INFILTRASI. Infiltrasi adalah.

(1)

REKAYASA HIDROLOGI

Universitas Indo Global Mandiri

INFILTRASI

Infiltrasi adalah

….

• Infiltrasi adalah proses air masuk (penetrating) ke dalam tanah.

• Laju infiltrasi dipengaruhi oleh kondisi permukaan tanah, tanaman penutup, dan karakteristik tanah termasuk porositas, konduktivitas hidraulik, dan kejenuhan tanah.

• Aliran tak jenuh (aliran bawah permukaan) merupakan aliran yang melalui pori tanah ketika pori tanah sebagian terisi oleh udara.

• Aliran jenuh (aliran air tanah) merupakan aliran yang melalui pori tanah ketika pori tanah seluruhnya terisi oleh air.

• Water table (muka air tanah) adalah bidang batas antara aliran tak jenuh dan aliran jenuh dimana tekanan atmosfer terjadi. Aliran jenuh terjadi di bawah water table, sedangkan aliran tak jenuh terjadi di atas water table.

(2)

Air Bawah Permukaan

Gambar 1. Komponen air bawah permukaan

Gambar 2. Zona air bawah permukaan dan prosesnya

Aliran Bawah Permukaan

Penampang melintang dari

pori tanah tak jenuh digunakan untuk mendefinisikan porositas

(η):

total

volume

pori

volume





_{….. (1)}

(3)

Aliran Bawah Permukaan

• Pada kondisi 0,25 < η < 0,40, soil moisture content

(kelembaban tanah), θ:

• Pada kondisi 0 ≤ θ ≤ η, untuk kondisi tanah kering: untuk kondisi jenuh:

total

volume

air

volume











0 



……. (2)

Aliran Bawah Permukaan

(4)

Aliran Bawah Permukaan

Dari Gambar 4, diperoleh persamaan kontinuitas untuk aliran tak mantap satu dimensi dalam aliran tak jenuh, yaitu:

Hukum Darcy mengacu pada Darcy flux (q), yaitu laju kehilangan tenaga per satuan panjang. Untuk aliran dengan arah vertikal, kehilangan tenaga per satuan panjang adalah perubahan total tenaga∂h terhadap jarak tertentu ∂z , misalnya–∂h/∂z, dimana tanda negatif menandakan penurunan total tenaga

(akibat friksi) di sepanjang arah aliran. Sehingga:

Dimana:

q : Darcy flux

K : konduktivitas hidraulik

∂ h : total tenaga

∂ z : jarak volume kontrol

0 







z

q

t



……. (3)

z h K q    

Aliran Bawah Permukaan

Untuk aliran tak jenuh, gaya-gaya yang bekerja adalah gaya gravitasi, friksi, dan gaya hisap (suction force). Dalam aliran tak jenuh, ruang pori hanya sebagian diisi oleh air, sehingga air ditarik oleh permukaan partikel melalui gaya elektrostatik antara molekul air dan permukaan partikel. Energi karena gaya hisap tanah didefinisikan sebagai suction head (ψ) dalam aliran tak jenuh, yang nilainya berbeda tergantung dari kelembaban tanah. Total tenaga merupakan jumlah suction head dan gravity head:

Substitusikan pers (5) ke pers (4) sehingga Darcy flux (q) menjadi:

z

h







……. (5)





z

K

q













……. (6)

(5)

Aliran Bawah Permukaan

Dimana:

Sehingga pers (6) menjadi:

Soil water diffusivity (D) didefinisikan sebagai:

Substitusikan persamaan di atas ke pers (8) menjadi:

Menggunakan pers. kontinuitas, diperoleh:

z d d z                _           _                  K z d d K z d d K z z z K q        1 ……. (7) ……. (8)   d d K D       _     K z D q        _            K z D z z q t   ……. (9) ……. (10) ……. (11)

Aliran Bawah Permukaan

Gamb ar 5. Ilustrasi hub ungan antara suction head dengan konduktivitas hidraulik dan kelembaban tanah

(6)

Aliran Bawah Permukaan

Contoh 1:

Tentukan nilai Darc y flux untuk tanah dengan konduktivitas hidraulik yang merupakan fungsi dari suction head sebagai K = 250(-ψ)-2,11

dalam cm/det pada kedalaman z1= 80 cm, h1= -145 cm, dan ψ1= -65

cm, pada kedalaman z2= 100 cm, h2= -160 cm, danψ2= -60 cm. Penyelesaian:

Average suction head (ψr):

ψr= (ψ1+ψ2)/2 = (-65+(-60))/2 = -62,5 cm Konduktivitas hidraulik (K): K = 250(-ψ)-2,11 _{= 250(62,5)}-2,11 _{= 0,041 cm/det} Sehingga: cm/det 03 , 0 ) 100 ( 80 ) 160 ( 145 041 , 0 2 1 2 1                          z z h h K q

Proses Infiltrasi

• Gambar 6 mengilustrasikan distribusi kelembaban tanah pada profil tanah selama pergerakan air ke bawah.

