Hydrodynamics and Total Suspended Solid Spreading at Western Outlet of Segara Anakan, Cilacap.
HIDRODINAMIKA DAN SEBARAN MATERI PADATAN TERSUSPENSI
DI PERAIRAN PELAWANGAN BARAT, SEGARA ANAKAN CILACAP
TRI NUR CAHYO
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
PERNYATAAN MENGENAI TESIS
DAN SUMBER INFORMASI
Saya menyatakan bahwa tesis Hidrodinamika dan Sebaran Materi Padatan
Tersuspensi di Perairan Pelawangan Barat, Segara Anakan Cilacap adalah karya
saya sendiri dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam
bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka
pada bagian akhir tesis ini.
Bogor, Januari 2012
Tri Nur Cahyo
NRP C551080061
ABSTRACT
TRI NUR CAHYO. Hydrodynamics and Total Suspended Solid Spreading at
Western Outlet of Segara Anakan, Cilacap. Under direction of I WAYAN
NURJAYA and NYOMAN METTA N. NATIH.
Western outlet of Segara Anakan Lagoon is located at the southern coast of
Central Java, where high sedimentation rate originated from Citanduy River take
place. Observation and model approached was used to reach the aim. The
properties of tides, current, salinity, temperature, bed sediment and Total
Suspended Solid (TSS) were measured to understand the hydrodynamics of
western outlet waters. A two-dimensional hydrodynamic model was coupled with
two-dimensional transport model for TSS. The model was validated using hourly
measured data of surface currents, elevation, and TSS during 26-28, June 2010.
The results showed that model matched with measured data. Comparation of the
model and observation have statistically error of currents pattern (RMSE 0,1037
m/s and NRMSE 20,1363%); elevation (RMSE 0,1405 m and NRMSE
11,2415%), and TSS concentration (RMSE 0,0439 kg/m3 dan NRMSE
15,0781%). TSS loaded to The Indian Ocean was 20.8777 kg/s and flux 0.0139
kg/m2/s.
Keywords: model, current, elevation, TSS, Western outlet of Segara Anakan
RINGKASAN
TRI NUR CAHYO. Hidrodinamika dan Sebaran Materi Padatan Tersuspensi di
Perairan Pelawangan Barat, Segara Anakan Cilacap. Dibimbing oleh I WAYAN
NURJAYA dan NYOMAN METTA N. NATIH.
Sedimentasi di Laguna Segara Anakan terutama disebabkan masuknya
sedimen dari Sungai Citanduy dalam bentuk sedimen dasar (bed load) dan
sedimen tersuspensi (suspended load). Sebagian besar diendapkan dalam
laguna dan sisanya keluar ke laut melalui Perairan Pelawangan Barat (PPB)
yang merupakan outlet bagian barat Laguna Segara Anakan. Materi padatan
tersuspensi (MPT) merupakan salah satu jenis sedimen melayang. Sebaran MPT
di PPB dipengaruhi oleh proses hidrodinamika. Proses hidrodinamika dan
sebaran MPT dapat dipelajari dengan metode pendekatan pemodelan untuk
mendapatkan gambaran spasial secara cukup jelas. Penelitian tentang
hidrodinamika dan sebaran MPT di PPB belum banyak dilakukan, maka perlu
dilakukan penelitian tentang hidrodinamika dan sebaran MPT dengan
pendekatan pemodelan.
Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji dinamika arus dan sebaran MPT di
PPB dengan pendekatan observasi dan pemodelan, serta mengetahui
konsentrasi MPT yang keluar dari PPB. Manfaat yang diharapkan dari penelitian
ini adalah memperoleh suatu gambaran perkiraan transpor MPT yang
disebabkan arus sehingga dapat digunakan sebagai masukan dalam
pengelolaan Perairan Pelawangan Barat dan Kawasan Laguna Segara Anakan.
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah observasi dan
pemodelan. Penelitian dilaksanakan pada Bulan Juni 2010-September 2011
berupa perolehan data, pengolahan data, pembuatan pemodelan, validasi,
simulasi, dan analisis model. Lokasi penelitian hidrodinamika dan transpor MPT
adalah PPB, Segara Anakan, Cilacap. Perolehan data observasi meliputi data:
kedalaman, pasang surut, arus, salinitas, suhu, sampel sedimen dasar, dan
sampel air untuk nilai konsentrasi MPT. Pengolahan data berupa pembuatan
peta batimetri dari data kedalaman, data arus, pasang surut, MPT yang dijadikan
input dalam pemodelan ataupun sebagai validasi data model. Syarat utama
model 2 dimensi adalah perairan dengan tipe stratifikasi sebagian (partially mixed
estuary), sehingga dibutuhkan data profil menegak densitas dari observasi dan
hitungan Angka Richardson.
Pembuatan model menggunakan perangkat lunak Surfacewater Modeling
System (SMS) dengan modul RMA2 untuk hidrodinamika dan modul SED2D
untuk sebaran MPT. Pemodelan dimulai dengan pembuatan domain model
berupa jaring model (mesh) interpolasi batimetri, memberikan input kondisi batas
terbuka dinamik, penentuan parameter model, running, validasi data model,
analisa data model, dan pembuatan simulasi. Data pasang surut dan debit
digunakan sebagai input model sebagai kondisi batas terbuka dinamis.
Penentuan parameter model dari data dan pustaka. Pola arus dan elevasi hasil
model dianalisa pada kondisi air: menuju surut, pada waktu surut, menuju
pasang, dan pada waktu pasang. Hasil model RMA2 dan mesh menjadi input
dalam modul SED2D, selanjutnya memasukkan parameter model sedimen
menghasilkan pola sebaran MPT.
Profil menegak densitas dan hitungan Angka Richardson menunjukkan
bahwa tipe percampuran PPB adalah estuari tercampur sebagian (partially mixed
estuary), maka model 2D dapat digunakan. Arus hasil model diperoleh arus
maksimal 0,9516 m/detik, arus minimal 0,0727 m/detik, dengan rata-rata 0,4759
± 0,2566 m/detik. Hasil validasi arus model dan data observasi dengan nilai Root
Mean Square Error (RMSE) 0,1037 m/detik dan Normalized Root Mean Square
Error (NRMSE) 20,1363%, dengan arah arus timur laut dan/atau barat daya
ketika pasang dan surut. Hasil validasi elevasi muka air model dan data pasang
surut dengan nilai RMSE 0,1405 m dan NRMSE 11,2415%.
Pola arus hasil model pada kondisi menuju surut: arus hasil observasi
0,6768 m/detik dan arus hasil model 0,6498 m/detik dengan arah 240,1o (barat
daya), dan adanya putaran arus (eddy) di daerah tengah PPB. Kondisi surut:
arus hasil observasi 1,0663 m/detik dan arus hasil model 0,9516 m/detik dengan
arah 195,3o (selatan), arus tersebut mendorong air dengan cepat ke arah laut.
Kondisi menuju pasang: arus arus dari Samudera Hindia dengan magnitut arus
hasil observasi 0,1578 m/detik dan arus hasil model 0,1343 m/detik dengan arah
8,3o (utara), terjadi arus putaran (eddy) pada beberapa bagian di PPB yang
mengindikasikan arus dari laut dan Laguna Segara Anakan bertemu dengan
beda magnitut. Kondisi pasang: arus hasil observasi 0,7860 m/detik dan arus
hasil model 0,7357 m/detik dengan arah 41,0o (utara), ada beberapa arus
putaran (eddy).
Validasi MPT hasil model dengan data observasi mempunyai nilai RMSE
0,0439 kg/m3 dan NRMSE 15,0781%. Pola sebaran MPT pada waktu pasang: air
laut membawa air jernih dan bersalinitas tinggi mendesak air di PPB menuju ke
Laguna Segara Anakan, sehingga konsentrasi MPT kecil di daerah mulut dan
daerah tengah PPB. Sedangkan pada saat surut: resultan antara arus surut dan
debit air dari Laguna Segara Anakan yang mempunyai konsentrasi MPT tinggi
terdistribusi hingga ke Samudera Hindia. Rerata dugaan beban MPT di mulut
PPB sebesar 20.8777 kg/detik, dengan fluks sebesar 0.0139 kg/m2/detik.
Simpulan dari penelitian adalah pendekatan observasi yang dikomplemen
dengan model hidrodinamika dan sebaran MPT di PPB memberikan gambaran
cukup jelas tentang pola arus dan elevasi muka air dengan model RMA2,
sedangkan model SED2D memberikan gambaran sebaran MPT di PPB. Secara
umum model memberikan nilai kesalahan (RMSE dan NRMSE) dalam kisaran
yang masih dapat diterima. Beban (load) dan fluks MPT ke laut dapat diketahui
dari perhitungan arus dan luas penampang di daerah mulut PPB. Saran
penelitian mendatang adalah perlunya penentuan kondisi batas sebelah utara
dengan memasukkan daerah Sungai Citanduy dan Laguna Segara Anakan,
penggunaan model 3 dimensi misalnya RMA10, dan perlu dikaji masukan
sedimen dasar (bed load).
