Bab 3 Air Larian Permukaan (Surface-water Runoff) 3.1 Pengenalan - Bab3 AirLarianPermukaan

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