Permodelan Hidrolik Langkah-Langkah Menggunakan Program EPANET 2.0 Model Jaringan EPANET 2.0

50

2.17.1 Permodelan Hidrolik

Kemampuan permodelan hidrolik EPANET adalah sebagai berikut : a. Jaringan seluas mungkin, tanpa batasan-batasan tertentu, b. Menghitung friction headloss, dengan menggunakan persamaan Hazen- Williams, Darcy-Weisbach atau Chezzy-Manning, c. Menghitung minor losses untuk bend, fitting, dll, d. Menghitung biaya dan energi pompa, e. Memodelkan berbagai jenis valve, f. Memungkinkan tangki penampungan dengan segala bentuk, g. Memperhitungkan berbagai kategori demand pada setiap node dengan pattern dan variasi waktu masing-masing, h. Memodelkan berbagai emitter, i. Dapat beroperasi pada sistem yang kompleks dengan berbagai batasan.

2.17.2 Langkah-Langkah Menggunakan Program EPANET 2.0

Langkah-langkah untuk mulai bekerja menggunakan EPANET 2.0 adalah sebagai berikut: 1. Gambarkan jaringan sistem distribusi yang akan dianalisa, atau import data dasar dari jaringan yang tersimpan dalam text file. 51 Gambar 2.11 Jaringan sistem distribusi yang akan dianalisa 2. Edit properties dari objek yang membentuk sistem. 3. Gambarkan sistem operasi. 4. Pilih dan atur analysis option. Gambar 2.12 Properties editor hydraulic option pada Epanet 2.0 5. Run analysis hidrolik. 6. Lihat hasil analisis. 52

