Model ANSWERS TINJAUAN PUSTAKA

6. Model yang telah diprogramkan tadi, masih harus diuji apakah sudah mewakili sistem yang sebenarnya dan masalah yang akan disimulasi. Apabila data yang digunakan dapat dipercaya kebenarannya, maka pengujian model ini dapat dilakukan dengan menganalisis model simulasi. Hasil simulasi ini dibandingkan dengan kenyataan yang ada dengan data yang ada. Jika hasil simulasi sudah sesuai dengan kenyataan yang ada, maka model yang digunakan sudah tepat, tetapi bila belum sesuai, maka model yang dibuat tersebut masih harus diperbaiki, sampai diperoleh model yang benar-benar tepat. 7. Bila pengujian telah dilakukan dan ternyata model yang digunakan sudah dapat mewakili sistem yang nyata, maka untuk tahap selanjutnya simulasi dapat dilakukan dengan menggunakan model tersebut dengan catatan tidak ada perubahan pada sistem. Oleh karena itu apabila suatu sistem digambarkan dalam model-model mulai dari kondisi awal sampai pada akhir dari sistem ini, yang diikuti oleh suatu waktu yang singkat maka teknik ini disebut Simulasi Eriyatno, 1989. Dengan berkembangnya penggunaan komputer maka penerapan simulasi dalam sistem-sistem yang rumit lebih dimungkinkan. Para ahli bidang hidrologi menyadari sepenuhnya bagaimana pentingnya digital computer untuk suatu Analisis hidrologi melalui pendekatan simulasi hidrologi.

2.4. Model ANSWERS

Model hidrologi ANSWERS Areal Nonpoint Source Watershed Environmental Respons Simulation dikembangkan dari EPA Environment Protection Agency oleh Universitas Sumatera Utara Purdue Agricultural Experiment Station Beasley dan Huggins, 1991. Model ANSWERS ini telah diaplikasikan penggunaannya di Indonesia melalui beberapa riset, seperti Rauf 1994 yang melakukan penelitian di Sub DAS Palu Timur, Aswandi 1996 di DAS Cikapundung, Tikno 1996 di DAS Citanduy serta Ginting dan Ilyas 1997 di Sungai Salak. Dari hasil uji model ANSWERS pada lokasi yang berlainan tersebut, diperoleh hasil bahwa model ANSWERS memiliki tingkat akurasi yang baik dalam memodelkan suatu daerah aliran sungai. Model ANSWERS merupakan model parameter terdistribusi, untuk kejadian hujan tunggal event based model yang dirancang untuk mengevaluasi pengaruh BMPs best management practices terhadap aliran permukaan dan kehilangan sedimen dari suatu DAS penggunaan lahan utama pertanian Hidayat, 2009. Hipotesis yang dikembangkan dalam model ini adalah bahwa setiap bagian dalam DAS terjadi hubungan antara laju aliran dan parameter-parameter hidrologi, serta tipe tanah, topografi, infiltrasi, penggunaan lahan, dan sifat hujan. Laju aliran yang terjadi dapat digunakan untuk mengkaji hubungan antara komponen hidrologi yang menjadi dasar dalam pemodelan fenomena transport, seperti erosi tanah dan pengangkutan serta pergerakan bahan kimia tanah de Roo,1993. Dalam model ini suatu DAS yang akan dianalisis responnya dibagi menjadi satuan elemen yang berukuran bujur sangkar dan setiap elemen tersebut memiliki paramater hidrologi yang sama. Perbedaan antar sel menyebabkan model mampu mempertimbangkan heterogenitas DAS secara alami. Elemen diartikan sebagai suatu areal yang mempunyai parameter hidrologi yang sama, dimana setiap elemen akan memberikan kontribusi sesuai dengan karakteristik yang dimiliki. Universitas Sumatera Utara Di dalam setiap sel, model mensimulasikan intersepsi, retensi permukaan, infiltrasi, aliran permukaan, perkolasi, penghancuran partikel tanah menjadi sedimen dan pengangkutan