Kuliah ke-6 PENGENDALIAN SEDIMEN DAN EROSI “Angkutan Sedimen Dasar (Bed Load)”
Gerakan Sedimen The Subcomitte on Sediment Terminology of American Geophysical Union, mendefinisikan pergerakan sedimen dalam tiga cara, yaitu sebagai contact load, saltation load dan suspended load. Sebagaimana telah dibahas pada bab-bab sebelumnya bahwa cara bagaimana sedimen bergerak sangat dipengaruhi oleh tegangan geser dasar yang terjadi. Untuk tegangan geser yang relatif kecil, sebagian besar material sedimen akan bergerak sebagai contact load, sementara untuk tegangan geser yang lebih besar, material dapat bergerak secara saltasi atau suspensi, tergantung besar tegangan geser yang terjadi dan karakteristik partikel sedimennya.
Menggelinding & Menggeser Pada waktu tegangan geser pada dasar saluran atau dasar sungai aluvial melebihi tegangan geser kritiknya, partikel sedimen secara random akan mulai bergerak. Bergeraknya sedimen dapat dengan cara menggelinding atau menggeser. Pergerakan sedimen dengan cara ini biasanya tidak kontinyu; sesaat partikel bergerak, dan sesaat kemudian partikel akan berhenti, dan kemudian bergerak lagi.
Meloncat Dengan demikian dapat dikatakan bahwa pergerakan partikel tidak pernah terlepas dari dasar; dan partikel yang bergerak dengan cara ini sering dinamakan sebagai contact load. Disamping itu, sedimen dapat juga bergerak dengan cara meloncat, sehingga pergerakan sedimen kadang-kadang tidak menempel pada dasar. Material yang bergerak dengan cara ini sering dikenal sebagai saltation load. Selain kedua cara pergerakan sedimen tersebut di atas, dikenal pula pergerakan sedimen dalam bentuk suspensi. Dalam hal ini, sedimen bergerak karena pengaruh turbulensi aliran; dan material yang bergerak dangan cara ini sering disebut sebagai suspended load.
Bed Load Biasanya sangat sulit untuk dapat mengukur partikel yang bergerak secara saltasi. Dengan pertimbangan bahwa besar angkutan sedimen saltasi biasanya sangat kecil dibandingkan angkutan sedimen contact load, maka contact load dan saltation load oleh para ahli sering disatukan, yang selanjutnya dinamakan sebagai BED LOAD (angkutan sedimen dasar). Banyak penelitian telah dilakukan untuk mencari hubungan antara angkutan sedimen dasar, kondisi aliran dan karakteristik sedimen. Persamaan-persamaan yang diperoleh sebagian besar didasarkan pada data hasil pengukuran laboratorium dan hanya sebagian kecil saja yang didasarkan pada data lapangan.
Pengukuran angkutan sedimen, khususnya pengukuran lapangan, relatif sangat sulit; hal ini disebabkan karena kompleksnya kondisi aliran dan tampang aliran dimana dilakukan pengukuran. Hasil penelitian menunjukkan bahwa besar angkutan sedimen sesaat (instantaneous) bisa berbeda dengan angkutan sedimen rata-rata hingga mencapai 300 – 500 %. Juga ditunjukkan bahwa terjadinya angkutan sedimen di sepanjang saluran sering tidak seragam, yang mana tergantung pada kondisi tampang yang ada, dan juga tergantung pada bentuk konfigurasi dasar yang ada.
Persamaan Angkutan Sedimen Dasar (Bed-load Equation) Secara umum, persamaan-persamaan angkutan sedimen yang ada dapat dikelompokkan menjadi 3, yaitu: persamaan yang diperoleh dengan pendekatan empirik persamaan dengan pendekatan analisis dimensi persamaan yang diperoleh dengan pendekatan semi-teoritik.
RUMUS MEYER-PETER & MULLER (MPM) Meyer-Peter & Müller menyatakan bahwa gesekan (kehilangan energi) yang terjadi pada dasar yang bergelombang (ripple atau dunes) disebabkan oleh karena bentuk gelombang (form roughness) dan oleh ukuran butiran (grain roughness). Dengan memperhitungkan faktor gesekan tersebut dan dengan didukung oleh data pengukuran dengan range data yang cukup besar, Meyer-Peter & Müller memperoleh persamaan:
(1) Dengan dm adalah diamater signifikan (representatif) yang bervariasi antara d50 d60, Rh adalah jari-jari hidraulik, yang untuk sungai sangat lebar, nilainya sama dengan kedalaman aliran (pengaruh gesekan tebing dapat diabaikan), dan qB adalah berat angkutan sedimen dasar di dalam air per satuan waktu per satuan lebar [kg/m.det]. Range data yang digunakan oleh Meyer-Peter & Müller adalah, kemiringan dasar saluran, 4∙10-4 So 2 ∙10-2, diameter butiran, 0.4 mm dm 30 mm, kedalaman aliran, 1 cm h 120 cm, dan berat jenis spesifik, 1.25 gs 4.22.
Nilai [(k/k’)3/2S], dalam persamaan (1), adalah merupakan suatu kemiringan yang menunjukkan bahwa hanya sebagian dari kemiringan (energi) total, S yaitu kemiringan karena pengaruh gesekan butiran, yang berperan terhadap proses angkutan sedimen. Nilai k/k’ bervariasi antara 0.5 sampai dengan 1.0, dimana nilai k/k’=1 untuk dasar rata, dan nilai k/k’=0.5 untuk dasar sangat bergelombang. Parameter k/k’ sering juga dikenal sebagai ripple factor (μ) dimana:
Untuk nilai angkutan dasar, qb = 0, persamaan (1) menjadi : yang mirip dengan korelasi Shields, bahwa t*cr adalah konstan untuk nilai angka Reynolds butiran, Re*, besar. Perbedaannya hanya terletak pada nilai konstan sebesar 0.047 untuk persamaan Meyer-Peter & Müller, dan nilai konstan 0.06 untuk korelasi Shields (lihat grafik Shields).
