8-1
MODUL 8. HITUNGAN ANGKUTAN SEDIMEN
1. Sasaran Pembelajaran
Mahasiswa dapat mengetahui mekanisme angkutan sedimen dan gaya-gaya yang bekerja pada partikel sedimen
Mahasiswa dapat mengetahui analisaangkutan sedimen dan penentuan lengkung debit-sedimen.
2. Kemampuan yang mahasiswa yang menjadi prasyarat Hidrolika, Hidrologi dan pengembangan sumber daya air.
3. Keterkaitan bahan pembelajaran dengan pokok bahasan lainnya sangat berkaitan dan merupakan satu kesatuan yang saling menunjang
4. Manfaat atau pentingnya bahan pembelajaran ini yaitu mahasiswa mampu memahami analisa angkutan sedimen dasar, sedimen melayang dan awal mula gerak sedimen.
5. Petunjuk belajar mahasiswa, penjelasan tentang hal hal yang perlu dilakukan mahasiswa dalam mempelajari materi ini yaitu dengan menampilkan beberapa contoh dan gambar serta memberi tugas mencari paper di internet sehingga akan memperkaya wawasan mereka.
8.1 Transpor Sedimen
Transport sedimen merupakan interaksi antara aliran air dan material dasarsaluran, sehingga merupakan proses yang kompleks. Laju transpor sedimen biasanya diekspresikan sebagai produk konsentrasi dan kecepatan fluida (Shibayama dan Winyu, 1993).Umumnya transpor sedimen dikelompokkan atas tiga kelompokyakni: bed load, suspended load dan wash load.Selama proses transpor, sedimen dapat mengalamipengendapan, hal ini disebabkan oleh pengaruh kecepatan jatuh(Ws) sedimen.Sedimen yang ditransporkan di wilayah pantaibiasanya mengandung partikel-partikel kerikil atau pasir sampaipartikel berukuran yang biasa diklasifikasikan sebagai lumpur ataulempung.
Gaya luar yang bekerja pada unit massa cairan berdasarkan penyebabnya akan berbeda untuk arus sungai, arus akibatgelombang, serta arus dan gelombang yang berintegrasi secarabersama-sama.Gaya yang merupakan faktor utama pembangkitgerak transpor sedimen adalah arus pasang surut, arus litoral,medan gelombang dan debit sungai. Oleh karena itu dalammempelajari mekanisme transpor sedimen gaya-gaya penggeraktersebut perlu diperhatikan.
8-2 Gambar 8-1. Model angkutan sedimen (Ron Parker 2002)
Gaya atau energi yang memberikan kontribusi terbesar adalah dari aliran air(tegangan geser) terutama untuk angkutan sedimen dasar (bed load), selanjutnya turbulensi aliran berperan dalam membentuk angkutan sedimenmelayang (suspensi). Pada partikel koloid yang lebih berperan adalah interaksi ionik dari dalam geraksecara acak brown.
Angkutan sedimen (sediment transport) adalah mekanisme pemindahan butiran sedimen dari tempat yang disebabkan adanya aliran air. Kecepatan perpindahan sedimen dan volume sedimen peratuan waktu disebut debit sedimen.
Proses angkutan sedimen dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 8-2.Klasifikasi angkutan sedimen Faktor-faktor yang Mempengaruhi Angkutan Sedimen Sedimen yang terangkut oleh air dipengaruhi oleh : 1. Ukuran Partikel Sedimen
Menurut besarnya ukuran sedimen dapat digolongkan seperti tabel berikut ini:
Tabel 8-1. Klasifikasi Ukuran Butir
Muatan Bilas
h
Muatan Sedimen
h
Muatan Sedimen Dasar
h
8-3
Sumber : Pengkajian Sedimentasi Waduk, Ir. Kartini, MT
Ackers-White dan Yalin mendefinisikan parameter butir adalah : a. Diameter partikel :
1350 2
* 1
v
g D S
D
5.10 Dimana
D50 = Diameter median dari material dasar S = kerapatan jenis
V = Koefisien kekentalan kinematic
b. Transport Stage Parameter
22 2
!
.
* .
