10. PENETAPAN KADAR AIR TANAH
DENGAN NEUTRON PROBE
Fahmuddin Agus, Robert L. Watung, dan Deddy Erfandi
1. PENDAHULUAN
Penetapan kadar air tanah dengan neutron probe adalah salah satu cara pengukuran kadar air tanah tidak langsung (Gambar 1). Cara ini bersifat tidak destruktif, sehingga pengukuran dapat dilakukan sangat intensif. Dengan menggunakan neutron probe, kadar air tanah dapat ditetapkan pada titik-titik yang sama pada berbagai kedalaman tanah secara berulang-ulang. Oleh karena itu, metode ini sering digunakan dalam penelitian neraca air tanah, penelitian penyerapan air, penelitian pergerakan air tanah, dan lain-lain. Keunggulan lain metode ini adalah secara praktis tidak tergantung pada suhu dan tekanan udara. Walaupun demikian, metode ini mempunyai beberapa keterbatasan antara lain: (1) mahalnya peralatan; (2) rendahnya tingkat resolusi spasial, karena bagian tanah yang diukur cukup besar; (3) tidak akuratnya pengukuran kadar air pada lapisan permukaan tanah (0-15 cm); dan (4) dapat membahayakan kesehatan karena radiasi neutron (Hillel, 1982; Tan, 2005).
Neutron probe sering juga disebut hidrogen probe atau soil moisture depth probe. Akan tetapi, nama terakhir ini kurang tepat karena alat jenis lain juga dapat menentukan kadar air tanah pada berbagai kedalaman.
neutron probe. Neutron yang mempunyai energi tinggi (5,05 MeV) yang dikeluarkan oleh zat yang bersifat radioaktif seperti radium-beryllium atau americium-beryllium akan melemah dan pergerakannya berbelok arah apabila bertabrakan dengan inti atom H atau atom lain yang bermassa rendah. Proses ini disebut dengan thermalization atau attenuation, maksudnya neutron dilemahkan tenaganya setara dengan tenaga termal atom yang ada di dalam zat yang ditabrak.
Efektivitas suatu atom dalam melemahkan tenaga neutron tergantung kepada massa atomnya. Semakin tinggi massa atom, semakin tidak efektif atom tersebut melemahkan tenaga neutron, sehingga dibutuhkan lebih banyak tabrakan antara neutron dengan atom tersebut supaya neutron melemah (berubah menjadi neutron lambat = slow neutron). Untuk melemahkan tenaga neutron cepat (fast neutron) menjadi elektron lambat, dibutuhkan tabrakan sebanyak 18 kali dengan atom H, atau 67 kali dengan atom lithium, 86 kali dengan atom beryllium, 114 kali dengan atom karbon atau 150 kali dengan atom oksigen. Secara umum, untuk atom yang massanya tinggi, jumlah tabrakan yang dibutuhkan untuk merubah atom cepat menjadi atom lambat adalah sembilan kali massa atom + 6. Ini berarti bahwa hidrogen yang mempunyai massa dan ukuran inti hampir sama dengan neutron, paling efektif dalam melemahkan tenaga neutron. Di dalam tanah, atom H kebanyakan bersenyawa dengan atom O membentuk air (Hignett and Evett, 2002).
Apabila sumber neutron cepat berada di dalam tanah lembap, neutron cepat itu akan menyebar ke segala arah dan dalam penyebarannya akan terjadi tabrakan dengan berbagai atom lainnya termasuk dengan atom H. Hal ini menyebabkan di sekitar sumber neutron cepat itu akan segera tersebar neutron lambat. Jumlah neutron lambat tersebut sangat ditentukan oleh konsentrasi atom yang efektif dalam melemahkan neutron cepat (dalam hal ini terutama atom H). Jumlah atau densitas dari neutron yang sudah melemah diukur dengan suatu detektor neutron lambat yang terletak berdekatan dengan sumber neutron dan dicatat pada suatu layar. Jumlah neutron lambat ini berbanding lurus dengan konsentrasi atom H yang berada di dalam tanah. Skema sebaran neutron cepat dan neutron lambat diberikan pada Gambar 2.
Gambar 2. Skema neutron probe, tabung akses, sumber neutron, penyebaran neutron cepat dan neutron lambat
Volume tanah yang diukur kadar airnya sangat tergantung kepada kadar air tanah itu sendiri. Apabila tanah berada dalam keadaan jenuh air, awan neutron akan beredar pada bulatan dengan jari-jari sekitar 15 cm, sedangkan apabila tanah sangat kering, neutron menyebar pada bulatan dengan jari-jari 70 cm (lihat skema pada Gambar 3). Secara umum, jari-jari bulatan penyebaran 95% dari neutron adalah:
R = 100 cm/(1,4 + 10 m)
dimana m adalah kadar air dalam satuan g cm-3. Oleh karena besarnya
perbedaan ruang penyebaran neutron, maka pengukuran kadar air tanah untuk kedalaman <15 cm tidak akurat disebabkan hilangnya sebagian neutron ke udara, sehingga tidak dapat dideteksi.
