4 2.1 Tinjauan Pustaka
Fadhil dkk (2014) dalam Aplikasi Sistem Informasi Geografis (SIG) untuk Pemetaan Pola Aliran Air Tanah di Kawasan Sukajadi Pekanbaru menyatakan air yang jatuh ke bumi sebagian besar akan tersimpan sebagai air tanah (groundwater) dengan mengisi tanah atau bebatuan dekat permukaan bumi yang disebut akuifer dangkal, dan sebagian lagi terus masuk ke dalam tanah untuk mengisi lapisan akuifer yang lebih dalam. Proses ini berlangsung dalam waktu yang sangat lama. Lokasi pengisian (recharge area) dapat jauh sekali dari lokasi pengambilan airnya (discharge area) yang akan keluar sedikit demi sedikit dalam jangka waktu yang lama ke permukaan tanah di daerah-daerah yang rendah (groundwater run off) limpasan air tanah.
Gambar 2.1 Siklus hidrologi (Suripin : 2004)
Air yang meresap kedalam tanah akan mengalir mengikuti gaya gravitasi bumi.
Akibat adanya gaya adhesi butiran tanah pada zona tidak jenuh air, menyebabkan pori-pori tanah terisi air dan udara dalam jumlah yang berbeda-beda. Setelah hujan, air bergerak kebawah melalui zona tidak jenuh air. Sejumlah air beredar didalam tanah dan ditahan oleh gaya - gaya kapiler pada pori-pori yang kecil atau tarikan molekuler di sekeliling partikel-partikel tanah. Bila kapasitas retensi dari tanah telah habis, air akan bergerak kebawah kedalam daerah dimana pori-pori tanah atau batuan terisi air. Air di dalam zona jenuh air ini disebut air tanah. Air tanah memerlukan energi untuk dapat bergerak mengalir melalui ruang antar butir.
Tenaga penggerak ini bersumber dari energi potensial. Energi potensial air tanah dicerminkan dari tinggi muka airnya pada tempat yang bersangkutan. Air tanah mengalir dari titik dengan energi potensial tinggi ke arah titik dengan energi potensial rendah. Antara titik titik-titik dengan energi potensial sama tidak terdapat pengaliran air tanah.
Garis khayal yang menghubungkan titik-titik yang sama energi potensialnya disebut garis kontur muka air tanah. Sepanjang garis kontur tersebut tidak terdapat aliran air tanah, karena arah aliran air tanah tegak lurus dengan garis kontur. Arah aliran air tanah untuk unconfined aquifer dapat ditentukan dengan metode tree point problem. Untuk itu diperlukan pengukuran elevasi muka freatik dari tiga sumur yang diketahui posisinya secara tepat. Arah aliran air tanah selalu tegak lurus 90° kontur air tanahnya dan mengalir dari kontur tinggi ke rendah. Peta atau gambar yang berisi kontur dan arah aliran air tanah sering dikenal sebagai flownets.
2.1.1 Air
Air adalah zat atau mineral atau unsur penting bagi semua bentuk kehidupan yang diketahui sampai saat ini di bumi, tetapi tidak ada diplanet lain dalam Sistem Tata Surya dan menutupi hampir 71% permukaan bumi. Wujudnya bisa berupa cairan, es, uap dan gas. Dengan kata lain karena adanya air, maka bumi merupakan satu- satunya planet dalam tata surya yang memiliki kehidupan.
(Paker, 2007 dalam Kodoatie, 2012)
Menurut Soerjani (1987) jumlah air di bumi sekitar 1.360 juta km³, yang dapat dikelompokan menjadi dua macam yaitu :
1. Air asin sekitar 1.322,6 juta km³ (97,25%) 2. Air tawar sekitar 37,4 juta km³ (2,75%)
Lebih dari 97% dari jumlah air di bumi merupakan air asin dan sisanya merupakan air tawar. Jumlah air tawar yang hanya 2,75% dapat dipilahkan menjadi empat macam yaitu :
1. Air atmosfer sekitar 12.000 km³ (0.035%) 2. Air permukaan 373.000 km³ (1%)
3. Air tanah 8.963.000 km³ (23,965%) 4. Salju atau es 28.050.000 km³ (75%)
Air yang digunakan dalam pemenuhan kebutuhan air terutama air tanah yang jumlahnya hanya 23,965% dari jumlah air tawar di bumi.
2.1.2 Air Tanah
Air tanah adalah air yang terdapat dalam lapisan tanah atau batuan di bawah permukaan tanah. Sejumlah air di bawah permukaan bumi dapat dikumpulkan dengan sumur- sumur, terowongan, atau sistem drainase atau dengan pemompaan.