*
*
r r
U U
U u
T U
5.11 U*’ = (g0,5 / C’). U
C’ = Koefisien Chezy u’ = Kecepatan rata-rata 2. Bentuk Partikel
Bentuk partikel juga berpengaruh pada perhitungan angkutan sedimen, yaitu pada kecepatan angkutan butir. NC Nown da Malaika dan Alberton mempelajari bentuk partikel dan memberikan suatu definisi yang dapat digunakan secara praktis dan menghasilkan hasil yang cukup baik. Faktor bentuk tersebut dinyatakan dalam :
SF = c / ( a . b )0,5 5.12
SF = (g0,5 / C’). U
a = penampang terpanjang dari partikel (mm) b = penampang dari partikel (mm)
c = penampang terpendek dari partikel (mm)
No. Klasifikasi Ukuran Butir
1. Bongkah (Boulder) >256 mm 2. Berangkal (Couble) 64 – 256 mm 3. Kerikil (Gravel) 2 – 64 mm 4. Pasir (Sand) 62 – 2000 mm 5. Lanau (Silt) 4 – 62 mm 6. Lempung (Clay) < 4 mm
8-4 3. Berat Spesifik Partikel Sedimen
Definisi Berat Spesifik (Spesific Weight) ialah berat persatuan volume dari bahan angkutan sedimen.
= 5.13
Untuk menghitung kecepatan angkut partikel diasumsikan bahwa : a. Partikel adalah Sperical (bulat)
b. Gaya percepatan fluida orde dua.
Distribusi kecepatan vertikal digunakan rumus :
zo
z k z u
u *ln )
( ... 5.14 dimana : u* = kecepatan geser dasar
z = 0,05 h
k = konstanta Von Karman = (0,4) zo = 0,11 (v/u* + 0,03 ks)
ks = kekasaran nikuradse
Rumus-rumus perhitungan angkutan sedimen baik mengenai Bed Load, maupun suspended Load yang diperoleh dari beberapa bentuk model fisik untuk meramalkan hubungan antara parameter-parameter yang mempengaruhi angkutan sedimen.
8.2 Angkutan sedimen dasar A. Schoklitsch’s (1934, 1943)
Peneliti pertama yang menggunakan pendekatan debit efektif, yaitu debit airdikurangi debit kritis qc (debit pada kondisi mulai bergeraknya sedimen) sebagaifaktor dominan transport sedimen.
Satuan persamaan adalah metric Persamaan tahun 1934
5.15 Persamaan tahun 1943
5.16
8-5 B. Kalinske (1947)
Transport sedimen merupakan fungsi dari kecepatan sesaat us saat nilainyamelebihi kecepatan rata-rata kritik Vs (kecepatan saat awal butiran bergerak).Pada kondisi aliran turbulen rerata kecepatan sesaat merupakan fungsi dari rasiotegangan geser kritik dan tegangan geser dasar saluran. Maka dapat diturunkanpersamaan empiris berikut
5.17 Dimana : qb = sedimen dasar (kg/s)/m lebar
tc = tegangan geser kritik U* = kecepatan geser air
C. Meyer Peter Muller (1948)
Transport sedimen merupakan fungsi dari dari energi hilang dari aliran dalam proporsi kemiringan energi (energy slope = (Ks/Kr)S)
Data adalah dalam satuan metrik adalah : Diameter butiran dominan d (m), tinggi kekasaran = d90(m), debit aliran qm3/det, dan kemiringan energi aliran S, jari-jari basah R (m), s berat jenissedimen (ton/m3) , qb debit sedimen hasil dalam satuan ton/detik per satuanlebar .
5.18
D. Rottner (1959)
Mengasumsikan transport sedimen didominasi fungsi dari kekasaran relatif d50/Dberdasarkan analisis dimensi dan melakukan regresi dari penelitian di sungaidan di laboratorium
5.19 Satuan persamaan menggunakan satuan english
8-6 qb = dalam satuan berat kering sedimen per detik (lb/s)/ft
d50 = diameter butiran, kedalaman rerata dalam ft ζ = massa jenis = s/
V = Kecepatan rata-rata ft/sec g = grafitasi = 62,4 ft/sec2.
E. Einstein Bed Load (1950), Original
Einstein, transport sedimen sulit didekati dari awal gerakan butiran, lebihmerupakan fungsi turbulensi aliran sehingga awal gerak butiran diturunkansebagai fungsi probabilistik.Einstein menggunakan hanya tegangan geser dasar oleh kekasaran butiran sajayang dipakai sehingga harus memisahkan komponen tegangan geser dasar olehformasi dasar dari total tegangan geser.
Cari nilai jari-jari hidraulis karena kekasaran dasar R
F. Einstein Bed Load (1957), Size fraction method byVanoni & Brooks
Rumusan asli dari Einstein- Barbarosa dalam perhitungan R’ masih kurangpraktis karena membutuhkan coba-coba berulang kali, maka untuk menyelesaikan secara langsung persamaan untuk memperoleh U*’ disusungrafik baru Gbr. II-26 oleh Vanoni - Brooks, selanjutnya grafik ini diperluas olehSimons dan Senturk 1976
8-7 .
