METODE PENELITIAN
Waktu dan Lokasi
Penelitian dilaksanakan di perairan muara Ajkwa, Timika, Papua pada Bulan Agustus - September 2007 (Gambar 3), berupa pengambilan data dan analisis data. Analisis sampel sedimen dilakukan di Timika Environmental Laboratory (TEL).
Alat dan Bahan
Alat dan Bahan yang digunakan dalam penelitian disajikan pada Tabel 5. Tabel 5 Alat dan bahan yang digunakan
Nama Kegunaan
Perangkat Survey Lapangan: • ADCP dan Wave recorder • Tidal Logger
• Grab Sampler
• GPS Garmin dan Echosounder
• Kapal
Mengukur kecepatan dan arah arus Mengukur tinggi pasang surut Mengambil sampel sedimen
Menentukan posisi dan pemeruman kedalaman Memfasilitasi pengambilan data
Bahan: • Aquades
• Peta batimetri
• Citra satelit Landsat ETM 7+
Pemipetan sedimen Input pembangunan model Penentuan sedimen tersuspensi, Input pembangunan model
Perangkat Analisis Data: • Sieve shaker
• Mikroskop
• Timbangan digital
• Software Ermaper 6.4, Arc ViewGIS, SMS 8.1,
Sieve graph, WRPLOT.
Memisahkan butiran sedimen Mengamati bentuk butir sedimen Menimbang sampel
Pengambilan Data Primer Pasang surut
Pengumpulan data pasang surut dimaksudkan sebagai data dasar dalam menganalisis kondisi eksisting pasang surut. Pengamatan pasang surut dilakukan di titik pada lokasi yang representatif dengan lama pengamatan 30 hari x 24 jam. Pengamatan dilakukan dengan cara memasang alat ukur (Tidal Logger). Elevasi hasil pengamatan muka air selanjutnya diikatkan pada titik yang tetap (Bench Mark), yaitu pada koordinat 136o 57’ 47,5” BT dan 4o 52’ 8,77” LS.
Arus
Pengukuran arus dimaksudkan sebagai data dasar dalam menganalisis kondisi eksisting dan juga untuk mengetahui pola arus di perairan tersebut pada saat dilakukan pengukuran. Pengukuran arus laut dilakukan dengan menggunakan menggunakan ADCP (Sontek Argonaut Type XL) dengan metode euler (Emery dan Thomson, 1998). Pengukuran arus dilakukan selama 3 x 24 jam pada koordinat 136º 53' 36,93" BT dan 4º 54' 19,78" LS.
Gelombang
Data gelombang diukur dengan wave recorder yang terintegrasi dengan pemasangan ADCP. Pengukuran dilakukan selama lima hari untuk mendapatkan gambaran gelombang di daerah studi dan untuk verifikasi gelombang hasil peramalan. Koordinat pengukuran gelombang sama dengan posisi pengukuran arus.
Sedimen
Sampel sedimen permukaan dasar diambil dengan menggunakan alat grab sampler pada delapan stasiun, tiga di pantai timur, tiga di pantai barat, dan dua di daerah offshore. Sampel yang diperoleh kemudian dianalisis di Laboratorium untuk menentukan ukuran butir dan analisis parameter fisik sedimen lainnya.
Bathimetri
Pengukuran bathimetri dilaksanakan untuk mendapatkan gambar topografi aktual sungai dan laut menggunakan alat GPS (Global Positioning Sistem) yang
telah terintegrasi dengan Echosounder. Standar pengukuran batimetri menggunakan: Standard IHO 44, LPI SNI 19-6726-2002 skala 1:50.000 dan LPI SNI 19-6727-2002 skala 1:250.000, IHO S-57. Grid pengukuran yaitu 100 meter sepanjang badan sungai hingga muara dan 200 meter pada perairan pantai hingga laut Arafuru, yaitu dengan perekaman data bathimetri setiap 1 detik. pengukuran bathimetri dilakukan bersamaan dengan jadwal elevasi muka air pasang surut.
Perhitungan konversi kedalaman laut dijadikan sebagai elevasi dasar laut yang dilakukan dengan mengambil titik referensi Mean Sea Level (MSL) yang diperoleh dari analisis data elevasi muka air saat pengukuran. Kedalaman perairan yang sebenarnya dan garis kontur dasar laut diperoleh dengan superposisi data pengukuran bathimetri dan elevasi saat pengukuran sebagai angka koreksi pembacaan.
