MODEL HIDROLOGI Referensi : APPLIED HYDROLOGY By : Ven Te Chow

Presentasi berjudul: "MODEL HIDROLOGI Referensi : APPLIED HYDROLOGY By : Ven Te Chow"— Transcript presentasi:

1 MODEL HIDROLOGI Referensi : APPLIED HYDROLOGY By : Ven Te Chow
PERTEMUAN III Oleh : Dr. Tunggul Sutan Haji Referensi : APPLIED HYDROLOGY By : Ven Te Chow Laboratorium Teknik Sumberdaya Alam dan Lingkungan UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2013

2 HIDROLOGI Hidrologi adalah suatu ilmu pengetahuan yang mempelajari tentang kejadian, siklus dan penyebaran air di atmosfir dan permukaan bumi serta di bawah permukaan bumi. SIKLUS HIDROLOGI Air di bumi berada dalam ruang yang disebut hidrosfir kira-kira sejauh 15 km di atas permukaan bumi dalam atmosfir dan kira-kira 1 km ke bawah dalam lithosfir. Sirkulasi air dalam hidrosfir melintasi lapisan bumi dalam ujud yang berbeda-beda ini disebut siklus hidrologi. Siklus hidrologi merupakan fokus sentral dari hidrologi. Siklus hidrologi tidak berawal dan berakhir, dan proses-prosesnya terjadi secara kontinu.

3 SIKLUS HIDROLOGI Kelembaban Udara Presipitasi di darat
Evaporasi dari laut Presipitasi di laut Presipitasi di darat Evaporasi dari lahan Infiltrasi Kelengasan Tanah Aliran Air Tanah Aliran Bawah Permukaan Evaporasi dan Evapotranspirasi Surface Outflow Groundwater Outflow Lapisan Kedap Limpasan Permukaan Kelembaban Udara

4 Estimasi Jumlah Air di Bumi
Item Area (106 km2) Volume (km3) % Total Air % Air Segar Laut 361,3 96,5 Air Tanah Segar 134,8 0,76 30,1 Asin 0,93 Lengas Tanah 82,0 16.500 0,0012 0,05 Es Kutup 16,0 1,7 68,6 Es lain dan salju 0,3 0,025 1,0 Danau 1,2 91.000 0,007 0.26 0,8 85.400 0,006 Marshes 2,7 11.470 0,0008 0,03 Sungai 148,8 2.120 0,0002 0,0006 Air Biologi 510,0 1.120 0,0001 0,003 Air Atmosfir 12.900 0,001 0,04 Air Total 100 Air Segar 2,5 Sumber : UNESCO, 1978

5 Faktor yang Mempengaruhi Hidrologi
Hidrologi suatu daerah ditentukan oleh pola cuaca dan oleh faktor fisik seperti misalnya topografi, geologi dan vegetasi. Juga, misalnya perkembangan penduduk, aktivitas manusia yang secara bertahap merusak lingkungan air alami, mengganggu keseimbangan dinamik siklus hidrologi dan memulai proses dan kejadian baru. Sebagai contoh, telah diteorikan bahwa karena pembakaran minyak fosil, besarnya karbon dioksida dalam atmosfir meningkat. Peningkatan ini akan menghasilkan pemanasan bumi ini dan lebih jauh berpengaruh pada hidrologi global

6 KONSEP SISTEM Fenomena hidrologi sangatlah komplek, dan barangkali tak akan pernah dimengerti secara penuh/menyeluruh. Akan tetapi, fenomena ini dapat dinyatakan dalam suatu cara penyederhanaan dengan ’konsep sistem’. Suatu sistem merupakan satu set bagian-bagian terhubungkan yang membentuk satu keutuhan. Siklus hidrologi dapat di perlakukan sebagai satu sistem yang komponen-komponennya adalah presipitasi, evaporasi, limpasan, dan fase-fase lain dari siklus hidrologi. Komponen-komponen itu dapat dikelompokkan dalam subsistem dari siklus keseluruhan; untuk menganalisis sistem total, subsistem lebih sederhana dapat diperlakukan secara terpisah dan hasil-hasilnya digabung sesuai interaksi antara subsistemnya.

