Perhitungan profil hidrolis dilakukan untuk menetapkan posisi vertikal setiap unit IPAL pada lahan yang disediakan dengan cara menghitung kehilangan tekanan (head loss) akibat aliran dalam unit-unit IPAL ketika beroperasi. Tujuan lain pada perhitungan hidrolis adalah untuk menentukan lokasi ketinggian atau elevasi dari setiap unit IPAL yang akan dibangun.
Pada umumnya penetapan elevasi dilakukan secara mundur dimulai dari elevasi muka air di badan penerima sampai ke elevasi pipa pengumpul air limbah. Gambar profil hidrolis biasanya menggunakan gambar horizontal dan vertikal yang berbeda.
Dalam proses analisis profil hidrolis setidak perencana harus memerhatikan tiga hal, yakni posisi elevasi muka air di setiap unit dan saluran, head, dan head loss.
7.1. Head
Head dapat diartikan sebagai tinggi kolom air yang dapat terangkat akibat adanya tekanan air tersebut. Jika sebuah sistem reservoir memiliki tekanan sebesar 14,7 psi (pounds per square Inch) atau ± 1 Bar, maka air dapat memiliki head sebesar 10 m. Hubungan antara tekanan dan head dapat diekspresikan melalui persamaan berikut ini:
P = 0,0981 H SG ... Persamaan 7-1
di mana: P = Tekanan (Barr) H = head (m)
SG = specific gravity fluida (kg/m3)
Dalam penentuan total head terdapat beberapa komponen yang harus diperhitungkan, yakni static head, friction head loss, dan velocity head. Penentuan kebutuhan total head dalam perencanaan IPALD dapat diekspresikan sebagai berikut:
total head = static head + friction head loss + velocity head ... Persamaan 7-2 Ilustrasi hubungan antar ketiga komponen tersebut dapat dilihat pada Gambar 7-1. Static head dapat didefinisikan sebagai jarak vertikal aktual yang dibutuhkan untuk mengangkat aliran air. Jika sebuah reservoir terletak di elevasi 100 m dan pipa efluen terletak di elevasi 250, maka static head sistem tersebut yakni 250 m – 100 m = 150 m. Friction head merupakan nilai yang mengilustrasikan kebutuhan energi untuk mengatasi head loss yang disebabkan karena friction atau gaya gesek aliran air terhadap pipa atau saluran terbuka dan aksesoris perpipaan. Detail pembahasan terkait hal ini dapat dilihat pada Sub Bab 7.2. Velocity head dapat didefiinisikan sebagai jarak energi yang dikonsumsi untuk mencapai dan mempertahankan kecepatan yang diinginkan dalam sistem.
7.2 Head loss (Friction Head Loss) 7.2.1 Major Head Loss
Major head loss merupakan kehilangan tekanan yang terjadi di sepanjang jaringan perpipaan akibat adanya gaya gesek fluida dengan permukaan pipa. Setidaknya terdapat empat faktor yang mempengaruhi nilai major head loss yakni kekasaran permukaan pipa (roughness), panjang pipa, diameter pipa, dan kecepatan aliran fluida.
Perhitungan major head loss dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan dari Darcy-Weisbach, yakni:
... Persamaan 7-3
atau jika memasukan variabel debit, persamaan tersebut dapat diekspresikan menjadi:
...Persamaan 7-4
di mana: hf = head loss (m)
f = koefisien gaya gesek (lihat Persamaan 7-5 dan Gambar 7-2) L = panjang pipa (m)
D = diameter pipa (m)
g = percepatan gravitasi (m/detik2) Q = debit (m3/detik)
Koefisien gaya gesek (f) dapat diperoleh dengan melihat hubungannya dengan bilangan Reynold. Gambar 7-2 menunjukkan hubungan antara koefisien gaya gesek dan bilangan Reynold. Selain itu, koefisien gaya gesek dapat pula dihitung dengan menggunakan persamaan Aldsul (1952) yang relatif sederhana jika dibandingkan persamaan lainnya. Persamaan Aldsul dapat dilihat berikut ini:
... Persamaan 7-5
di mana: ε = roughness (mm) (Lihat tabel 7-1) D = diameter (m)
Re = bilangan Reynold (lihat Persamaan 7-6)
Nilai kekasaran atau roughness setiap pipa berbeda-beda, bergantung pada karakteristik bahan pipa. Nilai roughness untuk beberapa jenis pipa dapat dilihat pada Tabel 7-1.