Pengambilan Data Sekunder Angin
Data angin diperoleh dari hasil pengukuran yang dilakukan oleh Stasiun Meteorologi PT Freeport selama 15 tahun (1993 – 2007).
Sedimen Suspensi (TSS)
Data sedimen suspensi diperoleh dari hasil pengukuran yang dilakukan oleh PTFI, dalam kurun waktu 1994 - 2007.
Citra Landsat
Citra Landsat diperoleh dari PTFI yang dikeluarkan oleh Bakosurtanal. Citra yang digunakan adalah tahun 1996, 2003, dan 2006.
Analisa Data Arus
Besar dan arah arus ini diuraikan komponennya menjadi komponen U (timur - barat) dan V (utara - selatan). Besar komponen U didapat dari persamaan:
= 180 π Dir Cos V U Total ... (3.1) Sedangkan besar komponen V didapat dari :
= 180 π Dir Sin V V Total ... (3.2) Dengan nilai
π
adalah 3.14 dan dir merupakan arah arus. Hasil dari perhitungan komponen U dan V ini kemudian di plot kedalam scatter plot.Pasang Surut
Hasil pengolahan data pasut berupa komponen pasang surut sembilan komponen yaitu S0, M2, S2 ,N2 ,K1 ,O1 ,M4 ,MS4 ,K2 dan P1, dengan menggunakan metoda Admiralty. Untuk mendapatkan tipe pasut, nilai F (bilangan Formzal) dihitung menggunakan formula sebagai berikut :
2 2 1 1 AS AM AO AK F + + = ... (3.3) Nilai-nilai kedudukan muka laut dihitung dengan formula:
a. MSL (Duduk tengah)
MSL = S0 ... (3.4) b. Lowest Lower Water Level (LLWL)
2 1 1 1 2 2 (M S K O P K A AS LLWL = o − + + + + + ) ... (3.5) c. Highest High Water Level (HHWL)
2 1 1 1 2 2 (M S K O P K A AS HHWL= o+ + + + + + ) ... (3.6) Bathimetri
Data bathimetri hasil survei mempunyai format SLG sehingga perlu ditransformasi kebentuk xls. Data primer hasil akuisisi tersebut selanjutnya difilter untuk menghilangkan data yang salah. Data hasil filterisasi kemudian dikoreksi dan diinterpolasi dengan data pasut berinterval 15 menit. Selain dikoreksi dengan data pasut, juga harus dikoreksi dengan kedalaman transducer terhadap permukaan air pada saat instalasi. Data batimetri hasil akuisisi ini merupakan data DTM (Digital Terrain Model) yang intinya terdiri dari posisi horisontal dan vertikal. Koreksi kedalaman terhadap pasut menggunakan persamaan:
∆d = dt – ( ht – MSL) ... (3.7)
dimana: ∆d = kedalaman suatu titik pada dasar perairan; MSL = permukaaan air
laut rata-rata; dt = kedalaman suatu titik pada dasar laut pada pukul t;
ht = ketinggian permukaan air pasut pada pukul t.
Sedimen
Analisa ukuran butir sedimen sesuai ayakan ASTM (American Society for Testing and Materials) dengan penyaringan dan pemipetan (Buchanan 1984 dalam Mc Intyre dan Holme, 1984). Klasifikasi menurut skala Wenworth.
Analisis data ukuran butiran sedimen meliputi perhitungan mean, sortasi, skewness, dan kurtosis dengan menggunakan rumus menurut Folk dan Word (1957) dalam Boggs (1995) Rata-rata (Mean) 3 84 50 16 ϕ ϕ ϕ ϕ − + = M ... (3.8) dimana: 16 ϕ : ukuran partikel 16 % 50 ϕ : ukuran partikel 50 % 84 ϕ : ukuran partikel 84 % Sortasi 6 , 6 4 5 95 16 84 ϕ ϕ ϕ ϕ σϕ = − + − = So ... (3.9) Kepencengan atau Skewness
) ( 2 2 ) ( 2 2 5 95 50 5 95 16 84 50 16 84 ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ αϕ − − + + − − + = = k S ... (3.10) Kurtosis ) ( 44 . 2 75 25 5 95 ϕ ϕ ϕ ϕ βϕ − − = = K ... (3.11) Angin
Adapun penyajian data dan analisa angin nantinya adalah data kecepatan dan arah dominan dengan menggunakan tabel dan mawar angin. Penyajian data tersebut dapat diberikan dalam bentuk bulanan, musiman atau untuk beberapa tahun pencatatan. Dengan tabel atau mawar angin tersebut karkteristik angin dapat dibaca dengan cepat.
