.1 Pengukuran Aras Air (Water-level measurement)
a) Adalah tinggi permukaan air yang direkod secara relatif dengan datum
b) Rekod aras air perlu untuk membangunkan lengkung kadaran luahan-aras (stage-discharge
rating curve)
c) Stesen kadar alir terdiri dari
i) Tolok staff
Secara visual (visual water-level reading): satu atau dua kali sehari sahaja
ii) Perakam aras air automatic (carta, data logger)
a) Pelampung (float): biasannya guna di dalam stesyen rakaman
b) Sensor tekanan (pressure sensor): N2 diguna sebab gas lengai (inert)
c) Kerintangan elektrik
d) Transducer
e) Sensor ultrasonic: jarum perak sonic (acoustic)
3.2.2 Pengukuran Halaju (kaedah langsung; direct method)
3
iii) Persamaan Manning: Q = (kaedah tidak langsung; indirect method)
iv) Struktur Hidraulik
v) Sukatan terus isipadu (volumetric measurement): menggunakan jatuhan bebas (
free-fall) dan mengukur berapa isipadu jatuh antara masa yang diukur
vi) Weir: menggunakan keratan kawalan (empang dasar) untuk hasilkan hubungan yang
tetap antara paras air dan kadar alir
vii) Plum (flume): menggunakan keratan kawalan (saluran penggentingan) untuk
hasilkan hubungan yang tetap antara paras air dan kadar alir
viii) Orifis: jatuhan yang bebas
3.2.2 Mengukur Luahan (Flow Measuring Methods)
Paling kerap dan banyak diguna
Keratan rentas sungai ditentukan
Halaju sungai boleh diukur dengan
i) Menggunakan pelampung: mudah tetapi kurang tepat dan halaju pada permukaan air sahaja ii) Meter arus (velocity-meter)
Halaju pugak diukur merentasi lebar sungai pada kedalaman 0.2d dan 0.8d jika kedalaman
keratan rentas (d) > 0.6m. Jika d < 0.6m, ambil halaju pada 0.6d.
Meter Arus
Ada tiga jenis:
i) Jenis kipas (propeller): untuk kadar alir yang besar. Pusingan kipas member nilai halaju arus.
ii) Jenis “Price” menggunakan mangkuk (anemometer)
iii) Jenis elektromagnetik: lebih sensitive dan sesuai untuk arus yang kecil
Sebelum nilai halaju diperolehi, perkaitan pusingan kipas per unit masa (N) dan halaju arus (V)
perlu diterbitkan. Ini dipanggil lengkung perkadaran meter (ditentukan dalam makmal;
meter rating curve)
Lengkung perkadaran meter arus diberi:
V = a*N + b
yang mana:
V = halaju arus (m/s)
N = bilangan pusingan per unit masa (“clicks”/sec) a, b = pemalar untuk meter berkenaan
4
Lengkung Kadaran Meter Arus (Current-Meter Rating Curve)
Alat Penyokong Pengukuran Halaju Sungai i) Meranduk (wading)
ii) Jambatan (bridge) iii) Kapal (boat)
iv) Kereta kabel (cablecar)
Tatacara Penolokan
Bahagikan lebar sungai kepada beberapa bahagian yang sama
Ukur dalam sungai, d, pada titik-titik pembahagi
Ukur halaju sungai disetiap titik pembahagi pada kedalaman 0.2d dan 0.8d (membuat
purata) atau pada 0.6d jika d < 0.6m.
Ada dua kaedah pengiraan:
i) Kaedah Seksyen Purata (Mean Section Method)
ii) Kaedah Tengah Seksyen (Mid-Section Method)
Kaedah Seksyen Purata (Mean Section Method)
Dikira dengan formula berikut:
= VA =
*
)
yang mana:
bi = jarak titik „i‟ dari tebing n = bilangan sub-keratan
Kaedah Tengah Seksyen (Mid-Section Method)
Q = * (vi * di)
3.2.3 Kaedah Pencairan (Dilution Gauging)
Sesuai untuk kawasan berbukit, dasar sungai tidak rata dan berbatu yg mana arus bergelora
Dilakukan dengan menyuntik bahan kimia atau perunut (tracer) di hulu sungai
Luahan, Q, boleh ditentukan dengan mengetahui kuantiti bahan perunut yang disuntik dan
kepekatannya di hilir, C2 (setelah berlaku penvairan) berdasarkan persamaan keabadian jisim
Contoh perunut yang biasa:
i) Bahan kimia: sodium klorida (NaCl), sodium dikromat (NaCrO4), manganese sulfate (MnSO4), sodium nitrate (NaNO3)
V = a*N + b
a = tan Θ
Halaju arus, V
5
ii) Dye: sodium fluoroscein, rhodamine-WT
iii) Radioaktif seperti: bromine-82, sodium-24, iodine-132
Dua kaedah:
i) Suntikan Kadar Tetap (constant rate injection) ii) Suntikan Integrasi (sudden injection)
Suntikan Kadar Tetap (Constant Rate Injection)
Bahan perunut (chemical tracer) yang mempunyai kepekatan C1 disuntik pada kadar q (l/sec) di
bahagian hulu sungai S1. Kepekatan bahan perunut, C2, setelah bahan perunut bercampur sepenuhnya dengan luahan ditentukan di titik S2.