• Zona kelembaban ini adalah zona jenuh (saturated zone), zona transmisi (transmission zone), dan zona basah (wetting

zone).

• Profil ini berubah menurut fungsi waktu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.

(7)

Proses Infiltrasi

Gamb ar 6. Zona kelembaban selama infiltrasiGamb ar 7. Profil kelembaban seb agai fungsi waktu

Proses Infiltrasi

(8)

Proses Infiltrasi

Faktor-faktor yang mempengaruhi infiltrasi: 1. Curah hujan

2. Jenis tanah

3. Kelembaban tanah

4. Tanaman penutup (vegetation cover) 5. Kelandaian tanah (ground slope)

Memperkirakan Laju Infiltrasi

• Laju infiltrasi adalah laju pada saat air masuk ke dalam

permukaan tanah, yang biasanya dinyatakan dalam satuan inch/jam atau cm/jam atau mm/jam.

• Laju infiltrasi potensial adalah laju pada saat air menggenangi permukaan tanah, jadi jika tidak terjadi genangan laju aktual lebih kecil dari laju potensial.

• Terdapat beberapa metode (persamaan) untuk

memperkirakan besarnya laju infiltrasi, diantaranya adalah metode:

1.Horton

2.Φ-indeks (phi-indeks) 3.Green - Ampt

(9)

Memperkirakan Laju Infiltrasi

1. Persamaan Horton (1940)

Gamb ar 9. Ilustrasi pengembangan persamaan Horton

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Persamaan Horton: Dimana:

ft : kapasitas infiltrasi pada waktu t (mm/jam)

f0 : kapasitas infiltrasi awal (mm/jam)

fc : kapasitas infiltrasi akhir (mm/jam)

K : konstanta emipiris (jam-1₎

Total infiltrasi (infiltrasi kumulatif) selama waktu T dirumuskan sebagai berikut:





kt c c t f f f e f   ₀  ……. (12)    





     



kT



c c c kT c c T kt c c T kt c c T t e f f k T f F k f f k e f f T f k e f f t f F dt e f f f dt f F                    

_

1 1 / / / 0 0 0 0 0 0 0 0

(10)

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Gamb ar 10. Perb edaan kapasitas infiltrasi akibat perb edaan kelembaban tanah

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Contoh 2:

Diketahui kapasitas infiltrasi awal f0dari suatu luas tangkapan hujan adalah 4,5

mm/jam, konstanta waktu K adalah 0,35/jam, dan kapasitas infiltrasi akhir fc

sebesar 0,4 mm/jam. Gunakan persamaan Horton untuk menentukan kapasitas infiltrasi pada t = 10 menit, 30 menit, 1 jam, 2 jam, dan 6 jam. Tentukan pula infiltrasi total selama selang waktu 6 jam tsb. Diasumsikan kondisi permukaan tanah tergenang secara kontinyu.

Penyelesaian:

Dari persamaan Horton:

Dengan demikian, kapasitas infiltrasi untuk setiap waktu t adalah:









t t kt c c t e f e f f f f 35 , 0 0 4 , 0 5 , 4 4 , 0         t (jam ) 1/6 1/2 1 2 6 f (mm/jam) 4,27 3,84 3,29 2,44 0,90

(11)

Memperkirakan Laju Infiltrasi

f0= 4,50 mm/jam

fc= 0,40 mm/jam

Pers. Horton : ft= 0,40 + (4,50 – 0,40) e-0,35t

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Penyelesaian:

Infiltrasi total selama selang waktu T = 6 jam adalah:

2. MetodeΦ-indeks

Pada metode Φ-indeks diasumsikan nilai ft tidak bervariasi

terhadap waktu.  





 





mm 7 , 12 1 4 , 0 5 , 4 35 , 0 1 6 4 , 0 1 1 6 35 , 0 0            F e x F e f f k T f F x kT c c

(12)

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Menentukan nilaiΦ-indeks

Persamaan yang digunakan:

Vol. limpasan langsung = Vol. hujan efektif

VLL = Pef. A

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Contoh 3:

Sebuah daerah tangkapan hujan dengan luas (A) 0,25 km2 _{terjadi hujan}

dengan profil sebagai berikut:

Jika volume limpasan langsung (VLL) adalah 8.250 m3_{, tentukan nilai}_Φ-indeks.

