Konferensi Nasional Teknik Sipil 11 Universitas Tarumanagara, 26-27 Oktober 2017
Daya Layan Uji Geolistrik untuk Mendapatkan Sumber Air Tanah
I Wayan Redana1, I Nengah Simpen2, dan Kadek Suardika3 1
Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Bukit Jimbaran Badung, Bali Email: [email protected]
2
Program Studi Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Udayana, Bukit Jimbaran, Badung, Bali Email: [email protected]
3
Program Studi Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Udayana, Bukit Jimbaran, Badung, Bali Email: [email protected]
ABSTRAK
ABSTRAK Pengeboran air tanah dengan tanpa melakukan uji duga sumber air seperti uji geolistrik sering berhasil dan juga sering gagal mendapatkan sumber air yang baik. Hal ini terjadi pada salah satu lokasi sumur bor yang pada kenyataannya tidak memberikan sumber air yang bagus. Uji geolistrik yang dilaksanaan setelah pengeboran sumur memberi indikasi bahwa air yang baik tersedia hanya beberapa meter jauhnya dari sumur yang telah dibuat tersebut. Hal ini memberikan suatu lesson learned atau pembelajaran bahwa untuk mendapatkan sumber air yang baik pada suatu lokasi diperlukan uji geolistrik. Peralatan yang dipakai untuk uji geolistrik antara lain: satu set resistivity meter, elektroda, kabel, dan aki 12 volt. Pengukuran dilakukan dengan memakai metode Werner. Pengujian geolistrik memanfaatkan empat electrode. Dua electrode dipakai untuk menginjeksi arus listrik kedalam tanah, dan dua electrode lainnya dipakai untuk menangkap beda potensial yang terjadi akibat arus listrik yang diinjeksikan. Tahanan jenis tanah dapat ditentukan sampai kedalaman 30 m atau lebih tergantung kemampuan peralatan. Hasil yang didapat dari uji geolistrik ini dituangkan dalam contour penampang resistivitas pada lintasan pengukuran dan menunjukkan contour aquifer berdasar besar resistivitas batuan. Uji pumping dilaksanakan setelah kedua sumur bor dibuat yaitu sumur bor sebelum dan sesudah uji geolistrik. Uji pumping memberikan nilai Transmisivity (T=0,01163 m2/s), Storativity (S=0,001356), hydraulic conductivity (K=0,0008459 m/s) yang menunjukkan bahwa aquifer mempunyai kualitas baik. Uji kelayakan air sumur bor untuk dimanfaatkan sebagai air minum juga menunjukkan nilai yang baik pada sumur sesuai hasil tes geolistrik. Sedangkan, pada sumur yang telah dibuat lebih dahulu tanpa melakukan uji geolistrik, uji kelayakan air tidak memenuhi syarat. Kesimpulan dari kajian ini bahwa daya layan uji geolistrik sangat baik dalam menentukan aquifer sumber air.
Kata kunci: Air tanah, Uji pumping, Geolistrik
1. PENDAHULUAN
Pendugaan geolistrik dapat dipakai untuk memperoleh gambaran tentang kandungan air tanah dibawah permukaan berdasarkan nilai kontras tahanan jenis. Nilai tahanan jenis tanah yang diperoleh ini dapat juga dipakai untuk mengetahui penyebaran jenis lapisan tanah secara vertikal maupun horizontal dibawah tanah didaerah penelitian. Rumusan masalah penelitian adalah bahwa sumur yang dibuat tanpa penyelidikan geolistrik mendapatkan air yang tidak layak minum, sehingga diperlukan pengetahuan uji geolistrik untuk mendapatkan sumber air atau aquifer. Tujuan penelitian adalah untuk menguji daya layan geolistrik mendapatkan air yang layak minum.