Luahan, Q, dititik S2 boleh dikira dengan rumus:
C2 =
q adalah kecil berbanding Q oleh itu Q+q≈ Q
C2 =
Q =
Kaedah Suntikan Integrasi (Sudden Injection)
6
Bahan perunut dengan isipadu V (m3) dan kepekatan C1 (g/l) disuntik sekaligus pada titik S1. Kepekatan bahan perunut pada titik S2 setelah bahan perunut melarut sepenuhnya (lengkung mendatar) ditentukan C2 (mg/l). Luahan Q pada titik S2 boleh dikira sebagai:
V*C1 =
yang mana:
V = isipadu bahan perunut (m3)
C1 = kepekatan bahan perunut pada S1 (g/m3, kg/m3) C2 = purata kepekatan bahan perunut pada S2
Q = kadar alir sungai (m3/s)
t1, t2 = masa bahan perunut dikesan dititik S2
3.4.3 Kaedah Weir Sempak V (V-Notch Weir)
Sesuai untuk sungai kecil
Dibina dari kepingan logam yang mempunyai bukaan tigasegi atau trapezoidal
Sudut bukaan sempak V yang biasa ialah 90° atau 120°
Luahan, Q (m3/s), boleh dianggarkan dengan:
Q =
yang mana:
H = ketinggian turus (head) Cd = pekali luahan antara 0.6-0.69 g = pecutan gravity, 9.81 m/s2
θ = sudut bukaan sempak
Untuk V-notch dengan sudut 90
Q =
Q = 2.36 Cd 2.5
Kaedah Volumetrik
Untuk aliran kecil, luahan boleh disukat secara terus pada bukaan sempak
Menggunakan tangki agak besar (~10L), dan luahan dikira sebagai:
Q =
yang mana:
V = isipadu tangki (m3)
t = masa untuk memenuhkan tangki (s)
7
Halaju arus deanggarkan dari sifat-sifat fizikal sungai atau saluran
Formula Chezy:
yang mana:
C = pekali kekasaran Chezy (m0.5/s) R = jejari hidraulik (m)
S = cerun permukaan air (~cerun dasar)
Formula Manning (lebih meluas diguna)
yang mana:
n = pekali Manning R = jejari hidraulik
S = cerun dasar ataupun cerun permukaan air
Nilai „n‟ boleh ditentukan dari rumusan Strickler sebagai: n = 0.0474 d1/6
yang mana d = saiz median butiran bahan dasar sungai
Lengkung Kadaran Aras-Luahan (Discharge-Rating Curve)
Lengkung yang mengaitkan nilai aras, H, melawan luahan, Q, bagi stesen tertentu.
Untuk menukar nilai H kepada luahan Q, penolokan (gauging) tidak perlu lagi dilakukan. Nilai Q boleh ditentukan pada bila-bila dengan hanya mengetahui nilai H (dari tolok aras).
Pengukur aras hendaklah dipasang di keratan sungai di mana penolokkan dilakukan.
Setelah dipasang, tanda aras mestilah dikekalkan. Jika hilang atau tumbang lengkung kadaran
aras-luahan tidak lagi berguna.
Lengkung kadaran aras-luahan perlu kerap diperiksa jika berlaku perubahan lengkung baru
perlu dibangunkan.
Aras Air (Stage), H (m)
8
Membetul / Melaras Data Cerapan (Rating Curve Adjustment)
Lengkung kadaran aras-luahan merupakan garis penengah yang didapati dari serakan titik
cerapan.
Jika setiap titik cerapan diplot mengikut urutan satu gelung akan diperolehi.
Nilai cerapan akan lebih tinggi dari nilai sebenar semasa air pasang (rising stage) dan sebaliknya semasa air surut (falling stage). Gelung dinamakan hysteresis.
