BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilakukan berdasarkan data sekunder DAS Brantas tahun 2009-2010 dan observasi lapang pada bulan Februari–Maret 2012 di Stasiun Pengamat Arus Sungai (SPAS) Plumbangan Sub DAS Lahar, Kabupaten Blitar, Jawa Timur yang terletak antara 7°59’46” LS - 8°04’38” LS dan 112°20’41”BT-112°26’01”. Pengolahan data dilakukan di Laboratorium Hidrologi Hutan dan DAS, Departemen Manajemen Hutan, Fakultas Kehutanan, Institut Pertanian Bogor.
3.2 Alat dan Bahan
3.2.1 Alat-alat yang digunakan dalam penelitian yaitu:
1. Automatic Water Level Recorder (AWLR) terdapat pada lampiran 2. 2. Ombrometer terdapat pada lampiran 2.
3. Global Positioning System (GPS) untuk mengetahui koordinat tempat penelitian, terdapat pada lampiran 2.
4. Stopwatch untuk mengukur waktu tempuh pelampung, terdapat pada lampiran 2.
5. Meteran untuk mengukur ukuran SPAS, terdapat pada lampiran 2. 6. Botol pelampung untuk mengukur kecepatan aliran air.
7. Kertas untuk menyaring sedimen, terdapat pada lampiran 2.
8. Oven dan timbangan elektrik untuk mengeringkan dan mengukur berat sedimentasi, terdapat pada lampiran 2.
9. Seperangkat komputer dengan sistem operasi Microsoft Windows7 yang dilengkapi Erdas Imagine Ver 9.1 dengan berbagai Extentions yang dibutuhkan dalam pengolahan data spasial, Tank Model GA Optimizer, dan
3.2.2 Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian yaitu: a. Data monitoring BPDAS Brantas (2009-2010):
1. Data tinggi muka air (TMA) dengan menggunakan AWLR tahun 2009-2010.
2. Data curah hujan dari Ombrometer tahun 2009-2010. 3. Data kondisi umum area kajian
4. Data TMA dan debit lapang untuk mencari rating curve debit 5. Data debit dan sedimen lapang untuk mencari rating curve sedimen b. Data Spasial (Sumber: BPDAS Brantas 2010)
1. Peta digital tutupan lahan. 2. Peta digital sungai. 3. Peta digital kontur. 4. Peta tanah
3.3. Tahapan Penelitian
1. Pengumpulan data sekunder (data curah hujan, tinggi muka air (TMA), dan kondisi umum daerah Model DAS Mikro (MDM) Barek Kisi, Sub DAS Lahar, Kabupaten Blitar, Jawa Timur).
2. Pengumpulan data primer (mengambil data curah hujan, TMA, kecepatan aliran, konsentrasi sedimen di lapangan).
3. Pengukuran data debit aliran sungai (Q) dengan cara mencari luas penampang sungai, pengukuran TMA dan kecepatan aliran.
4. Pengukuran data sedimentasi (Qs) dengan cara pengambilan sample air menggunakan gelas ukur dan kertas saring, kemudian diukur menggunakan timbangan elektrik.
5. Mencari nilai korelasi antara hubungan tinggi muka air (TMA) dengan debit aliran (Q).
6. Mencari nilai korelasi antara hubungan debit aliran sungai (Q) dengan sedimentasi (Qs).
7. Membuat grafik hidrograf untuk mencari hubungan antara curah hujan menurut waktu terhadap debit aliran (m³/s).
8. Mencari nilai evapotranspirasi dengan menggunakan Weather Generator dan evapotranspirasi (ETP) Penman Montheit. Data yang dibutuhkan adalah data suhu, kelembaban, radiasi dan kecepatan angin.
9. Pengolahan data Model Tangki dengan menggunakan data curah hujan (mm), evapotranspirasi (mm) dan debit (mm).
10. Menghitung besarnya laju sedimentasi dengan menggunakan metode MUSLE.
11. Mencari nilai korelasi antara hubungan laju sedimen observasi dengan laju sedimen hasil kalkulasi MUSLE.
3.4 Analisis Data
3.4.1 Analisis Curah Hujan
Analisis data curah hujan dilakukan dengan melakukan tabulasi curah hujan bulanan, curah hujan tahunan, menganalisis sebaran bulan basah dan bulan kering setiap tahun serta dilakukan analisis korelasi antara curah hujan dan debit untuk mengetahui sejauh mana curah hujan berpengaruh terhadap besar debit aliran.