Nilai koefisien Konductifitas hidraulik (K) yang didapat dari uji pumping dan tebal lapisan aquifer yang mengandung air yang didapat dari uji geolistrik dipakai untuk menghitung parameter transmisivitas dan storatifitas dari sumur. Parameter transmisivitas dan storatifitas dipakai untuk menentukan produktifitas air sumur untuk keperluan rumah tangga. Uji kelayakan kualitas air sumur dipakai untuk menentukan kelayakan air sumur sebagai air minum. Hasil uji geolistrik dan uji pumping ini dapat dipakai untuk membandingkan produktifitas dan kelayakan kualitas air kedua sumur yaitu sumur yang dibuat tanpa penyelidikan dan sumur yang dibuat setelah penyelidikan geolistrik.
2. METODOLOGI
Pendugaan geolistrik
Prinsip dasar metode geolistrik memanfaatkan arus listrik yang diinjeksikan kedalam tanah dan menangkap beda potensial yang dihasilkannya. Dalam menginterpretasikan pengukuran pada metoda geolistrik bumi dianggap homogen isotropis, yaitu setiap lapisan memiliki resistivitas yang sama. Prinsip dasar metoda geolistrik adalah mengukur respon potensial pada suatu elektroda potensial akibat arus listrik yang diinjeksikan ke dalam bumi melalui elektroda arus, oleh karena itu perumusan teoritis metoda geolistrik didasarkan pada prinsip perhitungan potensial listrik pada suatu medium tertentu akibat suatu sumber arus listrik di permukaan bumi. Jika arus (I) diinjeksikan ke dalam bumi yang homogen dan isotropis melalui sebuah elektroda tunggal, maka arus listrik tersebut akan menyebar ke segala arah dalam permukaan-permukaan ekuipotensial pada bumi berupa permukaan setengah bola seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 1 (Telford, 1990).
Gambar 1. Aliran Arus Listrik dan Bidang Ekuipotensial
Nilai resistivitas listrik suatu formasi bawah permukaan dapat ditentukan menurut persamaan:
r
I
4
r
V
(1)Karena permukaan yang dialiri arus adalah permukaan setengah bola yang mempunyai luas
2
r
2, makaI
rV
2
ataur
1
2
I
V
(2)Apabila dipasang empat buah elektroda seperti Gambar 2, dan jarak antara dua elektroda arus tidak terlalu besar, potensial disetiap titik dekat permukaan akan dipengaruhi oleh kedua elektroda arus tersebut, sehingga equipotensial yang dihasilkan dari kedua titik sumber ini bersifat lebih kompleks dibandingkan sumber arus tunggal.
Gambar 2. Skema Elektroda Arus dan Elektroda Potensial (Telford dkk., 1990)
Bila digambarkan garis-garis ekuipotensialnya akan didapatkan tampak atas seperti Gambar 3. Apabila digambarkan dalam bentuk penampang akan didapatkan seperti Gambar 4. Perubahan potensial sangat drastis pada daerah dekat sumber arus, sedangkan pada daerah antara A dan B gradien potensial kecil dan mendekati linier. Dari alasan ini, pengukuran potensial paling baik dilakukan pada daerah diantara A dan Byang mempunyai gradien potensial linier. Untuk menentukan perbedaan potensial antara dua titik yang ditimbulkan oleh sumber arus listrik A dan B, maka dua elektroda potensial misalnya M dan N ditempatkan di dekat sumber seperti pada Gambar 3.
Gambar 3. Garis-Garis Equipotensial Dilihat dari Atas (Telford dkk., 1990)
Dengan prinsip bidang ekuipotensial, akan didapatkan bahwa pengukuran potensial di permukaan tanah akan menghasilkan nilai yang sama dengan beda potensial di dalam tanah pada radius yang sama untuk pengukuran beda potensial antara titik M dan N dari sumber arus A dan B di permukaan seperti Gambar 4. (Telford et al, 1990).
Gambar 4. Elektroda Arus dan Elektroda Potensial, Serta Garis-Garis Ekuipotensial.