Perbezaan ini disebabkan oleh:
i) Simpanan saluran
ii) Perubahan cerun permukaan disebabkan gelombong banjir
Simpanan Saluran
Apabila aras air naik, berlaku simpanan sementara dalam sungai atau saluran
yang mana:
Qa = luahan yang dicerap
Q = luahan mantap (normal) di atas lengkung kadaran
dS = simpanan
Contoh,
Berlaku kenaikan aras air sebanyak 0.1 m/jam semasa penolokan kadar alir 60 m3/s. Jika kadar kenaikan aras air mewakili 800 m panjang sungai dari titik penolokan, kira kadar perubahan simpanan dan luahan mantap jika lebar purata sungai adalah 50 m.
B = 50 m
Δx = 800 m Δh = 0.1 m/jam
dS = BΔxΔh = (50m)(800m)(0.1m/jam) = 4000 m3
/jam = 1.11 m3/s
Oleh kerana penolokan dibuat semasa air pasang, nilai luahan mantap, Q, mestilah lebih kecil dari nilai cerapan, Qa. Luahan keadaan mantap, Q, ialah:
Q = 60 – 1.11 = 58.89 m3/s (nilai yang diplot di atas lengkung kadaran)
9
Pelarasan Terhadap Gelombang Banjir
Gelombong banjir dalam saluran menyebabkan perubahan cerun
Gelombong banjir bergerak melawan arus dari titik a ke b.
Pada titik b, bacaan arus, h, dan luas keratan A adalah sama dengan nilai-nilai pada titik a. Tetapi nilai cerun S1 dan S2 adalah berbeza. Oleh itu, Q juga berbeza.
Dari rumus Manning:
Q = VA =
A, R, dan n tidak berubah, sementara
(1)
Maka kadar alir yang dicerap
(2)
Kadar simpanan apabila gelombang telah mara, pada Udt adalah:
(3) Halaju gelombong banjir, u →
b
a
10
Gabungkan persamaan (1), (2), dan (3) maka
Semasa pencerapan luahan selama 1 jam, didapati nilai luahan ialah 250 m3/s (Qa). Tinggi tolok diawal penolokan ialah 3.50 m dan diakhir penolokan ialah 3.55 m. Bacaan paras air 200 m kehulu dari titik cerapan dan 300 m kehilir berbeza sebanyak 5 cm. Jika purata dalam sungai ialah 2 m dan lebarnya 200 m, apakah nilai luahan normal yang sepatutnya diplot untuk
membentuk lengkung kadaran?
Qa = 250 m3/s A = 2m × 200m = 400 m2
dh= 3.55m − 3.50m = 0.05 m dh/dt = 0.05 / (60×60) = 1.38×10-5 m/s S = 0.05m / 500m = 0.0001
Q = 231 m3/s
Purata bacaan tolok (aras) = 0.5(3.50 + 3.55) = 3.525m Titik lengkung kadaran yang betul ialah 3.525m dan 231 m3/s
Ekstrapolasi dan Memanjangkan Lengkung Kadaran Aras-Luahan
Cerapan luahan sukar dilakukan untuk paras puncak kerana arus deras (keselamatan), masalah
logistic, banjir besar tidak selalu berlaku (e.g., banjir 50- atau 100-tahun)
Untuk meliputi luahan yang besar, pemanjangkan atau ekstrapolasi (extrapolate) lengkung
kadaran perlu melampaui nilai cerapan terbesar
Kaedah yang biasa dilakukan ialah dengan memadankan persamaan lengkung
Diplot di atas kertas log untuk mendapat garisan lurus dan pemanjangan garisan menjadi mudah
log Q = k + x log(h–a)
yang mana:
h = paras pada tolok aras k, x = pemalar
11 Persamaan Lengkung Kekadaran
Terdapat beberapa kaedah mendapatkan lengkung kekadaran. Kaedah regresi linear (linear regression) yang mudah akan dibincangkan dengan menggunakan persamaan dibawah:
yang persamaan lengkung parabola
yang mana:
H = paras air sungai Q = kadar alir sungai
H0 = paras pembetulan bagi keadaan Q = sifar
Persamaan di atas ditulis dalam bentuk hubungan persamaan logarizam (logarithm):
log Q = log a + b log(H – H0) yang persamaan garis lurus: y = mx + c
Langkah-langkah mendapatkan persamaan lengkung kekadaran seperti di bawah:
1) Mulanya nilai H0 diperolehi dengan melukis geraf paras sungai (H) melawan kadar alir (Q)
16
