KARAKTERISTIK, MEKANISME, DAN MODEL
TEMPORAL HIDROMETEOROLOGI DAERAH ALIRAN
SUNGAI CITARUM HULU DAN TENGAH
OLEH :
R U M I N T A
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2008
KARAKTERISTIK, MEKANISME, DAN MODEL
TEMPORAL HIDROMETEOROLOGI DAERAH ALIRAN
SUNGAI CITARUM HULU DAN TENGAH
DISERTASI
Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari
Institut Teknologi Bandung
OLEH :
R U M I N T A
NIM : 32403003
ABSTRAK
KARAKTERISTIK, MEKANISME, DAN MODEL
TEMPORAL HIDROMETEOROLOGI DAERAH ALIRAN
SUNGAI CITARUM HULU DAN TENGAH
Oleh Ruminta NIM : 32403003
Penelitian terhadap karakteristik, mekanisme dan model temporal hidro-meteorologi telah dilakukan di daerah aliran Sungai Citarum Hulu dan Tengah, Jawa Barat. Penelitian tersebut menggunakan data bulanan hasil observasi curah hujan, evapotranspirasi, kelembapan, dan debit sungai dari Januari 1968 hingga Desember 2000 dan data bulanan fenomena global dari analisis National Centers for Environmental Prediction (NCEP) dan National Geophysical Data Center (NGDC). Identifikasi karakteristik komponen hidrometerologi didasarkan pada analisis statistik meliputi jumlah kumulatif, variabilitas, korelasi dimensi, probabilitas empirik, periode ulang, power spektrum, kecenderungan jangka panjang, dan sensitivitas. Sedangkan identifikasi model dinamika temporal hidrometeorlogi didasarkan pada analisis Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS). Hasil penelitian menunjukkan bahwa curah hujan mempunyai dua persistensi yang tegas yaitu periode basah dan kering. Curah hujan dan debit sungai mempunyai variabilitas sangat tinggi masing-masing 73% dan 62%. Hal ini menunjukkan bahwa proses curah hujan dan debit sungai sangat chaotic. Pola variabilitas curah hujan dan debit sungai cenderung naik, hal ini mengindikasikan bahwa kejadian kekeringan dan banjir semakin ekstrim. Proses hidrometeorologi daerah aliran sungai Citarum adalah chaotic dimensi rendah (korelasi dimensi, ν<4). Nilai ν untuk curah hujan, evapotranspirasi, kelembapan, dan debit sungai masing-masing adalah 1.83, 1.68, 1.23, dan 2.05, menunjukkan jumlah variabel optimum dalam model dinamik proses hidrometeorologi tersebut masing-masing adalah 2, 2, 2, dan 3. Curah hujan dan debit sungai adalah bersifat chaotic mono-fraktal (qD<2) menunjukkan proses deterministik lebih dominan sedangkan evapotranspirasi dan kelembapan adalah bersifat chaotic multi-fraktal (qD>2) menunjukkan proses stokastik lebih dominan. Periode ulang nilai ekstrim curah hujan dan debit sungai masing-masing adalah 5 dan 25 bulan. Curah hujan dan debit sungai mempunyai tiga siklik utama yang sama yaitu 5-7, 9-25, dan 100-125 bulanan. Fakta ini menunjukkan bahwa curah hujan dan debit sungai berkaitan dengan osilasi monsun, quasi biennial, dan sunspot. Proses hidrometeorologi daerah aliran sungai Citarum merupakan hasil dari proses aliran tanpa batas karena mempunyai nilai spektrum eksponensial (β) lebih kecil dari satu. Curah hujan dan debit sungai cenderung menurun masing-masing sebesar 3.64% dan 1.11% untuk setiap 100 bulan. Penurunan curah hujan dan debit sungai terutama
disebabkan oleh adanya penurunan pembentukan awan dan hujan konvektif sebagai akibat dari penurunan luas hutan dan variabilitas iklim global. Evapotranspirasi dan kelembapan udara cenderung meningkat masing-masing sebesar 3.88% dan 4.21% untuk setiap 100 bulan. Peningkatan evapotranspirasi dan kelembapan udara tersebut disebabkan oleh tingginya pemindahan uap air dari permukaan ke atmosfer melalui baik evaporasi maupun transpirasi. Debit sungai sangat sensitif tehadap perubahan curah hujan, terutama debit sungai periode Juni-Juli-Agustus. Air cadangan cenderung turun sementara itu koefisien limpasan cenderung naik, hal ini mengindikasikan jumlah reservoir dan penutupan lahan oleh vegetasi telah mengalami penurunan sehingga kejadian kekeringan dan banjir semakin ekstrim. Curah