8.2.1 Analisa Angkutan Sedimen Suspensi dengan Metode Sesaat Angkutan sedimen layang yang terjadidihitung dengan rumus :
Qs=0,0864.C.Qw 5.20
Dimana : Qs = debit angkutan sedimen (ton/hari) C = konsentrasi sedimen (mg/ltr) Qw = debit sungai (m3/det)
Apabila dalam periode 1 hari dilaksanakan pengukuran aliran dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
n i
w Q t
Q
1
24 1
1
5.21 dimana : Qw = besar aliran harian rata-rata (m3/det)
Q1 = besar aliran yang terukur pada saat sub I (m3/det)
ti = interval waktu pengukuran aliran (jam) n = jumlah pengukuran aliran
Sedang rata-rata konsentrasi sedimen harian dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
n i i t c C
24 1
1
5.22 dimana :C = konsentrasi rata-rata sedimen harian (mg/l)
ci = konsentrasi sedimen pada saat ti (mg/l)
ti = interval waktu pengukuran (jam)
8-8 n = jumlah pengukuran
Oleh karena Qi dan Ci, kedua-duanya tidak tetap selama periode waktu 24 jam, maka besarnya rata-rata debit sedimen hariannya dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
n
i wi i
s CQ t
Q
1 24
0864 ,
0 5.23
dimana : Qs = 1rata-rata debit sedimen harian (ton/hari) ci = konsentrasi sedimen pada saat ti (mg/l) Qwi = besar aliran pada saat ti (m3/det)
ti = interval waktu pengukuran (jam) n = jumlah pengukuran
Hasil akhir dari persamaan di atas akan berbeda dengan nilai debit sedimen yang dihitung dengan persamaan : Qs = 0,0864. C . Qw
8.3 Analisa Angkutan Sedimen dengan Metode L.C. Van Rijn
Muatan sedimen layang bergerak bersama dengan aliran air sungai disamping itu dalam sedimen layang juga terdapat sedimen bilas (wash load) yang berukuran sangat kecil (<50 mikro meter). Bagian ini akan diuraikan metode perhitungan sedimen layang berdasarkan kajian yang sebelumnya dilakukan oleh Van Rijn.
Untuk menghitung sedimen layang, maka perlu diketahui parameter partikel (D0)
1350 2
1
v
g D S
Do
5.24 dimana :
D50 = diameter median dari material dasar S = kerapatan jenis
= koefisien kekentalan kinematik Stage parameter (T)
22 0
! 2 0
ocr cr
U U
T U
5.25 dimana : ! !
C
Uo g U = kecepatan geser dihubungkan dengan ukuran butiran
90
!
3 log 12
18 D
C Rb
5.26
8-9 Rb = jari-jari hidraulis.
U0cr = kecepatan geser pada dasar sungai menurut Shields.
U = kecepatan aliran rata-rata
Dalam Perhitungan skripsi nilai Rb = y karena menurut Robert J Kodoatie apabila sungai lebar maka nilai Rb = y
Parameter suspensi yang menyatakan pengaruh gaya air turbulen arah ke atas dan ke bawah :
o s
U z w
5.27 Selain itu diperkenalkan tinggi acuan (a) dimana konsentrasi sedimen dasar digunakan sebagai acuan. Tinggi acuan (a) dinyatakan sebagai :
a= 0,5 atau a = ks (amin= 0,01 d)
Selanjutnya dihitung konsentrasi acuan (Ca), didekati dengan :
3 , 0
5 , 1
015
50, 0
s
a
aD
T
C D
5.28Tahap selanjutnya adalah menghitung ukuran partikel sedimen layang (Ds), yang dinyatakan sebagai :
) 25 )(
1 ( 011 , 0 1
50
T
D D
s
s
5.29
dimana :
50 16 50 84
2 D
D D D
s 5.30
Tahap selanjutnya adalah menghitung kecepatan jatuh (WS) sedimen layang.
Untuk kondisi yang relatif tenang dan relatif jernih serta ukuran partikel 100 mm maka :
v gD
ws s s
1 2
18
1
(menurut Stokes) 5.31
(17a.)
untuk partikel berukuran 100 – 1000 mm
0,01( 1) 1
10 1
1
2 3
v gD s D
W v
s
s
s 5.32
8-10 untuk partikel lebih besar lagi
1
0,51 ,
1 s
s S gD
W 5.33
Tahap selanjutnya adalah menghitung -faktor (menurut Kikkowa)
2
2
1
o s
U
W untuk 0,1<
o s
U
W <1 5.34
Kecepatan geser dihitung Uo= gds ...
