MODUL PENGERJAAN MODEL HIDROLOGI
MENGGUNAKAN MODEL SEMI-DISTRIBUTED SOIL AND WATER ASSESSMENT TOOL (SWAT)
Doni Khaira Arya
TUJUAN
1. Peserta mampu menggunakan model hidrologi semi-distributed dengan Soil and Water Assessment Tool (SWAT).
2. Peserta mampu melakukan simulasi Daerah Aliran Sungai (DAS) menggunakan model hidrologi semi-distributed dengan Soil and Water Assessment Tool (SWAT).
TEORI
Model Hidrologi merupakan model matematik yang digunakan untuk mensimulasikan water balance dalam suatu DAS. Keluaran dari model hidrologi diantaranya ketersediaan air, sedimentasi, dan polutan (Walingford, 2003). Ada beberapa model untuk simulasi hidrologi berdasarkan proses hidrologi, diantaranya :
• Lump/Tank, perhitungan tunggal untuk seluruh DAS dan biasanya dipakai untuk merata-rata debit atau total volume. Contohnya : Rasional Method - single outlet.
• Distributed, perhitungan proses hidrologi untuk setiap data grid dan untuk menentukan aliran air. Contohnya : GSSHA, Mike HSE.
• Semi-distributed, melakukan penyederhanaan distribusi dengan membuat unit sebagai Hydrologic Respon Unit (HRU) yang memiliki parameter unik (terdiri dari beberapa grid dengan parameter yang sama). Contohnya : SWAT, APEX.
Gambar 1. Ilustrasi klasifikasi simulasi hidrologi berdasarkan proses hidrologi.
Model SWAT merupakan pengembangan dari model SWRRB (Simulator for Water
Resources in Rural Basins) pada tahun 1980 oleh USDA. Sampai dirilisnya pada tahun 2005, SWAT telah mampu mensimulasikan total run-off untuk banyak subDAS, menghitung aliran air tanah dan sedimentasi sebaik perhitungan polutan untuk kegunaan pertanian (Neitsch, Arnold, Kiniry, & Williams, 2005).
Metode dasar yang digunakan adalah SCS Curve Number (CN), dimana tipe tanah dibagi menjadi 4 bagian yaitu A, B, C, D.
Overlay jenis tanah dan penggunaan lahan didefinisikan sebagai HRU yang memiliki nilai CN.
Simulasi SWAT memiliki 2 tahap yaitu preprocessing SWAT dan Processing SWAT.
1. Preprocessing SWAT
• Watershed delination, menghitung besaran akumulasi aliran dan arah aliran melalui topografi.
• Overlay HRU, tutupan lahan dan jenis tanah di klasifikasi ulang ulang ke dalam standar SWAT berdasarkang karakteristik dan penamaan.
• Weather gauge, sebagai input data dengan format *.txt atau *.dbf, 1 file merepresentasikan 1 stasiun dan nama sasiun menjadi nama stasiun tersebut.
2. Procesing SWAT
Gambar 2. Empat tipe tanah.
Gambar 3. Curve number untuk agricultural lands dan urban areas
Data preprocessing dipakai untuk perhitungan model SWAT. Output dari SWAT adalah Flow (streamflow), Groundwater Flow (BaseFlow), Direct Run-off, Water yield (total run-off), sedimentasi dan polutan.
Setelah simulasi selesai, selanjutnya adalah proses kalibrasi dengan membandingkan debit SWAT dan observasi dalam waktu dan tempat yang sama. Secara kulaitatif dilakukan perbandingan dengan memperhatikan puncak hidrograf, fase, dan baseflow. Sedangkan secara kuantitatif, menggunakan Nash Sutclife Index (NSI).
Gambar 4. Formula NSI
Kalibrasi SWAT dibagi menjadi 3 bagian (Arnold, dkk., 2011), diantaranya : 1. Adjustment Curve number for direct run-off or hydrograph peak 2. Adjustment Gw_revap for baseflow
3. Adjustment Alpha-BF for time lagging
Gambar 5. Hidrograf perbandingan hasil simulasi dengan data observasi.
Untuk lebih sederhana bisa dilihat diagram alir berikut :
DATA DAN PENGERJAAN 1. Data
Data yang digunakan dalam praktikum ini adalah:
a. Data DEM . b. Data Landuse.
c. Data curah hujan, temperatur maksimum-minimum, kelembaban, radiasi matahari, dan angin.
d. Data jenis tanah.
e. Data debit sungai.
