BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 UMUM - Analisa Sistem Jaringan Pendistribusian Pipa Air Bersih di PDAM Tirta Bengi Bener Meriah

(1)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 UMUM

Suatu penyediaan air bersih yang mampu menyediakan air yang dapat diminum dalam jumlah yang cukup merupakan hal penting bagi suatu kota besar yang modern. Unsur-unsur yang membentuk suatu sistem penyediaan air yang modern meliputi :

1. Sumber-sumber penyediaan 2. Sarana-sarana penampungan 3. Sarana-sarana penyaluran 4. Sarana-sarana pengolahan

5. Sarana-sarana penyaluran (dari pengolahan) tampungan sementara 6. Sarana-sarana distribusi

Dalam hal ini pembahasan lebih dipusatkan pada hal sistem distribusi jaringan pipa air bersih. Sistem distribusi yang ekstensif diperlukan untuk menyalurkan air ke masing-masing langganan dalam jumlah yang dibutuhkan dengan tekanan yang diharapkan. Sistem distribusi seringkali merupakan investasi utama dalam jaringan air kota. Suatu sistem distribusi seperti pohon dengan banyak titik-titik ujung yang mati tidaklah baik, karena air dapat berhenti di ujung-ujung sistem itu. Lebih dari itu bila diperlukan perbaikan, suatu daerah yang luas harus ditutup penyaluran airnya. Akhirnya dengan kebutuhan lokal yang besar pada waktu terjadinya kebakaran, kehilangan tinggi tekanan dapat besar sekali, kecuali jika pipanya cukup besar.

(2)

Perencanaan suatu sistem jaringan pendistribusian air bersih menuntut adanya peta detail dari kota yang bersangkutan, yang memuat garis-garis kontur (semua elevasi yang menentukan) serta jalan-jalan dan petak-petak yang ada sekarang maupun yang ada dibangun di masa depan. Setelah menelaah kondisi topografi dan menetapkan sumber air bersih untuk distribusi, kota itu dapat dibagi atas daerah-daerah yang masing-masing harus dilayani oleh sistem distribusi yang terpisah. Pipa-pipa penyalur haruslah cukup besar mengalirkan kebutuhan yang diperkirakan dengan tekanan yang memadai. Program-program komputer yang mempergunakan teknik-teknik matriks yang lebih efisien dipergunakan untuk menetapkan besarnya debit dan kehilangan tinggi tekanan di masing-masing pipa dalam jaringan yang bersangkutan.

Pengaruh aliran dalam pipa-pipa pelengkap pada awalnya diabaikan, tetapi dapat dihitung kemudian. Aliran didalam jaringan pipa penyalur dianalisis untuk memenuhi kebutuhan di berbagai wilayah yang berbeda. Dalam memilih pipa-pipa penyalur, kebutuhan kapasitas masa depan haruslah dipertimbangkan. Akan lebih bijaksana memperkirakan kebutuhan masa depan daripada

menggantikan pipa-pipa yang bersangkutan dengan yang lebih besar di waktu yang akan datang. Setelah jaringan pipa penyalur ditetapkan, pipa-pipa distribusi ditambahkan ke sistem yang

bersangkutan. Perhitungan hidrolik hanyalah akan merupakan perkiraan, karena semua faktor yang mempengaruhi aliran barangkali tidak dapat di perhitungkan.

2.2. Definisi dan Persyaratan Air Bersih

2.2.1. Definisi Air Bersih

Air bersih adalah air yang digunakan untuk kebutuhan sehari-hari dan akan menjadi air minum setelah dimasak terlebih dahulu. Sebagai batasannya, air bersih adalah air yang memenuhi persyaratan bagi sistem penyediaan air minum. Adapun persyaratan yang dimaksud adalah persyaratan dari segi kualitas air yang meliputi kualitas fisik, kimia, biologi dan radiologis, sehingga apabila dikonsumsi tidak menimbulkan efek samping.

