DDA3332 Nota Kuliah Hidrologi

1

DDA3332 Nota Kuliah Hidrologi

Bab 6 – Hidrologi Bandaraya (Urban Hydrology)

6.1 Kesan Pembandaran Pada Aliran Permukaan (Effects of Urbanization on Surface-water Runoff)

1) Penggunaan lapik (contoh, konkrit, asphalt, jubin) mempercepatkan aliran ribut ke longkang, parit dan saluran. Akibatnya, isipadu aliran (Valp) dan puncak kadar alir (Qpuncak) meningkat, dan masa penumpuan (tc) berkurangan.

2) Penyusupan berkurangan menyebabkan lebih sedikit recaj ke air bumi.

3) Pencemaran meningkat sebab kesan tanah dan tumbuhan sebagai penapis telah berkurangan atau tidak berlaku.

Rajah menunjukkan kesan urbanisasi pada:

1) Kadar alir puncak meningkat (Peak Q Selepas) 2) Masa penumpuan lebih awal (tc Lepas)

6.2 Kaedah Untuk Mengurangkan atau Melengah-Lengahkan Aliran Ribut

Table 11.2

Kaedah-kaedah meningkatkan penyusupan ataupun memperlahankan halaju aliran air.

Figure 11.2 menunjukkan kesan gabungan lali (imperviousness) dan pembetungan (sewerage) pada kadar alir puncak tahunan (Qp) untuk tadahan meluas 1 mi2

Figure 11.3 menunjukkan faktor pendaraban untuk Qp tahunan untuk takahan meluas 1 mi2 bagi peratus luasan dibawah keadaan lali dan peratus dibawah sistem pembetungan (storm sewers)

Peak Q Selepas dan Sebelum

4

6.3 Kaedah Untuk Meramalkan Qp Dari Tadahan Bandaraya

Kaedah Kotak Hitam (“Black Box” Approach)

Output disesuaikan ke data input menggunakan rumusan matematik yang mempunyai pemalar untuk menggantikan faktor keseimbangan (α). Contoh,

Rumus Manning,

Q α A·R2/3 · S1/2 Q = (1/n)·A·R2/3· S1/2

Walaupun (1/n) dipanggil “Manning‟s roughness coefficient”, ia adalah disebabkan oleh pemalar yang menukar keseimbangan (α) ke kesamaan (=).

Rumusan yang digunakan begitu dipanggil „empirical‟ dan memerlukan penilaian dari uji kaji

dahulu. Satu kaedah yang mengikut kaedah empirikal ialah Kaedah Rasional (Rational Method).

6.4 Menganggar Kadar Alir Maksimum Dengan Kaedah Rasional (Peak Flow Estimation Using the Rational Method)

6.4.1 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Sistem Saliran

Guna Tanah

 Hutan – ketelapan tinggi, larian air permukaan kecil

 Bandar – permukaan tak telap menyebabkan larian air permukaan tinggi

Ciri Fizikal Tanah

 Mempengaruhi kadar penyusupan

o _Liat –penyusupan rendah → larian permukaan tinggi o _Pasir –penyusupan tinggi → larian permukaan rendah

 Kedalaman tanah –simpanan air meningkat dengan kedalaman → larian air rendah

Topografi

 Kadar penyusupan berkurang dengan kecerunan → larian air permukaan tinggi

Keluasan Tadahan

 Menentukan isipadu aliran ????

Inside processes not examined

Input (rainfall)

5 Hujan

 Keamatan hujan  Tempoh

 Frekuensi

6.4.2 Kaedah Rasional

 Sesuai untuk kawasan Bandar  Rumus:

Q = kadar alir maksimum untuk suatu kala kembali T-tahun (ft3/s)

C = pekali air larian (= Q/P = luahan tahunan/jum. Hujan tahun)

i = purata keamatan hujan untuk suatu tempoh yang sama dengan masa penepuan (tc) dan kala kembali T-tahun (in/jam)

A = luas tadah (acre)

6.4.3 Kaedah Rasional Ubahsuai

yang mana: Cs = pekali simpanan

a) Pekali Air Larian (C)

 Berkaitan dengan guna tanah

 Bergantung kepada Penggunaan Tanah

Penggunaan Tanah Nilai Pekali Larian, C

Perniagaan:

Kawasan Bandar, dibangunkan sepenuhnya dengan bangunan dan rumah kedai

0.90

Industri:

Dibangunkan sepenuhnya

0.80

Penempatan: 4 rumah/ekar (acre) 4-8 rumah/ekar

Jalan bertar (asphalt pavement) 0.95

Taman (landai, dalam kawasan bandar, kebun) 0.80

Ladang getah 0.45

Hutan (selalunya curam) 0.35

Kawasan lombong (tanah pasir) 0.10

6

 Jika mempunyai guna tanah yang berbeza (heterogenus), C perlu dikira secara komposit

C =

yang mana:

C = pekali larian komposit

A1, A2, …, An = luas sub-tadahan

A = jumlah luas tadahan

C1, C2, …, Cn = pekali air larian (dari Jadual di atas)

b) Masa Penumpuan (tc)

= masa untuk air mengalir dari satu titik dihulu tadahan ke titik limpahan (outlet) tadahan

tc = t0 + td

 Masa yang diperlukan untuk air larian permukaan mengalir dari titik terjauh di hulu ke saluran/parit yang terdekat

