11. PENETAPAN KADAR AIR TANAH
DENGAN TIME DOMAIN REFLECTOMETRY
(TDR)
Fahmuddin Agus dan Ai Dariah
1. PENDAHULUAN
Penentuan kadar air tanah secara akurat dan tepat, sangat diperlukan dalam menginterpretasi hasil penelitian yang berhubungan dengan kadar air tanah, seperti penelitian-penelitian irigasi, drainase, pengawetan air tanah, pengaruh mulsa, dan lain-lain. Penelitian-penelitian tersebut memerlukan pengamatan kadar air tanah secara intensif.
Metode yang paling umum dan akurat serta merupakan metode langsung (direct technique) untuk menentukan kadar air tanah adalah metode gravimetri. Metode gravimetri diperlukan pula untuk kalibrasi metode lain (Gardner, 1986) yang merupakan metode tidak langsung seperti neutron attenuation, tensiometer, gamma radiation attenuation,
gypsum block, dan lain-lain (Klute, 1986).
Penggunaan utama time domain reflectrometry, TDR (cable tester) adalah untuk menentukan posisi kerusakan transmisi kabel telepon. Penggunaan TDR untuk menentukan kadar air tanah diperkenalkan oleh Chudobiak pada tahun 1975, dan seterusnya diterapkan oleh Topp et al. (1980); Topp dan Davis (1981); Topp et al. (1984). Time domain
reflectonutry (TDR) dapat menentukan kadar air tanah secara cepat dan
akurat pada berbagai kedalaman, termasuk kedalaman 0-15 cm. Kadar air tanah pada kedalaman ini tidak dapat ditentukan dengan neutron
attenuation karena terjadi kehilangan slow neutron ke atmosfer. Beberapa
penelitian menunjukkan bahwa TDR masih akurat untuk pengukuran kadar air tanah pada kedalaman 0 - 150 cm. TDR juga dapat diaplikasikan, baik di laboratorium maupun di lapangan.
2. PRINSIP
TDR bekerja berdasarkan sifat daya hantar listrik dari air tanah. Konstanta dielektrik (dielectric constant) air, udara, dan tanah mineral berturut-turut adalah sekitar 80, 1 dan 3 - 7. Semakin tinggi kadar air tanah, semakin tinggi konstanta dielektriknya.
TDR mengukur kecepatan pergerakan signal listrik berfrekuensi tinggi. Kecepatan signal itu lebih tinggi dalam zat dengan konstanta dielektrik rendah dan sebaliknya. Dengan demikian pada tanah basah, signal bergerak lebih pelan.
Signal listrik dikeluarkan oleh generator signal TDR. Signal ini seterusnya bergerak di sekitar kabel transmisi dari instrumen ini. Sebagian signal diukur pada interval waktu tertentu. Sebuah komputer di dalam alat menentukan hubungan voltase signal dengan waktu bergeraknya signal. Layar display memberikan pola hubungan voltase dan waktu (Gambar 1).
Gambar 1. TDR dengan signal pada layar
Pulsa voltase yang dikeluarkan oleh suatu generator bergerak sepanjang kabel transmisi, kemudian sepanjang elektrode (probe) yang ditancapkan ke`dalam tanah. Elektrode bersifat sebagai konduktor dan tanah di antara dua konduktor bersifat sebagai medium dielektrik. Dua atau lebih batangan besi yang ditancapkan ke dalam tanah berfungsi sebagai pengantar gelombang (wave guide) voltase dan signal voltase menyebar ke dalam tanah dalam bentuk dataran gelombang. Apabila dataran gelombang mencapai ujung penyalur gelombang, gelombang itu dipantulkan kembali karena elektrode mempunyai daya hantar listrik yang lebih besar daripada tanah. Waktu yang diperlukan bagi gelombang mulai dari masuk ke dalam tanah sampai gelombang itu dipantulkan kembali dapat diukur dengan alat TDR. Kadar air tanah yang berkaitan langsung dengan konstanta dielektrik dapat ditentukan berdasarkan kecepatan pergerakan gelombang listrik.