Peramalan Gelombang
Umumnya pengukuran data angin untuk beberapa tahun dan pengukurannya dilakukan di daratan, sehingga untuk dapat digunakan dalam peramalan gelombang ditransformasikan terlebih dahulu menjadi data angin laut serta dilakukan koreksi. Koreksi ini bertujuan untuk mengkondisikan angin darat sebagai angin yang terjadi di laut. Tahapan koreksi terhadap data angin ini dilakukan berdasarkan petunjuk dari CHL (2002) (Gambar 5).
Peramalan gelombang yang digunakan adalah metode SMB (Sverdrup Munk Bretschneider) yang dikembangkan oleh Resio dan Vincent (1977), Ijima dan Tang (1996) dalam (CERC 1984). Peramalan ini dibangun berdasarkan pertumbuhan energi gelombang, dengan menggunakan angin berkecepatan ≥10 knot (≥5 m/det) yang arahnya efektif untuk membangkitkan gelombang daerah perairan yang ditinjau.
Pada perairan terbuka (lebih dari 20 km dari daratan), skala angin relatif berhubungan langsung dengan batas atas dari atmosfer sehingga arah aliran dianggap homogen horisontal (Tennekes, 1973; Wyngaard, 1973, 1988; Holt dan Raman, 1988 dalam CHL, 2002). Dengan asumsi ini maka panjang segmen fetch yang diukur dari titik observasi gelombang ke ujung akhir fetch, maksimum diambil sejauh 200 km (Ewans, 1998; Pearse dan Hanson, 2005). Penentuan karakteristik gelombang perairan dalam, berdasarkan metode yang dikembangkan oleh CERC (1984), yaitu:
Tinggi gelombang signifikan: 2 3 0,5 * 1, 6 10 A s U H x F g − = ... (3.12) dan g U Hs A 2 243 , 0
= ; untuk F* > 2 x 104 (fully developed waves)
Periode puncak signifikan gelombang: 1/ 3 0, 2857 A s U T F g ∗ = ... (3.13) dan g U T A s =8,13 ; untuk F* > 2 x 10 4
m (fully developed waves) .... Durasi pertumbuhan gelombang:
g U F t=68,8 ∗2/3 A ... (3.14) dan g U x t 4 A 10 15 , 7
= ; untuk F* > 2 x 104 m (fully developed waves)
Dalam hal ini, e ff2
A
g F F
U
∗ = = fetch tak berdimensi; UA = faktor tegangan angin;
t = durasi pertumbuhan gelombang (detik); Feff = panjang fetch efektif (m); g =
percepatan gravitasi (m/det2).
Analisis parameter gelombang diselesaikan dengan menggunakan teori gelombang amplitudo kecil (small- amplitude wave theory). Berdasarkan teori ini, untuk penyederhanaan rumus-rumus gelombang maka dilakukan klasifikasi gelombang berdasarkan kedalaman, sebagaimana disajikan dalam Tabel 6.
Tabel 6 Persamaan parameter gelombang amplitudo kecil (CHL 2002)
Kedalaman Relatif Perairan Dangkal 1 20 d L< Perairan Transisi 1 1 20 2 d L < < Perairan Dalam 2 1 < L d 1. Kecepatan gelombang T gd L C= = = = L d gT T L C π π 2 tanh 2 2π gT T L C C= o= = 2. Panjang gelombang L=T gd =CT L= gT Ld π π 2 tanh 2 2 T C gT L L= o= π = o 2 2 3. Kecepatan grup Cg =C= gd
(
dL)
C L d nC Cg + = = π π 4 sinh 4 1 2 1 π 4 2 1 gT C Cg = =Gambar 4 Peta Fetch Efektif perairan muara Ajkwa. 2
Keterangan: UL=Kecepatan angin di Darat; UW=Kecepatan angin di Laut; RT=Kondisi
Atmosfer; UA=Faktor tegangan angin
Gambar 5 Diagram alir koreksi kecepatan angin (CHL, 2002).