Sehingga persamaan menjadi:
BM
1
AM
1
2
I
M
V
(3)
BN
1
AN
1
2
I
V
N
(4)Maka selisih beda potensial antara titik M dan N adalah:
N
M
V
V
V
(5)dan didapat persamaan untuk menentukan resistivitas yaitu:
I
AV
BN
1
AN
1
BM
1
AM
1
2
1
atauI
V
K
(6)Dimana K yang merupakan faktor geometri mempunyai nilai:
NB
1
AN
1
MB
1
AM
1
2
K
(7)Apabila dalam pengambilan data jarak spasi elektroda dibuat sama yaitu AM = MN = NM = a, maka AM = NB = a dan MB = AN = 2a, lihat Gambar 2, maka persamaan (7) akan menjadi:
a
2
K
(8)Konfigurasi seperti ini dikenal dengan Konfigurasi Wenner, dimana K merupakan faktor geometri. Jadi dengan melakukan pengukuran beda potensial (V), kuat arus (I) dan jarak antar elektroda (a) akan didapatkan resistivitas (resistivitas semu) pada titik pengukuran tersebut. Besar resistivitas berbanding terbalik dengan kemampuan menghantarkan listrik. Makin besar daya hantar listrik, makin kecil resistivitas. Resistivitas air laut atau air asin kira-kira sebesar 0.2Ωm. Variasi berbagai resistivitas batuan seperti pada Gambar 5.
Gambar 5. Resistivitas berbagai lapisan tanah
Uji pumping
Tes sumur tunggal dapat dilakukan untuk mendapatkan konduktivitas hidraulik (K) dengan tes konstan head didaerah aliran sumur. Geometri dari suatu sumur tes atau piezometer diperlihatkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Tes pada sumur tunggal
Langkah pada tes ini adalah: pompa air keluar ukur Q dan ukur h1 dan h2 untuk mendapatkan h. Tes ini akan bagus untuk nilai K tinggi seperti pasir kasar dan gravel atau retakan batuan.
h FK Q (9)
h
F
Q
K
(10)Faktor bentuk F diberikan oleh dua bentuk ujung sumur atau piezometer seperti Gambar 7 (Redana, 2016). Piezometer dengan selubung dan saringan, tanpa sand pack:
r
F
2
,
75
(11)Piezometer dengan sand pack disekeliling saringan dan di atas saringan direkatkan dengan bentonit atau semen.
R
L
L
2
F
ln
(12) Untuk L>8R (a) (b)Transmisivitas(T) dan Storativitas (S)
Secara mendasar, ada enam parameter yang diperlukan untuk menjelaskan aspek hidraulik dari aliran air tanah. Parameter tersebut ada pada parameter tanah dan ada pada air (Redana, 2016). Parameter tanah atau media porousnya adalah: porositas (n), permeabilitas (k) dan kompresibilitas tanah (). Parameter air atau fluida adalah: kerapatan air (), viskositas air (μ), dan kompresibilitas air (β). Parameter yang lain yang sering dipakai diturunkan dari enam parameter di atas seperti parameter hidraulik konduktivitas (K), Specific storage (Ss), Storativitas (S) dan Transmisivitas (T). Nilai transmisivitas, T>0,015 m2/s, menyatakan parameter aquifer yang baik untuk pengambilan air, sedangkan nilai storativitas, S, berkisar antara 0,005 sampai 0,00005.
Untuk sebuah confined aquifer setebal b, transmisivitas (T) didefinisikan sebagai:
Kb
T
(13)Storativitas didefinisikan sebagai:
b
S
S
s (14)Specific Storage (Ss)
Specific storage Ss didefinisikan sebagai volume air yang dikeluarkan oleh satu unit volume aquifer pada satu unit penurunan head hidraulik. Dua mekanisme terjadi yaitu: pemampatan aquifer yang disebabkan oleh kenaikan tegangan efektif, e, oleh karenanya dikontrol oleh kompresibilitas dan pengembangan air yang disebabkan oleh tekanan p, oleh karenanya dikontrol oleh kompresibilitas fluida, β. Specific storage merupakan gabungan persamaan dengan dua mekanisme tersebut yang menghasilkan:
g
n
S
s
(15)Uji kualitas air
Air bersih adalah air yang digunakan untuk keperluan 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 (Ketentuan Umum Permenkes No.416/Menkes/PER/IX/1990., Tentang Pengawasan dan Syarat Syarat Kualitas Air).