sedimen. Aliran permukaan bergerak menuju downslope melalui aliran sel tetangganya atau sel lain yang mempunyai saluran. Model ANSWERS dapat digunakan untuk mensimulasikan beberapa BMPs seperti pengolahan tanah konservasi, hutan, kolam, rerumputan dan tindakan lainnya yang mempengaruhi parameter input model berdasarkan fisik Beasley and Huggins, 1991. Dari beberapa hasil penelitian terdahulu Rauf, 1994; Aswandi, 1996; dan Tikno, 1996 dapat disimpulkan bahwa model ANSWERS mempunyai kelebihan antara lain: a, analisis parameter distribusi yang dipergunakan dapat memberikan hasil simulasi yang akurat terhadap sifat daerah tangkapan; b. dapat mensimulasi secara bersamaan dari berbagai kondisi dalam DAS; c. memberikan keluaran berupa limpasan dan sedimen dari suatu DAS yang dianalisis. Sedangkan kelemahan model ANSWERS terletak pada model erosi yang sebagian besar bersifat empiris dan hanya mensimulasikan transportasi total sedimen. Diagram alir dari mekanisme model ANSWERS dapat dilihat pada gambar 3. Dari sejumlah hujan yang turun, sebagian diintersepsi oleh kanopi vegetasi dengan penutupan PER = Potensi Evaporasi sampai Potensial Simpanan Intersepsi PIT terjadi. Apabila laju curah hujan yang turun lebih besar dari laju intersepsi, infiltrasi ke dalam tanah dimulai. Laju infiltrasi dipengaruhi oleh kandungan air tanah mula- mula ASM, Antecedent Soil Moisture, Porositas Tanah Total PTT, kandungan air tanah pada kondisi Kapasitas Lapang KL, laju infiltrasi pada saat konstan FC, laju infiltrasi awal FC+A dan kedalaman zona kontrol infiltrasi DF. Universitas Sumatera Utara Penurunan laju infiltrasi secara eksponensial dan meningkatnya kandungan air tanah menyebabkan tercapainya suatu titik ketika laju hujan yang turun lebih besar dari laju infiltrasi dan intersepsi. Jika kondisi ini terjadi air mulai mengumpul di atas permukaan dalam depresi-mikro retention storage yang dipengaruhi oleh peubah kekasaran permukaan, yaitu RC dan HU. Jika retensi permukaan melebihi kapasitas depresi-mikro, maka akan terjadi limpasan permukaan dipengaruhi oleh nilai n Manning, kelerengan, dan arah aliran. Laju infiltrasi tetap FC akan dicapai bila lama dan intensitas kejadian hujan relatif besar. Pada saat hujan reda, proses infiltrasi berlangsung sampai air dalam simpanan depresi sudah tidak tersedia lebih lama lagi. Air dan sedimen yang dapat mencapai elemen yang memiliki saluran, selanjutnya akan diangkut menuju outlet DAS. Sedimentasi dalam saluran terjadi ketika besarnya kapasitas transpor telah dilewati de Roo, 1993. Penghancuran dan pengangkutan partikel tanah disebabkan oleh dampak butiran hujan yang jatuh DRO=direct run off atau limpasan permukaan. Ada atau tidaknya partikel tanah yang dipindahkan tergantung besarnya sedimen dan kapasitas transpornya TC. Daerah aliran sungai di modelkan dengan membangun strukturnya secara konseptual oleh kumpulan elemen bujursangkar, sehingga derajat variabelitas spasial dalam DAS dapat terakomendasi, dimana variasi tersebut diberikan oleh parameter setiap elemen DAS. Elemen diartikan sebagai suatu areal yang mempunyai parameterhidrologi yang sama, dimana setiap elemnen akan memberikan kontribusi dengan karakteristik yang dimiliki. Dengan demikian model ANSWERS ini melakukan analisis pada setiap satuan elemen Beasley dan Huggins.1981. Universitas Sumatera Utara Gambar 3. Diagram Alir Model ANSWERS de Roo, 1993 Hujan Air hujan yang jatuh di atas permukaan lahan bervegetasi