2. Langkah Kerja
Persiapan Awal
1. Install terlebih dahulu arcSWAT sesuai dengan versi arcGIS yang digunakan 2. Setelah acrSWAT terinstall, pada toolbar kosong klik kanan dan centang pilihan
arcSWAT
Gambar 6. Spesifikasi data yang dipakai.
3. Buat folder connection sesuai dengan tempat penyimpanan data.
Yang perlu di perhatikan di sini bagi penguna windows 10 atau windows 8 terkadang akan mengalami kendala untuk proses awal watershed delineator, oleh karena itu ada beberapa pilihan yang bisa digunakan :
a. Copy folder data yang akan digunakan ke direktori harddisk C (tempat program) dan buat folder connection di tempat tersebut.
b. Copy folder data yang akan digunakan ke haddisk eksternal atau flashdisk berkapasitas minimal 8GB dan buat folder connection di tempat tersebut.
c. Matikan windows defender dan give permission pada folder data yang digunakan
d. Nama Folder tidak boleh menggunakan spasi dan disarankan kurang dari 13 karakter
Folder Sample Data tersebut berisikan data-data yang digunakan untuk melakukan pemodelan SWAT.
4. Buat proyek baru SWAT dengan cara Klik SWAT Project Setup --> Pilih New SWAT Project -- > akan muncul tampilan sebagai berikut
5. Pada bagian Project Directory pilih folder connection tempat penyimpanan data --> kemudian rename nama project nya --> pastikan SWAT Parameter Geodatabase nya berada pada folder connection yang digunakan --> OK.
6. Setelah itu akan muncul dialog Project setup is done --> OK.
7. Persiapan selesai.
Pembuatan DAS (Watershed Delineator)
1. Input data yang digunakan pada folder connection, yaitu data sungai, DAS, dan SRTM, klik ikon add data (file --> add data), maka akan muncul tampilan berikut :
2. Klik Watershed Delineator --> Automatic Watershed Delineator --> maka akan muncul tampilan seperti berikut :
Klik Ikon folder pada bagian Open DEM Raster --> Select form Map klik 2 kali--> pilih srtm_58_141.tif --> OK.
3. Klik DEM project setup
Kemudian ganti pada bagian Z unit menjadi meter
4. Centang bagian Burn In -->Klik ikon folder --> Select from Map --> pilih sungai (bukan sungai RBI) --> OK.
5. Lakukan langkah berikut ini secara berurutan dan perhatikan keterangan gambar sesuai dengan nomornya.
Perhitungan flow direction and accumulation --> Klik Ikon no.1 --> tunggu prosesnya selesai --> akan muncul End of DEM grid processing -->OK.
Perhitungan stream network --> Klik Ikon no.2 --> tunggu prosesnya selesai --> akan muncul End of stream processing -->OK.
Pemilihan whole watershed outlet(s) --> Klik Ikon no.3 --> akan otomatis ada perintah untuk memilih outlet sungai, drag kursor dan pilih keseluruhan DAS - -> akan terpilih sebanyak 33 outlet -->OK.
Pembuatan delineate watershed --> Klik Ikon no.4 --> tunggu prosesnya selesai - -> akan muncul Watershed delineation is done -->OK.
Perhitungan subbasin parameters --> Klik Ikon no.5 --> tunggu prosesnya selesai --> akan muncul subbasin parameter calculation successfully done --
>OK.
Exit kotak dialog watershed delineation
6. Setelah selesai akan muncul tampilan berikut :
Deliniasi DAS sudah selesai, perhatikan pada table of contents di sebelah kiri jendela arcGIS. Pada bagian ArcHydro ada beberapa sub layer, Basin merupakan batas DAS, Reach adalah sungai hasil delineasi, dan Watershed adalah DAS yang telah dibuat.
7. Jangan lupa simpan hasil delineasi DAS, klik SWAT Project Setup --> Save SWAT Project. Delineasi DAS sudah selesai.
HRU Analysis (Hydrologic Response Unit)
1. Input data tanah dan tata guna lahan. Klik ikon add data (file --> add data), kemudian muncul tampilan berikut, pilih soil dan landuse.
Landuse berisikan data-data tata guna lahan yang akan kita cocokkan dengan database SWAT. Yang akan digunakan adalah landuse_dis, yaitu data landuse yang telah disortir. Soil berisikan data tanah yang akan dicocokkan dengan database SWAT.
2. Mencatat data landuse tersebut di ms. Excel untuk memudahkan mengingat.
Di sebelah kiri jendela acrGIS terdapat table of contents yang berisi layer- layer yang digunakan.