3. BAHAN DAN ALAT
1. Neutron probe. Neutron probe terdiri atas sumber neutron cepat, biasanya americium-241/beryllium), detektor neutron lambat, dan display yang memperlihatkan kerapatan neutron lambat.
Kabel Detektor Tabung akses Atenuasi/ termalisasi Neutron lambat Hidrogen Sumber neutron Neutron cepat Permukaan tanah Kabel Detektor Tabung akses Atenuasi/ termalisasi Neutron lambat Hidrogen Sumber neutron Neutron cepat Permukaan tanah
sedikit lebih besar dari diameter tabung sumber neutron. Jika pengamatan kadar air yang terdalam adalah 1 m, panjang tabung akses yang digunakan adalah sekitar 1,3 m; 0,1 m muncul di permukaan tanah dan 0,2 m adalah rongga yang harus disisakan pada dasar tabung akses. Bagian bawah tabung harus tertutup rapat, sehingga tidak dapat dimasuki air dan bagian atas terbuka untuk melewatkan sumber neutron. Dalam keadaan tidak digunakan, bagian atas tabung ditutup dengan karet penutup (rubber stopper) atau dengan kaleng susu kosong atau penutup lainnya untuk mencegah agar air hujan tidak memasuki tabung.
4. Kurva kalibrasi. Kurva kalibrasi diperlukan untuk setiap jenis tanah, terutama apabila kandungan bahan organik tanahnya tinggi.
5. Film badges dan alat pengukur kebocoran (leak test kit). 6. Surat izin penggunaan (jika diperlukan oleh pemerintah).
Gambar 3. Skema radius tanah yang atom H-nya terdeteksi dengan menggunakan neutron probe
Sumber neutron cepat dan detektor neutron lambat
Bulatan yang mengalami proses atenuasi Tabung akses aluminium
Permukaan tanah
Neutron probe
Sumber neutron cepat dan detektor neutron lambat
Bulatan yang mengalami proses atenuasi Tabung akses aluminium
Permukaan tanah
Neutron probe
Sumber neutron cepat dan detektor neutron lambat
Bulatan yang mengalami proses atenuasi Tabung akses aluminium
Permukaan tanah
Gambar 4. Tabung akses dari aluminium dengan penutup dari kepingan karet
4. PROSEDUR
1. Buat lubang dalam tanah untuk pemasangan tabung akses dengan menggunakan bor tanah. Pasang tabung akses. Sekitar 10 cm dari panjang tabung akses harus muncul di atas permukaan tanah.
2. Jika hendak melakukan pengukuran, letakkan neutron probe di atas tabung akses. Tentukan lama waktu pengukuran, biasanya 30 atau 60 detik untuk setiap titik pengamatan. Lakukan satu atau dua kali pengukuran standar, Io, sewaktu sumber neutron belum diturunkan
dari unit neutron probe. Pengukuran Io sebaiknya dilakukan pada awal
dan akhir dari serangkaian pengukuran. Hitung nilai rata-rata dari Io.
Pengukuran Io berguna untuk mengoreksi jika ada perubahan
elektronis di dalam pengukuran, karena hal ini dapat membaurkan pengukuran.
3. Lakukan pengukuran, I, pada kedalaman yang diinginkan. Kedalaman terdangkal hendaklah > 0,15 m, sedangkan jarak suatu kedalaman dengan kedalaman berikutnya hendaklah < 0,15 m. Hal ini disebabkan karena neutron beredar pada bundaran dengan jari-jari 0,15 m pada tanah basah, dan jari-jari 0,7 m pada tanah kering. 4. Hitung rasio I/Io, dan gunakan persamaan (2) untuk menghitung kadar
misalnya karena perbedaan kandungan bahan organik, maka diperlukan kurva kalibrasi yang terpisah untuk setiap kedalaman. (b) Di dalam suatu drum yang diisi tanah (Gambar 5) dengan jenis tanah
yang sama dengan tanah di lapangan, ditengahnya dipasang tabung akses. Penggunaan tanah dalam drum ini, walaupun lebih mudah, tetapi berbeda dengan keadaan lapangan, terutama karena struktur tanahnya sudah berubah.