Arus TDR bergerak pada jarak L ke ujung elektrode dan kembali ke alat. Kecepatan pergerakan arus dapat ditentukan dengan (Ferre dan Topp, 2002):
t
L
V
p
2
(1)dimana: L = panjang elektrode (besi transmisi); t = waktu (detik)
Kecepatan pergerakan gelombang listrik juga dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut:
K
C
V
p
atau 2
pV
C
K
(2)dimana: C = kecepatan cahaya (3 x 108m/det); K = konstanta dielektrik medium (relative permittivity)
Persamaan (1) dan (2) dapat digabung menjadi: 2
2
L
C
K
t (3) TDR (misalnya tektronik model 1502 B atau 1502 C ) mengukur kecepatan pergerakan gelombang listrik. Namun, karena alat ini dirancang untuk mengukur jarak kerusakan kabel dari suatu tempat pengukuran, maka kecepatan pada display TDR dikonversi ke dalam posisi (jarak). Konversi ini didapat dengan membandingkan kecepatan gelombang pada suatu medium dengan kecepatan pada ruang hampa udara. Dalam ruang hampa udara, K= 1, dan Vp = C = 3 x 108 m/detik, maka: m m pmK
C
K
C
V
1
1
(4)dimana: Km= konstanta dielektrik dalam medium; Vpm= kecepatan relatif
suatu gelombang yang bergerak dalam suatu medium dibandingkan dengan kecepatan dalam ruang hampa udara
Untuk air,
0
,
11
80
1
1
w pmK
V
K untuk tanah (Ks) tidak diketahui. Vp di dalam tanah (Vps) adalah
gabungan persamaan (3) dan (4) yakni:
t s ps
C
L
K
V
1
2
(5) maka: l = 0,5 CtVpsV alat dapat diatur dan dilambangkan sebagai Va. Selanjutnya La adalah
panjang semu (apparent length) dari pengantar gelombang di dalam tanah.
maka: ps
V
V
L
L
(6) dimana: La = panjang semu jalur transmisi (dapat dibaca dari alat); L =jalur transmisi yang sebenarnya; Va = kecepatan gelombang
(ditetapkan dari alat = 0,99); Vps= kecepatan gelombang dalam
tanah.
Dari persamaan di atas, dapat ditentukan hubungan sebagai berikut: 2
01
,
1
L
L
K
s (7)Kadar air tanahθ (cm3
cm-3) didapatkan dari hubungan K dengan
θ. Persamaan yang ditemukan Topp et al. (1980) berdasarkan kalibrasi
pada tanah mineral di Ontario, Canada adalah:
θ = - 0,053 + 0,0292 Ks- 0,00055 Ks 2
+ 0,0000043 Ks 3
(8) Keakuratan persamaan (8) tidak dipengaruhi oleh berat volume tanah, suhu tanah, dan kadar garam tanah. Jika diperlukan ketelitian yang lebih tinggi, maka disarankan untuk membuat kurva kalibrasi tersendiri (Dalton, 1992).
3. METODE
3.1. Bahan dan alat
a. TDR mempunyai berbagai macam mode/tipe dengan spesifikasi dan kemampuan yang bervariasi. Ada yang manual (belum ada fasilitas konversi dari signal ke kadar air), ada pula yang sudah bersifat otomatis (automated analyses) serta dilengkapi berbagai komponen tambahan seperti data logger (Tabel 1). TDR yang paling awal diperkenalkan dan masih banyak digunakan adalah tipe portable
cable tester (model 1502 B atau C, Tektronix, Beaverton, OR).
Komponen utama TDR adalah: (1) generator (sumber) voltase
(2) penakar (detector) voltase yang kembali ke alat dan komputer sederhana.
