Dinamika Aliran Bawah Permukaan Pada Saat Hujan
VI ANALISIS CAMPURAN MIXING ANALYSIS DALAM
HIDROLOGI UNTUK PENENTUAN SOURCE AREA
6.1 PENDAHULUAN
Model campuran mixing model dapat dipergunakan dalam separasi hidrograf secara geokimia, yakni untuk memisahkan komponen runoff pada saat terjadi hujan.
Karena kimia air sungai merupakan campuran dari berbagai input sumber aliran sources area, maka identifikasi potensial sumber air yang berkontribusi terhadap
kimia air sungai sangat penting. Hal ini memerlukan model campuran secara temporal dan geografis Genereux dan Hooper, 1998. Pertimbangan untuk
menggunakan pendekatan ini adalah bahwa seluruh komponen sumber air diasumsikan bercampur secara konservatif. Percampuran sifat kimia air secara
konservatif terjadi karena komponen kimia air yang berasal dari sumber aliran mengalir mengikuti pergerakan air. Kimia air sungai merupakan turunan dari kimia
air masing-masing komponen sumber aliran yang mengalir ke sungai, dengan prinsip bahwa air dapat membawa unsur atau komponen kimia air dari masing-masing
sumber aliran tersebut. Source area merupakan sumber aliran yang merupakan kontributor terhadap aliran air di dalam suatu daerah tangkapan air atau daerah aliran
sungai. Salah satu metode yang digunakan dalam mempelajari mixing model dalam
hidrologi adalah metode EMMA End Member Mixing Analyses. EMMA juga merupakan salah satu metode untuk separasi hidrograf secara geokimia
Christopherson et al 1990, Hooper et al 1990, dan Burns et al 2001. End member menggambarkan karakteristik air yang teridentifikasi dari unit hidrologi atau geologi
yang berbeda. End member yang berbeda biasanya memiliki pertanda isotop atau kimia yang berbeda. Pada penelitian ini menggunakan model campuran yang terdiri
dari 3 komponen sumber aliran three end member dengan dua perunut konservatif. Ada beberapa asumsi jika menggunakan mixing model dalam pemodelan hidrologi,
yaitu: a Perunutnya merupakan perunut konservatif bukan merupakan reaksi kimia, b Seluruh komponen memiliki konsentrasi yang berbeda nyata paling tidak dengan
satu perunut, c Konsentrasi perunut dalam seluruh komponen secara temporal temporally konstan atau keragamannya diketahui, d Konsentrasi perunut dalam
seluruh komponen secara ruang spatially konstan atau diperlakukan sebagai komponen yang berbeda, dan e Komponen yang tidak terukur memiliki konsentrasi
perunut yang sama atau tidak berkontribusi secara nyata. Model campuran dari perspektif geometrik memiliki karakter sebagai berikut:
1 Untuk model dengan 2 perunut dan 3 komponen, 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 atau komponen tidak terkarakterisasi dengan baik.
Beberapa peneliti telah mengidentifikasi sumber limpasan secara spasial di dalam DAS melalui penggunaan tool seperti EMMA, pemisahan hidrograf
berdasarkan perunut, dan analisis hidrometrik Bernal et al 2006, Burns et al 2001, Hangen et al 2001, McGlynn and McDonnell 2003, Subagyono et al 2005,
Wenninger et al 2004. Penelitian-penelitian tersebut telah berhasil mengkuantifikasi sejumlah runoff dari sumber source yang berbeda dan juga menunjukkan kontribusi
yang berbeda dengan kondisi kelembaban yang berbeda di dalam DAS Burns et al 2001, McGlynn and McDonnell 2003. Bahkan Cary et al 2011 telah berhasil
mengidentifikasi sumber limpasan menjadi empat komponen menggunakan silikat dan chlor. Identifikasi sumber runoff dari unit DAS penting karena : a membantu
dalam mengembangkan model pengelolaan DAS yang lebih realistik, b membantu mengidentifikasi sumber kunci sumber polutan, c membantu evaluasi yang lebih
baik tentang pengaruh perubahan penggunaan lahan terhadap kualitas air. Pendekatan deliniasi sumber air dengan menggunakan analisis neraca air belum
memberikan jawaban yang definitif. Kombinasi menggunakan data hidrokimia dan hidrometrik sudah memberikan masukan terhadap model hidrologi daerah aliran
sungai. EMMA sudah dapat mengidentifikasi komponen-komponen yang berkontribusi terhadap aliran Mulholland 1993, Tardy et al 2004. Metode ini
merupakan metode analisis campuran sederhana untuk mengidentifikasi end member
yang berkontribusi terhadap aliran dan memiliki komposisi kimia yang berbeda dan relatif konstan Mulholland 1993.
Ketidak teraturan separasi hidrograf secara geokimia mixing approach sangat besar karena: 1 adanya keragaman karakteristik kimia dari end member secara
spasial dan temporal, dan 2 kimia air sungai tergantung pada jalur aliran dimana air itu mengalir menuju sungai. Dalam hal ini pemahaman tentang jalur aliran yang
dominan dan bagaimana perubahan yang terjadi selama hujan sangat penting dalam memahami proses limpasanrunoff generation.