Gambar 5. Kalibrasi dengan menggunakan tanah di dalam drum
(c) Lakukan pengukuran Io dan I pada beberapa kedalaman dan
beberapa kali pengukuran. Waktu pengukuran hendaklah sedemikian rupa, sehingga sebaran air tanah bervariasi menurut variabel waktu mulai dari sangat kering sampai mendekati jenuh. Jika kalibrasi dilakukan pada musim kemarau, jenuhkan tanah dan tentukan Io dan I
satu kali sehari sampai tanah sangat kering. Jika struktur tanah sangat berbeda, antara satu titik dengan titik lain, atau antara satu kedalaman dengan kedalaman lain, lakukan kalibrasi terpisah antara titik-titik dan kedalaman tersebut.
(d) Ambil contoh tanah dengan menggunakan bor tanah atau ring contoh pada kedalaman dan waktu yang sama dengan penentuan I. Timbang dan keringkan contoh tanah di dalam oven pada suhu 105 oC selama
24 jam. Hitung kadar air tanah berdasarkan volume, θ (lihat Bab 13 buku ini). Jika menggunakan contoh tanah terganggu, yang diambil dengan bor, hitung kadar air tanah berdasarkan berat kering, m. Konversi nilai m, menjadi θ, dengan rumus:
θ = m (Db/ρw) (1)
dimana ρw adalah berat jenis air, dan Db adalah berat jenis tanah.
Ketepatan dalam pengukuran m dan Db sangat menentukan kualitas
data.
(e) Buat kurva hubungan antara rasio I/Io = f dengan θ. Kurva ini
biasanya membentuk hubungan linear. Tentukan nilai parameter a dan b pada persamaan linear,
θ = a + bf (2) Nilai f biasanya berkisar antara 0 pada tanah yang sangat kering sampai sekitar 1,7 pada tanah dalam keadaan jenuh (Gardner, 1986). Parameter a dan b sangat ditentukan oleh sifat tanah dan nilai Io.
Catatan
Pengguna neutron probe dihadapkan kepada bahaya radiasi. Namun bila pengguna mematuhi aturan pemakaian yang dikeluarkan pabrik, kemungkinan bahaya radiasi sangat kecil. Beberapa langkah pengamanan yang perlu diperhatikan adalah (Gardner, 1986):
(1) Jangan dikeluarkan sumber neutron dari kotaknya, kecuali apabila unit neutron probe sedang digunakan.
(2) Sewaktu pengukuran, pengguna hanya boleh mendekati alat sewaktu mengganti kedalaman atau posisi pengukuran. Sewaktu alat menghitung nilai I dan Io, pengguna seharusnya berdiri sekitar 1 m
dari tabung akses.
(3) Apabila alat dibawa selama beberapa menit ke tempat pengukuran, gunakan sebuah gerobak sorong atau sebuah tongkat yang panjangnya 1,5 - 2 m dan bawa alat menggantung pada bagian tengah tongkat yang masing-masing ujungnya dipegang oleh satu orang.
kepada radiasi.
(6) Apabila alat tidak digunakan, simpan alat pada ruang khusus dan dikunci.
(7) Lakukan pengujian kebocoran (leak test) dua kali setahun atau menurut anjuran pabrik.
Untuk berbagai keperluan praktis, kurva kalibrasi yang diberikan oleh pabrik mungkin dapat digunakan. Akan tetapi, kalibrasi sangat diperlukan apabila tanah yang akan diukur kadar airnya, mempunyai sifat mengembang dan mengerut (Jury et al., 1991), mengandung Cl, Fe, Mo, dan B tinggi (Hanks dan Ashcroft, 1986; Gardner, 1986), atau apabila tabung akses yang akan digunakan untuk penentuan kadar air berbeda dari tabung akses yang digunakan pabrik untuk kalibrasi.
Variabilitas tanah yang sangat tinggi, misalnya karena perubahan komposisi mineral tanah yang drastis, atau perbedaan kadar air tanah yang tajam antar lapisan tanah, dapat menyebabkan menyimpangnya pengukuran dari kurva kalibrasi.
6. DAFTAR PUSTAKA
Gardner, W. H. 1986. Water content. p. 493-544. In Methods of Soil Analysis, Part 1. Second Ed. Agron. 9. Am. Soc. of Agron., Madison, WI.
Hanks, R. J., and G. L. Ashcroft. 1986. Applied Soil Physics. Springer-Verlag. Berlin.
Hignett, C., and S. R. Evett. 2002. Neutron thermalization. p. 501-521. In Methods of Soil Analysis Part 4, Physical Methods, SSSA Book Series:5. Soil Science Society of America, Inc., Madison, Wisconsin.
Hillel, D. 1982. Introduction to Soil Physics. Academic Press, Inc. San Diego, California.
Jury, W. A., W. R. Gardner, and W. H. Gardner. 1991. Soil Physics. 5th Ed. John Wiley and Sons. Inc., New York.
Tan, K. H. 2005. Methods of Soil Analysis. CEC Press, Boca Raton, Florida.
