Keragaman Hidrokimia Secara Temporal

Gambar 26 Plot residual konsentrasi masing-masing unsur terhadap konsentrasi air sungai Untuk mengetahui validitas EMMA atau mengetahui fit terbaik dari data kimia air yang diprediksi dengan EMMA dengan konsentrasi terukur pada saat pengamatan selama kejadian hujan dilakukan analisis regresi linier. Hasil pengujian disajikan pada Gambar 27. Dari 9 unsur kimia yang diamati, unsur Na, Ca, Mg, SO 4 , Cl, dan HCO 3 memiliki R 2 yang tinggi antara hasil pengamatan dan pendugaan berkisar antara 0.73 sampai 0.96. Nilai R 2 terbaik dicapai oleh Natrium, sedangkan empat unsur lain yaitu K, SiO 2 , NO 3 , dan Cl, memiliki R 2 yang rendah. Nilai R 2 antara prediksi EMMA dengan hasil pengukuran yang berkisar antara 0.73 dan 0.96 tersebut menunjukkan bahwa tiga komponen terpilih berdasarkan EMMA merupakan prediktor konsentrasi pelarut yang kuat seperti dikemukakan oleh Inamdar and Mitchell 2006b. -16 -12 -8 -4 4 8 12 5 10 15 20 25 30 R es id ua l m g L -1 Konsentrasi mg L -1 Si -8 -6 -4 -2 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 R es id ua l m g L -1 Konsentrasi mg L -1 Cl -20 -10 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R es id ua l m eq L -1 Konsentrasi meq L -1 HCO3 Nilai kimia aliran air terproyeksi diperoleh dengan cara menggandakan matrik eigenvector yang diperoleh dari hasil PCA dengan set data hidrokimia yang telah distandarisasi. Residu antara nilai terproyeksi dengan data awal diplot terhadap konsentrasi unsur yang dimonitor untuk mengetahui fit dari data tersebut. Untuk mengetahui fit data digunakan relative bias RB dan relative root mean square error RRMSE. Berdasarkan hasil RB dan RRSME Gambar 28 dan 29 ketiga sumber area yang diproyeksikan terhadap air sungai sebagai referensi, ternyata air tanah tanah dan air bumi menunjukkan fit terbaik di dalam mixing subspace. Untuk melihat lebih jauh end member mana yang dapat mengikat kimia air sungai dengan baik, pengujian dilakukan terhadap episode hujan 14 Pebruari 2010. Gambar 30 menunjukkan diagram campuran mixing diagram antara Ca dan SO 4 dengan ketiga end member yang dapat mengikat aliran sungai dengan baik disajikan pada sub bab 6.4. y = 0,177x + 0,424 R² = 0,53 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 P end uga an m g L -1 Pengamatan mg L -1 K + y = 0,227x + 3,878 R² = 0,96 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 P end uga an m g L -1 Pengamatan mg L -1 Na + y = 0,268x + 13,90 R² = 0,93 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 P end uga an m g L -1 Pengamatan mg L -1 Ca 2+ y = 0,248x + 3,349 R² = 0,82 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 P end uga an m g L -1 Pengamatan mg L -1 Mg 2+ Gambar 27 Konsentrasi hidrokimia hasil pengamatan dan pendugaan berdasarkan EMMA y = 0,169x + 7,465 R² = 0,69 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 P end uga an m g L -1 Pengamatan mg L -1 SiO2 y = 0,258x + 0,789 R² = 0,86 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 P end uga an m g L -1 Pengamatan mg L -1 SO4 2- y = 0,239x + 2,352 R² = 0,73 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 P end uga an m g L -1 Pengamatan mg L -1 NO3 - y = 0,191x + 3,399 R² = 0,38 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 P end uga an m g L -1 Pengamatan mg L -1 Cl - y = 0,282x + 49,83 R² = 0,80 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 P end uga an m eq L -1 Pengamatan meq L -1 HCO3 - Gambar 28 Hasil analisis statistik RB terhadap tiga sumber area yang diproyeksikan terhadap 3 dimensi subruang air sungai Gambar 29 Hasil analisis statistik RRMSE terhadap tiga sumber area yang diproyeksikan terhadap 3 dimensi subruang air sungai -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 Air tanah Air bumi Air hujan Air sungai R el at if B ia s R B K Ca Mg Na SiO2 NO3 SO4 Cl HCO3 5 10 15 20 25 30 35 Air tanah Air bumi Air hujan Air sungai R el at if R oot M ea n S qua re E rr or R R M S E K Ca Mg Na SiO2 NO3 SO4 Cl HCO3