(3) kabel koaksial (coaxial cable) yaitu suatu kabel dengan tahanan 50 Ω biasanya merupakan suku cadang yang ada pada tektronik model 1502 B atau 1502 C. Kabel ini sama dengan kabel antene TV.
b. Pemandu gelombang (wave guide), yaitu suatu elektrode dari batang besi atau kawat melalui kawat penghubung. Elektrode yang paling umum dipakai adalah elektrode dari dua potong (two wire) atau tiga potong (three wire) kawat anti karat (Gambar 2). Jika digunakan dua potong kawat, maka diperlukan suatu matching impedance balance
(balance transformer), yaitu suatu transformer yang dapat menyetarakan tahanan listrik di dalam dan di luar alat. Penggunaan dua kawat ini lebih praktis di lapangan karena pembenaman dua kawat lebih gampang dari tiga atau lebih kawat.
A. Dua kawat B. Tiga kawat
Gambar 2. Wave guide (elektrode) yang dihubungkan dengan coaxial
cable. A. Model dua kawat, dan B. Model tiga kawat
Prinsip dari penggunaan tiga potong kawat atau lebih merupakan perpanjangan dari coaxial cable. Satu kawat di bagian tengah merupakan perpanjangan dari kabel voltase, sedangkan dua atau lebih kawat lainnya merupakan perpanjangan dari pembungkus (shield) dari coaxial cable. Penggunaan tiga kawat memberikan signal yang lebih jelas.
Panjang elektrode ditentukan oleh kedalaman pengukuran. Jika kita akan menentukan kadar air rata-rata pada kedalaman 0-100 cm, maka panjang elektrode adalah 100 cm.
Tabel 1. Beberapa tipe TDR dengan masing-masing kelengkapan dan kemampuannya Supplier (pemasok) Tipe Data logging Multiflexi ng Elektrode Waveform Konduktivitas elektrik Environmental Sensors, Inc. (Victoria, B.C.,) Canada MP917 Internal Segera tersedia MP917 compatible with shorting diodes Ya Tidak Tektronix (Beaverton, OR)
1502B/C Tidak Tidak Dirancang sendiri Ya Ya Campbell Scientific, Inc. (Logan, UT) TDR 100 CR 10X or CR 23X SDMX50 Dirancang sendiri Ya Ya Soil Moisture Equipment Corp. (Santa Barbara, CA) TRASE 6050 Internal TRASE 6003 TRASE compatible Ya Ya Dynamax, Inc. (Houston, TX) Uses Tek 1502 B/C PC-based TR-200 Dirancang sendiri Ya Tidak MESA System Co. (Framingham) TRIME RDR PC-based TRIME-MUX6 TRIME compatible Tidak Tidak
3.2. Prosedur
Prosedur penggunaan TDR bervariasi menurut tipe (model) TDR yang digunakan, lokasi pengukuran; di lapangan atau di laboratorium, pada permukaan tanah atau pada kedalaman tanah tertentu, pada poin (titik) tertentu atau berhubungan dengan referensi, dan lain sebagainya. Namun demikian, prosedur dasarnya adalah sebagai berikut:
a. Tancapkan probe (batang elektrode; waveguide) atau batang transmisi ke dalam tanah. Penancapan dapat dilakukan secara vertikal dari permukaan tanah atau secara horizontal dari suatu profil tanah (Gambar 3). Cara penancapan tergantung kepada tujuan pengukuran. Penancapan secara horizontal dilakukan apabila ingin diketahui secara teliti kadar air pada suatu lapisan tanah. Penting untuk diperhatikan, bahwa harus terjadi kontak langsung antara tanah dan elektrode. Batang elektrode harus dipasang secara paralel. Pemasangan yang kurang baik (tidak paralel) dapat menyebabkan terbentuknya celah udara (air gap) sepanjang batang elektrode. Usahakan untuk meminimalkan terjadinya gangguan terhadap tanah.
Gambar 3. Diagram berbagai alternatif pemasangan elektrode (waveguide) yang dipasang secara (a) vertikal, (b) horizontal, dan (c) elektrode vertikal bersegmen (dengan menggunakan jembatan dioda atau diode shorting) yang memungkinkan pengukuran untuk berbagai segmen kedalaman dan pengukuran dari permukaan sampai kedalaman 50 cm.