Klik kanan layer landuse_dis --> open atribut table --> akan muncul tabel dari landuse_dis Copy tabel tersebut ke ms. Excel.
Lakukan hal yang sama untuk Soil, sehingga didapatkan data soil berikut
3. Melakukan klasifikasi jenis tanah sesuai dengan standar SWAT.
Klik HRU Analysis --> Landuse/Soil/Slope Definition --> klik tab Land Use Data
Klik ikon folder --> Select Land Use layer(s) from the map --> pilih landuse_dis --
> SWATid --> OK
Pada bagian Choose Grid Field pilih Value --> OK --> maka akan muncul SWAT Land Use Classification Table
4. Klik dua kali pada bagian LandUseSwat (kolom kosong) yang berada pada SWAT Land Use Classification Table dan cocokkan antara kolom VALUE sesuai dengan SWATid pada data excel yang telah dicopy
VALU
E Landuse
Land Cover
Database Kategori 1
Air/Sawah
Crop
WATR
2
Hutan Jarang
Crop
FRSD
3
Hutan Lebat
Crop
FRSE
4
Perkebunan
Crop
AGRL
5
Perkebunan Jarang
Crop
AGRR
6 Permukinan Jarang Urban URML
7
Permukiman Padat
Urban
URHD
Warna Hijau dilihat pada SWAT Land Use Classification Table
Warna Biru dilihat pada tabel di excel (data atribut tabel untuk landuse_dis).
Warna Kuning dilihat pada klasifikasi Land Cover Database (crop/urban).
5. Setelah semua baris pada kolom LandUseSwat terisi klik Reclassify --> muncul Land use reclassify completed! --> OK.
6. Masih di jendela Land Use/Soils/Slope Definition --> klik tab Soil Data --> klik ikon folder --> Select Land Use layer(s) from the map --> pilih soil --> swatid -->
OK
Pada bagian Choose Grid Field pilih Value --> OK --> Pilih UserSoil --> maka akan muncul SWAT Land Use Classification Table
7. Klik dua kali pada bagian Name (kolom kosong) yang berada pada SWAT Soil Classification Table dan cocokkan antara kolom VALUE sesuai dengan swatid pada data excel yang telah dicopy.
VALU E
SwatClass
Name
1 Waitsfield WAITSFIELD
2
Glover
GLOVER
8. Setelah semua baris pada kolom Name terisi klik Reclassify --> muncul Soils reclassify completed! --> OK.
9. Masih di jendela Land Use/Soils/Slope Definition --> klik tab Slope
10.Pilih Single Slope untuk menyederhanakan perhitungan slope --> klik Reclassify --> akan muncul Slope reclassify complete! --> OK.
11.Kemudian klik Overlay -- > tunggu sampai prosesnya selesai --> akan muncul Finished Land Use/Soils/Slope Definition --> OK.
12.Klik HRU Analysis --> HRU Definition --> pilih Multiple HRUs --> pilih Percentage --> isikan masing-masing kategori dengan nilai 20% --> klik Create HRUs --> akan muncul Completed HRU definition --> OK.
13.Jangan lupa simpan hasil delineasi DAS, klik SWAT Project Setup --> Save SWAT Project.
HRU Analysis sudah selesai.
Input Data Weather Station
1. Sebelum melakukan input data cuaca, hal yang harus dilakukan adalah
menyiapkan data Rain fall, Temperature, Solar radiation, Relative humidity (RH), dan Wind speed.
Data tersebut dapat di download pada halaman globalweather.tamu.edu dan sesuaikan dengan lokasi lon lat daerah kajian serta waktu kajian.
2. Setelah data dari global weather terdownload, update database WGEN_user sesuai dengan jumlah stasiun pengamatan cuaca di daerah kajian.
3. Pada folder data (Sample Data) terdapat file SWAT2012.mdb --> buka file tersebut --> pilih bagian WGEN_user.
Hanya terdapat 4 stasiun pada data WGEN_user, perlu diupdate sesuai dengan jumlah stasiun pada data global weather (9 stasiun).
4. Export data WGEN_user tersebut kedalam excel.
Klik menu External Data --> Export --> Excel Spreadsheet --> pilih lokasi penyimpanan --> Centang 2 pilihan teratas dari Specify Export Option --> OK.
5. Kemudian masukkan data dari global weather tersebut sesuai dengan stasiun yang dikaji ke dalam data excel WGEN_user.
6. Setelah semua data di excel terisi dengan lengkap, simpan file WGEN_user.xlsx tersebut pada folder Sample data.
7. Import file WGEN_user ke dalam file database SWAT2012.
Klik menu External Data --> Excel --> pilih file dan lokasi penyimpanan --> OK.