hujan dan debit sungai di daerah aliran Sungai Citarum Hulu dan Tengah sangat dipengaruhi oleh fenomena global terutama temperatur global, dipole mode India, osilasi selatan, monsun India, dan potensi air atmosfer. Model dinamika temporal hidrometeorologi berbasis ANFIS dapat men-simulasi data observasi secara akurat. Model tersebut mampu memperkecil nilai bias dan kesalahan (RMSE) dan memperbesar nilai presisi (E). Model temporal curah hujan dan debit sungai tahunan dapat memberikan hasil prediksi yang lebih akurat dibanding model temporal bulanan. Model temporal hasil indentifikasi ANFIS tersebut sangat potensial dipergunakan untuk memprediksi curah hujan dan debit sungai. Hasil penelitian karakteristik, mekanisme, dan model temporal hidrometeorologi dapat memberikan masukan informasi bagi peningkatan manajemen tata air yang terintegrasi di daerah aliran Sungai Citarum. Kata kunci: curah hujan, debit sungai, fenomena global, periode basah dan kering, chaotic mono-fraktal, periode ulang, siklik, kecenderungan jangka panjang, ANFIS, model temporal
ABSTRACT
CHARACTERISTICS, MECHANISMS, AND TEMPORAL
MODEL OF HYDROMETEOROLOGY IN THE UPPER AND
MIDDLE CITARUM RIVER BASIN
Oleh Ruminta NIM : 32403003
A study on characteristics, mechanisms, and temporal models of the hydrometeorology was carried out in the Upper and Middle Citarum River Basin, West Java. The investigations based on monthly observations data of the rainfall, evapotranspiration, humidity, and river discharge from January 1968 to December 2000 and monthly data of global phenomena from reanalysis National Centers for Environmental Prediction (NCEP) and National Geophysical Data Center (NGDC). Identification of hydrometeorolgical components characteristics was based on statistics analysis i.e., cumulative sum (CUSUM), variability, correlation dimension, empirical probability, return periods, power spectrum, long-term trends, and sensitivity. While identification of the temporal dynamical model of the hydrometeorology based on Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) analyses. The results indicated that rainfall had two firm persistence i.e. wet and dry periods. The rainfall and river discharge have very high variability i.e., 73% and 62%, respectively. These data indicated that the processes of the rainfall and river discharge were very chaotic. Variability patterns of the rainfall and river discharge had increasing trends, the facts indicated that drought and flood events can to be extreme. The hydrometeorological processes in the Citarum river basin was low-dimension chaotic (correlation dimension, ν<4). The ν-values of the rainfall, evapotranspiration, humidity, and river discharge are 1.83, 1.68, 1.23, and 2.05 respectively that showed a minimum numbers of the main variables in the dynamic model of the hidrometeorological processes are 2, 2, 2, and 3 respectively. The rainfall and river discharge are chaotic mono-fractal (qD<2) that showed deterministic processes but the evapotranspiration and humidity are chaotic multi-fractal (qD>2) that showed stochastic processes. The extreme values of the rainfall and river discharge had return periods i.e., 5 and 25 months respectively. The rainfall and river discharge had the same three main cyclic there are 5-7, 9-25, and 100-125 monthly. The facts indicated that rainfall and river discharge had controlled by monsoon, quasi biennial, and sunspot oscillations. The hydrometeorological processes in the Citarum river basin was the results of the unbounded cascade processes because that had the value of exponent spectrum (β) less than one. The rainfall and river discharge had been decreased by about 3.64% and 1.11% respectively for every a hundred months. The decreasing trend in the rainfall and river discharge had
