BAB II
TINJAUAN PUSTAKA II.1 Uraian
Sumber utama dari material yang menjadi endapan fluvial adalah pecahan dari batuan kerak bumi. Batuan hasil pelapukan secara berangsur diangkut ke tempat lain oleh tenaga air, angin dan gletser. Air mengalir dipermukaan tanah atau sungai membawa batuan halus baik terapung, melayang atau digeser di dasar sungai menuju tempat yang lebih rendah. Hembusan angin juga bisa mengangkat debu, pasir, bahkan bahan material yang lebih besar. Makin kuat hembusan itu, makin besar pula daya angkutnya. Peristiwa ini disebut dengan disintegrasi yang prosesnya dapat fisik atau kimia. Sebagai akibat proses tersebut adalah terbentuknya butiran tanah dengan berbagai macam sifat yang berbeda, tergantung dari keadaan iklim, topografi, jenis batuan, waktu dan organisme. Apabila partikel tanah tersebut terkikis dari permukaan bumi atau palung sungai maka material yang dihasilkan akan bergerak atau berpindah menurut arah aliran yang membawanya menjadi angkutan sedimen.
dan proses pengendapan material-material yang diangkut oleh air sungai. Proses sedimentasi meliputi proses erosi, transportasi (angkutan), pengendapan (deposition) dan pemadatan (compaction) dari sedimentasi itu sendiri. Proses tersebut berjalan sangat komplek, dimulai dari jatuhnya hujan yang menghasilkan energi kinetik yang merupakan permulaan dari proses erosi. Begitu tanah menjadi partikel halus, lalu menggelinding bersama aliran, sebagian akan tertinggal di atas tanah sedangkan bagian lainnya masuk ke sungai terbawa aliran menjadi angkutan sedimen. Bentuk, ukuran dan beratnya partikel tanah tersebut akan menentukan jumlah besarnya angkutan sedimen.
Dasar sungai biasanya tersusun oleh endapan dari material angkutan sedimen yang terbawa oleh aliran sungai, material tersebut dapat terangkut kembali apabila terjadi kenaikan kecepatan aliran cukup tinggi. Besarnya volume angkutan sedimen tergantung dari pada perubahan kecepatan aliran dan adanya kegiatan di palung sungai. Sebagai akibat dari perubahan volume angkutan sedimen adalah terjadinya penggerusan di beberapa tempat serta terjadinya pengendapan di tempat lain pada dasar sungai sehingga dengan demikian bentuk dari dasar sungai akan selalu berubah.
II.2 Transportasi Sedimen
karena sebenarnya struktur sedimen merupakan suatu catatan (record) tentang proses yang terjadi sewaktu sedimen tersebut diendapkan. Umumnya proses itu merupakan hasil langsung dari gerakan media pengangkut. Namun demikian sifat fisik (ragam ukuran, bentuk dan berat jenis) butiran sedimen itu sendiri mempunyai pengaruh pada proses mulai dari erosi, transportasi sampai ke pengendapan.
II.2.1 Erosi dan Sedimentasi
II.2.1.1 Erosi
Erosi tanah adalah suatu proses atau peristiwa hilangnya lapisan permukaan tanah atas, baik disebabkan oleh pergerakan air maupun angin. Proses erosi tanah yang disebabkan oleh air meliputi tiga tahap yang terjadi dalam keadaan normal di lapangan, yaitu tahap pertama pemecahan bongkah-bongkah atau agregat tanah ke dalam bentuk butir-butir kecil atau partikel tanah, tahap kedua pemindahan atau pengangkutan butir-butir yang kecil sampai sangat halus tersebut, dan tahap ketiga
pengendapan partikel-partikel tersebut di tempat yang lebih rendah atau di dasar sungai (Priyantoro, 1987).
dan tidak mampu lagi mengangkut partikel tanah yag terlepas, maka partikel tanah tersebut akan diendapkan.
Proses pengangkutan partikel-partikel tanah ini akan terhenti baik untuk sementara atau tetap, sebagai pengendapan atau sedimentasi. Proses pengendapan sementara terjadi pada lereng yang bergelombang, yaitu bagian lereng yang cekung akan menampung endapan partikel yang hanyut untuk sementara dan pada hujan berikutnya endapan ini akan terangkat kembali menuju dataran rendah atau sungai. Sedangkan pengendapan akhir atau sedimentasi terjadi pada sungai. Pada daerah aliran sungai partikel dan unsur hara yang larut dalam aliran permukaan akan mengalir ke sungai sehingga terjadi pendangkalan pada tempat tersebut. Keadaan ini akan mengakibatkan daya tampung sungai menjadi turun sehingga timbul bahaya banjir.