Dapat juga aliran secara alami mengalir kepermukaan melalui pancaran atau rembesan. ( Kodoatie, 2012)
Air tanah digolongan menjadi empat tipe (Todd, 1956 dan Dam, 1966 dalam Seyhan, 1990) yaitu :
1. Air meteorik : Air yang berasal dari atmosfer dan mencapai mintakat kejenuhan baik secara langsung maupun tidak langsung dengan :
a. Secara langsung oleh infiltrasi pada permukaan tanah.
b. Secara tidak langsung oleh perembasan influen (dimana kemiringan muka air tanah menyusup dibawah aras air permukaan kebalikan dari efluen) dari
danau, sungai, saluran buatan dan lautan.
2. Air juvenil : Air ini merupakan air baru yang ditambahkan pada mintakat kejenuhan dari kerak bumi dalam. Selanjutnya air ini dibagi lagi menurut sumber spesifikasi ke dalam :
a. Air magmatik.
b. Air gunung api dan air kosmik (yang dibawa oleh meteor ).
3. Air diremajakan (rejuvenated) : air yang untuk sementara waktu yang telah dikeluarkan dari daur hidrologi oleh pelapukan, maupun oleh sebab-sebab lain, kembali ke daur lagi dengan proses metamorfisme, pemadatan atau proses-proses yang serupa (Dam,1966 dalam Seyhan, 1990).
4. Air konat : Air yang dijebak pada beberapa batuan sedimen atau gunung pada saat asal mulanya. Air tersebut biasanya sangat mengalami minerlisasi dan mempunyai salinitas yang lebih tinggi dari pada air laut.
Jumlah air yang meresap ke dalam tanah bergantung pada selain ruang dan waktu, juga dipengaruhi kecuraman lereng, kondisi material permukaan tanah dan jenis serta banyaknya vegetasi dan curah hujan. Meskipun curah hujan besar , tetapi lerengnya curam, ditutupi material impermeable, presentase air mengalir di permukaan lebih banyak dari pada yang meresap ke bawah. Sedangkan pada curah hujan sedang, pada lereng landai dan permukaan permeabel, persentase air yang meresap lebih banyak. Sebagian air yang meresap tidak bergerak jauh karena tertahan oleh daya tarik molekuler sebagai lapisan pada butir – butiran tanah.
2.1.3 Akuifer
Akuifer merupakan tempat penyimpanan air tanah. Akuifer dapat dibedakan menjadi dua yaitu akuifer bebas dan tertekan. Pada dasarnya, yang membedakan antara air tanah bebas dan air tanah tertekan adalah variasi konduktivitas hidrolik material geologinya. (ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No.40, 1987 dalam Kodoatie, 2012)
Definisi akuifer ialah suatu lapisan, formasi, atau kelompok satuan formasi geologi yang permeabel baik yang terkonsolidasi maupun tidak terkonsolidasi (pasir) dengan kondisi jenuh air dan mempunyai suatu besaran konduktivitas
hidraulik (K) sehingga dapat membawa air (atau air dapat diambil) dalam jumlah (kuantitas) yang ekonomis (Kodoatie, 2012).
Gambar 2.2. Skema ilustrasi akuifer bebas dan akuifer tertekan (Sumber : Todd,1995)
Bedasarkan kemampuan memuluskan air dari bahan pembatasnya, akuifer dapat dibedakan menjadi :
2.1.3.1. Akuifer Bebas
Akuifer bebas adalah akuifer yang lapisan pembatasnya, yang merupakan akuitar, hanya pada bagian bawahnya dan tidak ada pembatasnya akuitar dilapisan atasnya, bagian atasnya berupa muka air tanah. Dengan kata lain merupakan akuifer yang mempunyai muka air tanah ( Kodoatie, 2012 ).
Muka air tanah pada akuifer tidak tertekan bersifat bebas untuk naik turun tergantung pada musim. Akuifer bebas terjadi ketika muka air tanah bertemu pada bagian yang rendah, air akan mengalir ke samping kolam, rawa, danau, pinggir laut dan rembesan air di atas mata air.
2.1.3.2. Akuifer Tertekan
Akuifer ini disebut juga akuifer artesis atau akuifer tertekan dimana air tanah terletak antara 2 strata yang relatif kedap air. Airnya ada dibawah tekanan dan bagian atasnya dibatasi oleh permukaan piezometrik. Kawasan yang memasok air ke akuifer tertekan disebut daerah pengisian (recharge area). Perhatikan bahwa permukaan piezometrik merupakan suatu permukaan imajiner serupa dengan aras tekanan hidrostatik air pada akuifer.
2.1.4 Neraca Air Tanah
Penafsiran kuantitaf dari daur hidrologi juga dicapai dengan suatu persamaan umum yang disebut persamaan neraca air. Neraca air merupakan neraca masukan dan keluaran air disuatu tempat pada periode tertentu, sehingga dapat untuk mengetahui jumlah air tersebut kelebihan (suplus) dan kekurangan (defisit).