sebagian diintersepsi oleh tutupan tajuk vegetasi. PIT menggambarkan volume air hujan yang tertahan sebagai air intersepsi jika suatu lahan tertutupi sempurna oleh tanaman atau penggunaan lahan tertentu. ANSWERS menggunakan maksimum potensial simpanan intersepsi PIT, dalam mm sebagai input. Jumlah air hujan dikalikan dengan porsi Universitas Sumatera Utara elemen yang tertutupi vegetasi PER menghasilkan intersepsi incremental RIT. Simpanan intersepsi potensial ditentukan untuk setiap kejadian hujan dan untuk setiap jenis tanaman. Data simpanan intersepsi potensial sering diprediksikan menggunakan persamaan Horton De Roo, 1993. Infiltrasi Model ANSWERS mensimulasikan infiltrasi air ke dalam tanah dengan menggunakan persamaa Holtan’s 1961 yang dimodifikasi Everton 1964, dengan persamaan : FMAX = FC + A PIV TP dimana : FMAX : Kapasitas infiltrasi dengan permukaan tanah tergenang cmjam FC : Kaspasitas infiltrasi konstan cmjam A : Maksimum kapasitas infiltrasi – FC cmjam TP : Prositas total di dalam zona control infiltrasi PIV : Volume air yang dapat ditahan dalam zona control hingga jenuh cm P : Koefisien empirik yang menunjukkan penurunan laju infiltrasi dengan meningkatnya kelembaban tanah Infiltrasi dihitung berdasarkan 6 parameter fisik tanah yang meliputi porositas total, kadar air kapasitas lapang, zona kontrol infiltrasi, koefisien A dan P. Persamaan Holtan’s telah banyak digunakan namun persamaan tersebut mempunyai keterbatasan terutama dalam penetapan zona kontrol infiltrasi pada suatu tanah dan penentuan nilai A dan P. Nilai koefisien A dan P dapat ditentukan dengan menggunakan data literature atau ditentukan dengan menggunakan metoda pengepasan fitting infiltrasi P Universitas Sumatera Utara hasil prediksi dan data infiltrasi hasil penggukuran Bouroui, 1996. Pendekatan zona control kedalaman infiltrasi ditentukan sebagai kedalaman horizon. Smith 1976 menyatakan bahwa persamaan Holtan tidak bersesuaian dengan prinsip hidrolik dimana laju infiltrasi tergantung kepada zona kontrol infiltrasi. Baun et al. 1986 menunjukkan bahwa volume aliran permukaan sangat sensitive terhadap pemilihan zona kontrol kedalaman. Penurunan zona kontrol kedalaman 33 menigkatkan volume aliran permukaan 87, sedangkan penigkatan zona kontrol kedalaman 33 menurunkan volume aliran permukaan 28. Dalam model ANSWERS, jika zona kontrol kedalaman infiltrasi telah terisi dengan air, maka air yang lebih dari kapasitas lapang akan terdrainase ke lapisan bawah dengan menggunakan persamaan Huggins dan Monke 1966 : DR = FC 1- PIV GWC dimana : DR : laju drainase air dari zona kontrol cmjam GWC : air gravitasi dari zona kontrol cmjam Bouraoui 1996 mengintro-duksi persamaan infiltrasi Green-Ampt kedalam model ANSWERS untuk mengatasi kelemahan model infiltrasi Holtan’s. Hal tersebut dilakukan dengan alasan : a model Green-Ampt merupakan model berdasarkan fisik sehingga hasil dugaannya akan menjadi lebih baik; b perhitungan yang dilakukan lebih efisien, dan c parameter dapat ditentukan secara mudah dari informasi data tanah dan tutupan vegetasi yang tersedia. 