Gambar 7-2. Grafik Moody Terkait Hubungan Koefisien Gaya Gesek (F) dan Bilangan Reynold (Re)
Tabel 7-1. Nilai Kekasaran Pipa
No. Material Pipa Nilai Roughness (mm)
1 Cast Iron 0,26
2 Steel 0,045
3 Concrete 0,3-3,0
4 Plastik 0 (halus)
Untuk bilangan Reynold (tanpa dimensi) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini:
... Persamaan 7-6
di mana: Re = bilangan Reynold ρ = densitas Fluida (kg/m3)
μ = viskositas dinamis (Pa.s)
ν = viskositas kinematis (m2/s); ν = μ / ρ.
7.2.2 Minor Head Loss
Minor head loss terjadi karena adanya gaya gesek antara fluida dan permukaan pipa akibat adanya turbulensi. Minor head loss dapat terjadi di aksesoris perpipaan diantaranya valve, perlengkapan seperti belokan, sambungan, dan lain-lain. Minor head loss biasanya ditemukan dalam nilai yang relatif sangat kecil, dapat kurang dari 5% dari total head loss. Oleh karena itu, seringkali nilai minor head loss diabaikan oleh perencana. Namun, dalam perencanaan SPALD-T, perencana harus tetap menghitung Minor head loss untuk memastikan kebutuhan head untuk sistem perpompaan dapat ditentukan dengan tepat sehingga air limbah domestik dapat dialirkan sesuai perencanaan. Perhitungan minor head loss yang disebabkan karena aksesoris perpipaan dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan berikut ini:
... Persamaan 7-7
di mana: hL = head loss (m)
k = koefisien head loss (kinetic energy factor) v = kecepatan aliran (m/d)
g = percepatan gravitasi (m/d2)
Nilai k merupakan koefisien head loss yang setiap aksesoris memiliki nilai yang berbeda-beda, dipengaruhi oleh energi kinetik yang dihasilkan oleh aliran air di dalam aksesoris tersebut. Total nilai k dapat dihitung dengan menjumlahkan seluruh nilai k dari aksesoris-aksesoris yang digunakan. Adapun nilai k untuk beberapa aksesoris dapat dilihat pada Tabel 7-2.
Tabel 7-2. Nilai Koefisien Head Loss Minor
Gambar 7-3. Nilai K untuk Head Loss Minor dari Perubahan Dimensi Pipa
7.3 Hydraulic Grade Line (HGL) dan Energy Grade Line (EGL)
Pembuatan profil hidrolis pada jaringan perpipaan (aliran gravitasi dan bertekanan) dan saluran terbuka harus dilakukan oleh setiap perencana di setiap sub-sistem pada SPALD-T. Hal ini dilakukan agar perencana maupun pemrakarsa dapat mengetaui secara detail perilaku aliran di dalam perpipaan maupun saluran terbuka. Dalam profil hidrolis setidaknya dikenal dengan dua istilah penting yakni Hydraulic Grade Line (HGL) dan Energy Grade Line (EGL) yang harus dipahami oleh setiap perencana. Analisis dua garis tersebut dapat dilakukan dengan mempertimbangkan faktor elevasi bangunan dan hidrolika saluran yang telah dibahas pada sub bab sebelumnya. HGL dalam jaringan pipa bertekanan menggambarkan pressure head (lihat Gambar 7-4). Namun, di saluran terbuka, HGL dapat digambarkan sesuai dengan profil permukaan air.
HGL dan EGL harus digambarkan berdasarkan perhitungan yang tepat oleh setiap perencana pada sub-sistem pengumpulan maupun sub-sistem pengolahan terpusat.