(3)

Persyaratan kualitas menggambarkan mutu dari air baku air bersih. Dalam Modul Gambaran Umum Penyediaan dan Pengolahan Air Minum Edisi Maret 2003 hal. 4-5 dinyatakan bahwa

persyaratan kualitas air bersih adalah sebagai berikut :

1. Persyaratan fisik

Secara fisik air bersih harus jernih, tidak berbau dan tidak berasa. Selain itu juga suhu air bersih sebaiknya sama dengan suhu udara atau kurang lebih 250C, dan apabila terjadi

perbedaan maka batas yang diperbolehkan adalah 250C ± 30C.

2. Persyaratan kimiawi

Air bersih tidak boleh mengandung bahan-bahan kimia dalam jumlah yang melampaui batas. Beberapa persyaratan kimia antara lain adalah : pH, total solid, zat organik, CO2 agresif, kesadahan, kalsium (Ca), besi (Fe), mangan (Mn), tembaga (Cu), seng (Zn), chlorida (Cl), nitrit, flourida (F), serta logam.

3. Persyaratan bakteriologis

Air bersih tidak boleh mengandung kuman patogen dan parasitik yang mengganggu kesehatan. Persyaratan bakteriologis ini ditandai dengan tidak adanya bakteri E. coli atau fecal coli dalam air.

4. Persyaratan radioaktifitas

Persyaratan radioaktifitas mensyaratkan bahwa air bersih tidak boleh mengandung zat yang menghasilkan bahan-bahan yang mengandung radioaktif, seperti sinar alfa, beta dan gamma.

2.2.3 Persyaratan Kuantitas (Debit)

Persyaratan kuantitas dalam penyediaan air bersih adalah ditinjau daribanyaknya air baku yang tersedia. Artinya air baku tersebut dapat digunakanuntuk memenuhi kebutuhan sesuai dengan

(4)

dari standar debit air bersihyang dialirkan ke konsumen sesuai dengan jumlah kebutuhan air bersih. Kebutuhan air bersih masyarakat bervariasi, tergantung pada letak geografis,kebudayaan, tingkat ekonomi, dan skala perkotaan tempat tinggalnya.

2.2.4 Persyaratan Kontinuitas

Air baku untuk air bersih harus dapat diambil terus menerus dengan fluktuasi debit yang relatif tetap, baik pada saat musim kemarau maupun musim hujan. Kontinuitas juga dapat diartikan bahwa air bersih harus tersedia 24 jam per hari, atau setiap saat diperlukan, kebutuhan air tersedia. Akan tetapi kondisi ideal tersebut hampir tidak dapat dipenuhi pada setiap wilayah di Indonesia, sehingga untuk menentukan tingkat kontinuitas pemakaian air dapat dilakukan dengan cara pendekatan aktifitas konsumen terhadap prioritas pemakaian air. Prioritas pemakaian air yaitu minimal selama 12 jam per hari, yaitu pada jam-jam aktifitas kehidupan, yaitu pada pukul 06.00 – 18.00.

Kontinuitas aliran sangat penting ditinjau dari dua aspek. Pertama adalah kebutuhan konsumen. Sebagian besar konsumen memerlukan air untuk kehidupan dan pekerjaannya, dalam jumlah yang tidak ditentukan. Karena itu, diperlukan pada waktu yang tidak ditentukan. Karena itu, diperlukan reservoir pelayanan dan fasilitas energi yang siap setiap saat.

2.3. Konsep Dasar Pada Aliran Pipa

Untuk aliran fluida dalam pipa khususnya untuk air terdapat kondisi yang harus diperhatikan dan menjadi prinsip utama, kondisi fluida tersebut adalah fluida merupakan fluida dalam keadaan steady dan seragam.