2.17.3. Model Jaringan EPANET 2.0

Komponen-komponen fisik EPANET memodelkan sistem distibusi air sebagai kumpulan garis yang menghubungkan node-node. Garis tersebut menggambarkan pipa, pompa dan katup kontrol. Node menggambarkan sambungan, tangki, dan reservoir. Gambar 2.12 mengilustrasikan bagaimana node-node dan garis dapat dihubungkan satu dengan lainnya untuk membentuk jaringan, seperti terlihat pada gambar 2.12. Gambar 2.13 Hubungan antar komponen fisik dalam EPANET 2.0 Komponen-komponen fisik dalam pemodelan sistem distribusi air dengan EPANET antara lain : 1. Sambungan junction Sambungan junction adalah titik pada jaringan dimana link-link bertemu dan dimana air memasuki atau meninggalkan jaringan. Input dasar yang dibutuhkan bagi sambungan junction adalah:  Elevasi pada semua referensi biasanya rata-rata muka air laut,  Kebutuhan air,  Kualitas air saat ini. 53 Hasil komputasi buat sambungan junction pada seluruh periode waktu simulasi adalah :  Head Hidrolis energi internal per satuan berat dari fluida,  Tekanan pressure,  Kualitas Air. Sambungan junction juga dapat :  Mengandung kebutuhan air demand yang bervariasi terhadap waktu,  Memiliki kategori kebutuhan air secara ganda,  Memiliki harga kebutuhan negatif yang mengindikasikan air memasuki jaringan,  Menjadi sumber kualitas air dimana terdapat kandungan yang memasuki jaringan,  Memiliki lubang pengeluaran sprinkler yang menjadikan laju aliran bergantung kepada pressure. Gambar 2.14 Properties Editor untuk input data pada Junction 54 2. Reservoir Reservoir adalah node yang menggambarkan sumber eksternal yang terus menerus mengalir ke jaringan. Digunakan untuk menggambarkan seperti danau, sungai, akuifer air tanah, dan koneksi dari sistem lain. Reservoir juga dijadikan titik sumber kualitas air. Input utama untuk reservoir adalah head hidrolis sebanding dengan elevasi permukaan air jika bukan reservoir bertekanan dan inisial kualitas air untuk analisa kualitas air. Karena sebuah reservoir adalah sebagai poin pembatas dalam jaringan, tekanan dan kualitas airnya tidak dapat dipengaruhi oleh apa yang terjadi di dalam jaringan. Namun tekanan dapat dibuat bervariasi terhadap waktu yang di tandai dengan pola. Gambar 2.15 Properties editor untuk input data pada reservoir 55 3. Tangki Tangki membutuhkan node dengan data kapasitas, dimana volume air yang tersimpan dapat bervariasi berdasar waktu selama simulasi berlangsung. Input data yang dibutuhkan untuk node tank adalah :  Elevation, Ketinggian permukaan tanah pada titik node Tank berada,  Initial Level, Tinggi muka air pada tank pada saat awal simulasi dilakukan,  Minimum Level, Tinggi muka air minimum yang diizinkan untuk dapat digunakan pada simulasi,  Maximum Level, Tinggi muka air maksimum yang diizinkan untuk dapat digunakan pada simulasi,  Diameter, Diameter tangki untuk tangki yang berbentuk silindris. Untuk tangki yang berbentuk non silindris penyesuaian bentuk tangki dapat dilakukan dengan mengatur Minimum Volume, Volume Curve dengan menetukan kurva hubungan volume air pada tank dengan ketinggian muka air Data lain yang dapat ditambahkan antara lain adalah : a Mixing model, menunujukkan tipe atau model pencampuran yang terjadi didalam tank. Model pencampuran yang dapat digunakan antara lain : fully mixed Mixed, two compartment mixing 2COMP, first-in-first-out plug flow FIFO, last-in- first-out plug flow LIFO. b Reaction Cefficient, merupakan koefisien reaksi untuk reaksi kimia di dalam tank. Satuan yang digunakan adalah lhari. Nilai positif untuk reaksi pertumnuhan dan nilai negatif untuk reaksi pengurangan atau kehilangan. c Initial Quality dan Source Quality, merupakan input untuk memodelkan parameter kualitas air msalnya konsentrasi klorin. Adapun output dari node tank 56 adalah net inflow debit netto aliran pada tank, elevation tinggi muka air, pressure tekanan hidrolik air dan quality kualitas atau konsentrasi parameter air. Gambar 2.16 Properties editor untuk input data pada tangki d Emitter Emitter adalah junction untuk memodelkan aliran melalui nozzle atau orrifice yang terdischarge ke atmosfer. Emitter biasa digunakan untuk memodelkan aliran melalui sistem sprinkler dan jaringan irigasi. Bisa juga digunakan untuk simulasi kebocoran pada pipa. Epanet membaca emitter sebagai property dari junction, bukan sebagai komponen jaringan tersendiri. e Pipes Pipes atau pipa adalah link yang digunakan untuk mengalirkan air dari suatu node ke node yang lainnya pada suatu sistem jaringan