controlled mainly by the decreasing of the clouds and convection rains formation as a consequence of the deforestation and global climate variability. The evapotranspiration and air humidity had been increased by about 3.88% and 4.21% respectively for every a hundred months. The increasing trend in the evapotranspiration and air humidity had been influenced by the increasing of the water vapour removal from vegetation lands surface to the atmosphere by both evaporation and transpiration. The river discharge is very sensitively against the rainfall’s fluctuation, especially in June-July-August periods. Water storages had been decreased and coefficient of runoff had been increased, that facts indicated that reservoirs while land cover by vegetation had been decreased so that drought and flood events can to be extreme. The rainfall and river discharge in the Upper and Middle Citarum River Basin were influenced by global phenomena, especially Global Temperature, Indian Oceans Dipole Mode, Southern Oscillation, Indian Monsoon, and Precipitable Water. The temporal dynamical model of the hydrometeorology based on ANFIS can simulate the observations data accurately. The model is capable to minimize the bias and root mean squared error (RMSE) values and maximize the precision (E) value. Annually temporal models can predict more accurately rainfall and river discharge than theses of the monthly temporal models. The hydro-meteorological temporal model results of the ANFIS indentification very potential used to predict the rainfall and run off. The results of study on characteristics, mechanisms, and temporal models of the hydrometeorology can give an information for improvement of an integrated water management in the Citarum River Basin.
Key words: rainfall, discharge, global phenomena, wet and dry periods, chaotic mono-fractal, return periods, cyclic, long-term trends, ANFIS, temporal models
KARAKTERISTIK, MEKANISME, DAN MODEL
TEMPORAL HIDROMETEOROLOGI DAERAH ALIRAN
SUNGAI CITARUM HULU DAN TENGAH
Oleh Ruminta NIM : 32403003
Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal Lulus ... Ketua _________________________________ (Prof. Dr. Bayong Tjasyono, H.K., DEA)
Anggota Anggota
______________________ ______________________ (Prof. Dr. The Houw Liong) (Dr. Ir. Indratmo Soekarno)
PEDOMAN PENGGUNAAN DISERTASI
Disertasi Doktor yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HAKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung.
Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau ringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh disertasi haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
UCAPAN TERIMA KASIH
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, curahan kasih sayang, dan memberikan kekuatan sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan menuangkannya dalam disertasi yang berjudul :” Karakteristik, Mekanisme, dan Model Temporal Hidrometeorologi Daerah Aliran Sungai Ciatarum Hulu dan Tengah”.
Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada yang terhormat Bapak Prof. Dr. H. Bayong Tjasyono, H.K., DEA., Prof. Dr. The Houw Liong, dan Dr. Ir. Indratmo Soekarno, berturut-turut sebagai ketua dan anggota Tim Promotor yang telah membimbing, mengarahkan, dan memberi saran-saran yang sangat berharga sehingga pelaksanaan penelitian dan penyusunan disertasi ini dapat terselesaikan.
Ucapan terimakasih dan penghargaan disampaikan pula kepada Rektor Institut Teknologi Bandung dan Direktur Program Pascasarjana yang telah memberikan kesempatan dan fasilitas kepada penulis untuk mengikuti pendidikan program doktor. Ucapan yang sama ditujukan kepada Rektor Universitas Padjadjaran dan Dekan Fakultas Pertanian atas ijin yang telah diberikan kepada penulis untuk mengikuti program doktor.
Penghargaan dan terima kasih juga disampaikan kepada Departemen Pendidikan dan Kebudayaan atas bantuan Beasiswa Pendidikan Pascasarjana (BPPs) yang diterima selama pendidikan program doktor ini.