II.2.1.2 Sedimentasi
Sedimentasi adalah proses pengendapan material yang terangkut oleh aliran dari bagian hulu akibat dari erosi. Sungai-sungai membawa sedimen dalam setiap alirannya. Sedimen dapat berada di berbagai lokasi dalam aliran, tergantung pada keseimbangan antara kecepatan ke atas pada partikel (gaya tarik dan gaya angkat) dan kecepatan pengendapan partikel.
Berdasarkan tempat dan tenaga yang mengendapkannya, proses sedimentasi dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu :
Sedimentasi fluvial
alam hasil sedimentasi fluvial antara lain pulau sungai dan delta. Pulau sungai merupakan dataran yang terdapat di tengah-tengah badan sungai. Sedangkan delta adalah bentuk hasil endapan lumpur, tanah, pasir, dan batuan yang terdapat di muara sungai. Pengendapan yang terjadi di sungai disebut sedimen fluvial. Hasil pengendapan ini biasanya berupa batu giling, batu geser, pasir, kerikil dan lumpur yang menutupi dasar sungai. Bahkan endapan sungai ini sangat baik dimanfaatkan untuk bahan bangunan atau pengaspalan jalan.
Sedimentasi aeris
Sedimentasi Aeolis atau Aeris, yaitu sedimen yang diendapkan oleh tenaga angin. Contohnya: tanah loss, sand dunes.
Sedimentasi pantai
Sedimen pantai adalah material sedimen yang diendapkan di pantai. Berdasarkan ukuran butirannya, sedimen panai dapat berkisar dari sedimen berukuran butir lempung sampai gravel. Suplai muatan sedimen yang sangat tinggi yang menyebabkan sedimentasi itu hanya dapat berasal dari daratan yang dibawa ke laut melalui aliran sungai. Pembukaan lahan di daerah aliran sungai yang meningkatkan erosi permukaan merupakan faktor utama yang meningkatkan suplai muatan sedimen ke laut.
Ada 3 (tiga) macam pergerakan angkutan sedimen yaitu:
Partikel kasar yang bergerak di sepanjang dasar sungai secara keseluruhan disebut dengan bed load. Adanya bed load ditunjukkan oleh gerakan partikel di dasar sungai yang ukurannya besar, gerakan itu dapat bergeser, menggelinding atau meloncat-loncat, akan tetapi tidak pernah lepas dari dasar sungai.
2. Wash load transport
Wash load adalah angkutan partikel halus yang dapat berupa lempung (silk) dan debu (dust), yang terbawa oleh aliran sungai. Partikel ini akan terbawa aliran sampai ke laut, atau dapat juga mengendap pada aliran yang tenang atau pada air yang tergenang.
3. Suspended load transport
Suspended load adalah material dasar sungai (bed material) yang melayang di dalam aliran dan terutama terdiri dari butir pasir halus yang senantiasa mengambang di atas dasar sungai, karena selalu didorong oleh turbulensi aliran. Suspended load itu sendiri umumnya bergantung pada kecepatan jatuh atau lebih dikenal dengan fall velocity.
Pada kenyataan pada tiap satu satuan waktu pergerakan angkutan sedimen yang dapat diamati hanyalah Bed Load Transport dan Suspended Load Transport.
II.2.2. Angkutan Sedimen
media untuk mengalirkan air, juga berfungsi untuk mengangkut material sebagai angkutan sedimen.
Pengertian umum angkutan sedimen adalah sebagai pergerakan butiran-butiran material dasar saluran yang merupakan hasil erosi yang disebabkan oleh gaya dan kecepatan aliran sungai.
Di dalam perhitungan sifat-sifat sedimen yang dipakai adalah: ukuran, kerapatan atau kepadatan, kecepatan jatuh dan porositas. Laju angkutan sedimen, perubahan dasar dan tebing saluran, perubahan morfologi sungai dapat diterangkan jika sifat sedimennya diketahui.
Beberapa faktor yang mempengaruhi angkutan sedimen adalah : 1. Ukuran partikel sedimen
Klasifikasi Ukuran butiran
Bongkahan > 256 mm
Berangkal (couble) 64 – 256 mm
Kerikil (gravel) 2- 64 mm
Pasir (sand) 62 – 2000 μm
Lanau (silt) 4 -62 μm
Lempung (clay) < 4 μm
Tabel 2.1 Klasifikasi ukuran partikel sedimen
Pengukuran ukuran butiran tergantung pada jenis bongkahan, untuk berangkal pengukuran dilakukan secara langsung, untuk kerikil dan pasir dilakukan dengan analisa saringan sedangkan untuk lanau dan lempung dilakukan dengan analisa sedimen.