6.4 Analisis Komponen Aliran Berdasarkan Separasi Hidrograf Secara Geokimia

Mixing model dapat dipergunakan dalam separasi hidrograf secara geokimia, yakni untuk memisahkan komponen runoff pada saat terjadi hujan. Mixing model dapat terdiri dari 2 komponen sumber air two end member dengan satu perunut konservatif, ataupun terdiri 3 komponen sumber air three end member dengan dua perunut konservatif. Mixing model dari perspektif geometrik memiliki karakteristik seperti berikut: 1 Untuk model dengan 2 perunut dan 3 komponen misalnya, mixing antara sub ruang ditentukan oleh 2 perunut, 2 Jika diplotkan, 3 komponen puncak dari segitiga dan seluruh contoh aliran harus terikat oleh segitiga, 3 Jika tidak terikat dengan baik, berarti perunut tidak konservatif . Berdasarkan hasil end member mixing analysis EMMA menggunakan Ca 2+ dan SO 4 2- ditemukan bahwa sumber aliran di DAS mikro Cakardipa berasal dari airbumi groundwater, air tanah soil water, dan air hujan. Dari ketiga sumber aliran tersebut airbumi merupakan sumber aliran yang paling dominan, sedangkan air tanah merupakan sumber aliran terbesar kedua setelah airbumi. Pada penelitian ini Ca 2+ dan SO 4 2- dapat dipertimbangkan sebagai perunut konservatif pada DAS mikro Cakardipa. Mulholland 1993 menunjukkan bahwa Ca 2+ dan SO 4 2- dapat digunakan sebagai perunut konservatif dalam analisis end member mixing untuk mencirikan jalur aliran air dominan di dalam DAS. Dari Gambar 30 dapat dilihat bahwa pada awal kejadian hujan tanda panah no. 1 air sungai mengalir bergerak ke arah sumber ‘air hujan’ hal ini menggambarkan bahwa kimia air dari air sungai memiliki kemiripan dengan kimia air dari air hujan. Selanjutnya pada saat puncak hujan tanda panah no. 2 air sungai mengalir bergerak menuju sumber ‘airbumi’, hal ini menggambarkan bahwa kimia air dari air sungai memiliki kemiripan dengan kimia air dari airbumi. Sedangkan pada saat menuju kondisi resesi fase akhir kejadian hujan, tanda panah no. 3 air mengalir bergerak menuju ‘air tanah’, hal ini menggambarkan bahwa kimia air dari air sungai memiliki kemiripan dengan kimia air dari air tanah. Dari ilustrasi ini dapat dijelaskan bahwa pada awal kejadian hujan atau pada saat baseflow sumber air di DAS mikro Cakardipa berasal dari air hujan. Pada saat mencapai debit puncak sumber airnya berasal dari airbumi, sedangkan pada saat kurva resesi sumber air berasal dari air tanah. Gambar 30 Hasil mixing analisis antara Kalsium Ca 2+ dengan Sulfat SO4 2- pada episode hujan tanggal 14 Februari 2010 Hasil analisis separasi hidrograf secara hidrometrik pada kejadian hujan 14 Februari 2010 disajikan pada Tabel 10. Dengan curah hujan sebesar 46,5 mm selama 8 jam 35 menit menghasilkan debit sebesar 2377 m 3 . 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 S O 4 2 - m g L -1 Ca 2+ mg L -1 Airbumi groundwater Air hujan Air tanah 1 x : awal hujan : puncak hujan +: akhir hujan Tabel 10. Hasil separasi hidrograf secara hidrometrik pada kejadian hujan 14 Pebruari 2010 di DAS mikro Cakardipa Total Curah hujan mm Total debit Debit puncak Ldtk Kontribusi end member Durasi jam, mnt Volume m 3 Aliran permukaan langsung Air- bumi Air tanah Air hujan 46,5 8,35 2377 22 83,4 47,3 28 24,7 Berdasarkan end member mixing analysis seperti disajikan pada Gambar 30 dimana sumber aliran source area yang utama dari DAS mikro Cakardipa yaitu airbumi groundwater, air tanah, dan air hujan maka kontribusi setiap sumber aliran terhadap aliran sungai dianalisis dari separasi hidrograf menggunakan formula menurut Hinton et al 1994: [c T -c AT C CH -C AT -C AT -C T c AT -c CH ] Q AB = Q T [c AB -c AT C CH -C AT -C AT -C AB c AT -c CH ] [c T -c AB C CH -C AB -C AB -C T c AB -c CH ] Q AT = Q T [c AT -c AB C CH -C AB -C AB -C AT c AB -c CH ] [c T -c AT C AB -C AT -C AT -C T c AT -c AB ] Q CH = Q T [c CH -c AT C AB -C AT -C AT -C CH c AT -c AB ] Dalam hal ini: Q = debit; c = konsentrasi Ca; C = konsentrasi SO 4 ; and AB, AT, CH, dan T masing-masing = airbumi, air tanah, curah hujan, dan aliran total. Kontribusi setiap sumber aliran terhadap aliran sungai, yang dianalisis dari separasi hidrograf menggunakan formula di atas, menunjukkan bahwa pada episode hujan storm event tanggal 14 Pebruari 2010, airbumi merupakan kontributor utama terhadap aliran sungai yaitu mencapai 47,3 . Air bumi dilaporkan sebagai sumber limpasan kontributor aliran oleh beberapa peneliti yaitu Tanaka 1992, McGlynn et al 1999, Gibson et al 2000, Burns et al 2001, Hangen et al 2001, Subagyono 2002. Menurut Weiler et al 2005, aliran bawah permukaan adalah termasuk air tanah dan airbumi soil water dan groundwater. Airbumi atau zone jenuh didefinisikan sebagai area di dalam profil tanah yang memiliki matrik potensial ≥ 0 kPa. Airbumi berada di bawah permukaan tanah di dalam ruang pori dan di dalam formasi batuan. Air tanah soil water atau zone tidak jenuh adalah area di dalam profil tanah yang memiliki matrik potensial 0 kPa. Air tanah terdapat dalam lapisan tanah atau bebatuan di bawah permukaan tanah. Dalam beberapa tahun terakhir, peran air tanah dalam proses limpasan sudah mendapat perhatian para peneliti. Komponen air tanah sering mendominasi pada saat debit puncak terutama pada hujan yang besar Bazemore et al 1994, Tanaka dan Ono 1998. Pada penelitian ini air tanah berkontribusi sebesar 28,0 dan curah hujan sebesar 24,7 . Separasi masing- masing sumber aliran disajikan pada Gambar 31. Gambar 31. Separasi Hidrograf pada Kejadian Hujan 14 Pebruari 2010 VII HUBUNGAN ANTARA KONSENTRASI –DEBIT C-Q PADA SAAT HUJAN DENGAN PENCUCIAN UNSUR HARA