Pada kesempatan ini pula dengan segala ketulusan dan kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan rasa hormat dan rasa terima kasih yang tak terhingga kepada kedua orang tua Bapak Taryo (Alm) dan Ibu Salamah, yang dengan penuh rasa kasih sayang telah mendidik dan membimbing dari kecil hingga dewasa serta selalu membantu dan memberikan doa restu, dorongan, semangat, dan motivasi. Ungkapan yang sama ditujukan secara khusus kepada istri tercinta Pipih Rukmini
dan anak-anak tersayang Nenden Budiani Hanum dan Oktaviani Fauziah yang telah mendampingi penulis dengan sabar dan penuh pengertian serta memberikan semangat sehingga penulis dapat menyelesaikan disertasi ini.
Akhir kata, penulis hanya dapat berdo’a semoga semua amal kebaikan yang telah diberikan kepada penulis mendapat ganjaran yang berlipat ganda dari Allah SWT.
Bandung, Februari 2008
DAFTAR ISI
Bab Halaman
ABSTRAK ………. ii
ABSTRACT ……… iv
PEDOMAN PENGGUNAAN DISERTASI ………. vii
UCAPAN TERIMA KASIH ……… viii
DAFTAR ISI ………. x
DAFTAR LAMPIRAN ……….. xi
DAFTAR GAMBAR ………. xii
DAFTAR TABEL ………... xiv
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG …………... xvi
I. Pendahuluan ………... 1
1.1. Latar Belakang ………. 1
1.2. Maksud dan Tujuan Penelitian ………. 4
1.3. Manfaat Penelitian ………. 5
1.4. Ruang Lingkup Penelitian ……… 5
1.5. Hipotesis ……….. 6
1.6. Sistematika Penelitian ….……….. 6
II. Tinjauan Pustaka ……….. 7
2.1. Karakteristik Hidrometeorologi ……….. 7
2.2. Model Temporal Hidrometeorologi ………. 11
2.3. Daerah Aliran Sungai Citarum ………. 13
III. Bahan dan Metodologi ………. 17
3.1. Tempat dan Basis Data Penelitian ... 17
3.2. Metode ……… 18
IV. Hasil dan Pembahasan ……… 28
4.1. Periode Basah dan Kering ……….... 28
4.2. Variabilitas Hidrometeorologi ………. 32
4.3. Sifat Chaotic Hidrometeorologi ………. 39
4.4. Sifat Fraktal Hidrometeorologi ………... 42
4.5. Periode Ulang Nilai Ekstrim ... 44
4.6. Periodisitas Hidrometeorologi ... 46
4.7. Kecenderungan Hidrometeorologi ……….. 48
4.8. Sensitivitas Hidrometeorologi ……… 54
4.9. Pola Air Cadangan dan Koefisien Limpasan ……….. 56
4.10. Pola Curah Hujan Ekstrim ………….……….. 59
4.11. Model Temporal Hidrometeorologi ... 62
V. Kesimpulan dan Saran ... 72
5.1. Kesimpulan ……….. 72
5.2. Saran ……….... 73
DAFTAR PUSTAKA ………. 75
LAMPIRAN ………. 84
DAFTAR LAMPIRAN
No. Judul Halaman
A. Stasiun pengamatan curah hujan di daerah aliran Sungai
Citarum Hulu dan Tengah. ... 85 B. Data bulanan komponen hidrometeorologi daerah aliran
Sungai Citarum Hulu dan Tengah. ... 86 C. Data bulanan fenomena iklim. ... 87 D. Perhitungan rata-rata spasial curah hujan, evapotranspirasi
dan kelembapan. ... 88 E. Analisis statistik karakteristik hidrometeorologi. ... 90 F. Analisis neraca air. ... 95 G. Tahapan dan rincian parameter dalam analisis ANFIS.