 Bengantung kepada i) Jarak cerun ii) Kecerunan

iii) Guna tanah iaitu pekali larian permukaan (C)

Masa Aliran Saluran (td)

 Masa bagi air mengalir di dalam saluran (parit, sungai, drains) sehingga ke titik limpahan keluar (outlet) tadahan

 Dianggarkan dari ciri-ciri hidraulik saluran

i) td =

yang mana:

Id = panjang saluran (kaki)

vd = halaju aliran dalam saluran (kaki/saat) ii) Kecerunan saluran

td

7 c) Keamatan Hujan (i)

 Ribut yang mempunyai tempoh yang sama dengan masa penumpuan (tc)  Nilai i boleh didapati dari lengkung Keamatan-Tempoh-Frekuensi hujan (IDF

Curves: Intensity-Duration-Frequency)

d) Pekali Simpanan (Cs)

 Kesan dari penyimpanan air larian di dalam saluran/parit

 Nilai air larian maksima yang diperolehi dalam unit Imperial (UK)  Untuk tukar ke unit metrik

Q (m3/s) = 0.278 CsCi (mm/jam) A (km2)

1 ekar = 0.405 ha 1 ha = 2.47 ekar

Contoh: Kirakan kadar alir banjir maksima 5-tahun yang akan terhasil daripada suatu

pembangunan ke atas kawasan seluas 552 ha. Komponen pembangunan dan ciri-ciri tadahan adalah seperti berikut.

Komponen Pembangunan

1) Perumahan : 10 rumah/ekar 30% 2) Perumahan : 4 rumah/ekar 20%

3) Komersial 12%

4) Padang G.O.L.F. (Gila Orang Lupakan Famili) 38%

Ciri Saliran

Panjang Saliran : 8,800 kaki Halaju : 4.3 kaki/saat

Purata Cerun : 5%

Ciri Permukaan

Jarak Permukaan : 450 kaki Purata Cerun : 2.5%

Penyelesaian: Q = Cs Ci A

1) Pilih nilai C untuk setiap komponen pembangunan (Cn) 2) Membuat purata pemberat C dari % dan Cn

8

4) Mencari i dari tc dan X-tahun banjir (Lengkung IDF). 5) Kirakan Q yang maksima untuk semua angkubah.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Pemalar Aliran C

1) Keadaan tanah (jenis batu, jenis tanah, jenis tumbuhan, pelapik)

2) Kecerunan tanah

3) Simpanan permukaan

4) Paras simpan lembapan tanah berbanding muatan lapangan (Degree of soil saturation)

13

6.5 Manual Saliran Mesra Alam (MSMA : Stormwater Management Manual)

The concept of „stormwatermanagement‟ is relatively new in Malaysia and a paradigm shift is needed to turn around traditional engineering drainage practice based upon the „rapid disposal‟

techniques.

Malaysia has developed a „Stormwater Management Manual‟ (SWWA in B.I., Manual Saliran Alam Mesra di dalam B.M.), which draws upon various Best Management Practices (BMPs) worldwide to control not only the quantity of stormwater runoff, but also the quality of runoff through:

 detention or retention storage;  infiltration facilities;

 swales;

 engineered waterways.

Effective 1 January 2001, all new land development in Malaysia must comply with the new guidelines to manage stormwater better. MSMA has the following objectives:

 Ensure public safety

 Control nuisance flooding and provide for safe passage of less frequent and larger flood events

 Stabilise landform and control erosion

 Optimise land available for urban development

 Minimise the environmental impact of urban runoff on water quality  Enhance the urban landscape

Elements of MSMA include: Planning and Design

Design Requirements

Design Rainfall and Runoff Estimation Conveyance and Engineered Waterways Quantity and Quality Control using BMPs

14

The former drainage method was by „rapid disposal‟, i.e., using drains and impermeable surfaces (concrete, asphalt, tile) to remove water as quickly as possible.

Problems from this, however, are:

 Peak stormflow is increased (Qpuncak)  Lag time (tc) is decreased

 Reduction in natural groundwater recharge (more water enters the drainage channels)  Increased surface water pollution

 Higher costs to remove rubbish (e.g., 20 tons garbage collected each day from Sungai Klang)

The New Stormwater Management Manual (MSMA) implements the concept of „Control

-At-Source‟ or the storage-oriented approach. Some major techniques are:  Increasing infiltration

 Increasing storage

 Increasing conveyance (sistem pembawa)  Increasing treatment

By using:  Swales

 Sub-surface detention  Dry ponds

 Wetlands  Wading streams  Recreational ponds All within the city.

Benefits include:

1) Control peak discharges

→ Reduce runoff velocity (easier for fish)

→ Lengthen flow path (increases filtering of suspended material from the water) → Increases time of concentration (tc)

2) Reduce total stormwater runoff volume Q

After development, Uncontrolled or rapid disposal

Natural hydrograph

After development, Controlled runoff and storage

15

→ Infiltration into soil and groundwater (recharge)

3) Filtration

→ Particulates (e.g., soil, sand) and pollutants are trapped and filtered out by substrates; up to

70% removal of total suspended solids (TSS)

→ Known as „control-at-source‟; i.e., to keep the materials from entering a stream or drainage channel so that treatment will not be required further downstream (downstream = hilir)

4) Landscape features

→ Greenspace

→ Wading streams, ponds for fishing, etc.

5) Lower cost than for constructed concrete drains

Swales

16