3 Universitas Sumatera Utara Simpanan Depresi Mikro Laju infiltrasi aktual tergantung kepada luas permukaan tanah yang tertutupi oleh air. Laju infiltrasi yang terjadi akan lebih kecil jika tidak seluruh permukaan tanah tertutup air dan instensitas hujan lebih kecil dari kapasitas infiltrasi. Oleh karena itu diasumsikan bahwa hanya bagian permukaan tanah yang tertutup air saja FWA yang mempunyai kapasitas infiltrasi maksimum. Sedangkan infiltrasi pada areal permukaan lainnya tergantung pada instensitas hujan, dimana laju infiltrasi sama dengan instensitas hujan netto. Area permukaan yang tertutupi air FWA dan simpanan permukaan potensial DEP dihitung menggunakan persamaan Huggins dan Monke 1966. FWA = H HU DEP = HURC H HU dimana : FWA : fraksi tutupan air DEP : volume air yang tersimpan di permukaan mm H : keadaan fisik stored water diatas elevasi terendah atau datum mm HU : ketinggian maksimum mikro reliefketinggian diatas datum mm RC : eksponen yang menunjukkan frekuensi kekasaran permukaan Jika H = HU, maka FWA = 1 dan DEP = HURC. Jika RC = 1, maka DEP = HU, sehingga kapasitas infiltrasi dapat dihitung dengan persamaan: FILT = FWAf + 1-FWAR dimana : FILT : laju infiltrasi mmjam f : laju infiltrasi dimana seluruh permukaan tertutupi air mmjam R : intensitas hujan netto mmjam setelah dikoreksi interspsi HU : ketinggian maksimum mikro reliefketinggian diatas datum mm 1 RC 1 RC Universitas Sumatera Utara Variabel HU mudah diukur di lapangan, tetapi variabel RC relative sulit diukur di lapangan sehingga biasanya digunakan data sekunder yang disajikan Beasley dan Huggins 1981. Retensi permukaan dihitung dengan asumsi bahwa ketinggian maksimum air diatas datum sudut aliran = 0 H = 0.1Hu, sehingga retensi permukaan maksimum adalah : MAXDEP = HURC [0,10] MAXDEP : maksimum volume simpanan retensi mm. Akumulasi air yang melebihi kapasitas simpanan retensi simpanan depresi mikro akan menghasilkan aliran permukaan. Aliran Permukaan Respon hidrologis setiap elemen dihitung sebagai fungsi dari waktu secara ekplisit melalui penjelasan backward differential pada persamaan kontinuitas : I – Q = dS dt dimana : I : laju inflow pada suatu elemen yang berasal dari hujan dan elemen tetangganya m 3 dt Q : laju outflow m 3 dt S : volume air yang tersimpan dalam elemen m 3 t : waktu dt 1 -1 RC Universitas Sumatera Utara Persamaan tersebut diselesaikan dengan persamaan Manning dalam hubungan stagedischarge untuk kinematic overland flow dan channel routing sederhana. Radius hidrolik pada persamaan Manning diasumsikan sama dengan kedalaman retensi pada masing-masing sel. Elemen yang mempunyai saluran dianggap sebagai 2 elemen, yang berperan sebagai elemen overland dengan perkecualian bahwa semua overland flow yang keluar dari elemen akann masuk kedalam segmen saluran. Aliran air dalam saluran bergerak menuju saluran yang lebih rendah, dimana aliran air pada saluran tersebut bersumber dari saluran lain yang terhubungkan dari overland flow elemen. Sedimen Erosi tanah dalam model ANSWERS dimodelkan dalam 2 tahapan proses yaitu proses pertama penghancuran partikel tanah dan proses transportasi sedimen. Penghancuran partikel tanah disebabkan oleh pukulan butiran hujan dan aliran air di permukaan tanah, sedangkan trasportasi sedimen hanya disebabkan oleh aliran air yang mengalir di permukaan tanah. Selanjutnya Meyer dan Wischmeier 1969 mengembangkan model penghancuran partikel tanah akibat pukulan butir hujan dan aliran permukaan masing-masing sebagai berikut: D R = 0,108CDRSKDRAIR 2 dimana : D r : efek pukulan air hujan terhadap tanah detachment kgmenit CDR : faktor tanaman dan pengelolaan dari USLE SKDR : faktor erodibilitas tanah dari USLE AI : area increment m 2 R : intesitas hujan netto dalam interval waktu tertentu mmmenit Universitas Sumatera Utara Do = 0,9CDRSKDRAISL