Penelitian hidrodinamika dan sebaran MPT di PPB dengan observasi dan
pemodelan telah memberikan informasi yang cukup komprehensif sehingga
dapat dijadikan alternatif solusi untuk menduga beban masukan sedimen
melayang yang keluar ke Samudera Hindia dan untuk pengelolaan Laguna
Segara Anakan dan PPB.
Kata kunci: arus, elevasi, MPT, pemodelan, Perairan Pelawangan Barat
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2012
Hak Cipta dilindungi Undang – Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
yang wajar IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
HIDRODINAMIKA DAN SEBARAN MATERI PADATAN TERSUSPENSI
DI PERAIRAN PELAWANGAN BARAT, SEGARA ANAKAN CILACAP
TRI NUR CAHYO
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Ilmu Kelautan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Ir. Agus S. Atmadipoera, DESS
HALAMAN PENGESAHAN
Judul Tesis
:
Hidrodinamika dan Sebaran Materi Padatan Tersuspensi
di Perairan Pelawangan Barat, Segara Anakan Cilacap
Nama
:
Tri Nur Cahyo
NRP
:
C551080061
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. I Wayan Nurjaya, M.Sc
Ketua
Dr. Ir. Nyoman Metta N. Natih, M.Si
Anggota
Diketahui
Ketua Program studi
Ilmu Kelautan
Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Dr. Ir. Neviaty P. Zamani, M.Sc
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr
Tanggal Ujian: 10 Januari 2012
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji syukur kehadirat Alloh SWT sehingga penulis dapat menyelesaikan
tesis yang berjudul "Hidrodinamika dan Sebaran Materi Padatan Tersuspensi di
Perairan Pelawangan Barat, Segara Anakan Cilacap".
Dalam kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih kepada semua
pihak yang telah membantu dalam penyusunan tesis ini dan penghargaan
sebesar-besarnya kepada:
1.
Bapak Dr. Ir. I Wayan Nurjaya, M.Sc selaku Ketua Komisi Pembimbing dan
Bapak Dr. Ir. Nyoman Metta N. Natih, M.Si selaku Anggota Komisi
Pembimbing, atas bantuan dan bimbingan dalam menyelesaikan tesis ini.
2.
Bapak Dr. Ir. Agus S. Atmadipoera, DESS sebagai penguji luar komisi dan
Ibu Dr. Ir. Neviaty P. Zamani, M.Sc yang telah memberikan saran dan kritik
untuk perbaikan tesis.
3.
Staf pengajar Program Studi Ilmu Kelautan FPIK IPB yang telah memberikan
ilmu pengetahuan dan pengalamannya.
4.
Kedua orang tua saya Bapak Abdul Rabani dan Ibu Sri Suwarti, Istriku
tersayang Erika Damayanti SE, Anakku Raditya Rizki dan adek atas
pengorbanan dan kasih sayang yang sangat besar.
5.
Prof. Dr.-ing Soewarto Hardhienata dan Sri Setyaningsih, M.Si yang telah
memberikan dukungan dan pemenuhan akomodasi selama studi di Bogor.
6.
Staf pengajar Program Studi Ilmu Kelautan Universitas Jenderal Soedirman
(UNSOED) Purwokerto untuk semangat dan dukungannya.
7.
Staf BRKP Ancol Dr.-Ing. Widodo S. Pranowo dan Dwi Yoga Nugroho, MT;
Staf DISHIDROS Ancol Mayor Laut Firdaus atas pemberian ilmu pemodelan.
8.
Rekan-rekan mahasiswa mayor Ilmu Kelautan (IKL) angkatan 2008, atas
dukungan moral dan sharing ilmu.
Penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun untuk
penyempurnaan tulisan di masa datang (trinurcahyo@gmail.com). Semoga
tulisan ini bermanfaat bagi pembaca.
Bogor,
Januari 2012
Tri Nur Cahyo
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Salatiga pada tanggal 3 April 1975 merupakan anak
ketiga dari empat bersaudara dari Bapak Abdul Rabani dan Ibu Sri Suwarti.
Pendidikan S1 pada Program Studi Ilmu Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu
Kelautan (FPIK), Universitas Diponegoro (UNDIP) Semarang lulus tahun 1999.
Penulis bekerja sebagai asisten konsultan pada Segara Anakan Conservation
and Development Project (SACDP) di Cilacap (Oktober 1999-Juli 2004). Bekerja
sebagai fasilitator pendamping pembangunan di LSM Lembaga Pengkajian dan
Pengembangan Sumberdaya Pembangunan (LPPSP) Semarang, ditempatkan di
desa nelayan Sugih Waras, Pemalang (Agustus 2004-Desember 2004). Sebagai
staf pengajar pada Program Studi Ilmu Kelautan, Fakultas Sains dan Teknik,
Universitas Jenderal Soedirman Purwokerto (UNSOED) sejak Januari 2005.
Penulis diterima sebagai mahasiswa pascasarjana (S2) Mayor Ilmu Kelautan
Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor (SPs-IPB) tahun 2008.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ................................................................................................xxi
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xxiii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................xxv
PENDAHULUAN.................................................................................................. 1
Latar Belakang ................................................................................................ 1
Perumusan Masalah ....................................................................................... 2
Tujuan ............................................................................................................. 4
Manfaat ........................................................................................................... 4
TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................................... 5
Kondisi Perairan Pelawangan Barat ................................................................ 5
Batimetri Perairan Pelawangan Barat.............................................................. 6
Pasang Surut .................................................................................................. 7
Tipe Estuari ..................................................................................................... 8
Estuari Terstratifikasi (Highly Stratified Estuaries) .................................. 8
Estuari Tercampur Sebagian (Partially-Mixed Estuaries)........................ 8
Estuari Tercampur Sempurna (Well-Mixed Estuaries) ............................ 9
Kecepatan Arus............................................................................................. 10
Hidrodinamika ............................................................................................... 11
Persamaan Hidrodinamika ................................................................... 12
Diskritisasi dan Solusi Persamaan ....................................................... 15
Tahanan Dasar dan Hambatan Aliran .................................................. 16
Turbulensi ............................................................................................ 17
Sedimen ........................................................................................................ 18
Karakteristik Sedimen .......................................................................... 18
Distribusi Ukuran Butir Sedimen ............................................ 18
Diagram Ternary.................................................................... 19
Parameter Statistik Sedimen ................................................................ 20
Ukuran Butir Rata-rata (Mean Size) ....................................... 20
Sortasi (Sorting)..................................................................... 21
Kemencengan (Skewness) .................................................... 21
Kurtosis ................................................................................. 21
Sedimen Tersuspensi .......................................................................... 22
Pergerakan Sedimen ........................................................................... 25
Persamaan Transpor Sedimen Tersuspensi ........................................ 26
Perhitungan Tegangan Geser Dasar ..................................... 27
Profil Kecepatan Logaritma Dinding Halus............................. 27
Persamaan Tegangan Geser Manning .................................. 27
Sumber Sedimen Dasar ........................................................ 27
Transpor Sedimen Kohesif .................................................... 28
BAHAN DAN METODE PENELITIAN ................................................................ 29
Waktu dan Lokasi Penelitian ......................................................................... 29
Alat dan Bahan.............................................................................................. 31
xix
Perolehan Data ............................................................................................. 32
Kedalaman ........................................................................................... 32
Pasang Surut ....................................................................................... 32
Pengukuran Arus ................................................................................. 33
Data CTD ............................................................................................. 34
Data MPT ............................................................................................. 34
Data Sedimen Dasar ............................................................................ 34
Pengolahan Data .......................................................................................... 35
Peta Batimetri ...................................................................................... 35
Data Pasang Surut ............................................................................... 36
Data Arus ............................................................................................. 36
Data CTD ............................................................................................. 37
Konsentrasi MPT.................................................................................. 37
Data Sedimen Dasar ............................................................................ 38
Pembuatan Model Hidrodinamika dan Sebaran MPT .................................... 39
Asumsi yang Digunakan Dalam Pemodelan .................................................. 40
HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................................. 49
Gambaran Lokasi Penelitian ......................................................................... 49
Hasil Observasi ............................................................................................. 50
Batimetri ............................................................................................... 50
Arus dan Debit Air ................................................................................ 53
Pasang Surut ....................................................................................... 56
Sedimen Dasar .................................................................................... 59
Data CTD ............................................................................................. 62
Data MPT ............................................................................................. 63
Kompilasi Data Observasi .................................................................... 66
Model Hidrodinamika dan Sebaran MPT ....................................................... 67
Jaring Model ........................................................................................ 71