perpipaan. Epanet akan mengasumsikan bahwa pipa akan selalu terisi penuh. Arah aliran adalah dari titik 57 yang memiliki head hidrolik lebih besar menuju titik yang lebih kecil head hidroliknya. Input data utama yang perlu diisikan, adalah : a Start node, merupakan titik awal atau pangkal pipa. b End node, merupakan titik akhir pipa atau ujung pipa. c Length, merupakan panjang pipa dalam meter atau feet. d Diameter, merupakan diameter atau garis tengah pipa. Satuan yang digunakan adalah inchi atau milimeter. e Roughness, koefisien kekasaran pipa untuk menghitung head loss. Input data lain yang dapat ditambahkan sebagai pelengkap adalah : a Loss coefficient, koefisien untuk menghitung minor losses karena perlengkapan pipa seperti valve, bends, elbow dan sebagainya. b Initial status, status aliran air dalam pipa. Misalnya : open aliran dua arah, closed tertutup, dan CV atau check valve aliran satu arah. c Bulk and Wall Coefficient, koefisien reaksi yang terjadi dalam pipa. Biasanya diterapkan untuk aliran yang memiliki parameter kualitas air, seperti konsentrasi klorin. Data output dari junction pipa adalah : a Flow debit aliran, b Velocity kecepatan aliran, c Unit headloss headloss aliran dalam pipa, d Friction factor darcy-weisbach, e Reaction rate, f Quality, kualitas parameter didalam aliran seperti konsentrasi klorin, g Status, status atau keadaan aliran dalam pipa, 58 Gambar 2.17 Properties editor untuk input data pada pipa Kehilangan tekanan headloss akibat gesekan air dengan dinding pipa dapat dihitung menggunakan persamaan Hazen Williams, Darcy-Weisbach atau Chezzy- Manning. Formula Hazen-Williams banyak digunakan di Amerika Serikat. Persamaan ini dapat diterapkan untuk air dengan aliran turbulen. Secara teoritis, persamaan Darcy-Weisbach adalah yang terbaik. Persamaan ini dapat diterapkan untuk cairan lain, selain air. Persamaan Chezzy-Manning banyak digunakan untuk aliran pada saluran terbuka. Koefisien resistensi dan nilai eksponensial flow untuk masing-masing persamaan dapat dinyatakan dengan persamaan berikut ini : Persamaan Chezzy-Manning HL = , ………………………………………………………. 2.32 Di mana : HL = headloss feet Q = debit aliran cfs L = panjang pipa feet D = diameter pipa feet 59 n = koefisien kekasaran Manning Persamaan Darcy-Weisbach Menurut Kodoatie, Robert J 2002, nilai Hf adalah: H f = ………………………………………………………. 2.33 Di mana : Hf = headloss satuan panjang g = percepatan gravitasi L = panjang pipa satuan panjang d = diameter pipa satuan panjang v = kecepatan aliran satuan panjangsatuan waktu f = faktor gesekan tanpa satuan Persamaan Hazen-Williams HL = , , , …………………………………………………….……. 2.34 Di mana : HL = headloss dalam feet Q = debit aliran dalam cfs L = panjang pipa dalam feet D = diameter pipa dalam feet C = koefisien kekasaran faktor Hazen-Williams Setiap persamaan memiliki koefisien kekasaran masing-masing. Koefisien kekasaran untuk berbagai jenis pipa berdasarkan umur materialnya dapat dilihat dalam tabel berikut. Tabel 2.9 Koefisien kekasaran untuk berbagai jenis pipa Manual User Software EPANET 2.0 Material Hazen-Williams C unitless Darcy-Weisbach e milifeet Manning‘s n unitless Cast iron 130-140 0.85 0.012-0.015 Concrete or concrete lined 120-140 1.0-10 0.012-0.017 Galvanized iron 120 0.5 0.015-0.017 Plastic 140-150 0.005 0.011-0.015 Steel 140-150 0.15 0.015-0.017 Vitrified clay 110 0.013-0.015 Vitrified clay Minor Losses 60 Minor Headlosses, disebut juga local losses, atau dalam EPANET 2.0 sebagai loss coefficient, disebabkan oleh kehilangan tekanan pada pipa karena perlengkapan perpipaan seperti belokan-belokan, valve dan berbagai fitting lainnya. EPANET 2.0 akan menghitung minor losses dengan cara menambahkan data koefisien minor losses pada pipa. Minor losses sebanding dengan kecepatan air yang melewati pipa atau valve V22g. Nilai koefisien minor losses untuk beberapa tipe fitting EPANET 2.0 dapat dilihat dalam tabel 2.5 berikut : Tabel 2.10 Nilai koefisien minor losses untuk beberapa tipe fitting EPANET 2.0 Manual User Software EPANET 2.0 Fitting Loss Coefficient Globe vale, fully open 10 Angle valve, fully open 5 Angle valve, fully open 5 Swing check valve, fully open 2.5 Gate valve, fully open 0.2 Short radius elbow 0.9 Medium radius elbow 0.8 Long radius elbow 0.6 45 degree elbow 0.4 Closed return elbow 2.2 Standard tee – flow through run 0.6 Standard tee – flow through branch 1.8 Square entrance 0.5 Exit 1 f Pumps Pumps atau pompa adalah link yang memberi tenaga ke fluida untuk