Permukaan tanah Permukaan tanah
b. Hubungkan elektrode (batang transmisi) dengan instrumen pada TDR dengan menggunakan kabel koaksial. Panjang terbaik dari kabel penghubung tersebut (untuk mendapatkan penerimaan signal/noise
ratio) dibatasi sampai 25 m. Beberapa model TDR telah mempunyai multiplexer, suatu tambahan alat untuk menanggulangi hilangnya
signal yang diakibatkan oleh penggunaan kabel penghubung yang terlalu panjang. Multiplexers dapat menguatkan signal.
c. Analisis bentuk gelombang untuk menentukan waktu perjalanan signal. Data ini akan digunakan untuk menentukan relative permittivity,
Ks. Untuk penentuan kadar air, ada dua waktu perjalanan signal TDR
(dalam tanah dan sekitar elektrode) yang diukur, yaitu waktu kedatangan signal yang dipantulkan dari permukaan elektrode ke permukaan tanah (t1 pada Gambar 4), dan waktu kedatangan dari
signal yang dipantulkan dari ujung probe (t2). Perbedaan waktu (t2-t1)
merupakan lamanya (waktu) perjalanan signal (two-way travel time) sepanjang batang transmisi (probe).
d. Waktu perjalanan ini dikonversi ke relative permittivity dengan menggunakan persamaan (3), sehingga didapatkan Ks.
Gambar 4. Skema penentuan t1dan t2
e. Konversi relative permittivity, Ks, ke kandungan air (θ) dengan
menggunakan persamaan kalibrasi terpilih. Selain persamaan (9) (Topp et al., 1980), Topp dan Reynolds (1998); Ferre dan Topp (2000) memberikan hubungan regresi linier antara Ks danθ:
Waktu perjalanan gelombang dua arah
K o ef is ie n re fl ek si
Waktu perjalanan gelombang dua arah
K o ef is ie n re fl ek si
176
.
0
115
.
0
K
s
(9)Meskipun persamaan tersebut dapat diaplikasikan secara luas, disarankan untuk mengevaluasi (mengkalibrasi) tingkat keakuratan dari persamaan tersebut untuk tanah tertentu.
4. DAFTAR PUSTAKA
Dalton, F. N. 1992. Development of time domain reflectometry for measuring soil water content and bulk soil electrical conductivity. p. 143-167. In Topp et al. (Eds.) Advances in measurement of Soil Physical properties: Bringing theory in to practice. SSSA Spec. Publ. 30. SSSA, Madison, WI.
Ferre, P. A (TY), and G. C. Topp. 2002. Time domain reflectometry. p. 434-446. In Dane, J. H., and G. C. Topp (Eds.). Methods of soil analysis, Part 4-Physical Methods. Soil Sci. Soc. Amer, Inc. Madison, Wisconsin.
Gardner, W. H. 1986. Water content. In Klute, A. (Ed.) Methods of Soil Analysis. Part 1, 2nded. Agronomy 9: 493-544. ASA, Madison, WI. Klute, A .(Ed.). 1986. Methods of Soil Analysis. Part 1, 2ndEd. Agronomy
9. ASA, Madison, WI.
Topp, G. C., J. L.. Davis, and A. P. Annan. 1980. Electromagnetic determination of soil water content. Measurment in coaxial transmission lines. Water Resources Research 16: 574-582. Topp, G. C., and J. L. Davis. 1981. Detecting infiltration of water through
soil cracks by time domain reflectometry. Geoderma 26: 13-23. Topp, G. C., J. L. Davis, W. G. Bailey, and W. D. Zebchuk. 1984. The
measurement of soil water content using a portable TDR hand probe. Canadian Journal Soil Science 64: 313-321.
Topp, G. C., and W. D. Reynolds. 1998. Time domain reflectometry: A seminal technique for measuring mass and energy in soil. Soil Tillage Research 47:125-132.