Kondisi Batas ....................................................................................... 72
Kondisi Batas Elevasi ............................................................ 72
Kondisi Batas Debit ............................................................... 72
Kondisi Batas Daratan ........................................................... 72
Parameter Model.................................................................................. 72
Hasil Pemodelan .................................................................................. 73
Model RMA2 .......................................................................... 73
Model SED2D ........................................................................ 77
Beban dan Fluks MPT ........................................................... 80
SIMPULAN DAN SARAN ................................................................................... 81
Simpulan ....................................................................................................... 81
Saran ............................................................................................................ 81
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 83
LAMPIRAN ........................................................................................................ 87
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Penelitian-penelitian yang pernah dilakukan sebelumnya di PPB .................... 3
2 Hidrologi sungai-sungai yang masuk ke Segara Anakan ................................. 5
3 Klasifikasi ukuran butir sedimen (Dyer 1986; Blott dan Pye 2001) ................. 19
4 Kriteria parameter statistik sedimen ............................................................... 22
5 Tipe dan ukuran partikel sedimen .................................................................. 23
6 Posisi stasiun perolehan data ........................................................................ 30
7 Perolehan data pada tiap kategori stasiun ..................................................... 30
8 Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian .......................................... 31
9 Nilai koefisien pertukaran turbulen (Donnell 2008) ......................................... 46
10 Nilai koefisien kekasaran Manning (Donnell 2008) ....................................... 46
11 Aspek kesalahan dalam validasi model........................................................ 47
12 Morfometri dan karakter daerah penelitian ................................................... 49
13 Luas penampang vertikal beberapa lokasi ................................................... 51
14 Debit pada stasiun stasiun sumber (stasiun 6) ............................................. 56
15 Asimetri pasang surut data pengukuran ....................................................... 57
16 Analisa fraksi sedimen dasar PPB ............................................................... 60
17 Distribusi frekuensi ukuran butir sedimen dasar PPB ................................... 60
18 Analisis parameter statistik sedimen dasar sistem logaritmik ....................... 61
19 Data MPT pada waktu pasang dan surut ..................................................... 64
20 Hasil perhitungan beban dan fluks MPT di mulut PPB ................................. 80
xxi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Kerangka pemikiran penelitian ......................................................................... 3
2 Tipe estuari. (a) Estuari terstratifikasi (b) Estuari tercampur sebagian (c)
Estuari tercampur sempurna ........................................................................ 10
3 Diagram Ternary untuk campuran pasir-lanau-liat (Dyer 1986) ...................... 20
4 Proses pengendapan sedimen non-kohesif dan kohesif ................................ 24
5 Lokasi Penelitian............................................................................................ 29
6 Diagram kerja modul RMA2 dan SED2D ....................................................... 42
7 Tipe elemen dalam SMS ................................................................................ 44
8 Kisaran waktu perolehan data kedalaman koreksi pasang surut .................... 50
9 Titik pengukuran kedalaman dan batimetri PPB............................................. 52
10 Penampang horisontal dan melintang PPB .................................................. 52
11 Stick plot arus di stasiun menetap (stasiun 4) .............................................. 54
12 Stick plot arus di stasiun sumber (stasiun 6) ................................................ 55
13 Data Pasang Surut Selama Penelitian ......................................................... 57
14 Perbandingan data pasang surut observasi dan NaOTide ........................... 58
15 Sedimen dasar dan diagram Ternary ........................................................... 59
16 Distribusi frekuensi ukuran butir sedimen dasar PPB ................................... 61
17 Sebaran menegak densitas pada saat (a) pasang dan (b) surut .................. 62
18 Data MPT deret waktu selama observasi di Stasiun 4 ................................. 64
19 Pola sebaran spasial MPT pada waktu pasang dan surut ............................ 65
20 Kompilasi data observasi di stasiun menetap............................................... 67
21 Profil menegak densitas menjelang pasang, pasang, menjelang surut dan
surut ............................................................................................................. 68
22 Batimetri dan domain model PPB dan laut sekitarnya .................................. 70
23 Model-konseptual dari domain model .......................................................... 70
24 Mesh (a) geometri mesh (b) mesh dengan interpolasi kedalaman ............... 71
25 Validasi hasil model dan observasi data (a) arus dan (b) elevasi ................. 74
26 Elevasi muka air dan arus pada stasiun 4 .................................................... 75
27 Pola arus hasil pemodelan RMA2 ................................................................ 77
28 Perbandingan konsentrasi MPT hasil model dan observasi ......................... 78
29 Pola sebaran MPT pada saat (a) pasang dan (b) surut ................................ 79
xxiii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Foto-foto penelitian ........................................................................................ 89
2 Menentukan MSL dengan metode filter Xo (Filter Doodson) ........................... 90
3 Pengukuran konsentrasi MPT ........................................................................ 92
4 Debit stasiun sumber berdasarkan arus dan luas penampang ....................... 93
5 Profil menegak suhu, salinitas, dan densitas di stasiun 4 ............................... 94
6 Klasifikasi estuari menurut Angka Richardson ............................................... 96
7 Analisis sedimen dasar .................................................................................. 97
8 Kontur batimetri 3 dimensi PPB dan laut sekitarnya ....................................... 98
9 Validasi kedekatan data pasang surut NaOTide dan observasi ..................... 99
10 Penentuan tipe aliran dengan angka Reynolds .......................................... 101
11 Validasi data arus model dan observasi ..................................................... 102
12 Validasi data elevasi model dan observasi ................................................. 103
13 Validasi data MPT model dan observasi .................................................... 104
xxv
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Laguna Segara Anakan merupakan estuari semi tertutup berada dalam
wilayah administratif Kabupaten Cilacap, Propinsi Jawa Tengah mempunyai dua
inlet-outlet (disebut pelawangan) di sebelah timur dan barat. Pelawangan
sebelah timur merupakan akses pelabuhan perniagaan dan industri, sedangkan
pelawangan barat merupakan akses nelayan Kawasan Laguna Segara Anakan
dan Samudera Hindia. Menurut Purba dan Sujastani (1989), kondisi Pelawangan
Timur
tidak mengalami perubahan yang nyata, dan Laguna Segara Anakan
sebelah barat mendapat tekanan berupa masukan sedimen terutama dari Sungai
Citanduy (masuk wilayah Jawa Barat) sebesar 5 juta m3 per tahun, dan Sungai
Cimeneng/Palindukan dan Sungai Cibeureum (masuk wilayah Jawa Tengah)
sebesar 770 ribu m3 per tahun, yang akhirnya keluar ke laut.
Perairan Pelawangan Barat (selanjutnya ditulis PPB) merupakan inlet-outlet
bagian barat Laguna Segara Anakan menuju Samudera Hindia, dengan kondisi
geografis bukitan 70-190 m dpl (dari permukaan laut) dengan muara Nusa Were
(SACDP-BAKOSURTANAL 1998). Hidrologi laguna dipengaruhi sungai-sungai
yang bermuara di laguna sebelah barat diantaranya Sungai Citanduy, Sungai
Cibeureum, dan Sungai Cikonde, bersama pasang surut akan mempengaruhi
kondisi hidrodinamika PPB. Sungai Citanduy sebagai sungai terbesar dan
menyumbang 80% debit air dan sedimen melayang masuk ke dalam laguna
(Purba dan Sujastani 1989; Matsuyama et al. 1994; Nugrahadi dan Tejakusuma
2007), 20% debit dari sungai-sungai lain.
Isu pengelolaan PPB terintegrasi dengan Kawasan Segara Anakan adalah
tingginya laju sedimentasi dengan akibat primer berkurangnya luas area
perairan. Hidrodinamika dan sebaran Muatan Padatan Tersuspensi (selanjutnya
ditulis MPT) merupakan aspek penting dalam pengelolaan Segara Anakan dan
PPB yang erat kaitannya dengan transpor material, kualitas air, dan sedimentasi.
Sedimentasi merupakan material sedimen yang masuk ke dalam perairan
baik yang berada di dasar perairan (bed load) maupun yang melayang
(suspended load) (van Rijn 1993; Lin dan Falconer 1995). Dalam penelitian ini
hanya membahas tentang dinamika sedimen melayang, dimana MPT merupakan
salah satu bentuk dari sedimen melayang. Masuknya MPT ke laut mempunyai
2
karakteristik tersendiri, dimana mekanisme transpornya dipengaruhi oleh musim,
hidrodinamika, angin, arus, gelombang, pasang surut, dan bentuk dasar perairan.
Menurut Triatmodjo (1999), pantai dan dasar laut tersusun dari material-material
sedimen seperti pasir, lumpur, lempung serta material-material lainnya yang
sangat dipengaruhi oleh dinamika gerak air seperti arus, gelombang, dan pasang
surut laut disamping sifat fisik sedimen tersebut.
Selama bertahun-tahun MPT yang terbawa oleh aliran sungai-sungai,
masuk ke Laguna Segara Anakan dan diendapkan di laguna, sehingga menjadi
dangkal dalam waktu yang cepat (Purba dan Sujastani 1989; Matsuyama et al.
1994). Ongkosongo et al. (1986) menyatakan bahwa sebagian besar sedimen
yang membentuk dataran lumpur berasal dari Sungai Citanduy dan diendapkan
di laguna sebesar 65% dan sisanya diangkut ke laut melalui PPB. Dinamika arus
dan sebaran MPT di PPB perlu dikaji lebih lanjut.
Penelitian tentang Laguna Segara Anakan sudah cukup banyak, tetapi
penelitian hidrodinamika di Segara Anakan dan PPB belum banyak dilakukan.
Penelitian yang pernah dilakukan di Kawasan Laguna Segara Anakan dan PPB
dapat dilihat pada Tabel 1.