... 96 H. Jumlah kumulatif (CUSUM) hidrometeorologi periode DJF,
JJA, dan Tahun. ... 97 I. Uji signifikansi korelasi. ... 98 J. Koefisien korelasi antara komponen hidrometeorologi. ... 100 K. Koefisien korelasi hidrometeorologi dengan fenomena
global. ... 102 L. Korelasi dimensi hidrometeorologi. ... 103 M. Power spektrum hidrometeorologi periode DJF, JJA, dan
Tahun. ... 105 N. Spektral eksponensial hidrometeorologi periode DJF, JJA,
DAFTAR GAMBAR
No. Judul Halaman
I.1. Skema diagram alir penelitian karakteristik, mekanisme
dan model temporal hidrometeorologi ... 6 III.1. Peta daerah aliran Sungai Citarum Hulu dan Tengah.
... 18 III.2. Arsitektur ANFIS Sugeno. ... 24 IV.1. Distribusi rata-rata hidrometeorologi daerah aliran sungai
Citarum Hulu dan Tengah. ... 29 IV.2. Frekuensi komponen hidrometeorologi daerah aliran
Sungai Citarum Hulu dan Tengah. ... 29 IV.3. Distribusi spasial curah hujan daerah aliran Sungai Citarum
Hulu dan Tengah. ... 30 IV.4. Jumlah kumulatif (CUSUM) hidrometeorologi daerah
aliran Sungai Citarum Hulu dan Tengah. ... 31 IV.5. Pola dinamika standar deviasi (STDEV) komponen
hidrometeorologi. ... 33 IV.6. Dinamika rerata dan koefisien variasi curah hujan (R) dan
evapotranspirasi (ET). ... 34 IV.7. Dinamika rerata dan koefisien variasi kelembapan (RH)
dan debit sungai (Q). ... 35 IV.8. Pola dinamika korelasi antara komponen hidrometeorologi.
... 36 IV.9. Pola dinamika korelasi hidrometeorologi dengan fenomena
global. ... 37 IV.10. Pola arah angin di Samudra Hindia ketika terjadi monsun
sangat intensif. ... 38 IV.11. Hubungan antara nilai korelasi integral C(r) dengan radius
(r) komponen hidrometeorologi. ... 40 IV.12. Fungsi probabilitas empirik komponen hidrometeorologi. .. 43 IV.13. Periode ulang nilai ekstrim komponen hidrometeorologi. .. 45 IV.14. Power spektrum komponen hidrometeorologi. ………… 47 IV.15. Log S(f) versus log f komponen hidrometeorologi. ……. 48
IV.16. Pola kecenderungan komponen hidrometoerologi. …….. 50 IV.17. Probabilitas kecenderungan curah hujan dan debit sungai. . 51 IV.18. Pola kecenderungan rerata komponen hidrometoerologi. ... 52 IV.19. Pola kecenderungan koefisien variasi (KV) komponen
hidrometoerologi. ………. 52
IV.20. Pola dinamika sensitivitas debit sungai terhadap perubahan
curah hujan. ……… 56
IV.21. Pola dinamika air cadangan (ΔS) daerah aliran Sungai
Citarum Hulu dan Tengah. ………..… 58 IV.22. Pola dinamika koefisien limpasan (C) daerah aliran Sungai
Citarum Hulu dan Tengah. …...……… 59 IV.23. Pola hubungan curah hujan ekstrim dengan CIP dan SOI.
………... 60 IV.24. Pola hubungan curah hujan ekstrim dengan DMI dan
Sunspot. ………... 61 IV.25. Pola hubungan curah hujan ekstrim dengan GT dan PW.