RUMUS EINSTEIN Einstein adalah ahli pertama yang mencoba menurunkan persamaan angkutan sedimen dasar (bed load) dengan metode pendekatan teoritik, yaitu teori statistik. Metode pendekatan yang digunakan didasarkan pada beberapa konsep yang ditunjang oleh hasil pengamatan laboratorium (eksperimental). Einstein kurang sependapat adanya pemikiran bahwa kondisi kritik untuk terjadinya pergerakan sedimen dapat didefinisikan dengan jelas.
Jika tegangan geser kritik sebagaimana didefinisikan oleh para ahli memang benar-benar ada, maka untuk dapat menggerakkan butiran dibutuhkan tegangan geser tepat di atas kondisi kritiknya. Namun karena gerakan sedimen sangat sulit untuk dirumuskan, maka penggunaan konsep tegangan geser kritik dalam analisis angkutan sedimen dasar, menurut Einstein, dianggap kurang tepat. Einstein lebih meyakini bahwa terjadinya pergerakan partikel sedimen lebih disebabkan oleh karena adanya gaya angkat hidrodinamik sesaat (instantaneous hydrodynamic lift force) yang melebihi berat partikel di dalam air; untuk menjelaskan hal ini, Einstein menggunakan pendekatan teori statistik.
Secara umum dapat disimpulkan bahwasanya metode pendekatan Einstein didasarkan pada dua konsep dasar, sebagai berikut: konsep kondisi kritik ditiadakan, karena kondisi kritik untuk awal gerak sedimen sangat sulit untuk didefinisikan, angkutan sedimen dasar lebih dipengaruhi oleh fluktuasi aliran yang terjadi daripada oleh nilai rata-rata gaya aliran yang bekerja pada partikel sedimen. Dengan demikian, bergerak atau berhentinya suatu partikel sedimen lebih tepat dinyatakan dengan konsep probabilitas, yang menghubungkan gaya angkat hidrodinamik sesaat dengan berat partikel di dalam air.
Einstein menetapkan persamaan bedload sebagai persamaan yang menghubungkan gerak bahan dasar dengan aliran setempat (local flow). Persamaan ini melukiskan keseimbangan pertukaran butiran dasar sungai antara bed layer dengan dasarnya (endapan berimbang dengan gerusan). Pendekatan yang dilakukan adalah dengan metoda statistik dengan konsep yang sangat kompleks, namun penggunaan menjadi relatif mudah dengan menggunakan bantuan grafik. Dengan berdasarkan karakteristik sedimen dasar dan kondisi aliran, nilai * dapat dihitung, dan dengan berdasarkan Grafik Einstein, nilai * dapat diperoleh. Grafik Einstein didasarkan pada suatu fungsi : Dimana dan
Dengan Φ* = parameter intensitas bed load Δ = (rs – rw)/rw rs = rapat massa sedimen qB = angkutan dasar dalam (N/m.det) R = jari-jari hidraulik akibat R’ dan R” S = kemiringan garis energi m = ripple factor Angkutan dasar qB dinyatakan dalam N/m.det R’ : jari-jari hidraulik akibat kekasaran butiran R” : jari-jari hidraulik akibat konfigurasi dasar
Grafik Einstein untuk Hitungan Angkutan Sedimen Dasar
RUMUS FRIJLINK Frijlink mengusulkan suatu rumus angkutan sedimen yang memperhitungkan pengaruh konfigurasi dasar sungai. Menurut Frijlink, ripple factor dapat dirumuskan sebagai berikut :
C : koefisien Chezy total (butiran+konfigurasi dasar) C90 : koefisien Chezy akibat kekasaran butiran dengan diameter representatif adalah d90 Untuk dasar rata, C = C90 → m = 1 Korelasi antara m dan Ddm/hS dapat dilihat pada gambar atau menurut persamaan berikut :
Dimana: qB : volume sedimen (padat) dalam (m3/m.det) dan dm : diameter median =d50
Grafik Frijlink untuk Angkutan Sedimen Dasar
Grafik Frijlink untuk Ripple Factor, m
Selanjutnya silakan lihat file Contoh Hitungan Sedimen (MS Word)…! Contoh Soal Sebuah sungai yang lurus dan bertampang lintang trapesium dengan lebar dasar 55 m dan kemiringan kedua tebingnya 5(H) : 3(V) mempunyai landai dasar 0.00013. Bahan dasar sungai terdiri atas pasir dengan komposisi sebagai berikut : d35 = 0.6 mm; d50 = 0.9 mm; d65 =1,2 mm; d90 = 2,0 mm. Rapat massa pasir, rs = 2670 kg/m3, sedangkan rapat massa air, r = 1000 kg/m3. Pada pengaliran dengan air normal sebesar 1.5 m, kecepatan air dipermukaan adalah 0.70 m/dt. Suhu air adalah 20C dan g = 9.8 m/det2. Semua pengaliran dianggap permanen beraturan/uniform. Jika kedalaman aliran kurang dari 5% lebar dasar sungai, gesekan tebing dapat diabaikan (R = h). Selanjutnya silakan lihat file Contoh Hitungan Sedimen (MS Word)…!
Ekman Dredge Sampler