6.2 Analisis Multivariate Dalam melakukan EMMA sesuai dengan prosedur yang telah digunakan oleh
Hooper 2001, Christophersen dan Hooper 1992, dan Burns et al. 2001, setelah menyusun set data dan melakukan normalisasi terhadap data yang ada, tahap
selanjutnya adalah analisis multivariate dengan menggunakan analisis komponen utama PCA:Principal Component Analysis. Analisis multivariate banyak digunakan
dalam penelitian geokimia Jo¨reskog et al., 1976; Reid et al., 1981; Davis, 1986. Manfaat analisis ini dalam EMMA yaitu: a untuk memilih end-members, b
merupakan masukan dalam model campuran mixing model, c hasilnya dapat diuji, d memberikan hasil yang tepat dengan alasan yang benar, dan e dapat memberi tahu
jika end-member tidak benar. Analisis komponen utama merupakan salah satu teknik statistik yang digunakan
untuk mengidentifikasi peubah baru yang mendasari data peubah ganda, menghilangkan masalah multikolinieritas peubah yang saling berkorelasi dan
menghilangkan paubah-peubah asal yang memberikan sumbangan informasi yang relatif kecil Iriawan dan Astuti 2006. Sumbangan keragaman ditunjukkan oleh
proportion dalam eigen analysis of the covarian matrix. Dalam principal komponen, apabila sebagian besar total variasi populasi sekitar 80-90 untuk jumlah variabel
yang besar dapat diterangkan oleh 2 atau 3 komponen utama principal component, PC, maka kedua atau ketiga komponen dapat menggantikan variabel semula tanpa
menghilangkan banyak informasi.
Dalam penelitian ini analisis multivariate dengan menggunakan PCA adalah untuk menguji model campuran aliran kimia air menggunakan solute K, Na, Ca, Mg,
SiO
2
, SO
4
, NO
3
, Cl, dan HCO
3
terhadap beberapa sumber limpasan seperti air tanah, air bumi, air sungai, dan air hujan. Pada Tabel 7 disajikan eigenvalue yang
merupakan nilai varian komponen utama. Hasil analisis menunjukkan eigenvalue untuk komponen utama pertama F1 dan kedua F2 masing-masing sebesar 5.070
dan 3.001. Eigenvalue kedua komponen utama mewakili 56.3 dan 33.3 dari seluruh variabilitas. Bila diakumulasikan, kedua komponen utama menyatakan 89.6
dari total variabilitas. Ini berarti apabila kesembilan variabel K, Na, Ca, Mg, Si, SO
4
, NO
3
, Cl, dan HCO
3
direduksi menjadi 2 variabel, maka kedua variabel baru dapat menjelaskan 89.6 dari total variabilitas kesembilan variabel.
Tabel 8. Hasil eigenvalue dengan sembilan variabel K, Na, Ca, Mg, SiO
2
, SO
4
, NO
3
, dan HCO
3
F1 F2
F3 F4
F5 Eigenvalue
5.070 3.001
0.661 0.153
0.115 Variabilitas
56.3 33.3
7.3 1.7
1.3 Kumulatif
56.3 89.6
97.0 100
100
Pada Tabel 9 disajikan korelasi Pearson’s, angka-angka positif yang ditulis
tebal menunjukkan adanya hubungan yang tinggi antar unsur yang satu dengan yang lainnya. Sebaliknya angka-angka negatif yang ditulis tebal menunjukkan adanya
hubungan berbanding terbalik yang tinggi antar unsur yang satu dengan yang lainnya. Kation K dengan SiO
2
, Na dengan Mg, Ca dengan Mg dan HCO
3
, serta Mg dengan HCO
3
menunjukkan hubungan yang tinggi satu dengan yang lainnya, sedangkan K dengan Cl, Na dengan SO
4
dan NO
3
, Mg dengan SO
4
dan NO
3
memiliki hubungan berbanding terbalik.
Gambar 27 menunjukkan hubungan faktor 1 dengan faktor 2. Jika variabel satu dengan yang lainnya saling berdekatan berarti nyata berkorelasi positif r mendekati
1, sedangkan jika orthogonal berarti tidak berkorelasi r mendekati nol. Jika variabel
Kompone n Pe rtama K
o m
p o
n e
n k
e d
u a
0,5 0,4
0,3 0,2
0,1 0,0
-0,1 -0,2
-0,3 -0,4
0,50 0,25
0,00 -0,25
-0,50
HCO3 Cl
NO3 SO4
SiO2
Mg Ca
Na K
tertentu terletak berlawanan arah dari pusat, berarti variabel tersebut nyata berkorelasi negatif dengan variabel lainnya r mendekati -1. Dari Gambar 25 dapat dilihat
bahwa SiO2 dan K, Ca dan HCO3, SO4 dan NO3 memiliki hubungan positif , sedangkan SO
4
dan NO
3
yang letaknya bersebrangan dari titik pusat menunjukkan adanya korelasi negatif dengan Na, Mg, Ca, dan HCO
3
.
Tabel 9 . Korelasi Pearson’s
Variabel K Na
Ca Mg
SiO
2
SO
4
NO
3
Cl HCO
3
K 1
Na 0,491
1 Ca
-0,150 0.660
1 Mg
0,141 0.931
0.792 1
SiO
2
0,933
0.638 0.113
0.334 1
SO
4
-0,337 -0.771 -0.347 -0.741
-0.273 1
NO
3
-0,564 -0.943 -0.641 -0.826
-0.642 0.804
1 Cl
-0,864
-0.055 0.428
0.298
-0.798
-0.172 -0.115 1
HCO
3
-0.213 0.739
0.911 0.923
0.011 -0.576 -0.650
0.589 1
Angka yang ditulis tebal menunjukkan berbeda nyata dengan derajat nyata =0.05
Gambar 25 Grafik hubungan antara faktor 1 dan faktor 2 untuk melukiskan keeratan
antar unsur hidrokimia