7 Representasi diagram blok sistem hidrologi global
Hujan Evaporasi Intersepsi Transpirasi Aliran Overflow Limpasan Permukaan Aliran di Sungai dan Laut Infiltrasi Aliran Bawah Permukaan Resapan Air Tanah S Air Atmosfir Air Permukaan Air Bawah Tanah

8 Representasikan proses hujan-limpasan pada suatu watershed sebagai sistem hidrologi
Hujan I(t) Aliran Sungai Q(t) Batas Sistem DAS Operator W Input Output I(t) Q(t)

9 Sistem dan model hidrologi
Dengan analogi, suatu sistem hidrologi didefinisikan sebagai suatu struktur atau volume ruangan, dikelilingi oleh suatu batas, yang menerima air dan masukan lainnya, beroperasi pada internalnya, dan menghasilkannya sebagai keluaran (Gambar 1.2.2). Struktur itu (untuk aliran permukaan dan bawah permukaan) atau volume ruangan (untuk aliran kelengasan atmosfirik) merupakan total/keseluruhan lintasan aliran yang mencakup air yang lewat dari titik itu masuk sistem itu sampai titik itu berada. Batas itu merupakan permukaan kontinu yang ditentukan dalam tiga dimensi tertutup didalam volume atau struktur. Suatu ’working medium’ masuk sistem itu sebagai input, yang berinteraksi dengan struktur dan media lain, dan tinggal sebagai keluaran. Proses-proses secara fisika, kimia dan biologi beroperasi pada media kerja (working media) dalam seluruh sistem itu; Pada umumnya media kerja yang tercakup dalam analisis hidrologi adalah air, udara dan energi bahang. Prosedur pengembangan persamaan dan model kerja fenomena hidrologi mirip dengan mekanika fluida. Akan tetapi pada hidrologi secara umum derajat pendekatan/ kira-kiranya lebih besar dalam penerapan dalil fisika karena sistemnya lebih besar dan lebih komplek, dan terdiri dari beberapa media kerja. Juga, kebanyakan sistem hidrologi merupakan random secara inherent karena masukan utamanya adalah presipitasi, suatu peubah kisaran besar dan fenomena takterprediksi. Konsekuensinya, analisis statistik berperan besar dalam analisis hidrologi.

10 Model Sistem Hidrologi
Tujuan dari analisis sistem hidrologi adalah untuk mempelajari operasi sistem dan memprediksi keluarannya. Suatu model sistem hidrologi adalah suatu pendekatan dari sistem aktual; masukan-masukan dan keluaran-keluarannya merupakan peubah hidrologis yang dapat diukur dan strukturnya merupakan sekumpulan persamaan yang menghubungkan input-input dan keluaran-keluaran itu. Pusat dari struktur model itu merupakan konsep dari ’transpormasi sistem’. Kalau input dan output dinyatakan sebagai fungsi waktu, secara berurutan I(t) dan Q(t), untuk t termasuk dalam kisaran waktu T yang diperhatikan. Sistem itun membentuk suatu transpormasi inputnya dalam keluarannya yang direpresentasikan dengan Yang disebut sebagai ’persamaan transpormasi’ sistem itu. Simbol W adalah ’fungsi transfer’ antara input dan output. Jika hubungan ini dapat dinyatakan dengan persamaan aljabar, maka W adalah suatu operator aljabar. Sebagai contoh, jika ada C yang merupakan konstanta, maka fungsi transfer adalah operator Jika transpormasi itu dijelaskan dengan persamaan diferensial, maka fungsi transfer berperan sebagai ’operator diferensial’. Sebagai contoh, suatu ’reservoir linear’ mempunyai tampungan S yang terhubungkan terhadap keluarannya Q dengan Dimana k adalah konstanta yang mempunyai dimensi waktu. Dengan kontinuitas, laju perubahan waktu dari tampungan sama dengan beda antara masukan dan keluarannya Hilangkan S antara dua persamaan dan susun kembali, Sehingga Dimana D adalah operator diferensial d/dt. Jika persamaan transpormasi telah ditentukan dan dapat dipecahkan, maka akan menghasilkan keluaran sebagaifungsi input. Persamaan (1.3.7) menggambarkan suatu sistem linear jika k adalah suatu konstanta. Jika k adalah fungsi input I atau output Q maka (1.3.7) menggambarkan ‘sistem nonlinear’ yang jauh lebih sulit untuk dipecahkan.