Gambar 6 Rasio koreksi angin pada ketinggian 10 m.
Data Angin
Koreksi ketinggian 10 m (Gambar 6)
Koreksi durasi angin (Gambar 7)
Koreksi angin darat ke laut
UW = 1,2*UL
Koreksi angin darat ke laut
UW = RL*UL
(Gambar 8 )
Koreksi kondisi atmosfer
UC = RT*UW, RT = 1,1
Koreksi tegangan angin
UA = 0,71*UC
1,23
Koreksi tegangan angin
UA = 0,71*UW 1,23 Panjang Fetch Peramalan gelombang SMB <16 mil (10,9 km) >16 mil (10,9 km)
Gambar 7 Rasio durasi kecepatan angin (Ut) pada kecepatan 1 jam (U3600).
Gambar 8 Perbandingan/rasio (RL) kecepatan angin di atas laut (UW) dengan angin di darat (UL) (CHL 2002). (Keterangan: Pemakaian RL, normalnya jika jarak alat pencatat angin 16 km dari laut).
Parameter Gelombang Pecah
Perhitungan parameter gelombang pecah perlu mengetahui keadaan kemiringan pantai pada segmen yang ditinjau sehingga indeks gelombang (γb)
pecah yang akan digunakan dalam perhitungan dapat ditentukan. Arah gelombang datang tidak selalu tegak lurus dengan garis pantai, sehingga perlu memperhitungkan pengaruh transformasi gelombang utama yakni pengaruh refraksi dan shoaling (perubahan kedalaman). Penentuan besar sudut datang gelombang di perairan dalam disesuaikan dengan sudut datang angin.
Analisis transformasi gelombang, dapat dilakukan dengan menentukan gelombang dalam ekivalen (Ho') dengan menggunakan persamaan (CHL 2002):
r s o o H K K
H' = ... (3.15) dimana Ks dan Kr adalah koefisien shoaling dan refraksi yang dihitung dengan
persamaan: g go s C C K = ... (3.16) θ θ cos cos o r K = ... (3.17) Indeks gelombang pecah dihitung dengan persamaan (Weggel 1972 dalam CHL 2002): 2 gT H a b b b = − γ ... (3.18) dimana a dan b merupakan fungsi kemiringan pantai tan β dan diberikan oleh persamaan: ) 1 ( 75 , 43 − −19tanβ = e a ... (3.19) 1 tan 5 , 19 ) 1 ( 56 , 1 − − − = β e b ... (3.20) Komar dan Gaughan (1973) dalam CHL (2002) memperoleh hubungan semi empiris indeks gelombang pecah (Ωb) untuk teori gelombang linear dengan
persamaan: 1/ 5 ' 0.56 o b o H L − Ω = ... (3.21)
Sehingga parameter gelombang pecahnya dapat dihitung: Gelombang pecah:
b o b H
H = /Ω ... (3.22) Kedalaman gelombang pada saat pecah:
b b b H d γ = ... (3.23) Lebar daerah hempasan gelombang pecah:
β γbtan b b H X = ... (3.24) Kecepatan grup gelombang pecah:
b gb
b C gd
Tipe gelombang pecah: 5 . 0 tan − = o o o L H β ξ ... (3.26) dimana ξo = surf similarity; tan β = kemiringan pantai; Ho dan Lo = tinggi dan
panjang gelombang di perairan dalam. Selanjutnya tipe pecah dapat diduga berdasarkan surf similarity dengan kriteria sebagai berikut:
Surging/Collapsing ξo > 3,3 Plunging 0.5 < ξo < 3,3 Spilling ξo < 0,5
Subskrib (o) menunjukkan parameter gelombang sebelum pecah. Transformasi Gelombang
Analisa transformasi gelombang disimulasikan menggunakan model STWave (Steady-State Spectral Wave Model) yang terintegrasi dalam program SMS 8.1. Model ini merupakan solusi numerik untuk menganalis transformasi gelombang diperairan dengan menggunakan algoritma yang ada. Kondisi batas pada onshore adalah daratan (garis pantai). Batas perairan diasumsikan terbuka dan berdasarkan energi gelombang, konsisten terhadap sel disekitarnya sebagai pembangkitan ke luar atau ke dalam domain (kondisi batas gradient nol). Pada batas daratan tidak ada energi yang dibangkitkan baik ke dalam maupun ke luar domain. Batas offshore dapat penuh atau sebagian pada kasus pembangkitan lokal (teluk/danau).