qo Dimana : Do : overland flow detachment rate kgmenit SL : kecuraman lereng qo : debit aliran per unit m 2 menit Persamaan Meyer dan Wischmeier 1969 secara umum dapat diterima, namun karena persamaan tersebut menggunakan nilai C dan K yang bersumber dari model USLE, maka validitas persamaan tersebut masih dipertanyakan De ROO,1993. Disamping itu, nilai faktor K adalah ukuran interrill erodibilitas, sehingga detachment dalam rill dan gullysaluran atau perkembangannya belum dipertimbangkan dalam model ANSWERS. Trasportasi Sedimen Model ANSWERS membedakan kapasitas trasnportasi aliran berdasarkan jenis aliran yang terjadi secara laminar ataupun turbulent. Pada aliran laminar, kapasitas transportasi aliran diasumsikan proposional terhadap akar kuadrat dari debit aliran, sedangkan pada aliran turbulent kapasitas transportasi aliran proposional kuadrat terhadap debit aliran. Kapasitas transportasi aliran tersebut dimodelkan berdasarkan persamaan Yalin’s 1963 dan selanjutnya dimodifikasi oleh Foster dan Meyer 1977 berikut ini: TF = 161SLQ 0,5 jika Q 0,046 m 2 menit TF = 16320SLQ 2 jika Q 0,046 m 2 menit Universitas Sumatera Utara dimana : TF : laju transportasi sedimen potensial kgmenitm Q : debit aliran per unit lebar m 2 menitm SL : kemiringan lereng Pergerakan sedimen menuju outlet di telusuri routing bersama dengan overland flow dan channel flow dengan menggunakan fungsi gelombang kinematik sederhana Beasley et al., 1980; Chow et al., 1988. Integrasi Model Erosi dan SIG Erosi tanah dipenuhi oleh berbagai faktor seperti heterogenitas keruangan spatial heterogenity dari topografi, vegetasi, karakteristik tanah dan penggunaan lahan. Sebagian besar model prediksi erosi belum mempertimbangkan aspek-aspek tersebut sehingga Sistem Informasi Geografi SIG akan menjadi alat yang sangat menunjang perbaikan model prediksi erosi dalam menganalisis data spasial dan menghubungkan data dari berbagai sumber dalam proses pemodelan erosi. Beberapa keuntungan mengintegrasikan model prediksi dengan SIG adalah : - Mempercepat penyimpanan data input model untuk mensimulasikan beberapa skenario - Meningkatkan kemampuan simulasi dengan menggunakan banyak fixel khususnya DAS berukuran besar sehingga DAS dapat disimulasikan secara lebih detil De Roo, 1996. Universitas Sumatera Utara - Memungkinkan visualisasi keluaran model terutama dalam mendisplay dan menganimasikan sequence petagambar keluaran model berdasar waktu dan keruangan, sehingga mampu menampilkan obyek dari berbagai perspektif. Ada tiga pendekatan dalam permodelan erosi dengan SIG yaitu : loose coupling, tight coupling and embedded couplingfully integrated Wesseling et al., 1996, dalam Pullar dan Springer, 2000. Dalam loose couping, SIG dan model prediksi erosi terpisah, dimana SIG digunakan pada pengolahan awal data spasial kedalam format file input model yang diinginkan kemudian memvisualisasikan keluaran model. Sedangkan dalam tight coupling, SIG menyediakan interfase bersama shared interface untuk memindahkan data spasial antara SIG dan permodelan erosi yang terpisah. Pada embedded coupling fully integrated, model secara utuh terintegrasi sebagai komponen dalam aplikasi SIG. Sebagian besar integrasi model erosi dengan SIG saat ini tergolong ke dalam loose dan tight coupling, antara lain dikembangkan oleh Winchell et all 2008 yang menggabungkan teknologi GIS dengan Model RUSLE terutama dalam penentuan kemiringan dan panjang slope lahan. Integrasi