………... 62
IV.26. Model dinamika temporal hidrometeorologi tahunan. ….. 63 IV.27. Hubungan antara input gabungan dan output model
hidrometeorologi tahunan. ……….. 65 IV.28. Hubungan antara input individual dan output model
hidrometeorologi tahunan. ……… 66 IV.29. Model dinamika temporal hidrometeorologi bulanan. ….. 67 IV.30. Model dinamika temporal hidrometeorologi bulanan hasil
DAFTAR TABEL
No. Judul Halaman
IV.1. Nilai statistik curah hujan, evapotranspirasi, kelembapan,
dan debit sungai. ………. 32
IV.2. Koefisien korelasi antara komponen hidrometeorologi ... 36 IV.3. Koefisien korelasi komponen hidrometeorologi dengan
fenomena global. ……….. 37
IV.4. Time lag (τ) komponen hidrometeorologi. ... 40 IV.5. Nilai korelasi dimensi (ν) komponen hidrometeorologi. ... 42 IV.6. Nilai probabilitas eksponensial (qD) komponen
hidrometeorologi. ……… 44
IV.7. Nilai parameter a, b, dan c dan variasi penurunan
komponen hidrometeorologi. ……… 46 IV.8. Nilai spektrum eksponensial (β) komponen
hidrometeorologi. ……….. 48
IV.9. Nilai rasio odds (θ) komponen hidrometeorologi. ……... 49 IV.10. Nilai perubahan rerata komponen hidrometeorologi. …… 54 IV.11. Nilai perubahan koefisien variasi komponen
hidro-meteorologi. ………... 54 IV.12. Nilai sensitivitas rata-rata (S) perubahan debit sungai
akibat perubahan curah hujan. ………. 55 IV.13 Nilai rata-rata koefisien limpasan, rasio Qmax/Qmin, dan
cadangan air daerah aliran Sungai Citarum Hulu dan
Tengah. ……….. 58
IV.14. Nilai statistik simulasi model temporal curah hujan dan
debit sungai. ………. 64
IV.15 Nilai statistik hasil prediksi curah hujan dan debit sungai. . 64 IV.16 Nilai statistik hasil validasi model temporal curah hujan
tahunan. ………... 64
IV.17 Nilai statistik hasil validasi model temporal debit sungai
tahunan. ... 65 IV.18 Nilai statistik simulasi model temporal curah hujan dan
IV.19 Nilai statistik hasil prediksi curah hujan dan debit sungai
bulanan hasil transformasi. ……….. 68 IV.20 Nilai statistik hasil validasi model temporal curah hujan
bulanan hasil transformasi. ……….. 69 IV.21 Nilai statistik hasil validasi model temporal debit sungai
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG
Singkatan Nama Halaman
ANFIS Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System 2
ARIMA Auto Regression Integrated Moving Average 23
BMG Badan Meteorologi dan Geofisika 5
BPMP Back Propagation Multilayer Preceptron 2
CIP Central Indian Precipitation 17
CUSUM Cumulative Sum 19
CV Coefficient of variance 32
DJF Desember Januari Februari 17
DMI Dipole Mode Index 17
ENSO El Niño Southern Oscillation 7
GCM Global Circulation Model 13
GT Global Temperarture 17
IODM Indian Oceans Dipole Mode 7
JJA Juni Juli Agustus 17
KV Koefisien Variasi 24
MA Moving Average 19
MAPE Mean Absolute Percentage Error 23
NCEP National Centers for Environmental Prediction 5
NGDC National Geophysical Data Center 5
OLR Outgoing Longwave Radiation 17
PDF Probability Distribution Function 20
PDO Pasifik Decadal Oscillation 8
PSDA Pengembangan Sumber Daya Air 5
PW Precipitable Water 8
PWP Pacific Warm Pool 17
QBO Quasi-Biennial Oscillation 17
RMSE Root Mean Square Error 2
SOI Southern Oscillation Index 8
SSA Singular Spectrum Analysis 21
STDEV Standard Deviation 32
Lambang Nama Halaman
β Spektrum exponensial 21
θ Rasio odds 21
π Probabilitas suatu kejadian 21
τ Time lag 40
χ2 Distribusi Chi-Kuadrat 26
ΔS Air cadangan 57
a, b, c Parameter variasi penurunan 46
d Embedding dimensi 20 f Frekuensi 47 r Radius 40 s Stándar deviasi 58 qD Probabilitas exponensial 20 C Koefisien limpasan 57 C(r) Korelasi integral 40 E Presisi 23 ET Evapotranspirasi 31 Q Debit Sungai 31 R Curah hujan 31 RH Kelembaban udara 31
N Banyaknya data deret waktu 26
S Sensitivitas 55