Berat spesifik adalah berat sedimen per satuan volume dari bahan angkutan sedimen. Dirumuskan sebagai berikut :
��
=
2.13. Tegangan geser kritis
Tegangan geser kritis merupakan parameter penting dalam angkutan sedimen. Pergerakan sedimen dipengaruhi oleh tegangan geser, kecepatan kritis dan gaya angkat. Partikel sedimen akan terangkat apabila tegangan geser dasar lebih besar dari tegangan geser kritis erosi dan tegangan geser kritis erosi melebihi tegangan geser kritis deposisi.
Beberapa penelitian menunjukkan bahwa tegangan geser kritis sangat bergantung pada riwayat proses pengendapan dan konsolidasi. Untuk itu beberapa penelitian tegangan geser kritis sedimen kohesif biasanya dilakukan dengan menghubungkan antara tegangan geser dan massa jenis sedimen pada berbagai variasi ketinggian sampel.
Gambar 2.1. Gaya yang bekerja pada butiran di dasar sungai
Dimana:
f = koefisien gesekan
W’ = (��s - ��)*g 2.2
FD = ��∗�� ��
�� ∗
FL = ��∗�� ��
��
∗2
2.4
Partikel sedimen akan mulai bergerak pada kondisi kecepatan geser kritis terlampaui, karena gaya dorong lebih besar dari gaya gesek.
��= 2.5
Persamaan tegangan geser Shield adalah:
��
∗= 2.6
Dimana :
��
����
∗= 2.7
D = kedalaman saluran (m) S = kemiringan saluran
D = diameter butiran sedimen (mm)
��
��= tegangan geser kritis
Apabila bilangan Reynold diketahui maka tegangan geser kritis dapat diketahui dengan melihat grafik 2.2 buku Sediment Transport, Chi Ted Yang
halaman 22.
Dimana :
U* = kecepatan geser d = diameter sedimen v = viskositas kinematik
��=
Viskositas kinematik dari air (v) dihubungkan kepada viskositas dinamik (��) oleh
berat jenis sebagai berikut = ��/��. Sebagian besar buku Mekanika Fluida
Gambar 2.2. Diagram Shields
Diagram Shields secara empiris menunjukkan bagaimana pendimensian tegangan geser kritis yang diperlukan untuk inisiasi pergerakan yang merupakan fungsi dari bentuk khusus partikel bilangan Reynolds, Rep atau bilangan Reynold yang terkait dengan partikel tersebut. (Chi Ted Yang, 2003).
II.2.3. Rumus-rumus Angkutan Sedimen
Rumus-rumus yang dipakai dalam perhitungan angkutan sedimen dibagi dalam 3 (tiga) bagian, yaitu angkutan sedimen dasar (bed load transport), angkutan sedimen melayang (suspended load) dan angkutan sedimen total (total load transport).
Persamaan DuBoys adalah persamaan klasik yang telah diteliti oleh para ahli yang berbeda dan menghasilkan kesimpulan bahwa rumus DuBoys dihasilkan dari percobaan yang dilakukan pada flume yang kecil dan range yang kecil, sehingga aplikasinya sangat cocok untuk penelitiaan dengan studi saluran terbuka. Persamaan DuBoys dapat ditulis sebagai berikut :
q
b=
��
(
��
-
��
c)
2.9
Qb = W * qb 2.10
Dimana : �� = ��∗��∗�� 2.11
qb = debit bed load
Qb = muatan sedimen dasar (kg/s)
B. Metode Shields
Shields (1936) dalam penelitiaanya mengenai pergerakan awal dari sedimen dengan mengukur kondisi aliran dengan sedimen transport yang lebih besar dari nol dan kemudiaan memberikan hubungan terhadap penentuaan kondisi aliran yang berhubungan pada gerak yang baru mulai. Persamaan Shields dapat ditulis sebagai berikut :
=
2.12
Qb = W * qb 2.13
Dimana : �� = ��∗��∗�� 2.14
�� c
= tegangan geser kritis (kg/m2)
��, ��s = berat spesifik sedimen dan air (kg/m3)
Qb = muatan sedimen dasar (kg/s)
C. Metode Schoklitsch
Schoklitsch adalah ilmuan yang pertama kali menggunakan parameter debit air untuk menentukan bed load. Formula schoklitsch dengan satuan metrik:
qb = S3/2 (q - qc) 2.15
Qb = W * qb 2.16
Dimana :
d = ukuran partikel (m)
q dan qc = debit air dan debit kritis (m3/s)/m
D. Metode Meyer-Peter