Q = V x A ... ( 2.1 ) dimana : Q = Debit aliran (m3/s)

(5)

Untuk aliran steady seperti pada gambar 2.1 dalam pipa dengan diameter pipa konstan pada waktu yang sama berlaku :

Q1 = Q2 ... ( 2.2 )

V1 x A1 = V2 x A2 ... ( 2.3 )

Gambar 2.1 Aliran Steady dan Seragam

2.4. Persamaan Bernoulli

Penurunan persamaan Bernoulli untuk aliran sepanjang garis arus didasarkan pada hokum Newton II. Persamaan ini diturunkan dengan anggapan bahwa:

4. Zat cair adalah ideal, jadi tidak mempunyai kekentalan (kehilangan energi akibat

gesekan adalah nol).

5. Zat cair adalah homogen dan tidak termampatkan (rapat massa zat cair adalah konstan).

6. Aliran adalah kontiniu dan sepanjang garis arus.

7. Kecepatan aliran adalah merata dalam suatu penampang.

8. Gaya yang bekerja hanya gaya berat dan tekanan.

(6)

fluida. Konsep ini dinyatakan kedalam bentuk persamaan yang disebut dengan persamaan Bernoulli seperti pada gambar 2.2, yaitu:

Z1 + +

=

Z2 + +

... ( 2.4 )

Di mana: p1 dan p2 = tekanan pada titik 1 dan 2

v1 dan v2 = kecepatan aliran pada titik 1 dan 2 z1 dan z2 = perbedaan ketinggian antara titik 1 dan 2

γ = berat jenis fluida

g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s2

Gambar 2.2 : Ilustrasi persamaan Bernoulli

Persamaan di atas digunakan jika diasumsikan tidak ada kehilangan energi antara dua titik yang terdapat dalam aliran fluida, namun biasanya beberapa head losses terjadi diantara dua titik. Jika head losses ini tidak diperhitungkan maka akan menjadi masalah dalam penerapannya di lapangan. Jika head losses dinotasikan dengan “hf” maka persamaan Bernoulli di atas dapat ditulis menjadi persamaan baru, dimana dirumuskan sebagai:

(7)

2.5. Aliran Laminar dan Turbulen

Aliran fluida yang mengalir di dalam pipa dapat di klasifikasikan ke dalam dua tipe aliran yaitu “laminar” dan “turbulen”. Aliran dikatakan laminar jika partikel-partikel fluida yang bergerak

mengikuti garis lurus yang sejajar pipa dan bergerak dengan kecepatan sama. Aliran dikatakan turbulen jika tiap partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang pipa dan hanya gerakan rata-ratanya saja yang mengikuti sumbu pipa.

2.6. Metode Pendistribusian Air

2.6.1 Sistem Gravitasi

Metode pendistribusian dengan sistem gravitasi bergantung pada topografi sumber air yang ada dan daerah pendistribusiannya. Biasanya sumber air ditempatkan pada daerah yang tinggi dari daerah distribusinya. Air yang didistribusikan dapat mengalir dengan sendirinya tanpa pompa. Adapun keuntungan dengan sistem ini yaitu energi yang dipakai tidak membutuhkan biaya, sistem pemeliharaan yang murah.

2.6.2. Sistem Pemompaan

Metode ini menggunakan pompa dalam mendistribusikan air menuju daerah didtribusi.

Pompa langsung dihubungkan dengan pipa yang menangani pendistribusian. Dalam

pengoperasiannya pompa terjadwal utnuk beroperasi sehingga dapat menghemat pemakaian

energi. Keuntungan dari metode ini yaitu tekanan pada daerah distribusi dapat terjaga.

2.6.3. Sistem Gabungan Keduanya

(8)

sebagai cadangan air selama periode pemakaian tinggi atau pemakaian puncak, maka pompa dapat dioperasikan pada kapasitas debit rata-rata.