Kemudian akan muncul jendela Import Spreadsheet Wizard --> klik Next -->
Next lagi --> pada bagian berikut ini, pilih No primary key --> Next lagi -->
Finish.
8. Jangan lupa disimpan file SWAT2012.mdb
9. Kembali ke jendela arcGIS --> klik Write Input Table --> Weather Station --> klik tab Weather Generator Data --> pada kotak Locations Table pilih WGEN_user dan akan terlihat jumlah stasiun cuacanya adalah 9.
Klik tab Rainfall Data --> pilih Raingages --> klik ikon folder --> pilih lokasi penyimpanan data curah hujan dari global weather dengan kode pcp.txt
Klik tab Temperature Data --> pilih Climate Stations --> klik ikon folder -->
pilih lokasi penyimpanan data curah hujan dari global weather dengan kode tmp.txt
Klik tab Relative Humidity Data Data --> pilih Relative Humifity Gages --> klik ikon folder --> pilih lokasi penyimpanan data curah hujan dari global weather dengan kode rh.txt
Klik tab Solar Radiation Data --> pilih Solar Gages --> klik ikon folder -->
pilih lokasi penyimpanan data curah hujan dari global weather dengan kode solar.txt
Klik tab Wind Speed Data --> pilih Wind Gages --> klik ikon folder -->
pilih lokasi penyimpanan data curah hujan dari global weather dengan kode wind.txt
Setelah semua parameter terinput datanya dengan benar, kemudian klik OK.
Akan muncul Processing complete -->OK.
10.Klik Write Input Tables --> Write Input Tables --> klik Select All --> klik Create Tables --> tunggu hingga prosesnya selesai dan semua Completed -->
akan muncul Done Building Selected Tables! --> OK --> Close
14.Jangan lupa simpan hasil delineasi DAS, klik SWAT Project Setup --> Save SWAT Project.
Running SWAT
1. Untuk menjalankan Model SWAT klik SWAT Simulation --> Run SWAT -->
pastikan pada bagian Setup and Run SWAT Model Simulation periode waktunya benar dan diatur sesuai dengan kebutuhan.
klik Setup SWAT Run --> akan muncul Finished SWAT Setup! --> OK. klik Run SWAT -- > akan muncul SWAT run successful --> OK.
2. Untuk melihat hasil simulasi Model SWAT yang telah dilakukan klik SWAT Simulation --> Read SWAT Output --> ceklis bagian output.rch dan output.sub --
> klik Import Files to Database --> akan muncul Done writing files to database! - -> OK.
3. Data hasil running Model SWAT dapat diimport ke dalam database
Buka folder tempat penyimpanan data SWAT (Sample Data) --> di dalam folder tersebut terdapat folder Scenarios --> di dalam folder Scenarios terdapat folder Default --> pilih folder TablesOut.
Hasil Simulasi SWAT yang telah dilakukan berupa tabel SWATOutput.mdb dan bisa dibuka di ms.Access.
Kalibrasi Hasil Running SWAT dengan Data Observasi
1. Setelah Running SWAT yang pertama kali, untuk melakukan kalibrasi model DAS Bandung (DAS Citarum Hulu) perlu dibandingkan dengan data observasi debit keluaran di wilayah Nanjung.
2. Buka file excel (Data Debit Saguling.xls) yang berisi data debit air keluar Saguling, copy data bulan Januari – Desember 2010 di sheet yang baru atau workbook yang baru.
3. Buka file access (di folder Scenarios --> Default --> SWATOutput.mdb) yang merupakan hasil keluaran running SWAT yang pertama.
Pada bagian tables rch terdapat kolom FLOW_OUTcms, data pada kolom itu yang akan kita bandingkan dengan data observasi.
4. Tapi sebelumnya kembali ke ArcGIS dulu, kita akan mencari sub-basin yang menjadi tempat keluaran debit air, yaitu di wilayah Nanjung.
Gunakan tools Identify yang berada pada toolbar --> kemudian klik bagian sungai di daerah Nanjung --> pada bagian identify from pilih Visible layer --> terlihat bahwa Nanjung merupakan sub-basin 1.
5. Kembali ke data SWATOutput.mdb, lakukan filter kolom SUB dan pilih sub-basin 1 yang akan kita bandingkan. Kemudian copy data pada kolom FLOW_OUTcms ke excel, didapatkan hasil seperti berikut.