Kesetimbangan air dalam suatu sistem tanah, tanaman dapat digambarkan melalui sejumlah proses aliran air yang kejadianya berlangsung dalam waktu yang berbeda-beda.
Hujan atau irigrasi (tambahan aliran permukaan yang masuk) dan pembagiannya menjadi infiltrasi dan limpasan permukaan (genangan dipermukaan) dalam skala waktu detik sampai menit. Penguapan atau evaporasi di permukaan tanah dalam skala waktu jam sampai hari. Penyerapan air oleh tanaman dalam skala waktu jam sampai hari, tetapi sebagian besar terjadi pada siang hari ketika stomata terbuka . Pemompaan juga mempengaruhi kesimbangan ketersediaan air tanah. Neraca dapat digunakan untuk mengevaluasi penerapan pengelolaan air dalam rangka meminimalkan kehilangan air dan memaksimalkan pemanfaatan air.
Gambar 2.3 Neraca Air Tanah (Sumber : Dam , 1997 )
CAT = PR + AAM + RAP + PB – ET – AP – AAKD – MA - PAT Dimana :
CAT = Cadangan air tanah PR = Presipitasi
AAM = Aliran air tanah masuk RAP = Resapan air permukaan PB = Pengisian buatan ET = Evapotranspirasi
AP = Aliran permukaan AAKD = Aliran air tanah keluar daerah MA = Mata air PAT = Pemompaan air tanah
MT = Muka tanah MATB = Muka air tanah bebas
2.1.5 Keadaan Air Tanah Boyolali – Karanganyar
Gambar 2.4 Peta cekungan air tanah Karanganyar-Boyolali
Dadi Harnandi (2007) dalam Penyelidikan Konservasi Air Tanah di Cekungan Air Tanah Karanganyar-Boyolali menyatakan ketersediaan air tanah pada sistem akuifer tidak tertekan di cekungan ini adalah 2910 juta m3/tahun, sedangkan pada sistem akuifer tertekan adalah 256,29 juta m3/tahun.
Pemanfaatan air tanah pada sistem akuifer tertekan untuk keperluan air minum dan rumah tangga, pertanian, industri, serta usaha komersial lainnya. Pemanfaatan air tanah untuk keperluan tersebut meningkat di bandingkan tahun 2006, yaitu sebesar 1,5 juta m3. Kondisi air tanah pada sistem akuifer tidak tertekan selama tahun 2006-2015 mengalami perubahan, yakni muka air tanah mengalami kenaikan 0,01-1,99 m/tahun. Sedangkan untuk kondisi air tanah pada sistem akuifer tertekan selama tahun yang sama mengalami penurunan muka air tanah antara 0,01-0,67 m/tahun. Sehingga di cekungan ini kondisinya dapat dikatan rawan, sehingga diperlukan adanya upaya konservasi air tanah dengan cara melakukan pengaturan dan pembatasan pemanfaatan air tanah sesuai dengan potensi ketersediaan dan tingkat kerawanan air tanahnya.
2.2 Landasan Teori
2.2.1 Arah Aliran Air Tanah 2.2.1.1. Jaringan Aliran
Jaringan aliran air adalah garis-garis aliran air tanah yang arahnya ditentukan oleh bentuk kontur muka air tanah suatu daerah. Garis aliran air tanah adalah garis- garis yang mempunyai arah tegak lurus 90º dengan garis kontur air tanahnya dan mengalir dari kontur tinggi ke kontur yang rendah. Gambar jaringan aliran air tanah oleh Cadergren (Todd,1995) dapat dilihat pada gambar 2.4 :
Gambar 2.5 Jaringan Aliran Air Tanah (Sumber : Todd, 1995)
2.2.1.2. Kontur Air Tanah dan Arah Aliran Air Tanah
Karena tidak mengalir melewati batas yang imperameable, garis aliran akan sejajar. Demikian pula jika aliran melewati permukaan akuifer bebas, arah aliram yang sesuai dengan batas aliran permukaan. Karena itu, dalam kondisi sejajar, elevasi pada setiap titik dipermukaan air. Dengan tiga elevasi air tanah dari sumur penduduk bentuk garis kontur air tanah bebas dan arah aliran dapat ditentukan seperti gambar 2.5
Gambar 2.6 Penentuan kontur muka air tanah dan arah aliran air tanah bedasarkan elevasi permukaan air tanah di tiga sumur
(Sumber : Todd,1995)
Peta kontur air tanah, dan dengan garis aliran berguna untuk dasar pembuatan lokasi sumur baru. Garis aliran sebagai batas impermeable karena aliran dapat melintasi garis aliran, jika akuifer tebal seragam seperti gambar 2.6 berikut :
Gambar 2.7 Peta kontur air tanah dengan garis aliran (Sumber : Todd,1995)
2.2.2 Arah Aliran Air Tanah Pada Sumur
Pada saat sumur dipompa, air diambil dari akuifer didekat sumur, dan muka air tanah atau permukaan pizieometrik. Surutan (drawdown) pada suatu titik tertentu adalah jarak penurunan muka air. Kurva surutan menunjukan variasi surutan dengan jarak dari sumur. Dalam kurva surutan tiga dimensi menggambarkan bentuk kerucut sama seperti kurva surutan. Begitu juga batas luar kerucut surutan mendefinisikan pengaruh dari sumur.