2.7. Kehilangan Tinggi Tekanan (Head Losses)

2.7.1. Kehilangan Tinggi Tekanan Mayor (Mayor Losses)

Aliran fluida yang melalui pipa akan selalu mengalami kerugian head. Hal ini disebabkan oleh gesekan yang terjadi antara fluida dengan dinding pipa atau perubahan kecepatan yang dialami oleh aliran fluida (kerugian kecil). Kerugian head akibat gesekan dapat dihitung dengan menggunakan salah satu dari dua rumus berikut dan nilai kekasarannya dapat dilihat pada tabel 2.1:

5. Persamaan Darcy – Weisbach

h

f

= f

………. ( 2.6 )

Di mana: hf = kerugian head karena gesekan (m)

f = faktor gesekan (diperoleh dari diagram Moody) d = diameter pipa (m)

L = panjang pipa (m)

v = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/s) g = percepatan gravitasi

Tabel 2.1 : Nilai kekerasan dinding untuk berbagai pipa komersil

(9)

Copper 0.0015 0.000005

Polyvinyl chloride (PVC) 0.0015 0.000005

Polyethylene,high density (HDPE) 0.0015 0.000005

Steel

Sumber: Robert J.Houghtalen, Ned H. C. Hwang, A. Osman Akan. “Fundamental of Hydraulic Engineering Systems Fourth Edition”. Pearson. New Jersey. 2010. Hal. 83.

Diagram Moody telah digunakan untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida di dalam pipa dengan menggunakan faktor gesekan pipa (f) dari rumus Darcy – Weisbach.

Untuk aliran turbulen dimana bilangan Reynold lebih besar dari 4000, maka hubungan antara bilangan Reynold, faktor gesekan dan kekasaran relatif menjadi lebih kompleks. Faktor gesekan untuk aliran turbulen dalam pipa didapatkan dari hasil eksperimen antara lain :

1. Untuk daerah complete roughness, rough pipes yaitu :

... ( 2.7 )

(10)

a.

Blasius : f =

,

untuk Re = 3000 – 100.000

b.

Von Karman :

= 2,0 log ,Untuk Re sampai dengan 3,106

3. Untuk pipa kasar, yaitu :

Von Karman : 1,74

Dimana harga f tidak tergantung pada bilangan Reynold.

4.

Untuk pipa antara kasar dan halus atau dikenal dengan daerah transisi yaitu :

Corelbrook – white :

6. Persamaan Hazen – Williams

Rumus ini pada umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang relatif sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum. Koefisien kekasaran Hazen Williams dapat dilihat pada table 2.2 dan bentuk umum persamaan Hazen – Williams, yaitu:

hf = L ... (2.8)

dimana: hf = kerugian gesekan dalam pipa (m)

Q = laju aliran dalam pipa (m3/s) L = panjang pipa (m)

C = koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams d = diameter pipa (m)

(11)

Material Pipa Koefisien C

Brass, copper, aluminium 140

PVC, plastic 150

Cast iron new and old 130

Galvanized iron 100

Asphalted iron 120

Commercial and welded steel 120

Riveted steel 110

Concrete 130

Wood stave 120

Sumber : Ram Gupta. S, “Hydrology & Hydraulic Engineering Systems. Pearson. New Jersey. 1989. Hal. 550.

2.7.2. Kehilangan Tinggi Tekan Minor (Minor Losses)

Kerugian yang kecil akibat gesekan pada jalur pipa yang terjadi pada komponen-komponen tambahan seperti katup, sambungan, belokan, reduser, dan lain-lain disebut dengan kerugian head minor (minor losses).

Besarnya kerugian minor akibat adanya kelengkapan pipa menurut dirumuskan sebagai:

hm

=

∑ k

... ( 2.9 )

Di mana: g = percepatan gravitasi

(12)

untuk pipa yang panjang (L/d >>> 1000), minor losses dapat diabaikan tanpa kesalahan yang cukup berarti tetapi menjadi penting pada pipa yang pendek dan untuk table kehilangan tinggi tekanan dapat dilihat dalam tabel 2.3

Tabel 2.3 : kehilangan tinggi tekanan pada katup, alat penyesuaian dan pipa yang digunakan

Harga K dalam h= K

5. Lengkungan pengembalian 180

o 2.2

6. Bengkokan 45

o 0.42

7. Bengkokan 22 ½

o

(45cm)