11 Klasifikasi Model Hidrologi
Sistem F(keacakan, ruang, waktu) Deterministik Tak Tergantung Ruang Terdistribusi Kempal Stokastik Keacakan? Model untuk menghitung Tergantung Ruang Variasi Waktu? Variasi Ruang? Aliran Steady Aliran Tak Tak Tergantung Waktu Tergantung Waktu Masukan Keluaran

12 PERKEMBANGAN HIDROLOGI
Ilmu hidrologi dimulai dengan siklus hidrologi. Dari waktu terhulu, telah banyak spekulasi tentang sirkulasi air, meliputi antara lain : penyair Homer (kira-kira 1000 B.C.), dan pefilosofi Thales, Plato, dan Aristotle di Yunani dan Roma. Banyak dari spekulasi ini tidak dipublikasikan secara scientifik; akan tetapi, filosofer Yunani Anaxagoras dari Clazomenae ( B.C.) membuat versi siklus hidrologi primitif. Dia percara bahwa matahari mengangkat air dari laut ke atmosfir, yang kemudian jatuh sebagai hujan, dan air hujan itu kemudian terkumpul dalam tampungan bawah tanah. Peningkatan dari teori ini dibuat oleh filosofer Yunani lainnya, Theophrastus ( B.C.), yang menggambarkan secara betul siklus hidrologi di atmosfir ini; dia memberikan penjelasan formasi presipitasi dengan kondensasi dan pembekuan. Setelah mempelajari kerja Theophrastus, arsitek dan insinyur Roma Marcus Vitruvius, yang hidup kira-kira pada awal masehi, membenahi dan menyusun kembali teori-teori sebelumnya, yang sekarang secara umum diterima : dia mengembangkan penjelasan Theophrastus, meng-claim bahwa air tanah diturunkan secara besar-besaran dari hujan dan salju melalui infiltrasi pada permukaan tanah. Teori ini barang kali yang dipertimbangkan sebagai isyarat/petunjuk dari versi modern siklus hidrologi. Pemikiran terpisah terjadi di peradaban Asia kuno. Orang-orang Cina mencatat observasi hujan, salju dan angin pada peramalan Anyang awal 1200 B.C. Kemungkinan mereka menggunakan alat pengukur hujan sekitar 1000 B.C., dan mendirikan pengukur hujan secara sistematik kira-kira 200 B.C. Di India, pengukuran besarnya curah hujan akhir abad empat B.C. Konsep siklus hidrologi dinamik telah muncul di Cina 900 B.C., di India 400 B.C, dan di Persia pada abad kesepuluh, tetapi gagasan-gagasan ini sedikit pengaruhnya pada pemikiran barat. Selama Renaissance, suatu perubahan secara berangsur-angsur terjadi dari konsep filosofis murni menuju ilmu pengetahuan observasional. Leonardo da Vinci ( ) membuat studi sistematik pertama tentang agihan kecepatan sungai, dengan menggunakan pelampung dari kantong kemih binatang yang diberi pemberat. Kecapatan dapat diukut pada titik-titik tertentu pada penampang sungai, sehingga didapatkan agihan kecepatan pada penampang sungai tersebut. Ilmuwan Perancis Bernard Palissy ( ) menunjukkan bahwa air sungai dan mata air berasal dari curah hujan, jadi membantah teori lama bahwa sungai dipasok secara langsung oleh laut. Naturalist Perancis, Pierre Perrault ( ) mengukur limpasan permukaan dan mendapatkan itu menjadi hanya suatu fraksi curah hujan. Dia memperkenalkan bahwa curah hujan merupakan sumber limpasan dan menyimpulkan dengan benar bahwa sisa presipitasi hilang oleh transpirasi, evaporasi, dan diversi/pengalihan.

13 PERKEMBANGAN HIDROLOGI
Pengukuran dan percobaan hidraulik telah berbiak selama abad delapan belas. Prinsip-prinsip hidraulik baru telah ditemukan seperti Persamaan Bernoulli dan Rumus Chezy, peralatan lebih baik dikembangkan, termasuk alat ukur hujan dan current meter. Hidrologi berkembang lebih cepat selama abad sembilan belas. Dalton membuat kaidah-kaidah evaporasi (1802), teori aliran kapiler dijelaskan dengan Persamaan Hagen-Poiseuille (1839), dan metode rasional untuk menentukan aliran banjir puncak diusulkan oleh Mulvaney (1850). Darcy mengembangkan hukum aliran media porusnya (1856), Rippl mempresentasikan diagram untuk menentukan kebutuhan tampungannya (1883), dan Manning mengusulkan rumus aliran saluran terbukanya (1891). Akan tetapi, hidrologi kuantitatif masih belum matang/dewasa pada awal abad dua puluh. Pendekatan-pendekatan impiris telah dipakai untuk memerahkan masalah-masalah hidrologi praktis. Secara berangsur, ahli hidrologi mengganti analisis data observasi impiris menjadi rasional. Green dan Ampt (1911) mengembangkan model infiltrasi fisik, Hazen (1914) mengenalkan analisis frekuensi puncak banjir dankebutuhan tampungan air, Richards (1931) menurunkan persamaan pengatur untuk aliran tak jenuh, Sherman menurunkan metode hidrograf satuan untuk merubah curah hujan efektif menjadi limpasan langsung (1932), Horton mengembangkan teori infiltrasi (1933) dan menjelaskan bentuk pasu drainase (1945), Gumbel mengusulkan hukum nilai ekstrim untuk studi hidrologis (1941), dan Hurst (1951) mendemontrasikan bahwa observasi hidrologis dapat menunjukkan serangkaian nilai rendah atau tinggi yang tetap sampai beberapa tahun. Adanya teknologi komputer telah membuat hodrologi berkembang pesat dan memungkinkan analisis hidrologi dengan sekala besar. Teori komplek yang menggambarkan proses hidrologis sekarang diterapkan dengan menggunakan simulasi komputer, besaran dari data observasi yang luas dikurangi untuk meringkas statistik untuk pengertian fenomena hidrologi dan untuk membuat tingkat rancangan hidrologi yang lebih baik. Lebih kini lagi, perkembangan elektronik dan transmisi data telah memungkinkan penerimaan data instantaneous dari pencatat jarak jauh dan pengembangan program ’real-time’ untuk peramalan banjir dan pengoperasian air lainnya. Mikrokomputer dan program spreadsheet sekarang memberi banyak ahli hidrologi dengan kesenangan dan kekuatan komputasi baru. Evolusi pengetahuan dan metode hidrologi membawa pada peningkatan menerus dalam cakupan (scope) dan akurasi penyelesaian masalah-masalah hidrologi. Masalah-masalah hidrologi secara langsung mempengaruhi kehidupan dan aktivitas sejumlah besar manusia/masyarakat.