Perumusan Masalah
Materi padatan tersuspensi dari Laguna Segara Anakan terdistribusi ke laut
melalui PPB (Ongkosongo et al. 1986). Sebaran MPT dipengaruhi oleh kondisi
hidrodinamika perairan lokal dan laut, faktor-faktor yang diduga mempengaruhi
adalah arus, pasang-surut, angin, kondisi dasar perairan, salinitas (Holtermann et
al. 2008). Dinamika pergerakan air di Segara Anakan didominasi oleh pasang
surut (Purba dan Sujastani 1989; Matsuyama et al. 1994; Nugrahadi dan
Tejakusuma 2007; Holtermann et al. 2008) yang juga mempengaruhi
hidrodinamika di PPB.
Kondisi hidrodinamik, terutama arus yang dibangkitkan oleh pasang surut
dan interaksinya dengan sebaran MPT di PPB perlu dikaji dengan pendekatan
observasi dan pemodelan. Kerangka pemikiran perumusan masalah dapat dilihat
pada Gambar 1.
3
Tabel 1 Penelitian-penelitian yang pernah dilakukan sebelumnya di PPB
Nomor
Peneliti
Tahun
1
Ongkosongo et al.
1986
2
Purba dan
Sujastani
1989
3
Matsuyama et al.
1994
4
ECI (Engineering
Consultants Inc.)
1994
5
Kusnida et al.
2003
6
Nugrahadi dan
Tejakusuma
2007
7
Holtermann et al.
2008
Tentang
Pertukaran dan
percampuran massa air
laut Samudera Hindia
dengan massa air tawar
Sungai Citanduy di Segara
Anakan, Jawa Tengah
Geografi dan Proses Fisik
Segara Anakan
Pemodelan numerik
pasang surut dan distribusi
MPT di Laguna Segara
Anakan
Model matematika di
Laguna Segara Anakan
Batimetri, pola arus dan
perubahan garis pantai di
Segara Anakan, Cilacap
Aspek hidrodinamika
Segara Anakan sebagai
dasar pertimbangan
pengembangan kawasan
Hidrodinamika Segara
Anakan
Hal penting berkaitan dengan
PPB
Masukan air campuran dari
Sungai Citanduy dan air dari
laguna masuk ke dalam PPB
sebesar 35%
Perubahan kedalaman di PPB
Tipe pasang surut di daerah
PPB
Perubahan kedalaman
Dominasi pasang surut
Arus yang ditimbulkan oleh S.
Citanduy sangat dominan dan
mencapai 1,5 m/detik
Pola arus daerah PPB
Penentuan parameter model
Membahas skenario sudetan
S. Citanduy
Membahas sedikit tentang
batimetri di PPB
membahas sedikit tentang
PPB
Batimetri di laguna
Rekonstruksi kedalaman di
laguna dan PPB
Gambar 1 Kerangka pemikiran penelitian
4
Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1.
Mengkaji dinamika arus dan sebaran Muatan Padatan Tersuspensi di
Perairan Pelawangan Barat dengan pendekatan observasi dan model.
2.
Mengetahui beban Muatan Padatan Tersuspensi yang keluar dari Perairan
Pelawangan Barat.
Manfaat
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah diperoleh suatu
gambaran perkiraan transpor MPT yang disebabkan arus. Diharapkan dalam
pengembangan lebih lanjut hasil penelitian berupa pola arus dan sebaran MPT
dapat digunakan sebagai masukan dalam pengelolaan Perairan Pelawangan
Barat dan Kawasan Laguna Segara Anakan.
TINJAUAN PUSTAKA
Kondisi Perairan Pelawangan Barat
Laguna Segara Anakan bagian barat dan Samudera Hindia dihubungkan
oleh PPB. Bagian yang berhubungan dengan laut merupakan teluk memanjang
dari Perairan Pangandaran Jawa Barat hingga Pulau Nusa Kambangan Jawa
Tengah. Pantai berhadapan dengan Samudera Hindia mempunyai gradasi dari
yang curam hingga berkurang kecuramannya di bagian muara Nusa Were
(SACDP-BAKOSURTANAL 1998).
Perairan Pelawangan Barat merupakan tempat keluar masuknya air ke
Laguna Segara Anakan dengan mekanisme pasang surut. Karakter PPB adalah
perairan yang pendek, dalam dan lebar sehingga membawa massa air pasang
surut yang banyak (Purba dan Sujastani 1989). Pasang surut bersama debit
Sungai Citanduy menentukan proses percampuran air. Sungai yang mengalir
masuk ke Laguna Segara Anakan bagian barat terdiri dari Sungai Citanduy,
Sungai Cibeureum, Sungai Cikonde. Debit Sungai Citanduy berperan sangat
penting bagi hidrodinamika di bagian barat laguna, karena daerah tangkapan
airnya yang luas.
Sungai-sungai yang masuk ke dalam Laguna Segara Anakan, setelah
bercampur di laguna maka air yang keluar dari laguna akan mempengaruhi
kondisi PPB ketika surut, dan sebaliknya ketika pasang maka laguna akan
mendapat masukan air laut melalui PPB dan masukan air dari sungai. Tabel 2
menunjukkan sungai-sungai, luas daerah aliran sungai dan debit musiman ratarata, beserta estimasi endapan yang masuk laguna.
Tabel 2 Hidrologi sungai-sungai yang masuk ke Segara Anakan
3
Rerata Debit (m /hari)
Basin dan Sungai
Luas
Basin (Ha)
Basin Citanduy
3500
Estimasi transpor
silt ke dalam laguna
(ton/tahun)
Musim
Kemarau
6
(x10 )
Musim
Penghujan
6
(x10 )
Rerata
Tahunan
6
(x10 )
14,77
24,45
19,61
Sungai Cibeureum
0,05
0,17
0,11
9.000
Sungai Cikonde
0,08
1,5
0,79
2.194.000
Total
14,9
26,12
20,51
5.242.000
Sungai Citanduy
Basin Segara Anakan
3.039.000
960
Sumber: Purba dan Sujastani (1989)
6
Menurut Kusnida et al. (2003) bahwa pada tahun 1944 luas Segara Anakan
adalah sekitar 6.450 hektar, tahun 1992 sekitar 1.800 hektar, tahun 2000 sekitar
1.600 hektar, tahun 2003 sekitar 600 hektar. Area dan volume Laguna Segara
Anakan mengalami penurunan secara gradual karena proses sedimentasi, yang
menyebabkan akresi sedimen. Sebagai akibatnya adalah terbentuknya beberapa
pulau di laguna dan ukurannya meningkat, beberapa pulau bergabung dengan
pulau utama. Kecepatan akresi di laguna bervariasi karena kecepatan erosi di
basin Segara Anakan dan atau basin Sungai Citanduy. Proses sedimentasi
tersebut dapat mempengaruhi kedalaman perairan di Laguna Segara Anakan
ataupun di PPB.
Batimetri Perairan Pelawangan Barat
Akibat dari proses sedimentasi dari Laguna Segara Anakan mengakibatkan
perubahan kedalaman di Pelawangan Barat, deposisi sedimen mempengaruhi
kedalaman perairan, menurut Purba dan Sujastani (1989) perubahan kedalaman
dari 40 m (tahun 1817) menjadi 10 m (1987), sehingga akan mengurangi aliran
pasang surut dan mengembalikan akresi sedimen ke laguna. Perubahan
kedalaman dapat diketahui dengan membandingkan peta batimetri pada siklus
waktu tertentu pada lokasi yang sama, dengan pengukuran kedalaman secara
periodik. Data kedalaman tersebut digunakan untuk membangun peta kedalaman
(batimetri).
Data batimetri adalah dasar yang sangat dibutuhkan untuk memahami
hidrodinamika suatu perairan (Nugrahadi dan Tejakusuma 2007). Secara umum
PPB merupakan perairan dangkal. Dalam menampilkan data batimetri dibuat
garis isobath (garis khayal yang menghubungkan kedalaman perairan yang
sama). Data batimetri dibangun dari pengukuran observasi berupa data
kedalaman berkoordinat atau hasil digitasi peta kedalaman penelitian pada
daerah yang sama (Siregar dan Selamat 2009). Data kedalaman dan data posisi
yang bersesuaian selanjutnya dikoreksi dengan data pasang surut dan dibuat
grid dengan proses interpolasi.
Batimetri suatu perairan bersama dengan kondisi batas dan garis pantai
menjadi masukan untuk pembuatan model suatu perairan untuk membentuk
daerah model (model domain). Penelitian Holtermann et al. (2008) telah
menampilkan batimetri Laguna Segara Anakan, tetapi untuk batimetri PPB hanya
sedikit wilayah yang terekam.