0.13

8. Sambungan T

1.25

9. Sambungan pengecil (katup pada ujung yang keci)

0.25

10. Sambungan Pembesar

0.25 (

11. Sambungan pengecil mulut lonceng

0.10

12. lubang terbuka

1.80

Sumber : J.M.K. Dake, Endang P.Tachyan, Y.P. Pangaribuan “Hidrolika Teknik Edisi Kedua. Erlangga. Jakarta.1985 . Hal. 78

(13)

Seperti yang diuraikan sebelumnya bahwa permasalahan aliran fluida dalam pipa dapat diselesaikan dengan menggunakan persamaan Darcy-Weisbach dan Diagram Moody. Penggunaan rumus empiris juga dapat digunakan untuk menyelesaikan permasalahan aliran. Dalam hal ini digunakan dua model rumus yaitu persamaan Hazen Williams dan persamaan Manning.

1.Persamaan Hazen-Williams dengan menggunakan satuan international yaitu:

V= ………( 2.10 )

Dimana : v = kecepatan aliran (m/s)

C = koefisien kekasaran pipa Hazen-Williams R = jari-jari hidrolis ; d/4 untuk pipa bundar s = slope dari gradient energi (Hl/L)

2. Persamaan Manning dengan satuan international yaitu

V = _{... ( 2.11 )}

Dimana : n = koefisien kekasaran pipa Manning

Persamaan Hazen-Williams umumnya digunakan untuk menghitung headloss dalam pipa yang sangat panjang seperti jalur pipa penyedia air minum. Persamaan ini tidak dapat digunakan untuk zat cair lain selain air dan digunakan khusus untuk aliran yang bersifat turbulen. Persamaan Darcy-Weisbach secara teoritis tepat digunakan untuk semua rezim aliran dan semua jenis zat cair. Persamaan Manning biasanya digunakan untuk saluran terbuka (open channel flow).

2.9. Mekanisme Aliran Pada Pipa

(14)

Gambar 2.3 Pipa hubungan seri

Jika dua buah pipa atau lebih dihubungkan secara seri maka semua pipa akan dialiri oleh aliran yang sama seperti pada gambar 2.3. Total kerugian head pada seluruh sistem adalah jumlah kerugian pada setiap pipa dan perlengkapan pipa.

Pada gambar 2.4, jika H diketahui Q dapat dihitung dengan persamaan 2 energi (Bernouli) ฀ Q = Q1 = Q2 = Q3

Persamaan Bernouli pada titik 1 dan 2 :

Z1

+ +

=

Z2

+ +

+ hf

1

+ hf

2

+ hf

3 ... ( 2.12)

Tinggi tekanan di 1, H1, di 2,H2 :V1 = V2 = 0

Z1 + H1 = Z2 + H2 + hf1 + hf2 + hf3

(Z1 + H1) – (Z2 + H2) = hf1 + hf2 + hf3

H= hf1 + hf2 + hf3 ... ( 2.13)

Dengan menggunakan persamaan Darcy – Weisbach persamaan tersebut menjadi :

H = f1

+

f2

+

f3

(15)

H =

(

maka Q =

... ( 2.14 ) Keterangan : H : besarnya head (m)

Q : debit (m3/s)

V : kecepatan aliran (m/s) Z : elevasi (m)

D : diameter pipa (m) L : panjang pipa (m)

g : percepatan gravitasi (m/s2) hf: kerugian head

f : faktor gesekan

2.9.2 Pipa Hubungan Paralel

(16)

Jika ada dua buah pipa atau lebih yang dihubungkan secara pararel seperti pada gambar 2.4, total laju aliran sama dengan jumlah laju aliran yang melalui setiap cabang dan rugi head pada sebuah cabang sama dengan yang lain yang dirumuskan sebagai :

Q0 = Q1 + Q2 + Q3 ... ( 2.15 )

Q0 = A1V1 + A2V2 + A3V3

Q = π/4 ( V1 + V1 + V1)

H = hf1 = hf2 = hf3

H = f1

= f

2

= f

3

V1 =

;

V2 =

;

V3 =

karena H untuk masing-masing pipa adalah sama maka:

H =

.