7.1 Pendahuluan

Hubungan antara proses hidrologi dan hidrokimia yang terjadi selama kejadian hujan pernah didemonstrasikan oleh Evans dan Davies 1998 dan Evans et al 1999 melalui penggunaan C-Q diagram. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa analisis histeresis konsentrasi dengan debit jarang berbentuk linear, namun cenderung menunjukkan pola melingkar dengan konsentrasi yang berbeda pada saat kurva hidrograf naik dan turun Walling dan Webb, 1986. Keragaman konsentrasi merupakan hasil dari pencampuran end member pencampuran komponen yang berbeda dari debit yang memiliki jumlah air yang berbeda dari beberapa sumber air. Evans dan Davies 1998, Evans et al 1999 menunjukkan bahwa karakteristik loop dari analisis histeresis digunakan untuk menentukan end member yang paling dominan diantara airbumi, air tanah, dan air permukaan. Selain itu dengan teknik ini dapat diketahui adanya keragaman konsentrasi perunut pada saat kurva hidrograf naik dan turun. Pada awal hujan yaitu pada saat kurva naik didominasi dengan aliran permukaan, diikuti oleh air tanah, dan airbumi yang mendominasi aliran pada saat penurunan kurva hidrograf. Hal ini menunjukkan bahwa pola dari sistem yang dikemukakan oleh Evans dan Davies 1998, Evans et al 1999 adalah aliran permukaan, air tanah, dan airbumi. Chanat et al 2002 menyatakan bahwa dalam analisis histeresis terdapat keragaman konsentrasi perunut secara temporal di dalam aliran air pada saat hidrograf meningkat dan menurun. Loop histeresis menunjukkan komponen mana di dalam DAS yang berkontribusi selama hujan. Metode ini memiliki kelemahan yaitu tidak dapat mengkuantifikasi persentase kontribusi setiap komponen. Identifikasi mekanisme pencucian hara dalam skala DAS penting dalam pengembangan model dan prediksi perubahan penggunaan lahan dan dampak perubahan iklim terhadap kualitas air. Pemahaman tentang mekanisme pencucian hara selama kejadian hujan juga penting karena adanya kontribusi DOC dan Nitrogen Hinton et al 1997, Bernal et al 2005. 86