utuh antara model SIG masih belum banyak dilakukan karena kurang efisiensinya dimensi temporal pada kebanyakan sistem SIG Kaden, 1993; Doe, 1999. Walaupun banyak software SIG yang sangat maju dalam pemrosesan dan penyajian data, SIG tidak mampu untuk permodelan berdasarkan fisik physically based modelling. Hingga saat ini, pensimulasian transportasi air dan pollutan melalui suatu landscap masih merupakan masalah dalam SIG. Sejumlah metoda routing tertentu dibutuhkan SIG untuk permodelan hidrologi. Universitas Sumatera Utara Penyajian elevasi suatu permukaan topografi merupakan kunci pokok analisis geomorpologi sehingga penyajian topografi dalam bentuk DEM digital elevation model menjadi sangat penting. Masukan data untuk model ANSWERS, yaitu : a. Data hujan meliputi lama dan intensitas hujan. b. Data tanah yang mencakup: porositas total, kadar air kapasitas lapang, kedalaman zone pengamatan infiltrasi tanah di horizon A, laju infiltrasi pada keadaan konstan, selisih laju infiltrasi maksimum dan konstan, dan nilai erodibiltas tanah menurut metode USLE. c. Penggunaan lahan dan kondisi permukaan meliputi: jenis penggunaan lahan dan pengelolaannya, volume intersepsi potensial dan prosentase penutupan permukaan pada setiap jenis penggunaan lahan, koefisien kekasaran dan tinggi kekasaran maksimum, nilai kekasaran Manning n, dan indeks pengelolaan tanaman dan tanah faktor CP dalam persamaan USLE. d. Data saluran dan sungai meliputi lebar saluran dan kekasaran saluran n Manning. e. Data individu elemen meliputi: kemiringan dan arah lereng, tipe sungai, jenis tanah dan penggunaannya, liputan penakar hujan pewakil, kemiringan sungaisaluran, pengelolaan lahan tindakan konservasi dan elevasi rata-rata. Adapun keluaran output dari model ANSWERS berupa limpasan total run off dan sedimen. Asumsi yang digunakan untuk memprediksi erosi dengan model ini adalah Beasley dan Huggins, 1981: a. Erosi tidak terjadi di lapisan bawah permukaan. Universitas Sumatera Utara b. Sedimen dari suatu elemen ke elemen lain akan meningkatkan lapisan permukaan elemen tempat pengendapan. c. Pada segmen saluran tidak terjadi erosi akibat hempasan butir hujan. d. Penghancuran tanah dalam saluran akibat curah hujan diasumsikan tidak ada. Perangkat lunak ANSWERS juga menampilkan grafik yang berisi hydrograf hujan terpilih, hidrograf aliran permukaan, dan sedimentasi. Dari setiap kejadian hujan dapat dianalisis debit puncak m 3 detik dan waktu puncak menit. Debit puncak adalah nilai puncak tertinggi dari suatu hidrograf aliran, dan waktu puncak adalah selang waktu mulai dari awal terjadinya aliran permukan sampai terjadinya debit puncak. Model yang digunakan untuk simulasi terlebih dulu harus dilakukan pengujian validasi model dengan memperhatikan perbedaan antara hidrograf hasil perhitungan model dengan hasil pengukuran dari lapangan dengan menggunakan uji pembandingan berpasangan paired comparison melalui uji-t. Nilai t-test hasil perhitungan dibandingkan dengan nilai t-tabel pada tingkat kepercayaan tertentu misalnya pada tingkat kepercayaan 90 atau 95 . Apabila nilai t-test lebih kecil dari nilai t-tabel berarti bahwa nilai hidrograf hasil pengukuran dengan keluaran model tidak berbeda nyata dan dianggap cukup valid dalam mewakili kondisi aktual di lapangan, sehingga model tersebut dapat digunakan dalam mensimulasikan perubahan peubah-peubah model sesuai dengan skenario yang diinginkan. Universitas Sumatera Utara

2.5. Lahan