Ahli yang pertama kali menemukan pendekatan dengan parameter slope energi adalah mayer – peter dkk (1934). Mayer-Peter melakukan studi laboratorium secara intensif mengenai sediment transport, yang kemudian menemukan rumus bed load dengan menggunakan system metric sebagai berikut :
qb2/3 = - 17 2.17
Qb = W * qb 2.18
Dimana :
γ = berat jenis air (m ton/m3) R = jari-jari hidrolik (m)
d = diameter partikel rata-rata (m) ρ = Massa jenis air (m ton s/m4)
S
) =
jenis slopeQb = muatan sedimen dasar (kg/s)
F. Metode Rottner
Rottner (1959) Schoklitsch mengasumsikan bahwa muatan dasar dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
qb = γs [(δs-1)g D3]1/2 x { [0,667()2/3 + 0,14]- 0,778(
)
2/3}3 2.15Qb = W * qb 2.21
Dimana :
Qb = muatan sedimen dasar (kg/s)
= Kecepatan jatuh U* = Kecepatan geser D = Kedalaman air
B. Metode Einstein
Einstein, mengasumsikan bahwa bahwa muatan melayang dapat dihitung dengan Ca = Konsentrasi muatan layang
a = 2d65
D = Kedalaman air ∆ = ks / x = d65 / x I = Numerik terintegritas
C. Metode Chang, Simons, dan Richardson
Chang, Simons, dan Richardson, mengasumsikan bahwa muatan melayang dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
qsw = γ D Ca (V I1 - I2)
2.24
γ = Berat jenis sedimen D = Kedalaman air
Ca = Konsentrasi muatan layang I = Numerik terintegritas
U* = Kecepatan geser
k = Kostanta Prandtl – von Karman ( 0,4 ) V = Rata – rata kecepatan aliran
II.2.5.3. Angkutan Sedimen Total (Total Load Transport) A. Persamaan Yang’s
Yang’s (1973) mengusulkan formula transportasi sedimen berdasarkan konsep unit aliran listrik, yang dapat dimanfaatkan untuk prediksi materi keseluruhan tempat tidur konsentrasi diangkut dalam flumes tempat tidur pasir dan sungai. Yang mendasarkan rumusnya pada konsep bahwa jumlah angkutan sedimen berbanding langsung dengan jumlah energi aliran. Energy per satuan berat air dapat dinyatakan dengan hasil kali kemiringan dasar dan kecepatan aliran. Energy per satuan besar air tersebut oleh Yang disebut sebagai unit stream power dan dianggap sebagai parameter penting dalam menentukan jumlah angkutan sedimen.
Data sedimen
Geometri saluran
Kecepatan aliran
Analisa perhitungan
Log Ct = 5.435 – 0.286 log - 0.457 log
+ (1.799 – 0.409 log − 0.314 log )log ( −
)
2.25Dimana :
Ct = konsentrasi sedimen total
d50 = diameter sedimen 50% dari material dasar (mm)
�� = kecepatan jatuh (m/s)
S = kemiringan sungai U* = kecepatan geser (m/s)
B. Metode Engelund and Hansen
Engelund and Hansen (1967) persamaan Engelund-Hansen didasarkan pada pendekatan tegangan geser. Persamaan Engelund and Hansen dapat ditulis sebagai berikut :
qs = 0,05 γs V2 [
]
1/2[]
3/2 2.26Qs = W * qs 2.27
Dimana : ��0 = ��∗��∗�� 2.28
��0 = tegangan geser (kg/m2)
Qs = muatan sedimen (kg/s)
C. Metode Shen and Hungs
Froude, kombinasi ini dapat ditemukan untuk menjelaskan transportasi sedimen dengan semua kondisi. Shen and Hung mencoba untuk menemukan variabel yang dominan yang mendominasi laju transportasi sedimen, mereka merekomendasikan kemunduran persamaan berdasarkan 587 set data laboratorium. Persamaan Shen and Hung dapat ditulis sebagai berikut :
Log Ct = - 107404.459 + 324214.747* Y – 326309.589*Y2
+ 109503.872*Y3 2.29
Dimana : Y =
[]
0.0075Ct = konsentrasi sedimen total V = kecepatan aliran (m/s)
�� = kecepatan jatuh (m/s)
S = kemiringan sungai Universitas Sumatera Utara W = lebar sungai (m)
D = kedalaman sungai (m) Qs = muatan sedimen (kg/s)
II.3. Dampak Erosi dan Sedimentasi II.3.1. Pengaruh Erosi
Terutama meliputi proses pelepasan, penghanyutan/pengangkutan dan pengendapan daripada partikel-partikel tanah yang terjadi akibat tumbukan percikan air hujan dan aliran permukaan.