3. HASIL Hasil uji geolistrik
Hasil penelitian geolistrik berupa gambar penampang resistivitas lintasan pengukuran hasil output program Res2dinv dapat dilihat pada Gambar 8.
Lintasan pengukuran berada pada posisi 4 m di utara batas tanah Puri Persada dengan kedudukan 1,5 m lebih rendah dari tanah di dalam Puri Persada. Dari Gambar 8 dapat dilihat bahwa penempatan sumur 1 berada pada lapisan tanah yang kurang mengandung air. Penempatan sumur 2 yang dibuat setelah uji geolistrik berada pada daerah contour resistivitas lapisan tanah aquifer yang mengandung lebih banyak air.
Hasil uji pumping
Posisi sumur 1 dan sumur 2 pada gambar kontur resistivitas penampang lintasan seperti pada Gambar 8. Jarak antara sumur 1 dan sumur 2 adalah 50 m. Untuk mengetahui kemampuan sumur 2 dalam memproduksi air, dilakukan uji pumping. Sumur 1 sebagai sumur pantau. Pengujian dilakukan pada tiga tingkat debit, namun hanya satu saja yang dibahas pada kesempatan ini. Hasil uji pumping selengkapnya dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Tabulasi hasil uji pumping atau Pumping Test
Debit Waktu Pengukuran
Kedalaman muka Air sumur pantau (1)
Kedalaman muka Air sumur geolistrik (2) (l/s) (l/Menit) (m) (m) 10/44 13,63 14.00 – 14.30 15,25 17,50 14.30 – 15.00 15,25 17,75 15.00 – 15.30 15,25 17,80 15.30 – 16.00 15,25 17,80 (tetap)
Kedalaman awal muka air sumur 2 adalah 16,25 m Berdasarkan hasil pumping dapat dilihat bahwa, walaupun sumur 2 secara terus menerus airnya diambil, tetapi permukaan air sumur 1 tidak turun. Keadaan seperti ini berdasarkan gambar penampang resistivitas dapat dijelaskan bahwa sumber air sumur 1 berbeda dengan sumber air sumur 2. Sumur 1 mengambil air pada air permukaan yang meresap, sedangkan sumur 2 mengambil air pada aquifer yang terlindung dengan lapisan keras. Antara sumber air sumur 1 dengan sumber air sumur 2 terdapat lapisan pembatas.
Berdasarkan Tabel 1 diatas setiap pengaturan debit tertentu dilakukan tiga tahap pengukuran penurunan permukaan air di dalam sumur uji. Pengukuran penurunan kedalaman permukaan air dilakukan setiap 30 menit, dimulai dari pukul 14.00 sampai pukul 20.00 dengan waktu pumping sebesar 2 jam setiap satu tahap pengaturan debit sumur. Waktu total yang dibutuhkan uji pumping adalah 6 jam. Dengan kedalaman awal permukaan air dalam sumur 2 sebelum dilakukan uji pumping adalah 16,25 m.
Sehingga, dapat diketahui bahwa nilai debit (Q) dan nilai penurunan permukaan air sumur (∆h) adalah sebagai berikut:
Tabel 2 hubungan nilai debit(Q) dan penurunan muka air sumur 2 (∆h)
Q (l/menit) ∆h (m)
13,63 1,55
Berdasarkan Tabel 2 dapat dicari besarnya Konduktivitas hidraulik sumur (K), Transmisivitas (T), Storativitas (S) dan Spesifik Storativitas (Ss). Konduktivitas hidraulika sumur 2 (K) dapat dicari dengan Rumus (10) dengan nilai (δr)= jari-jari dalam casing sumur (0,063 m), Konstanta sumur F= (2,75)(δr)=2,75 x 0,063=0,17325 m didapat:
s
m
0008459
0
h
F
Q
K
.