3.4.2 Analisis Hubungan Tinggi Muka Air dengan Debit Aliran
Debit aliran diperoleh dari hasil perkalian kecepatan aliran rata-rata (m3/s) dengan luas penampang melintang sungai (m). Pengukuran debit ini dilakukan dengan tiga kali ulangan pada tinggi muka air yang berbeda sehingga diperoleh hubungan antara debit aliran dengan tinggi muka air dari penampang sungai tersebut dalam sebuah lengkung aliran.
Berdasarkan hubungan antara tinggi muka air dan debit aliran diperoleh persamaan sebagai berikut :
Q = a TMAb……….……… (1)
Keterangan :
Q = debit aliran (m3/s) TMA = tinggi muka air (m) a,b = konstanta
3.4.3 Analisis Hidrograf
Bentuk hidrograf dapat ditandai dengan tiga sifat pokoknya, yaitu waktu naik (time of rise), debit puncak (
Waktu naik (Tp) adalah waktu yang diukur dari saat hidrograf mulai naik sampai waktu terjadinya debit puncak.
dalam suatu kasus tertentu. Waktu dasar (Tb) adalah waktu yang diukur dari saat hidrograf mulai naik sampai waktu dimana debit kembali pada suatu besaran yang ditetapkan.
3.4.4 Analisis Data Evapotranspirasi Metode
Penman-menentukan besarnya evapotranspirasi potensial
permukaan vegetasi yang menjadi kajian. Model ini membutuhkan lima parameter iklim yaitu suhu, kelembaban relatif, kecepatan angin, tekanan uap jenuh dan radiasi netto. Model persamaan
ETp= Keterangan:
Etp = Evapotranspirasi potensial (kg/m Rn = Radiasi netto (kW/m
∆ = Slope fungsi tekanan uap jenuh (Pa/°C) γ = Konstanta Psychometric
G = Konduktifitas thermal
ea-ed = Defisit tekanan jenuh udara (kPa) Mw = Massa molekul air (0,018 kg/mol) R = Konstanta gas (8,31x10
߆ = suhu (K)
rv = Tahanan kanopi (det/m)
3.4.5 Analisis Model Tangki Data masukan utam
(ETP), dan debit (Q) yang dioptimasi menghasilkan keluaran berupa nilai Analisis Hidrograf
Bentuk hidrograf dapat ditandai dengan tiga sifat pokoknya, yaitu waktu ), debit puncak (peak discharge), dan waktu dasar (time of base Waktu naik (Tp) adalah waktu yang diukur dari saat hidrograf mulai naik sampai waktu terjadinya debit puncak. Debit puncak adalah debit maksimum yang terjadi dalam suatu kasus tertentu. Waktu dasar (Tb) adalah waktu yang diukur dari saat naik sampai waktu dimana debit kembali pada suatu besaran yang
Data Evapotranspirasi
-Monteith adalah salah satu metode yang digunakan untuk
nya evapotranspirasi potensial dari permukaan air terbuka dan permukaan vegetasi yang menjadi kajian. Model ini membutuhkan lima parameter iklim yaitu suhu, kelembaban relatif, kecepatan angin, tekanan uap jenuh dan
. Model persamaan Penman-Monteith sebagai berikut:
...
Evapotranspirasi potensial (kg/m2) atau mm/s) (kW/m2)
fungsi tekanan uap jenuh (Pa/°C)
Psychometric (Pa/°C)
= Konduktifitas thermal kedalam tanah (kW/m2) = Defisit tekanan jenuh udara (kPa)
= Massa molekul air (0,018 kg/mol) = Konstanta gas (8,31x10-3 kJ/mol/K)
= Tahanan kanopi (det/m)
Model Tangki
masukan utama Model Tangki yaitu curah hujan (P), evapotranspirasi (ETP), dan debit (Q) yang dioptimasi menghasilkan keluaran berupa nilai Bentuk hidrograf dapat ditandai dengan tiga sifat pokoknya, yaitu waktu
time of base).