7
Pasang Surut
Pasang surut merupakan proses naik turunnya muka laut yang hampir
teratur, dibangkitkan oleh gaya tarik bulan dan matahari (harian). Karena posisi
bulan dan matahari terhadap bumi selalu berubah secara hampir teratur, maka
besarnya kisaran pasang surut juga berubah mengikuti perubahan posisi-posisi
tersebut. Jika suatu perairan mengalami satu kali pasang dan surut per hari,
maka kawasan tersebut dikatakan bertipe pasang surut tunggal. Jika terjadi dua
kali pasang dan dua kali surut dalam satu hari, maka pasang surutnya dikatakan
bertipe pasang surut ganda. Tipe pasang surut lainnya merupakan peralihan
antara tipe tunggal dan ganda, dan dikenal sebagai pasang surut campuran. Tipe
pasang surut ini dapat berubah tergantung terutama pada kondisi perubahan
kedalaman perairan atau geomorfologi pantai (Open University Course Team
1989; Ongkosongo dan Suyarso 1989).
Pergerakan air di laguna Segara Anakan dipengaruhi oleh aliran air sungai
dan pasang surut yang berasal dari Samudera Hindia. Pengaruh pasang surut
dari Samudera Hindia merambat masuk PPB melalui muara Nusa Were dan
masuk ke laguna. Tipe pasang surut PPB adalah pasang surut campuran dengan
dominasi pasang surut ganda (Ongkosongo et al. 1986; Purba dan Sujastani
1989; Nugrahadi dan Tejakusuma 2007; Holtermann et al. 2008). Pengukuran
pasang surut memberikan hasil tunggang pasang surut adalah 0,04-1,90 m
(Purba dan Sujastani 1989), 1,4 m (Holtermann et al. 2008).
Penjalaran gelombang pasang surut dari laut menuju estuari berlawanan
arah dengan debit sungai yang mengalir menuju laut. Karena adanya perbedaan
densitas antara air laut dan air tawar, maka akan terjadi percampuran diantara
keduanya. Tingkat percampuran tergantung pada geometri estuari, kisaran
pasang surut, besarnya debit sungai, perbedaan densitas antara air laut dan air
tawar, dan angin.
Cepat rambat pasang surut ke dalam estuari tergantung pada kedalaman
perairan. Puncak gelombang bergerak lebih cepat dari lembah, sehingga siklus
pasang surut bersifat asimetris dengan interval waktu relatif lama antara pasang
naik dan surut rendah berikutnya, dan interval yang lebih pendek antara surut
rendah dengan pasang naik berikutnya (Open University Course Team 1989).
Pasang surut dapat menyebabkan pergerakan horisontal (arus), yaitu aliran
horisontal periodik air yang berkaitan dengan naik-turunnya pasang surut. Arus
8
non-pasang surut termasuk semua arus selain arus pasang surut. Arus yang di
alam merupakan kombinasi dari arus pasang surut dan arus non-pasang surut.
Arus pasang surut mengalami saat berbalik arah dengan periode pendek
dengan besaran arus kecil bahkan nol, yang dinamakan air berhenti (slack
water), terjadi ketika pergantian pasang menuju surut dan sebaliknya. Arus
bervariasi dari nol sewaktu air berhenti (slack water) sampai maksimum. Arus
pasang berada di atas air berhenti (slack water), sedangkan arus surut berada di
bawah air berhenti (slack water) (Open University Course Team 1989).
Tipe Estuari
Berdasarkan struktur salinitasnya estuari diklasifikasikan menjadi tiga tipe
estuari, yaitu terstratifikasi (highly stratified), tercampur sebagian (partially
mixed), dan tercampur sempurna (well mixed) (Dyer 1986; Open University
Course Team 1989; Triatmojo 1999; Ji 2008). Tipe dari estuari dapat dilihat pada
Gambar 2.
Estuari Terstratifikasi (Highly Stratified Estuaries)
Ketika debit sungai yang besar memasuki daerah dengan pasang surut
yang lemah, dimana air tawar dengan densitas lebih ringan daripada air laut,
cenderung mengalir ke arah laut melintasi permukaan dan air dengan densitas
tinggi berada di bawah dan baji garam hampir tidak bergerak. Air laut berada di
bawah dan dekat dengan mulut estuari, hanya sebagian kecil terjadi
percampuran. Antara dua massa air ada zona sempit pada bagian permukaan
dimana terdapat perbedaan salinitas tajam yang disebut haloklin. Gradien
densitas membuat haloklin cenderung stabil dan dua massa air tersebut tidak
bercampur dengan cepat. Karena kecilnya kisaran pasang surut yang kecil, maka
massa air dekat dasar yang bersalinitas tinggi menjadi relatif stasioner, tetapi air
tawar di permukaan mempunyai kecepatan yang tinggi. Beda kecepatan tersebut
membuat tidak ada air tawar yang tercampur ke dasar dan hanya terjadi
percampuran di bagian atas.
Estuari Tercampur Sebagian (Partially-Mixed Estuaries)
Estuari dengan pasang surut, dimana sebagian besar massa air bergerak
ke arah darat saat pasang dan arah sebaliknya ketika surut, adanya gesekan
9
pada dasar menyebabkan tahanan kecepatan dan menimbulkan turbulensi.
Turbulensi membuat proses percampuran massa air efektif, dimana terjadi
proses percampuran air bersalinitas tinggi ke arah permukaan dan air
bersalinitas rendah bercampur ke bawah. Proses penurunan salinitas mencapai
dekat dasar sehingga menghasilkan gradien salinitas ke arah hulu estuari.
Di permukaan dengan lapisan densitas lebih rendah mengalir ke laut
dengan membawa air bersalinitas hasil dari percampuran. Garam tersebut
merupakan proses pergantian dari lapisan di bawahnya sebagai akibat
masuknya air laut ke arah daratan yang menimbulkan turbulensi. Arus residu
secara vertikal disebabkan perbedaan densitas secara vertikal dan proses
percampuran yang disebut sirkulasi vertikal gravitasi. Tetapi arus ini hanya
sepersepuluh dari arus yang disebabkan pasang surut.
Arus dari estuari tipe ini dalam irisan melintang menunjukkan fenomena di
lapisan atas mengarah ke laut sedangkan dekat dasar arah aliran mengarah ke
daratan, dengan profil salinitas semakin ke dalam semakin tinggi sebagai akibat
proses percampuran turbulensi. Arus residu di permukaan lebih tinggi saat surut
dari pada saat pasang, berkebalikan dengan arus dekat dasar, di daerah lapisan
tengah mempunyai kondisi haloklin yang merupakan daerah tidak ada aliran.
Distribusi horisontal salinitas merupakan isohaline dengan kemiringan yang tidak
terlalu berbeda antar lapisan. Stratifikasi umumnya cenderung meningkat ke arah
laut.
Estuari Tercampur Sempurna (Well-Mixed Estuaries)
Estuari dengan debit dari sungai tidak besar dan kisaran pasang surut
cukup besar, saat arus pasang surut meningkat maka intensitas percampuran
terjadi sampai pada kondisi bercampurnya kolom air dengan sempurna dengan
menghasilkan variasi lateral salinitas. Arus residu dari sungai cenderung
bercampur pada kolom air, sehingga terjadi variasi horisontal, dengan salinitas
semakin tinggi ke arah laut. Kondisi tersebut menghasilkan arus residu horisontal
dan tidak terjadinya arus vertikal atau pengangkatan (entrainment) vertikal.
Perbedaan salinitas secara vertikal sangat kecil.
10
Keterangan:
o
S = Salinitas ( /oo)
Sumber: Ji 2008
Gambar 2 Tipe estuari. (a) Estuari terstratifikasi (b) Estuari tercampur sebagian
(c) Estuari tercampur sempurna
Kecepatan Arus
Arus adalah pergerakan kontinyu massa air menuju kesetimbangan yang
menyebabkan perpindahan massa air secara horisontal dan vertikal. Gerakan
tersebut merupakan resultan dari beberapa gaya yang bekerja dan beberapa
faktor yang mempengaruhinya (Pond dan Pickard 1983). Gaya yang dapat
menyebabkan terjadinya arus diantaranya: pasang surut, gravitasi, gesekan
angin, tekanan atmosfer, Coriolis, pebedaan densitas. Berbagai macam gaya
tersebut bekerja pada permukaan, kolom, dan dasar perairan. Hasil dari gerakan
massa air adalah vektor yang mempunyai besaran kecepatan dan arah.
Daerah pantai dan estuari sangat dipengaruhi dinamika pasang surut.
Perbedaan tekanan hidrostatis saat terjadi pasang dan surut menyebabkan
pergerakan air yang disebut arus pasang surut (Ji 2008). Menurut Pond dan
Pickard (1983) bahwa arus pasang (flood tide) terjadi ketika naiknya elevasi air,
sedangkan arus surut (ebb tide) terjadi ketika turunnya elevasi air. Kecepatan
arus pasang surut mencapai maksimum pada kondisi air pertengahan diantara
muka air pasang dan surut (mean sea level). Kecepatan akan mencapai
minimum, bahkan nol, pada kondisi air diam (slack water).