Selanjutnya untuk mencari nilai Transmisivitas(T) dihitung dengan Rumus (13) dengan nilai Konduktivitas hidraulik sumur sebesar K=0,0008459 m/s dan dengan memperhatikan Gambar 8 contour resistivitas nilai ketebalan aquifer sebesar b=13,75m. Jadi nilai Transmisivitas, T adalah:
s
m
01163
0
75
13
0008459
0
Kb
T
2.
)
.
(
.
Nilai Spesifik Storativitas(Ss) dapat dicari dengan Rumus (15) dengan =Kerapatan Air(1000 Kg/m3), g=gravitasi (9,72 m/s2), Φ=Porositas pasir (35%), β=Kompresibilitas air (4,4x10-10 m2/N)=4,4x10-3 ms2/kg (Hundak,2004), α =Kompresibilitas aquifer(10-8 m2/N)=10-8 ms2/kg (Hundak,2004):
4 1s
g
n
0
9869
x
10
m
Nilai S dengan ketebalan aquifer b =13,75 m dapat dicari dengan rumus berikut:
001356
0
75
13
10
x
9869
0
b
S
S
s
.
4(
.
)
.
Tabel 3. Karakteristik Aquifer
Parameter Aquier Satuan Kuantitas Syarat akuifer baik Konduktivitas Hidrolik (K) m/s 0,0008459 -
Transmisivitas (T) m2/s 0,01163 >0.015
Spesifik Storativitas (Ss) /m 0,9869x10-4 -
Storativitas (S) - 0,001356 0.005-0.00005
Berdasarkan parameter- parameter aquifer yang didapat, diinterpretasikan bahwa: konduktivitas hidrolik K=0,0008459 m/s, menurut Todd (1980) aquifer berupa pasir, Transmisivitas T=0,01558808 m2/s, menurut U.S Def. of the Interior (2012) produktivitas sumurnya sangat baik untuk keperluan domestic dan irigasi, Storativitas S=0,001356, menurut Todd (1980) aquifernya merupakan aquifer tertekan. Hasil pendugaan juga dibuktikan dengan hasil pengeboran yaitu pada daerah aquifer berupa pasir. Hasil pengukuran geolistrik menunjukan di sekitar aquifer ada perlapisan dengan resistivitas lebih tinggi yang berarti aquifernya berupa auifer tertekan.
Uji kualitas air sumur
Berikut ini merupakan hasil uji kualitas air yang dikeluarkan oleh pihak Laboratorium Analitik, universitas Udayana:
Tabel 4. Hasil uji kualitas air sumur
No Parameter Satuan Hasil Ambang Air sumur 1 Air sumur 2
1 pH - 7,17 7,47 6-9 1) 2 COD mg/L 24,099 *) 9,205 10 1) 3 BOD mg/L 11,315 *) 4,733 10 1) 4 NO2(Nitrit) mg/L 0,036 Ttd 0,06 1) 5 NO3(Nitrat) mg/L Ttd Ttd 10 1) 6 SO4(Sulfat) mg/L 63,468 12,165 400 1) 7 Klorida mg/L 24,85 21,30 600 1) 8 NH3(Amoniak) mg/L 0,385 Ttd 0,50 1)
Peraturan Gubernur Bali No.8 Tahun 2007 tentang Baku Mutu Lingkungan Hidup dan Baku Kerusakan Lingkungan Hidup menyatakan:
* ) Tidak Sesuai atau melebihi batas ambang 1)
Ttd = Tidak terdeteksi pada alat dengan limit deteksi 0,001 mg/l
Berdasarkan Tabel 4 dapat diketahui bahwa uji kualitas yang dikeluarkan pihak dari berbagai parameter yang dijuji meliputi : pH, COD, BOD, NO2, NO3, SO4, Cl, dan NH3. Berdasarkan Tabel 4 diatas terbukti nilai parameter
sampel air sumur 1 dan sampel air sumur 2 berbeda. Ini berarti kualitas kedua air berbeda. Nilai pH sebesar 7,17 untuk sampel 1 dan 7,47 untuk sampel 2(geolistrik). Berarti pH dari sampel tersebut sudah sesuai dengan syarat kelayakan air yaitu pH 6-9 (Peraturan Gubernur Bali No.8 Tahun 2007 tentang Baku Mutu Lingkungan Hidup dan Baku Kerusakan Lingkungan Hidup).