Selanjutnya menghitung j - faktor, yaitu faktor koreksi yang menampung semua pengaruh tambahan pada bilangan suspensi akibat adanya tempat-tempat yang diisi partikel, reduksi kecepatan jatuh dan lain-lain.
4 , 0 8 , 0
5 ,
2
o a o s
C C U
j W untuk 0,01 1
o s
U
W 5.35
Tahap berikutnya menghitung parameter suspensi z dan z!
o s
U z W
5.36
z!= z + j
Tahap berikutnya menghitung F – faktor
!
2 , 1
2 , 1 1
!
!
d z a
d a d
a
F z
z
5.37
Total sedimen layang ( suspended load ) permeter lebar :
qs = F.U.d.Ca ( m3 /det per m lebar ) 5.38
Dimana :
F = faktor koreksi
U = kecepatan aliran rata-rata (m2/det) d = kedalaman aliran (m)
Ca = konsentrasi (mg/ltr)
Sedimen Dasar (Bed Load) merupakan angkutan partikel sedimen yang disebabkan oleh daya seret air lebih besar dibanding gaya berat sedimen, sehingga sedimen bergerak dapat berupa menggelinding, bergeser atau dengan meloncat-loncat pada dasar saluran. Bed Load transport (qb) adalah merupakan perkalian antara kecepatan partikel (ub ), dengan tinggi loncatan ( b) dan konsentrasi dari bed load (cb), jadi :
qb = cb.ub . b 5.39
8-11 cb = co. 0,18
* D
T 5.40
co = 0,65 5.41
uo = 1,5 (g d50)0,5 T0,6 5.42
b = 0,117 D*-1T 5.43
dimana :
D* = d50.
13
2
U
g = parameter partikel (-)
T =
22
*
*
*'
2
cr cr
u u u
= transport stage parameter (-)
u*’= (g0,5 / C’)u = kecepatan geser dasar efektif dihubungkan dengan butir (m/s)
= (s - )/ = berat relatif (-) C’ = 18 log
3 90
12 d
h = koefisien Chezy berhubungan dengan butir (m0,5/s)
u = kecepatan aliran pada kedalaman rata-rata (m/s) d50, d90 = diameter partikel dari material dasar (m) v = koefisien viscositas kenematik (m2/s) g = percepatan gravitasi (m/s2)
qb = 0,053 (g)0,5 d501,5 D*-0,3 T2,1 5.44
= Bed load transport pada satu satuan lebar (m3/s)
8.4 Analisa Angkutan Sedimen Dengan Metode Peter-Meyer-Muller
Persamaan ini didukung oleh data laboratorium mekanika tanah dari grafik analisa butiran dari contoh endapan, yaitu diameter partikel yang melalui saringan D50 (mm), D90 (mm), rapat massa sedimen (kg/m3) dan angka pori. Selanjutnya langkah perhitungan adalah sebagai berikut :
Koefisien-koefisien de Chezy :
hI
C U 5.45
D90
h log12 18 '
C 5.46
8-12 m = ripple factor
5 , 1
' C
c
m 5.47
5 , 1
D90
h log12 18
hI U
m 5.48
D50
' hI
m
5.49
50 5 , 1
90
D D
h log12 18
hI U
'
5.50
= s - air
2 / 3 2
/ 3
50 ( ' 0,047) 1
D g
Sb 8
5.51
= void ratio = 0,4 ) hari / m 3600 x 24 ( h x
T SbA 3 5.52
dimana :
T = tansport sedimen (m3/hari) s = rapat massa sedimen (kg/m3) air = rapat air (kg/m3)
g = percepatan gravitasi bumi (=9,81 m/det2)
D50 = diameter partikel sedimen yang tertahan pada saringan (mm) Ū = kecepatan rata-rata aliran (m/det)
I = pelandaian memanjang A = luas penampang basah (m2) h = kedalaman air (m)
24 x 3600 = waktu dalam detik untuk 1 hari pengaliran.
8-13 Soal Latihan 5
1. Uraikan perbedaan bed load transport dan suspended load transpor, serta bagaimana dampaknya terhadap kelestarian sungai?
2. Jika kecepatan aliran sebesasar 2,2 m/det dan diameter sedimen d90 = 1,2 mm, berapakah besarnya kecepatan aliran sebesasar 2,2 m/det dan diameter sedimen d90 = 1,2 mm, berapakah besarnya transpor sedimen? Gunakan 3 rumus sebagai pembanding.
3. Dari evaluasi sedimen sungai Palu, diketahui bahwa umumnya sedimen bercampur dalam beberapa ukuran, yang manakah dimaksud D50?