2.2.2.1. Akuifer Bebas
Akuifer ini batas batas atasnya adalah muka air tanah. Kelengkungan dan kedalaman muka air tanah beragam tergantung pada kondisi- kondisi permukaan, luas pengisian kembali, debit, pemompaan dari sumur, permeabilitas, dan lain- lain.
Gambar 2.8 Aliran ke sumur pada akuifer bebas.
(Sumber : Todd,1995) Keterangan
Q = debit (m3/detik)
hw = high well (ketinggian sumur) (m)
h0 = ketinggian suatu garis surutan terhadap bidang – bidang lain (m)
h1 = ketinggian suatu garis surutan terhadap s1 (m) h2 = ketinggian suatu garis surutan terhadap s2 (m) s1 = surutan pada sumur monetor 1
s2 = surutan pada sumur monetor 2 r1 = radius sumur sebelum dipompa (m) r2 = radius sumur setelah dipompa (m) 2rw = jarak sumur dikali 2 (m)
2.2.2.2. Akuifer Tertekan
Akuifer ini disebut juga akuifer artesis atau akuifer tekanan di mana air tertutup antara 2 strata yang relatif kedap air. Airnya ada di bawah tekanan dan bagian atasnya dibatasi oleh permukaan piezometrik. Jika suatu sumur dimasukkan dalam akuifer ini, aras air akan mengalir sampai aras piezometrik dan akan membentuk suatu sumur. Kawasan yang memasok air ke akuifer tertekan disebut daerah pengisian kembali. Perhatikan bahwa permukaan piezometrik merupakan suatu permukaan imajiner serupa dengan aras tekanan hidrostatik air pada akuifer.
Gambar 2.9 Aliran ke sumur pada akuifer tertekan (Sumber : Todd,1995)
Keterangan :
Q = debit (m3/detik)
hw = high well (ketinggisn sumur) (m)
h0 = ketinggian suatu garis surutan terhadap bidang – bidang lain (m) h1 = ketinggian suatu garis surutan terhadap s1 (m)
h2 = ketinggian suatu garis surutan terhadap s2 (m) s1 = surutan pada sumur monetor 1
s2 = surutan pada sumur monetor 2 r1 = radius sumur sebelum dipompa (m) r2 = radius sumur setelah dipompa (m) 2rw = jarak sumur dikali 2 (m)
b = jarak dari lapisan kedap air ke lapisan kedap (atasnya) (m)
= arah aliran setelah sumur dipompa
2.2.2.3. Aliran Sumur Dekat Batas
Metode gambar dapat diterapkan kesejumlah besar masalah batas tanah. Batas- batas yang sebenarnya diganti dengan setara sistem hidraulik, yang meliputi sumur imajiner dan memungkinkan solusi yang akan diperoleh dari persamaan yang berlaku hanya untuk akuifer luas. Tiga kondisi batas untuk menyarankan adaptasi dari metode seperti gambar 2.10, menunjukan baik mempompa dekat batas kedap.Gambar pemakaian yang baik, ditempatkan pemompaan yang baik dengan tingkat yang debitnya sama dan pada jarak yang sama dari batas. Oleh karena itu, sepanjang batas yang baik diimbangi lain menyebabkan ada aliran dibatas, dengan kondisi yang diinginkan.
Gambar 2.10 Sistem hidrolik yang setara dalam akuifer dari luas area yang tak terbatas
(Sumber : Todd,1995) 2.2.2.4. Sistem Sumur Banyak
Dimana kerucut depresi dua tumpang tindih mempompa dekatnya, satu sumur dikatakan mengganggu yang lain karena peningkatan penarikan dan mucikan angkat dibuat. Penjumlahan dari penarikan mungkin digambarkan dengan cara yang sederhana dengan garis baik, seperti gambar 2.11, kurva surutan individu dan komposit diberikan untuk Q1= Q2 = Q3. Jelas, jumlah sumur dan geometri bidang baik busur penting dalam menetukan surutan. Solusi dapat didasarkan pada keseimbangan atau ketidakseimbangan persamaan, persamaan debit baik untuk pola tertentu juga telah dikembangkan.
Gambar 2.11 Kurva penarikan elevasi muka air tanah akibat 3 sumur dalam satu garis
(Sumber : Todd,1995)