Untuk pemakaian model ini beberapa asumsi yang dipakai adalah :
Kemiringan dasar kecil dan refleksi gelombang diabaikan (Mild bottom slope and negligible wave reflection).
Kondisi gelombang offshore secara spasial homogen (Spatially homogeneous offshore wave conditions).
Gelombang, arus dan angin berada dalam kondisi steady-state (Steady-state waves, currents, and winds).
Refraksi dan shoaling linear (Linear refraction and shoaling). Arus tiap kedalaman seragam (Depth-uniform current). Gesekan dasar diabaikan (Bottom friction is neglected). Tekanan radiasi linear (Linear radiation stress).
Adapun hubungan dispersi gelombang (Jonsson et al., 1990 dalam Smith et al., 2001) adalah: kd gk ωr = tanh ... (3.27) Dispersi absolutnya
(
)
kU ω ωa = r + cosδ −α ... (3.28) dimana k : angka gelombang (2π/L) U : kecepatan arus (m/s)α : sudut datang gelombang (o) g : gravitasi (9.8 m2/det) d : kedalaman perairan (m)
δ : kecepatan arus relatif pada sumbu x.
Analisa refraksi dan shoaling berhubungan dengan cepat rambat gelombang Cr dan cepat rambat group gelombang Cg.
kd kd C . C k ω C r g r r + = = 2 sinh 2 1 5 0 ... (3.29)
Adapun cepat rambat relatif dari gelombangnya adalah
(
)
( )
C( )
U ) (C α δ U C C i i g i ga r a + = − + = cos ... (3.40) Nilai absolut cepat rambat group gelombang didefinisikan sebagai arah aliran gelombang, yang dihitung dengan persamaan :U C U C µ g g - + + = δ α δ α cos cos sin sin tan1 ... (3.41) Arah orthogonal gelombang untuk kondisi steady-state, dihitung dengan persamaan: Dn DU k k -Dn Dd kd k C DR Dα C r i i ga 2 sinh − = ... (3.42) dimana D : derivatif
R : koordinat arah lintasan gelombang
Persamaan yang dipakai untuk konservasi steady-state pada aksi gelombang spektral sepanjang lintasan gelombang adalah :
( )
(
−) (
)
=∑
∂ ∂ r r a ga a i i ga S E C C x C ω ω α ω α µ , cos ... (3.43) dimanaE : densitas energi gelombang pemisah (ρwg)
ρw : densitas air
S : sumber energi dan suku sink.
Difraksi
Difraksi dalam STWAVE berkaitan dengan smoothing energi gelombang. Adapun persamaan yang digunakan adalah:
[
E E]
E
Ej(ωa,α)=0.55 j(ωa,α)+0.225 j+1(ωa,α)+ j−1(ωa,α) ... (3.44) dimana E adalah densitas energi berdasarkan frekwensi dan arah band, dan subscript j adalah indek baris grid (sejajar garis pantai).
Zona gelombang pecah
Kriteria gelombang pecah merupakan rasio dari fungsi tinggi gelombang dengan kedalaman perairan, dengan persamaan:
64 . 0 = d H rms mo ... (3.45) Diskritisasi Numerik
STWave merupakan model numeric finite-difference. Grid sel adalah kuadrat (∆x=∆y). Variabel resolusi grid diperoleh dengan model sarang (Gambar 9). STWave dioperasikan dalam sistem koordinat Cartesian, yaitu sumbu-x berorientasi tegak lurus pantai dan sumbu-y sejajar garis pantai. Orientasi sudut sumbu x adalah ±87,5 derajat (setengah lingkaran).