11
Untuk mengetahui arus digunakan 2 metode, yaitu cara Eulerian dan
Lagrangian. Pengukuran metode Eularian adalah pengukuran besaran dan arah
arus sepanjang waktu pada titik tetap dengan koordinat tertentu. Alat yag
digunakan adalah pengukur arus konvensional di titik tetap, dengan mengukur
arus tiap satuan waktu. Pengukuran metode Lagrangian adalah metode
pengukuran arus dengan mengikuti lajur (trajectory) partikel. Besarnya kecepatan
dan arah pada tiap satuan waktu dapat diketahui, tetapi dengan posisi yang
berbeda koordinatnya. Dalam metode Eularian kecepatan tidak tergantung
terhadap waktu disebut kondisi tetap (steady state), dalam metode Lagrangian
kecepatan yang tetap terjadi saat kondisi lajurnya seragam (uniform). Kedua
metode tersebut kecepatan akan sama jika aliran keduanya tetap dan seragam
(Dyer 1986).
Hidrodinamika
Sistem perairan pantai dan estuari adalah suatu sistem yang sangat
kompleks dan sangat bergantung pada ruang dan waktu. Untuk mengetahui
hubungan antar sejumlah variabel dan parameter, maka cara terbaik untuk
mengkajinya adalah melalui pendekatan model (Sugianto 2009), salah satunya
dengan model matematik. Persamaan yang digunakan dalam model matematik
yaitu persamaan hidrodinamika untuk pola arus, sedangkan untuk sedimen
melayang digunakan persamaan transpor sedimen.
Hidrodinamika mempelajari pergerakan air dan gaya-gaya yang bekerja
pada air tersebut. Model hidrodinamika dapat menyediakan informasi tentang
transpor sedimen termasuk kecepatan air, pola percampuran, dan dispersi (Ji
2008). Dalam mempelajari hidrodinamika dinyatakan dalam persamaanpersamaan. Persamaan hidrodinamika dalam pemodelan dua dimensi yaitu
persamaan kontinyuitas dan kekekalan momentum dengan berbagai asumsi
untuk penyederhanaan.
Persamaan
konservasi
massa
(kontinuitas)
dan
momentum
yang
diintegrasikan terhadap kedalaman. Persamaan hidrodinamika dan transpor
mengacu pada Donnell (2008), Akhwady dan Sufyan (2008), Sachoemar dan
Purwandani
(2009), Sugianto (2009). Tanda dalam persamaan sebagai ciri
khusus, misal (H-1) adalah persamaan hidrodinamika yang pertama.
12
Persamaan Hidrodinamika
Persamaan dasar aliran yang digunakan merupakan persamaan aliran 2
dimensi pada rerata kedalaman (depth average) untuk kondisi aliran sub kritik.
Kondisi aliran yang terjadi pada kanal sangat lebar, sehingga variasi kecepatan
terhadap
kedalaman
relatif
kecil.
Percepatan
gravitasi
lebih
dominan
dibandingkan dengan percepatan aliran vertikal. Sehingga persamaan aliran
dapat didekati dengan persamaan aliran dangkal (shallow water equation).
Komponen kecepatan rata-rata kedalaman dalam koordinat horizontal x dan y (
dan ) didefinisikan sebagai berikut:
+�
1
=
�
+�
1
=
�
dimana:
�
(H-1)
(H-2)
= kedalaman air
= elevasi
+ � = muka air
= kecepatan horizontal arah x
= kecepatan horizontal arah y
Persamaan konservasi massa (persamaan kontinuitas):
Persamaan kontinuitas untuk aliran dua dimensi rata-rata kedalaman
(averaged continuity equation) dapat dituliskan sebagai berikut:
�
�
+
+
�
=0
(H-3)
Substitusi persamaan (H-1) dan (H-2) ke persamaan (H-3), maka persamaan
konservasi massa menjadi:
+
+
+
+
=0
(H-4)
13
Persamaan konservasi momentum:
Persamaan konservasi momentum pada arah x dan y untuk aliran 2
dimensi rata-rata kedalaman dapat ditulis sebagai berikut:
pada arah sumbu x:
�
�
�
+
�
�
�
+
1
+
�
�
−�
�
�
pada arah sumbu y:
�
�
�
+
�
�
+
dimana:
,
,
�
+
1
�
�
,
−�
�
�
�
+ �
�
1 �� 2
+
�
2 �
�
+ �
�
�
�
−
��
�
−
�
��
−
�
�
��
�
−
+
�
��
�
(H-5)
=0
1 �� 2
2 �
(H-6)
=0
= koefisien koreksi momentum
= percepatan gravitasi
�
= rapat massa air
� ,�
= tegangan geser dasar
� ,�
= tegangan geser permukaan
� ,� ,� ,�
= tegangan geser akibat turbulensi
(misal �
adalah tegangan geser ke arah sumbu x yang
bekerja pada bidang tegak lurus sumbu y).
Tegangan geser dasar dalam arah sumbu x dan y dapat dihitung sebagai berikut:
pada arah sumbu x:
1
2
�
=�
2
+
2
1+
2 2
+
(H-7)
pada arah sumbu y:
1
2
�
=�
2
+
2
1+
2 2
+
(H-8)
14
Dengan
adalah koefisien gesek dasar yang dapat dihitung sebagai berikut:
2
=
2
=
2
dimana:
�
(H-9)
1
3
= koefisien Chezy
= koefisien kekasaran Manning
= 1,486 jika menggunakan satuan Inggris dan 1,0 jika menggunakan
satuan Internasional (SI)
Tegangan geser turbulen rata-rata kedalaman dihitung menggunakan konsep
viskositas eddy dari Boussinesq, yaitu:
�
�
=�
=�
�
+
=�
DI PERAIRAN PELAWANGAN BARAT, SEGARA ANAKAN CILACAP
TRI NUR CAHYO
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
PERNYATAAN MENGENAI TESIS
DAN SUMBER INFORMASI
Saya menyatakan bahwa tesis Hidrodinamika dan Sebaran Materi Padatan
Tersuspensi di Perairan Pelawangan Barat, Segara Anakan Cilacap adalah karya
saya sendiri dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam
bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka
pada bagian akhir tesis ini.
Bogor, Januari 2012
Tri Nur Cahyo
NRP C551080061
ABSTRACT
TRI NUR CAHYO. Hydrodynamics and Total Suspended Solid Spreading at
Western Outlet of Segara Anakan, Cilacap. Under direction of I WAYAN
NURJAYA and NYOMAN METTA N. NATIH.
Western outlet of Segara Anakan Lagoon is located at the southern coast of
Central Java, where high sedimentation rate originated from Citanduy River take
place. Observation and model approached was used to reach the aim. The
properties of tides, current, salinity, temperature, bed sediment and Total
Suspended Solid (TSS) were measured to understand the hydrodynamics of
western outlet waters. A two-dimensional hydrodynamic model was coupled with
two-dimensional transport model for TSS. The model was validated using hourly
measured data of surface currents, elevation, and TSS during 26-28, June 2010.
The results showed that model matched with measured data. Comparation of the
model and observation have statistically error of currents pattern (RMSE 0,1037
m/s and NRMSE 20,1363%); elevation (RMSE 0,1405 m and NRMSE
11,2415%), and TSS concentration (RMSE 0,0439 kg/m3 dan NRMSE
15,0781%). TSS loaded to The Indian Ocean was 20.8777 kg/s and flux 0.0139
kg/m2/s.
Keywords: model, current, elevation, TSS, Western outlet of Segara Anakan
RINGKASAN
TRI NUR CAHYO. Hidrodinamika dan Sebaran Materi Padatan Tersuspensi di
Perairan Pelawangan Barat, Segara Anakan Cilacap. Dibimbing oleh I WAYAN
NURJAYA dan NYOMAN METTA N. NATIH.
Sedimentasi di Laguna Segara Anakan terutama disebabkan masuknya
sedimen dari Sungai Citanduy dalam bentuk sedimen dasar (bed load) dan
sedimen tersuspensi (suspended load). Sebagian besar diendapkan dalam
laguna dan sisanya keluar ke laut melalui Perairan Pelawangan Barat (PPB)
yang merupakan outlet bagian barat Laguna Segara Anakan. Materi padatan
tersuspensi (MPT) merupakan salah satu jenis sedimen melayang. Sebaran MPT
di PPB dipengaruhi oleh proses hidrodinamika. Proses hidrodinamika dan
sebaran MPT dapat dipelajari dengan metode pendekatan pemodelan untuk
mendapatkan gambaran spasial secara cukup jelas. Penelitian tentang
hidrodinamika dan sebaran MPT di PPB belum banyak dilakukan, maka perlu
dilakukan penelitian tentang hidrodinamika dan sebaran MPT dengan
pendekatan pemodelan.
Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji dinamika arus dan sebaran MPT di
PPB dengan pendekatan observasi dan pemodelan, serta mengetahui
konsentrasi MPT yang keluar dari PPB. Manfaat yang diharapkan dari penelitian
ini adalah memperoleh suatu gambaran perkiraan transpor MPT yang
disebabkan arus sehingga dapat digunakan sebagai masukan dalam
pengelolaan Perairan Pelawangan Barat dan Kawasan Laguna Segara Anakan.