7.2. Keragaman Debit secara Temporal dan Konsentrasi Unsur Hara

Pada penelitian ini konsentrasi unsur diplot terhadap debit untuk beberapa unsur terpilih seperti K +1 , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , SiO 2 , SO 4 2- , NO 3 - , Cl -1 , dan HCO 3 - . Plot data tersebut dikombinasikan dengan plot data debit hasil pengamatan secara temporal dan variasi unsurnya. Pada penelitian ini menggunakan model histeresis Evans dan Davies 1998 untuk menguji hubungan antara komponen sumber air model 3 komponen campuranthe three component mixing model yang ditetapkan melalui separasi hidrograf dan sifat kimia airnya, dan histeresis C-Q digunakan untuk menentukan tingkat pencucian flushing unsur. Histeresis menggambarkan tentang flushing elemen unsur hara kaitannya dengan aliran cepat atau lambat. Evan dan Davies 1998 menjelaskan bahwa hidrograf aliran total T terdiri dari 3 komponen yaitu: aliran permukaan SE, air tanah SO, dan airbumi G. Tiga kriteria dasar yang diperlukan untuk menentukan histeresis yaitu: 1 Pola rotasi searah jarum jamberlawanan jarum jam. Pola rotasi searah jarum jam jika konsentrasi total C T lebih tinggi pada saat kurva naik daripada pada saat kurva menurun. Konsentrasi aliran permukaan C SE harus melebihi C SO, sebaliknya jika berlawanan jarum jam C SO harus lebih besar C SE . 2 Bentuk kurva cembungcekung. Bentuk kurva cembung jika pada saat kurva naik C T lebih besar daripada C G dan sebaliknya jika bentuk kurva cekung. Nilai C G harus berada diantara kedua komponen lainnya. Sedangkan jika bentuk kurva cekung C G harus paling tinggi atau paling rendah diantara kedua komponen yang lain. 3 Trend positifnegatif.Trend positif terjadi jika C T secara konsisten lebih tinggi selama kejadian hujan daripada pada saat baseflow, C G memiliki konsentrasi paling rendah dibandingkan komponen lainnya. Sebaliknya jika trend negatif maka C G memiliki konsentrasi paling tinggi. Debit hasil pengukuran dan konsentrasi unsur secara temporal disajikan dalam bentuk C-Q diagram pada kejadian hujan tanggal 14 Pebruari 2010. Pada umumnya konsentrasi unsur menurun pada saat mencapai puncak debit dibandingkan dengan kondisi sebelum hujan. SO 4 konsentrasinya lebih menurun lagi pada puncak debit kedua Gambar 32 f. 87 Tabel 11 Diagnosa penetapan ranking model tiga komponen runoff Tipe Arah rotasi Bentuk kurva Trend Ranking komponen runoff C1 C2 C3 A1 A2 A3 Searah jarum jam Searah jarum jam Searah jarum jam Berlawanan jarum jam Berlawanan jarum jam Berlawanan jarum jam Cembung Cekung Cekung Cembung Cekung Cekung NA Positive Negative NA Positive Negative C air bumi C air tanah C air hujan C air bumi C air hujan C air tanah C air tanah C air bumi C air hujan C air hujan C air tanah C air bumi C air hujan C air bumi C air tanah C air tanah C aiir hujan C air bumi Berdasarkan model 3 komponen campuran ternyata airbumi, air tanah, dan curah hujan merupakan kontributor aliran di DAS mikro Cakardipa. Airbumi merupakan kontributor utama, disusul kemudian air tanah dan air hujan. K, Na, Ca memiliki bentuk kurva cekung dengan arah rotasi berlawanan jarum jam dan trend positif , dalam hal ini C Curah Hujan C air bumi C air tanah model A2. Mg, SO 4, NO 3 memiliki bentuk kurva cekung dengan arah rotasi searah jarum jam dan trend positif sesuai dengan Evans dan Davies 1998, dalam hal ini C air bumi C air hujan C air tanah model C2. Si dan Cl memiliki bentuk kurva cembung dengan arah rotasi searah jarum jam dan trend tidak dapat diketahui dengan pasti, dalam hal ini C air bumi C air tanah C air hujan adalah termasuk model C 1 . Tingkat pencucian hara di masing-masing sumber aliran source area yang termasuk kedalam model C2 adalah yang memiliki tingkat flushing yang paling tinggi diantara model yang dikemukakan oleh Evans dan Davis 1988, C3 tergolong sedang, dan A3 yang paling rendah.