menaikkan head hidrolisnya. Input parameternya adalah node awal dan akhir, dan kurva pompa kombinasi dari head dan aliran dimana pompa harus memproduksinya. Sebagai pengganti kurva pompa, pompa dapat direpresentasikan sebagai pompa yang memiliki energi konstan, mensuplai 61 konstan energi horsepower atau kilowatt kepada fluida untuk seluruh kombinasi dari aliran dan head. Parameter output yang prinsip adalah aliran dan pencapaian head. Aliran melalui pompa adalah langsung dan EPANET tidak akan membolehkan pompa untuk beroperasi diluar range dari kurva pompa. Gambar 2.18 Properties editor untuk input data pada pompa Pompa dengan kecepatan variabel dapat juga mengikuti pengaturan kecepatan, dan dapat diubah pada kondisi,yang sama. Didefinisikan kurva pompa asli pengaturan kecepatan relatif adalah 1. Jika kecepatan pompa ganda, pengaturannya haruslah 2; jika berjalan dengan kecepatan setengahnya, pengaturan relatif adalah 0,5 dan begitulah seterusnya. Mengubah kecepatan pompa dan posisi serta bentuk dari pompa kurva lihat bagian dari Pump Curve dibawah seperti halnya pipa, pompa dapat diatur hidup dan mati dalam pengaturan waktu atau dalam kondisi yang pasti muncul dalam jaringan. Operasional pompa dapat juga dijelaskan dengan menetapkannya dalam pola waktu atau relatif terhadap pengaturan kecepatan. EPANET dapat juga 62 menghitung konsumsi energi dan biaya pompa. Setiap pompa dapat ditetapkan dengan kurva efisiensi dan jadwal harga energi. Jika tidak disuplai, maka pengaturan energi global dapat digunakan. Aliran melalui pompa adalah tidak langsung. Jika pengkondisian sistem membutuhkan lebih banyak head daripada yang dihasilkan pompa, EPANET mematikan pompa. Jika kebutuhannya melebihi maksimum aliran, EPANET mengekstarpolasi kurva pompa kepada aliran yang dibutuhkan, jika tidak akan menghasilkan head negatif. Dalam kedua kasus pesan peringatan akan muncul. 7. Valves Valve adalah link yang membatasi pressure atau flow pada nilai tertentu dalam sebuah jaringan. Input yang penting dimasukka adalah : a. Start dan End node, untuk menentukan orientasi arah aliran air dalam pipa, b. Diameter valve, c. Tipe valve, d. Setting valve. Input lainnya adalah loss coefficient. Output link valve adalah flow rate, velocity, headloss, quality dan status link. Berbagai tipe link valve dalam EPANET 2.0 adalah : a Pressure Reducing Valve PRV, b Pressure Sustaining Valve PSV, c Pressure Breaker Valve PBV, d Flow Control Valve FCV, e Throttle Control Valve TCV, f General Purpose Valve GPV. 63 PSV dan PRV digunakan untuk membatasi pressure hingga nilai tertentu dalam suatu jaringan pipa. EPANET mengatur PRV dan PSV pada tiga kondisi yang berbeda, yaitu : terbuka sebagian, terbuka seluruhnya dan tertutup. PBV menentukan pressure loss tertentu yang melalui valve. Aliran yang melalui valve bisa dua arah. PBV dapat digunakan untuk simulasi jaringan distribusi, dimana penurunan yang terjadi diketahui. FCV akan membatasi flow yang lewat pada link. EPANET 2.0 akan memberikan warning message apabila flow yang terjadi tidak dapat dipertahankan tanpa menambah head pada valve. TCV mensimulasikan valve yang tertutup sebagian dengan menyesuaikan minor headloss pada valve. Hubungan antara derajat tutupan valve dengan koefisien headloss yang terjadi dapat diperoleh dari produsen pembuat valve. GPV mewakili link dimana pola hubungan flow dengan headloss yang terjadi tidak mengikuti formula standar. Biasa digunakan untuk memodelkan turbin atau sumur draw down. Shut off valve atau gate valve dan non-return valve atau check valve bukan merupakan bagian dari link valve tersendiri, melainkan merupakan property dari pipa. Untuk gate valve dapat diatur dengan menentukan loss coefficient-nya. Komponen-komponen non-fisik EPANET 2.0 memiliki 3 objek informasi yang menggambarkan aspek operasional dari sistem distribusi, yaitu : Pattern, Curve dan Control. 