Air hanya akan mengalir dipermukaan tanah apabila jumlah air hujan lebih besar daripada kemampuan tanah untuk menginfiltrasi air ke lapisan yang lebih dalam. Dengan menurunnya porositas tanah, karena sebagian pori-pori tertutup oleh partikel tanah yang halus, maka laju infiltrasi akan semakin berkurang, akibatnya aliran air dipermukaan akan semakin bertambah banyak. Aliran air di permukaan mempunyai peranan yang penting. Lebih banyak air yang mengalir di permukaan tanah maka lebih banyak tanah yang terkikis dan terangkut banjir yang dilanjutkan terus ke sungai untuk akhirnya diendapkan. Lebih lanjut tetesan air hujan ini dapat menimbulkan pembentukan lapisan tanah keras pada lapisan permukaan. Akibatnya dapat menyetop sama sekali laju infiltrasi sehingga aliran permukaan semakin berlimpah.
Dari uraian ini jelas bahwa pengaruh erosi ini dapat menimbulkan kemerosotan kesuburan fisik dari tanah.
II.3.2. Pengaruh Sedimentasi
barangkali adalah penyuburan tanah jika sumber sedimen berasal dari tanah yang subur.
II.4. Morfologi Sungai
Morfologi sungai adalah ilmu yang mempelajari sifat, jenis dan perilaku sungai dengan semua aspek perubahannya dalam dimensi ruang dan waktu. Gejala morfologi yang mempengaruhi sungai adalah :
1. Keadaan daerah aliran sungai, yang meliputi unsure topografi, vegetasi, geologi tanah dan penggunaan tanah yang berpengaruh terhadap koefisien rembesan pengaliran, sifat curah hujan serta keadaan hidrologi.
2. Hidrologi di palung sungai.
3. Material dasar saluran, tebing serta berubahnya alur aliran. 4. Aktivitas manusia diantaranya:
Dibangunnya prasarana air
Pengambilan material dasar sungai, tebing sungai dan bantaran sungai. Pembuangan material dan sampah ke sungai.
II.5. Geometri dan Geoteknik Sungai
Bentuk sungai dapat dibedakan berdasarkan :
1. Topografi sungai meliputi bagian hulu dan hilir sungai dan sungai transisi. Parameter yang menentukan adalah kemiringan dasar saluran, yang dipengaruhi oleh jenis butiran material dasar dan kekasaran dasar sungai. 2. Lapisan dasar sungai yang meliputi :
b. Sungai dengan dasar yang tidak mudah tergerus.
c. Sungai dengan dasar yang mudah tergerus tetapi terlindung oleh material sungai lain yang mudah bergerak.
d. Sungai dengan lapisan dasar mudah tergerus dan di atasnya terdiri dari perpaduan antara material itu sendiri dengan muatan dasar lepas. e. Sungai dengan dasar saliran terdiri dari lapisan alluvial tergerus dengan kedalaman cukup besar.
7. Jenis angkutan sedimen dan angkutan materialnya. 8. Pola aliran sungai yang meliputi :
a. Dendritik
Pola ini terjadi pada daerah berbatuan sejenis dengan penyebaran yang luas. Misalnya suatu daerah yang ditutupi oleh endapan sedimen yang meliputi daerah yang luas dan umumnya endapan itu terletak pada suatu bidang horizontal.
b. Radial
c. Rectangular
Terdapat di daerah yang batuannya mengalami retakan-retakan. Misalnya batuan jenis limestone.
9. Tinjauan daerah aliran sungai yang meliputi : a. Sungai lurus
Terjadi bukan karena alam tetapi dikarenakan ole perbaikan aliran sungai oleh manusia dan disengaja dibuat lurus.
b. Sungai berliku
Terjadi secara alamiah, sangat sering ditemui dan mempunyai cirri dengan arus yang berupa kurva yang dihubungkan dengan bagian alur sungai yang lurus.
c. Sungai berjalin
Terjadi karena fenomena sungai, sungai ini terdiri dari alur yang dipisahkan oleh pulau ataupun tebing kemudian bersatu kembali di bagian hilirnya.