14 HIDROLOGI PADA JURUSAN TEKNIK PERTANIAN
Curah Hujan Efektif Evapotranspirasi Irigasi SISTEM LAHAN PERTANIAN Drainase Topik Komponen Hidrologi Kebutuhan Air ETcrop Evaporasi Ketersediaan Air Debit Andalan Curah Hujan Efektif Banjir Analisis Frekuensi Routing MATA KULIAH yang berkaitan Mekanika Fluida Klimatologi Hubungan Air, Tanah dan Tanaman Irigasi dan Drainase Pengembangan Sumber Daya Air Surveying Konservasi Air dan Tanah Infiltrasi/Perkolasi

15 SURFACE WATER Surface water is water or flowing on the earth’s surface. The surface water system continually interacts with the atmospheric and subsurface water systems (described in previous chapters). This chapter describes the physical laws governing surface water flow and shows how hydrologic data are analyzed to provide input information for models of surface flow.

16 SOURCES OF STREAMFLOW The watershed or catchment is the area of land draining into a stream at a given location. A large proportion of precipitation contributes to surface storage ; as water infiltrates into the soil, there is also soil moisture storage. There are 2 types of storage : retention and detention. Detention storage, flow away from them occurs : unsaturated flow, groundwater flow, overland flow. Channel flow is the main form of surface water flow. Determining flow rates in stream channels is a central task of surface water hydrology.

17 Hortonian Overland flow
Horton (1933) described overland flow : “Neglecting interception by vegetation, surface runoff is that part of the rain fall which is not absorbed by the soil by infiltration. If the soilo has an infiltration capacity f, then when the rain intensity i is less than f the rain is all absorbed and there is no surface runoff. If i is greater than f, surface runoff will occur at the rate (i-f). Horton termed the difference (i-f) “rainfall excess”. Horton considered surface runoff to take yhe form of a sheet flow, as flow accumulates going down a slope, its depth increases until discharge into a stream channel accurs. (look at Fig.)

18 Saturation Overland Flow
Is produced when subsurface flow saturates the soil near the bottom of a slope and overland flow then occurs as rain falls onto saturated soil.

19 Streamflow Hydrograph
Annual Hydrograph Storm Hydrograph

20 Excess Rainfall and Direct Runoff
Persamaan Kontinuitas

21 Persamaan Pengatur (Governing Equation)
Persamaan Kontinuitas : Persamaan Momentum : So = Sf Dimana : Q = debit aliran A = luas penampang rata-rata x = jarak arah aliran q = aliran lateral (aliran persatuan panjang saluran) So = kemiringan dasar saluran Sf = kemiringan gesekan

22

23 Penyelesaian Numerik Tujuan penyelesaian numerik adalah memecahkan Persamaan (3.13) untuk Q(x,t) pada tiap-tiap titik pada Grid x-t, dengan parameter saluran a dan b, aliran lateral q(t), serta syarat awal dan syarat batas. Untuk memecahkan Persamaan (3.13) secara numerik, turunan waktu dan ruang dari Q didekati dengan grid x-t yang ditunjukkan dalam Gambar III.7.