Jika dilihat hasil antara running model SWAT dengan data hasil observasi untuk debit air keluar, nilai dari model SWAT masih sangat jauh, sehingga perlu
dikalibrasi. Untuk melakukan kalibrasi dilakukan pengubahan nilai Curve Number pada data SWAT2012.mdb.
6. Edit curve number yang akan menentukan besarnya perbandingan air yang mengalir di permukaan dengan air yang di-infiltrasi.
Nilai curve number terdapat pada file SWAT2012.mdb --> pilih bagian tables crop bukan cropdefault. Perhatikan untuk bagian tables cropdefault jangan diedit, yang diedit cukup bagian tables crop.
7. Karena nilai CN (Curve Number) ini menentukan besarnya perbandingan antara air yang mengalir di permukaan tanah dengan air yang di-infiltrasi oleh tanah, maka perlu untuk melakukan pengecekan tutupan lahan yang dominan untuk DAS Bandung (DAS Citarum Hulu).
Ternyata tutupan lahan untuk wilayah DAS Bandung (Das Citarum Hulu) didominasi oleh Hutan lebat (FRSE yang berwarna Hijau) dan hutan jarang (FRSD yang berwarna ungu). Karena nilai hasil model jauh lebih tinggi dibandingkan data observasi, sehingga perlu dilakukan pengurangan nilai CN untuk tutupan lahan FRSE dan FRSD.
8. Ada dua cara yang bisa dilakukan untuk melakukan kalibrasi atau mengedit data model SWAT agar mendekati data observasi.
• Pertama dengan Melakukan Edit Manual Nilai CN dan parameter lainnya.
• Kedua dengan Melakukan Edit Nilai CN dan parameter lainnya melalui ArcGIS
9. Cara pertama dengan melakukan edit manual nilai CN dan parameter lainnya. Untuk running kali ini ingin dilihat pengaruh pengurangan nilai CN terhadap hasil debit keluaran model. Pada SWAT2012.mdb bagian tables crop, di filter kolom CPNM dan dipilih FRSD dan FRSE kemudian masing-masing nilai CN dikurangi 10. Jangan lupa save setelah melakukan pengubahan.
10.Kemudian kembali ke ArcGIS, pada toolbar arcSWAT pilih Write Input Tables -->
Write SWAT Input Tables --> Select All --> Create Tables dan tunggu prosesnya selesai.
Jangan lupa sebelumnya di-update dulu database nya toolbar arcSWAT --> pilih Write Input Tables --> Update Database --> OK.
11.Running kembali dengan cara klik SWAT Simulation --> Run SWAT --> pastikan pada bagian Setup and Run SWAT Model
S i m
ulation periode waktunya benar dan diatur sesuai dengan kebutuhan.
klik Setup SWAT Run --> akan muncul Finished SWAT Setup! --> OK.
klik Run SWAT -- > akan muncul SWAT run successful --> OK.
Untuk melihat hasil simulasi Model SWAT yang telah dilakukan klik SWAT Simulation --> Read SWAT Output --
> ceklis bagian output.rch dan output.sub --> klik Import Files to Database --> akan muncul Done writing files to database! --> OK.
12.Bandingkan kembali hasil keluaran model SWAT dengan data observasi seperti langkah nomor 5.
Observas i
FLOW_OUTcm s 1
FLOW_OUTcm s 2
99.67 196.8 189.3
183.67 531.8 509.1
254.50 625.8 610
150.45 309.7 327.4
157.86 338.2 346.3
101.25 377 375.8
94.69 334.9 336.8
101.05 344.6 343.6 170.30 530.5 516.7
167.21 391.7 394.7
181.46 509 503.7
198.15 430 434.5
Ternyata hasil kalibrasi dengan mengurangi 10 pada nilai CN hanya berpengaruh sedikit. Lakukan pengubahan nilai CN atau parameter lainnya hingga didapatkan nilai hasil debit keluaran model yang mendekati data observasi.
13.Cara kedua dengan melakukan edit nilai CN dan parameter lainnya melalui ArcGIS. Pada toolbar ArcSWAT pilih SWAT Simulation --> Manual Calibration Helper
Misalkan kita ingin mengubah parameter CN menjadi setengah kali semula.
14.Kemudian lakukan kembali langkah nomor 10, 11, 12 di atas. Lakukan kalibrasi hingga hasil keluaran model SWAT mendekati data observasi.
Proses kalibrasi selesai ketika nilai keluaran model SWAT sudah mendekati data observasi.