Nilai COD (Chemical Oxygen Demand) untuk sampel 1 sebesar 24,099 mg/L dan BOD (Biological Oxygen Demand) sebesar 11,315 mg/L. Sampel 2(geolistrik) memiliki nilai COD sebesar 9,205 mg/L dan BOD sebesar 4,33 mg/L. Hal ini dapat diartikan bahwa sampel 2(geolistrik) memiliki kualitas lebih baik dari pada sampel 1, karena semakin tinggi nilai COD dan BOD kualitas air semakin rendah dan sebaliknya, semakin rendah nilai COD dan BOD, maka kualitas air semakin tinggi.
Nilai dari parameter NO2(Nitrit) dan NO3(Nitrat) pada masing-masing sampel sangat kecil dan tidak semua
terdeteksi. Hal itu dapat diketahui pada sampel 1 yang hanya mengandung senyawa NO2. Sampel 2(geolistrik) tidak
kondisi ideal dan normal kandungan Nitrit dan Nitrat adalah nol (Eugene R. Weiner. Konsentrasi untuk SO4(Sulfat)
pada sampel 1 sebesar 63,468 mg/L dan untuk sampel 2 (geolistrik) sebesar 12,165mg/L. Konsentrasi sulfat pada kedua sampel masih berada dibawah ambang batas untuk kualitas air bersih, yaitu 400 mg/L.(Peraturan Gubernur Bali No.8 Tahun 2007)
Sementara untuk kandungan Cl(Klorida) pada sampel 1 sebesar 24,85 mg/L dan sampel 2 memiliki kandungan klorida sebesar 21,30mg/L. Kandungan klorida pada kedua sampel masih berada dibawah ambang batas yaitu 250 mg/L.(Permenkes, RI No.907/Menkes/SK/VII/2002) Terakhir, untuk kandungan NH3(Amonia) hanya ada pada
sampel 1 yaitu sebesar 0,385 mg/L dan untuk sampel 2 (geolistrik) tidak terdeteksi adanya kandungan ammonia. Sehingga dapat diartikan bahwa sampel 2 lebih berkualitas dari sampel 1 karena untuk air bersih tidak boleh terdeteksi ammonia (Peraturan Gubernur Bali No.8 Tahun 2007.
Berdasarkan Tabel 4 dapat diketahui bahwa air dari sumur 2 (geolistrik) memiliki kualitas yang lebih baik dari sumur 1, karena nilai parameter kualitas air untuk sumur geolistrik sudah sesuai dengan ketentuan Peraturan Gubernur Bali No.8 Tahun 2007 dalam batas ambang yang sudah ditentukan.
4. KESIMPULAN
Kesimpulan yang didapat dari penelitian ini adalah bahwa letak pengeboran pada posisi 22,2 m – 28,7 m dari pojok Barat Laut tanah Puri Persada diduga dengan kedalaman 18 m sudah ketemu akuifer. Pengeboran dengan kedalaman 30 m sudah dianggap cukup. Sumur yang dibuat sebelumnya, tanpa melakukan uji geolistrik tidak mendapatkan air kualitas baik. Dari studi ini didapatkan bahwa daya layan uji geolistrik sangat memuaskan dalam menentukan produktifitas aquifer dan sumber air yang berkualitas baik.
DAFTAR PUSTAKA
Telford, W. M., Geldart, L. P., Sherif, R.E dan Keys, D. D. 1990. Applied Geophysics First Edition. Cambridge University Press. Cambridge. New York.
Todd, D.K. 1980. Groundwater Technology. Associate Professor of Civil Engineering California University. Jihn Wiley and Son. New York.