... ( 2.16 ) Maka untuk mencari Q ekivalen:

Qe =

.

... ( 2.17 )

(17)

De : diameter ekivalen (m) Le : panjang pipa ekivalen (m) g : percepatan gravitasi (m/s2) hf: kerugian head

f : faktor gesekan

2.10. Jaringan Pipa

2.10.1 Jenis Sistem Jaringan Pipa

a. Sistem Jaringan Pipa Seri

Sistem pemipaan dengan susunan seri merupakan jaringan pipa tanpa cabang ataupun loop. Jaringan ini memiliki satu sumber ,satu ujung dan node yang menyambung 2 pipa yang berada dalam satu jalur. Jaringan pemipaan jenis ini sangat kecil dan dipakai untuk pendistribusian air kawasan yang kecil,gambar dari system jaringan pipa seri ini dapat dilihat pada gambar 2.5

Gambar 2.5 Sistem jaringan pipa seri

2 Sistem Jaringan Pipa Bercabang

Sistem pemipaan dengan susunan bercabang seperti pada gambar 2.6 merupakan

kombinasi dari jaringan pemipaan susunan seri. Dimana,jaringannya terdiri dari satu sumber

dan memiliki banyak cabang. Sistem ini cukup untuk memenuhi kebutuhan sebuah komunitas

(18)

Gambar 2.6 Sistem jaringan pipa bercabang

3 Sistem Jaringan Pipa Tertutup (Loop)

Gambar 2.7 Sistem jaringan pipa loop

(19)

4 Sistem Jaringan Pipa Kombinasi

Sistem perpipan jenis ini merupakan sistem jaringan pemipaan yang umum digunakan untuk daerah yang luas. Sistem ini merupakan gabungan antara sistem dengan jaringan bercabang dan loop seperti terlihat pada gambar 2.8

Gambar 2.8 Sistem jaringan pipa kombinasi

2.10.2. Analisa Sistem Jaringan Pipa

Sistem jaringan pipa mungkin tidak sesederhana seperti gambar di atas. Suatu jaringan

suplai kota sering rumit dan di desain suatu sistem distribusi air yang efektif untuk seluruh

kota diperlukan untuk memperhitungkan tekanan dan debit pada setiap titik di dalam

jaringan.

Pada tiap node berlaku Persamaan kontinuitas : ∑ Q = q external

Pada setiap pipa berlaku persamaan energi : ∑ KQn = 0

Suatu jaringan kota dapat dibagi menjadi beberapa putaran atau “cincin” yang sesuai. Dua kebutuhan teoretis yaitu penurunantinggi tekan netto sekeliling putaran harus nol dan besarnya aliran netto ke arah cabang juga harus nol (0).

Andaikan kehilangan tinggi tekan terhadap gesekan dan lain-lainnya pada masing-masing pipa dinyatakan dalam bentuk :

(20)

dimana Kp dan indeks n diumpamakan tetap dan Q adalah debit yang melalui pipa. kita umpamakan :

Q = Qo + ∆Q………..………( 2.19 )

Dimana Qo adalah debit yang diumpamakan (memenuhi kondisi kesinambungan) yang besarnya

di bawah debit yang sebenarnya dengan perbedaan yang kecil seharga ∆Q.

Dengan mensubstitusikan (2.18) kedalam (2.19) dan dengan mengembangkannya dengan teori binomial ( dengan menghilangkan faktor yang mempunyai (∆Q)2 dan pangkat yang lebih besar).

hf = Kp ( ∆Q)

Dalam gerakan sekeliling putaran , ∑hf = 0, sehingga :

∑nKp ∆Q = - ∑Kp ………..( 2.20 )

Untuk memenuhi kebutuhan kesinambungan pada setiap cabang( untuk aliran masuk dan keluar yang tetap ke dalam putaran tertentu), harga ∆Q harus sama pada setiap pipa. Dengan demikian ∆Q dapat dikeluarkan dari tanda pejumlahan. Sehingga persamaan (3) menghasilkan:

∆Q =