Gambar 9 Skematik grid dalam STWave
Arus Menyusur Pantai
Kecepatan arus menyusur pantai (v) akibat pengaruh gelombang pecah dihitung dengan persamaan berikut:
b b b b f gd C
v π tanβ γ sinα cosα 16
5 ∗
= (CHL 2002) ... (3.46)
tan β* = kemiringan pantai untuk wave setup
2 tan 3 1 b8 β γ = + .. (3.47)
Cf adalah koefisien gesekan dasar
2 10 1, 742 2 0, 001 b H Log − = + (3.48)
dimana: Hb = tinggi gelombang pecah; db = kedalaman gelombang pada saat
pecah αb= sudut gelombang pada saat pecah; γb= indeks gelombang pecah; g = percepatan gravitasi (m/det2).
Transpor Sedimen
Analisis volume transpor sedimen total menggunakan Metode Fluks
Energi. Metode fluks energi pertama kali dikembangkan oleh CERC (1984),
metode ini hanya tergantung pada komponen besar fluks energi (power) arus menyusur pantai. Metode CERC kemudian dimodifikasi oleh CHL (2002) dengan memasukkan komponen empirik (K = 0,6), densitas air dan sedimen (ρ = 1025 kg/m3 dan ρs = 2650 kg/m3), serta porositas sedimen (n = 0,4).
(
)(
)
b(
b)
s l H n g K Q α ρ ρ ρ 2 sin 1 16 2 5 2 1 − − = ... (3.49) lQ : Volume total angkutan sedimen menyusur pantai K : Parameter empiric (=0,6)
κ : Laju dissipasi fluks energy (= 0,15)
s
ρ : Densitas sedimen fraksi pasir
ρ : Densitas air n : Porositas sedimen Analisis Budget Sedimen
Konsep coastal cell (sediment budget) digunakan untuk mengetahui dinamika garis pantai sebagai akibat transpor sedimen dengan membagi garis pantai dalam sel-sel. Dalam penelitian ini sel yang dibuat berjumlah empat buah, yaitu dua di pantai timur dan dua di pantai barat. Jarak masing-masing sel tidak sama karena penentuannya berdasarkan pada morfologi pantai, kemiringan pantai dan karakteristik sedimen. Refensi kemiringan adalah 3 m dengan asumsi transpor sedimen menyusur pantai yang disebabkan oleh gelombang pecah terjadi sampai pada kedalaman tersebut.
Interaksi antara energi (terutama gelombang) yang menyebabkan arus menyusur pantai dengan sedimen di daerah dekat pantai menyebabkan sedimen tersebut bergerak/terangkut dan diendapkan pada batas-batas tertentu. Analisis budget sedimen pantai didasarkan pada hukum kontinuitas (kekekalan massa sedimen) sehingga diketahui daerah pantai yang mengalami erosi atau akresi dari aktifitas energi yang bekerja.
Besarnya budget sedimen tahunan dari perhitungan besarnya laju transpor dari masing-masing profil berdasarkan volume dan arah pergerakan prediksi netto sediment transport yang diperoleh dari perhitungan di atas. Budget sedimen adalah selisih antara sedimen yang masuk dengan yang keluar pada suatu sel pantai. Apabila nilai budget sedimennya nol maka pantai pada profil tersebut dalam kondisi seimbang, jika nilainya positif pantai mengalami akresi dan sebaliknya untuk nilai budget negatif pantai mengalami erosi. Hasil analisis
budget sedimen pada setiap sel/segmen tersebut akan dikorelasikan dengan analisis citra untuk menentukan kesesuaian perubahan dalam budget dan citra.
Analisis Morfologi Spit dan Garis Pantai Berdasarkan Citra Landsat
Perkembangan morfologi berdasarkan inderaja diekstrak dari data seri hasil perekaman Landsat multi waktu. Teknik ekstraksi perubahan tersebut didapatkan dari hasil analisis perubahan morfologi pantai di muara yang dilakukan pada tiga waktu perekaman citra satelit Landsat, yaitu 1996, 2003 dan 2006. Pemetaan morfologi muara dilakukan dengan metode semi digital (on-screen digitize) menggunakan citra satelit hasil penajaman (enhancement) yang menonjolkan karakteristik tanah timbul akibat akresi di sekitar muara dan pantai.