Penyelesaian:

Tinggi limpasan langsung (Pef) dalam mm:

VLL/A = 8.250/0,25x106_{= 0,033 m = 33 mm}

NilaiΦ-indeks ditentukan dengan cara coba-banding.

Pemisalan 1:

Misal 3 mm/jam <Φ-indeks < 7 mm/jam Φ-indeks=[(7+18+25+12+10)-33]/5=7,8 mm/jam

Waktu (jam) 1 2 3 4 5 6

(13)

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Pemisalan 2:

Misal 7 mm/jam < Φ-indeks < 10 mm/jam Φ-indeks = [(18+25+12+10)-33]/4 = 8 mm/jam

 Anggapan benar, 7 mm/jam < Φ-indeks < 10 mm/jam  Φ-indeks = 8 mm/jam

Gamb ar ilustrasi perb edaan metode Horton dengan phi-indeks

Memperkirakan Laju Infiltrasi

3. Metode Green – Ampt (1911)

(14)

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Gamb ar 13. Variab el dan potongan melintang media tanah dalam model Green-Ampt

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Persamaan laju infiltrasi f:

Dimana infiltrasi kumulatif dirumuskan sebagai:

Nilai F pada pers (15) diperoleh dengan cara coba-banding.

Pertama, dari nilai K, t, ψ, dan Δθ, dimisalkan nilai F pada sisi

kanan persamaan (nilai awal yg baik adalah F = Kt) sehingga diperoleh nilai F pada sisi kiri. Kedua, nilai F baru yg diperoleh pada tahap pertama digunakan sebagai pemisalan kedua pada sisi kanan persamaan. Langkah-langkah tsb diulangi sampai nilai F konstan.   _{ } _         1 t F K t f      _               F t Kt t F ln 1 ……. (14) ……. (15)

(15)

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Perubahan kelembaban (Δθ) ditulis sebagai:

Dimana:

Dengan:

se = Kejenuhan efektif

θe = Porositas efektif

θ-θr = available moisture

η-θr = maximum possible available moisture

 see    1 r r e s        ……. (16) ……. (17)

Memperkirakan Laju Infiltrasi

(16)

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Contoh 4:

Menggunakan metode Green-Ampt, tentukan besarnya laju infiltrasi dan infiltrasi kumulatif untuk tanah lempung berlanau (silty clay soil) setiap selang waktu 0,1 jam selama 3 jam dimulai pada saat awal infiltrasi. Diasumsikan nilai kejenuhan efektif se adalah 20 pers en dan

terjadi genangan secara kontinyu.

Penyelesaian:

Dari Tabel 1 untuk tanah lempung berlanau diperoleh parameter: θe=

0,423; ψ = 29,22 cm; dan K = 0,05 cm/jam. Infiltrasi kumulatif dihitung dengan pers (15):

Untuk t = 0,1 jam, diperoleh dengan cara coba-banding F(0,1) = 0,29 cm 1  10,200,4230,338   see            _              89 , 9 1 ln 89 , 9 05 , 0 1 ln Ft t Ft Kt t F    

Memperkirakan Laju Infiltrasi

Laju infiltrasi dihitung dengan pers (14)

Untuk t = 0,1 jam, dimana F(0,1) = 0,29 cm, diperoleh f(0,1):

Dengan cara yg sama diperoleh laju infiltrasi dan infiltrasi kumulatif untuk selang waktu yang lain.

  _{ } _{ } _      _         _  1 0,059,89 1 t F t F K t f     _{ } 1 1,78cm/jam 29 , 0 89 , 9 05 , 0 1 1 , 0 89 , 9 05 , 0 1 , 0 _      _          F f Waktu (jam) 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 ft(cm/jam) 1.61 1.15 0.94 0.82 0.74 0.68 0.63 0.59 0.56 0.53 Ft(cm) 0.32 0.45 0.55 0.64 0.72 0.79 0.86 0.92 0.97 1.03 Waktu (jam) 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 ft(cm/jam) 0.51 0.49 0.47 0.45 0.44 0.43 0.42 0.40 0.39 0.39 Ft(cm) 1.08 1.13 1.18 1.22 1.27 1.31 1.35 1.39 1.43 1.47

(17)