Waktu naik (Tp) adalah waktu yang diukur dari saat hidrograf mulai naik sampai Debit puncak adalah debit maksimum yang terjadi dalam suatu kasus tertentu. Waktu dasar (Tb) adalah waktu yang diukur dari saat naik sampai waktu dimana debit kembali pada suatu besaran yang
adalah salah satu metode yang digunakan untuk dari permukaan air terbuka dan permukaan vegetasi yang menjadi kajian. Model ini membutuhkan lima parameter iklim yaitu suhu, kelembaban relatif, kecepatan angin, tekanan uap jenuh dan
...(2)
yaitu curah hujan (P), evapotranspirasi (ETP), dan debit (Q) yang dioptimasi menghasilkan keluaran berupa nilai
parameter Model Tangki, indikator keandalan model, nilai keseimbangan air, kurva hidrograf, dan regresi. Masukan data harian curah hujan, evapotranspirasi, dan debit semua dikonversi menjadi satuan mm. Menurut Setiawan (2003) rumus untuk mencari debit dalam satuan mm adalah sebagai berikut:
Q’ = Qx86400x1000 ...(3) A
Keterangan:
Q’ = debit aliran (mm/ hari) Q = debit aliran (m³/ s) A = luas catchment area (m2) 86400= konversi dari hari ke detik
1000 = konversi dari meter ke milimeter
Gambar 1. Skema representasi Model Tangki (Sumber: Setiawan 2003).
Dari Gambar 1 dapat dilihat model ini tersusun atas 4 (empat) reservoir vertikal, yaitu bagian atas mempresentasikan surface reservoir (A), dibawahnya
intermediate reservoir (B), kemudian sub-base reservoir (C), dan paling bawah base reservoir (D). Lubang outlet horizontal mencerminkan aliran air, yang terdiri
dari surface flow (Ya2), sub-surface flow (Ya1), intermediate flow (Yb1), sub-base
flow (Yc1), dan base flow (Yd1). Infiltrasi yang melalui lubang outlet vertikal dan
aliran yang melalui lubang outlet horizontal tangki dikuantifikasikan oleh parameter-parameter Model Tangki. Aliran ini hanya terjadi bila tinggi air pada
masing-masing reservoir Ha2, Hb1, dan Hc1).
Data curah hujan haria salah satu data input Model Tangki persamaan keseimbangan air
= P(t)–ET(t)– Y(t)... Keterangan:
H= tinggi air (mm) P = hujan (mm/hari)
ET = evapotranspirasi (mm/hari) Y = aliran total (mm/hari), t = waktu (hari).
Pada standar Model Tangki dapat ditulis sebagai berikut :
=
+
Aliran total merupakan penjumlahan dari komponen aliran yang dapat ditulis sebagai berikut:
Y(t)=Ya(t)+Tb(t)+ Tc(t) + Td(t)... Lebih rinci lagi keseimbangan air dalam setiap
berikut:
=P(t)–ET(t)Ya(t)...
=Yao(t) – Yb(t)...
=Ybo(t) – Yc(t)...
=Yco(t) – Yd(t)...
Ya,Yb, Yc, dan Yd adalah komponen aliran horizontal dari setiap Yao, Ybo, dan Yco adalah aliran vertikal (infiltrasi) setiap
reservoir (Ha, Hb, Hc, dan Hd) melebihi tinggi lubangnya (H
curah hujan harian dalam satuan mm/hari akan digunakan sebagai Model Tangki. Menurut Setiawan (2003) secara global persamaan keseimbangan air Model Tangki adalah sebagai berikut :
...
ET = evapotranspirasi (mm/hari) Y = aliran total (mm/hari),
Model Tangki terdapat 4 tangki, sehingga persamaan diatas dapat ditulis sebagai berikut :
...