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah observasi dan
pemodelan. Penelitian dilaksanakan pada Bulan Juni 2010-September 2011
berupa perolehan data, pengolahan data, pembuatan pemodelan, validasi,
simulasi, dan analisis model. Lokasi penelitian hidrodinamika dan transpor MPT
adalah PPB, Segara Anakan, Cilacap. Perolehan data observasi meliputi data:
kedalaman, pasang surut, arus, salinitas, suhu, sampel sedimen dasar, dan
sampel air untuk nilai konsentrasi MPT. Pengolahan data berupa pembuatan
peta batimetri dari data kedalaman, data arus, pasang surut, MPT yang dijadikan
input dalam pemodelan ataupun sebagai validasi data model. Syarat utama
model 2 dimensi adalah perairan dengan tipe stratifikasi sebagian (partially mixed
estuary), sehingga dibutuhkan data profil menegak densitas dari observasi dan
hitungan Angka Richardson.
Pembuatan model menggunakan perangkat lunak Surfacewater Modeling
System (SMS) dengan modul RMA2 untuk hidrodinamika dan modul SED2D
untuk sebaran MPT. Pemodelan dimulai dengan pembuatan domain model
berupa jaring model (mesh) interpolasi batimetri, memberikan input kondisi batas
terbuka dinamik, penentuan parameter model, running, validasi data model,
analisa data model, dan pembuatan simulasi. Data pasang surut dan debit
digunakan sebagai input model sebagai kondisi batas terbuka dinamis.
Penentuan parameter model dari data dan pustaka. Pola arus dan elevasi hasil
model dianalisa pada kondisi air: menuju surut, pada waktu surut, menuju
pasang, dan pada waktu pasang. Hasil model RMA2 dan mesh menjadi input
dalam modul SED2D, selanjutnya memasukkan parameter model sedimen
menghasilkan pola sebaran MPT.
Profil menegak densitas dan hitungan Angka Richardson menunjukkan
bahwa tipe percampuran PPB adalah estuari tercampur sebagian (partially mixed
estuary), maka model 2D dapat digunakan. Arus hasil model diperoleh arus
maksimal 0,9516 m/detik, arus minimal 0,0727 m/detik, dengan rata-rata 0,4759
± 0,2566 m/detik. Hasil validasi arus model dan data observasi dengan nilai Root
Mean Square Error (RMSE) 0,1037 m/detik dan Normalized Root Mean Square
Error (NRMSE) 20,1363%, dengan arah arus timur laut dan/atau barat daya
ketika pasang dan surut. Hasil validasi elevasi muka air model dan data pasang
surut dengan nilai RMSE 0,1405 m dan NRMSE 11,2415%.
Pola arus hasil model pada kondisi menuju surut: arus hasil observasi
0,6768 m/detik dan arus hasil model 0,6498 m/detik dengan arah 240,1o (barat
daya), dan adanya putaran arus (eddy) di daerah tengah PPB. Kondisi surut:
arus hasil observasi 1,0663 m/detik dan arus hasil model 0,9516 m/detik dengan
arah 195,3o (selatan), arus tersebut mendorong air dengan cepat ke arah laut.
Kondisi menuju pasang: arus arus dari Samudera Hindia dengan magnitut arus
hasil observasi 0,1578 m/detik dan arus hasil model 0,1343 m/detik dengan arah
8,3o (utara), terjadi arus putaran (eddy) pada beberapa bagian di PPB yang
mengindikasikan arus dari laut dan Laguna Segara Anakan bertemu dengan
beda magnitut. Kondisi pasang: arus hasil observasi 0,7860 m/detik dan arus
hasil model 0,7357 m/detik dengan arah 41,0o (utara), ada beberapa arus
putaran (eddy).
Validasi MPT hasil model dengan data observasi mempunyai nilai RMSE
0,0439 kg/m3 dan NRMSE 15,0781%. Pola sebaran MPT pada waktu pasang: air
laut membawa air jernih dan bersalinitas tinggi mendesak air di PPB menuju ke
Laguna Segara Anakan, sehingga konsentrasi MPT kecil di daerah mulut dan
daerah tengah PPB. Sedangkan pada saat surut: resultan antara arus surut dan
debit air dari Laguna Segara Anakan yang mempunyai konsentrasi MPT tinggi
terdistribusi hingga ke Samudera Hindia. Rerata dugaan beban MPT di mulut
PPB sebesar 20.8777 kg/detik, dengan fluks sebesar 0.0139 kg/m2/detik.
Simpulan dari penelitian adalah pendekatan observasi yang dikomplemen
dengan model hidrodinamika dan sebaran MPT di PPB memberikan gambaran
cukup jelas tentang pola arus dan elevasi muka air dengan model RMA2,
sedangkan model SED2D memberikan gambaran sebaran MPT di PPB. Secara
umum model memberikan nilai kesalahan (RMSE dan NRMSE) dalam kisaran
yang masih dapat diterima. Beban (load) dan fluks MPT ke laut dapat diketahui
dari perhitungan arus dan luas penampang di daerah mulut PPB. Saran
penelitian mendatang adalah perlunya penentuan kondisi batas sebelah utara
dengan memasukkan daerah Sungai Citanduy dan Laguna Segara Anakan,
penggunaan model 3 dimensi misalnya RMA10, dan perlu dikaji masukan
sedimen dasar (bed load).
Penelitian hidrodinamika dan sebaran MPT di PPB dengan observasi dan
pemodelan telah memberikan informasi yang cukup komprehensif sehingga
dapat dijadikan alternatif solusi untuk menduga beban masukan sedimen
melayang yang keluar ke Samudera Hindia dan untuk pengelolaan Laguna
Segara Anakan dan PPB.
Kata kunci: arus, elevasi, MPT, pemodelan, Perairan Pelawangan Barat
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2012
Hak Cipta dilindungi Undang – Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
yang wajar IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
HIDRODINAMIKA DAN SEBARAN MATERI PADATAN TERSUSPENSI
DI PERAIRAN PELAWANGAN BARAT, SEGARA ANAKAN CILACAP
TRI NUR CAHYO
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Ilmu Kelautan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Ir. Agus S. Atmadipoera, DESS
HALAMAN PENGESAHAN
Judul Tesis
:
Hidrodinamika dan Sebaran Materi Padatan Tersuspensi
di Perairan Pelawangan Barat, Segara Anakan Cilacap
Nama
:
Tri Nur Cahyo
NRP
:
C551080061
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. I Wayan Nurjaya, M.Sc
Ketua
Dr. Ir. Nyoman Metta N. Natih, M.Si
Anggota
Diketahui
Ketua Program studi
Ilmu Kelautan
Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Dr. Ir. Neviaty P. Zamani, M.Sc
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr
Tanggal Ujian: 10 Januari 2012
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji syukur kehadirat Alloh SWT sehingga penulis dapat menyelesaikan
tesis yang berjudul "Hidrodinamika dan Sebaran Materi Padatan Tersuspensi di
Perairan Pelawangan Barat, Segara Anakan Cilacap".
Dalam kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih kepada semua
pihak yang telah membantu dalam penyusunan tesis ini dan penghargaan
sebesar-besarnya kepada:
1.
Bapak Dr. Ir. I Wayan Nurjaya, M.Sc selaku Ketua Komisi Pembimbing dan
Bapak Dr. Ir. Nyoman Metta N. Natih, M.Si selaku Anggota Komisi
Pembimbing, atas bantuan dan bimbingan dalam menyelesaikan tesis ini.
2.
Bapak Dr. Ir. Agus S. Atmadipoera, DESS sebagai penguji luar komisi dan
Ibu Dr. Ir. Neviaty P. Zamani, M.Sc yang telah memberikan saran dan kritik
untuk perbaikan tesis.
3.
Staf pengajar Program Studi Ilmu Kelautan FPIK IPB yang telah memberikan
ilmu pengetahuan dan pengalamannya.
4.
Kedua orang tua saya Bapak Abdul Rabani dan Ibu Sri Suwarti, Istriku
tersayang Erika Damayanti SE, Anakku Raditya Rizki dan adek atas
pengorbanan dan kasih sayang yang sangat besar.
5.
Prof. Dr.-ing Soewarto Hardhienata dan Sri Setyaningsih, M.Si yang telah
memberikan dukungan dan pemenuhan akomodasi selama studi di Bogor.
6.
Staf pengajar Program Studi Ilmu Kelautan Universitas Jenderal Soedirman
(UNSOED) Purwokerto untuk semangat dan dukungannya.
7.
Staf BRKP Ancol Dr.-Ing. Widodo S. Pranowo dan Dwi Yoga Nugroho, MT;
Staf DISHIDROS Ancol Mayor Laut Firdaus atas pemberian ilmu pemodelan.
8.
Rekan-rekan mahasiswa mayor Ilmu Kelautan (IKL) angkatan 2008, atas
dukungan moral dan sharing ilmu.
Penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun untuk
penyempurnaan tulisan di masa datang (trinurcahyo@gmail.com). Semoga
tulisan ini bermanfaat bagi pembaca.
Bogor,
Januari 2012
Tri Nur Cahyo
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Salatiga pada tanggal 3 April 1975 merupakan anak
ketiga dari empat bersaudara dari Bapak Abdul Rabani dan Ibu Sri Suwarti.