1 Pattern Pattern adalah gabungan dari beberapa pola faktor pengali yang dapat berubah terhadap waktu. Demand tiap node, head reservoir dan jadwal operasi pompa dapat memiliki time pattern yang diatur khusus untuk masing-masing komponen fisik. Interval waktu pada pattern merupakan variabel utama yang dapat diset 64 pada time option dalam project. Misalnya, demand pada sebuah node rata-rata 10 GPM, asumsikan interval time pattern diset 4 jam, dan faktor pengali untuk demand pada node sebagai berikut : Tabel 2.11 Penggunaan pattern demand pada EPANET 2.0 Period 1 2 3 4 5 6 multiplier 0.5 0.8 1 1.2 0.9 0.7 Sumber : Manual User Software EPANET 2.0 Berarti actual demand selama simulasi adalah sebagai berikut : Tabel 2.12 Demand pattern pada EPANET 2.0 Hour 0-4 4-8 8-12 12-16 16-20 20-24 Demand 5 8 10 12 9 7 Sumber : Manual User Software EPANET 2.0 2 Curve Curve adalah obyek yang mengandung rangkaian data yang menjelaskan tentang hubungan antara dua besaran. Dua atau lebih obyek dapat digabungkan dalam sebuah kurva. Model EPANET dapat menyediakan tipe kurva sebagai berikut: a. Pump Curve, b. Efficiency Curve, c. Volume Curve, d. Headloss Curve. Pump Curve Kurva pompa mejelaskan hubungan antara head dan laju aliran yang dapat dialirkan oleh pompa pada pengaturan kecepatan nominal. Head adalah head yang diperoleh air dari pompa dan digambarkan pada sumbu vertikal Y dengan satuan feet meter laju aliran digambarkan pada sumbu Horizontal X dalam unit debit. 65 Kurva pompa yang valid harus memiliki head yang berkurang dalam pertambahan aliran. EPANET akan menggunakan bentuk yang berbeda dari kurva pompa, bergantung pada jumlah poin yang dilayani. Single Point Curve, Sebuah kurva pompa dengan poin tunggal didefinisikan dengan kombinasi head-flow tunggal yang menjelaskan titik operasi pompa yang diharapkan. EPANET menambah dua lagi point pada kurva dengan mengasumsikan head mati pada aliran nol sebanding dengan 133 dari head desain dan aliran maksimum pada head nol sebanding dengan dua kali flow design. Hal itu menyebabkan muncul kurva dengan tiga titik. Gambar 2.19 Berbagai jenis bentuk kurva pompa yang ada dalam EPANET 2.0 a Three Point Curve, terbentuk dari tiga titik operasi, yaitu : 1 Low Flow, merupakan titik pasangan flow dan head pada kondisi flow terendah atau nol. 2 Design Flow, merupakan titik pasangan flow dan head pada kondisi pengoperasian yang diinginkan. 66 3 Maximum Flow, merupakan titik pasangan flow dan head pada kondisi flow maksimum. EPANET 2.0 akan menghubungkan ketiga titik tersebut sehingga didapatkan sebuah fungsi kurva pompa. b Multi Point Curve, terbentuk dari titik-titik pasangan nilai head dan flow. EPANET 2.0 membentuk kurva yang lengkap dengan menghubungkan titik- titik tersebut menggunakan garis lurus. c Headloss Curve, digunakan untuk menggambarkan hubungan headloss sumbu Y dalam feet atau m melalui sebuah General Purpose Valve GPV sebagai fungsi dari flow rate sumbu X. Kurva ini memiliki kemampuan untuk memodelkan situasi dan hubungan antara headloss dan flow. Kurva ini digunakan apabila hubungan antara headloss dan flow merupakan hubungan yang unik dan khusus, seperti pada GPV, reduced flow prevention valves, turbin, dan sumur draw down. Efficiency Curve Efficiency Curve atau kurva efisiensi menggambarkan efisiensi pompa sebagai fungsi dari flow rate pompa. Kurva ini digunakan untuk menghitung energi yang dikeluarkan oleh pompa. Apabila kurva ini tidak disuplai, maka digunakan efisiensi global pompa. 67 Gambar 2.20 Efficiency Curve pada software EPANET 2.0 Volume Curve Volume curve menggambarkan bagaimana hubungan volume tangki penyimpanan sumbu Y dalam feet 3 atau m 3 yang berubah sebagai fungsi dari tinggi muka air sumbu X dalam feet atau m. Gambar 2.21 Volume Curve Pada Program EPANET 2.0 Kurva ini digunakan apabila tangki memiliki bentuk nonsilindris. Volume tangki berubah sesuai dengan ketinggian muka air. Tampilan volume tangki dapat dilihat dalam gambar. 68 3 Control Control adalah pernyataan yang menggambarkan bagaimana kontrol jaringan beroperasi sepanjang waktu. Kontrol menspesifikasikan status link- link tertentu sebagai fungsi dari waktu, level air pada tangki atau tekanan pada point-point tertentu. Terdapat 2 kategori kontrol yang dapat digunakan yaitu : a. Simple Control, b. Rule Based Control. Model Simulasi Hidrolik Model simulasi hidrolik EPANET 2.0 akan menghitung head pada junction dan flow dalam link pada level reservoir, tangki dan water demand yang telah ditentukan selama periode waktu tertentu. Setiap waktunya level air dalam reservoir dan water demand diperbaharui sesuai dengan adanya time patern. Head dan flow pada setiap waktu merupakan hasil perhitungan dari persamaan aliran untuk setiap junction. Proses ini dikenal sebagai “Hydraulic Balancing” jaringan menggunakan teknik iterasi. Untuk memecahkan persamaan nonlinear, EPANET 2.0 menggunakan “Gradient Algorithm”. 69

BAB III METODELOGI PENELITIAN

Jenis penelitiaan dari penelitian ini adalah deskriptif kuantitatif studi kasus Analisa Sistem Jaringan Pipa Air Bersih Di Perumahan RSS Pegawai Negeri Sipil