Aliran total merupakan penjumlahan dari komponen aliran yang dapat ditulis
(t)+Tb(t)+ Tc(t) + Td(t)...(6
Lebih rinci lagi keseimbangan air dalam setiap reservoir dapat ditulis sebagai ...(7
... ... ...( Ya,Yb, Yc, dan Yd adalah komponen aliran horizontal dari setiap reservoir adalah aliran vertikal (infiltrasi) setiap tangki (A,B dan C). (Ha, Hb, Hc, dan Hd) melebihi tinggi lubangnya (Ha1, satuan mm/hari akan digunakan sebagai secara global ...(4)
, sehingga persamaan diatas ...(5)
Aliran total merupakan penjumlahan dari komponen aliran yang dapat ditulis ...(6)
dapat ditulis sebagai ...(7) ...(8) ...(9) ...(10) reservoir, dan (A,B dan C).
3.4.6 Analisis Hubungan Debit Aliran dengan Laju Sedimen
Beban angkutan sedimen diturunkan dari data laju sedimen melalui persamaan yang menggambarkan hubungan antara debit aliran dengan beban angkutan sedimen yang nilainya didapat berdasarkan pengukuran berat sedimentasi, dimana satuan untuk sedimen adalah ppm atau mg/liter. Dengan asumsi bahwa konsentrasi sedimen merata pada seluruh bagian penampang melintang sungai maka laju sedimen dapat dihitung sebagai hasil perkalian antara konsentrasi dengan debit aliran (Asdak 2002) yaitu:
Qs = 0,0864×C × Q...(11) Keterangan :
Qs = laju sedimen(ton/hari) Q = debit aliran (m3/s)
C = konsentrasi sedimen (ppm atau mg/l)
Pengambilan sampel air sedimen dan pengukuran debit dilakukan berulang kali pada ketinggian muka air yang berbeda sehingga diperoleh hubungan antara debit aliran dengan angkutan sedimen. Berdasarkan hubungan tersebut diperoleh persamaan sebagai berikut :
Qs = aQb...(12) Keterangan :
Qs = laju sedimen(ton/hari) Q = debit aliran (m3/s) a,b = konstanta
3.4.7 Metode Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE)
Adapun yang digunakan untuk menduga laju sedimen dalam penelitian ini adalah dengan menggunakan metode MUSLE. Metode MUSLE merupakan sebuah metode yang digunakan untuk menduga laju sedimentasi yang merupakan metode yang dikembangkan dari metode yang sudah ada sebelumnya yakni metode Universal Soil Loss Equation (USLE). MUSLE tidak menggunakan faktor energi hujan sebagai trigger penyebab terjadinya erosi melainkan menggunakan faktor limpasan permukaan sehingga MUSLE tidak memerlukan faktor sediment
delivery ratio (SDR). Faktor limpasan permukaan mewakili energi yang
digunakan untuk penghancuran dan pengangkutan sedimen.
Menurut William (1975) diacu dalam Nurroh (2010), persamaan untuk menghitung jumlah sedimen yang berasal dari Sub DAS adalah sebagai berikut :
Sed =11.8.(Q
surf.q
peak.area
hru).K.L.S.C.P...(
13)
Keterangan:
Sed’ = Jumlah sedimen Sub DAS Lahar (tons) Q
surf = run off (mm)
q
peak = Puncak laju run off (m
3
/s)
area
hru= Luas Sub DAS Lahar (ha)
K= faktor erodibilitas tanah (0.013 ton.m
2
hr/(m
3
-metric ton cm)) C = faktor vegetasi penutup tanah dan pengelolaan tanaman P = faktor tindakan-tindakan khusus konservasi
LS = faktor topografi
Aliran lateral dan base flow juga membawa sedimen masuk ke dalam sungai. Jumlah sedimentasi yang berasal dari aliran lateral dan base flow dihitung dengan persamaan berikut:
...(14) Keterangan:
Qlat = lateral flow (mm)
Qgw = base flow (mm)
areahru = luas Sub DAS Lahar (Km2)
concsed = konsentrasi sedimen yang berasal dari lateral dan base flow (mg/L)
(
).
.
1000
lat gw hru sed lat