Pendidikan S1 pada Program Studi Ilmu Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu
Kelautan (FPIK), Universitas Diponegoro (UNDIP) Semarang lulus tahun 1999.
Penulis bekerja sebagai asisten konsultan pada Segara Anakan Conservation
and Development Project (SACDP) di Cilacap (Oktober 1999-Juli 2004). Bekerja
sebagai fasilitator pendamping pembangunan di LSM Lembaga Pengkajian dan
Pengembangan Sumberdaya Pembangunan (LPPSP) Semarang, ditempatkan di
desa nelayan Sugih Waras, Pemalang (Agustus 2004-Desember 2004). Sebagai
staf pengajar pada Program Studi Ilmu Kelautan, Fakultas Sains dan Teknik,
Universitas Jenderal Soedirman Purwokerto (UNSOED) sejak Januari 2005.
Penulis diterima sebagai mahasiswa pascasarjana (S2) Mayor Ilmu Kelautan
Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor (SPs-IPB) tahun 2008.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ................................................................................................xxi
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xxiii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................xxv
PENDAHULUAN.................................................................................................. 1
Latar Belakang ................................................................................................ 1
Perumusan Masalah ....................................................................................... 2
Tujuan ............................................................................................................. 4
Manfaat ........................................................................................................... 4
TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................................... 5
Kondisi Perairan Pelawangan Barat ................................................................ 5
Batimetri Perairan Pelawangan Barat.............................................................. 6
Pasang Surut .................................................................................................. 7
Tipe Estuari ..................................................................................................... 8
Estuari Terstratifikasi (Highly Stratified Estuaries) .................................. 8
Estuari Tercampur Sebagian (Partially-Mixed Estuaries)........................ 8
Estuari Tercampur Sempurna (Well-Mixed Estuaries) ............................ 9
Kecepatan Arus............................................................................................. 10
Hidrodinamika ............................................................................................... 11
Persamaan Hidrodinamika ................................................................... 12
Diskritisasi dan Solusi Persamaan ....................................................... 15
Tahanan Dasar dan Hambatan Aliran .................................................. 16
Turbulensi ............................................................................................ 17
Sedimen ........................................................................................................ 18
Karakteristik Sedimen .......................................................................... 18
Distribusi Ukuran Butir Sedimen ............................................ 18
Diagram Ternary.................................................................... 19
Parameter Statistik Sedimen ................................................................ 20
Ukuran Butir Rata-rata (Mean Size) ....................................... 20
Sortasi (Sorting)..................................................................... 21
Kemencengan (Skewness) .................................................... 21
Kurtosis ................................................................................. 21
Sedimen Tersuspensi .......................................................................... 22
Pergerakan Sedimen ........................................................................... 25
Persamaan Transpor Sedimen Tersuspensi ........................................ 26
Perhitungan Tegangan Geser Dasar ..................................... 27
Profil Kecepatan Logaritma Dinding Halus............................. 27
Persamaan Tegangan Geser Manning .................................. 27
Sumber Sedimen Dasar ........................................................ 27
Transpor Sedimen Kohesif .................................................... 28
BAHAN DAN METODE PENELITIAN ................................................................ 29
Waktu dan Lokasi Penelitian ......................................................................... 29
Alat dan Bahan.............................................................................................. 31
xix
Perolehan Data ............................................................................................. 32
Kedalaman ........................................................................................... 32
Pasang Surut ....................................................................................... 32
Pengukuran Arus ................................................................................. 33
Data CTD ............................................................................................. 34
Data MPT ............................................................................................. 34
Data Sedimen Dasar ............................................................................ 34
Pengolahan Data .......................................................................................... 35
Peta Batimetri ...................................................................................... 35
Data Pasang Surut ............................................................................... 36
Data Arus ............................................................................................. 36
Data CTD ............................................................................................. 37
Konsentrasi MPT.................................................................................. 37
Data Sedimen Dasar ............................................................................ 38
Pembuatan Model Hidrodinamika dan Sebaran MPT .................................... 39
Asumsi yang Digunakan Dalam Pemodelan .................................................. 40
HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................................. 49
Gambaran Lokasi Penelitian ......................................................................... 49
Hasil Observasi ............................................................................................. 50
Batimetri ............................................................................................... 50
Arus dan Debit Air ................................................................................ 53
Pasang Surut ....................................................................................... 56
Sedimen Dasar .................................................................................... 59
Data CTD ............................................................................................. 62
Data MPT ............................................................................................. 63
Kompilasi Data Observasi .................................................................... 66
Model Hidrodinamika dan Sebaran MPT ....................................................... 67
Jaring Model ........................................................................................ 71
Kondisi Batas ....................................................................................... 72
Kondisi Batas Elevasi ............................................................ 72
Kondisi Batas Debit ............................................................... 72
Kondisi Batas Daratan ........................................................... 72
Parameter Model.................................................................................. 72
Hasil Pemodelan .................................................................................. 73
Model RMA2 .......................................................................... 73
Model SED2D ........................................................................ 77
Beban dan Fluks MPT ........................................................... 80
SIMPULAN DAN SARAN ................................................................................... 81
Simpulan ....................................................................................................... 81
Saran ............................................................................................................ 81
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 83
LAMPIRAN ........................................................................................................ 87
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Penelitian-penelitian yang pernah dilakukan sebelumnya di PPB .................... 3
2 Hidrologi sungai-sungai yang masuk ke Segara Anakan ................................. 5
3 Klasifikasi ukuran butir sedimen (Dyer 1986; Blott dan Pye 2001) ................. 19
4 Kriteria parameter statistik sedimen ............................................................... 22
5 Tipe dan ukuran partikel sedimen .................................................................. 23
6 Posisi stasiun perolehan data ........................................................................ 30
7 Perolehan data pada tiap kategori stasiun ..................................................... 30
8 Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian .......................................... 31
9 Nilai koefisien pertukaran turbulen (Donnell 2008) ......................................... 46
10 Nilai koefisien kekasaran Manning (Donnell 2008) ....................................... 46
11 Aspek kesalahan dalam validasi model........................................................ 47
12 Morfometri dan karakter daerah penelitian ................................................... 49
13 Luas penampang vertikal beberapa lokasi ................................................... 51
14 Debit pada stasiun stasiun sumber (stasiun 6) ............................................. 56
15 Asimetri pasang surut data pengukuran ....................................................... 57
16 Analisa fraksi sedimen dasar PPB ............................................................... 60
17 Distribusi frekuensi ukuran butir sedimen dasar PPB ................................... 60
18 Analisis parameter statistik sedimen dasar sistem logaritmik ....................... 61
19 Data MPT pada waktu pasang dan surut ..................................................... 64
20 Hasil perhitungan beban dan fluks MPT di mulut PPB ................................. 80
xxi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Kerangka pemikiran penelitian ......................................................................... 3
2 Tipe estuari. (a) Estuari terstratifikasi (b) Estuari tercampur sebagian (c)
Estuari tercampur sempurna ........................................................................ 10
3 Diagram Ternary untuk campuran pasir-lanau-liat (Dyer 1986) ...................... 20
4 Proses pengendapan sedimen non-kohesif dan kohesif ................................ 24
5 Lokasi Penelitian............................................................................................ 29
6 Diagram kerja modul RMA2 dan SED2D ....................................................... 42
7 Tipe elemen dalam SMS ................................................................................ 44
8 Kisaran waktu perolehan data kedalaman koreksi pasang surut .................... 50
9 Titik pengukuran kedalaman dan batimetri PPB............................................. 52
10 Penampang horisontal dan melintang PPB .................................................. 52
11 Stick plot arus di stasiun menetap (stasiun 4) .............................................. 54
12 Stick plot arus di stasiun sumber (stasiun 6) ................................................ 55
13 Data Pasang Surut Selama Penelitian ......................................................... 57
14 Perbandingan data pasang surut observasi dan NaOTide ........................... 58
15 Sedimen dasar dan diagram Ternary ........................................................... 59
16 Distribusi frekuensi ukuran butir sedimen dasar PPB ................................... 61
17 Sebaran menegak densitas pada saat (a) pasang dan (b) surut .................. 62
18 Data MPT deret waktu selama observasi di Stasiun 4 ................................. 64
19 Pola sebaran spasial MPT pada waktu pasang dan surut ............................ 65
20 Kompilasi data observasi di stasiun menetap............................................... 67
21 Profil menegak densitas menjelang pasang, pasang, menjelang surut dan
surut ............................................................................................................. 68
22 Batimetri dan domain model PPB dan laut sekitarnya .................................. 70
23 Model-konseptual dari domain model .......................................................... 70
24 Mesh (a) geometri mesh (b) mesh dengan interpolasi kedalaman ............... 71
25 Validasi hasil model dan observasi data (a) arus dan (b) elevasi ................. 74
26 Elevasi muka air dan arus pada stasiun 4 .................................................... 75
27 Pola arus hasil pemodelan RMA2 ................................................................ 77
28 Perbandingan konsentrasi MPT hasil model dan observasi ......................... 78
29 Pola sebaran MPT pada saat (a) pasang dan (b) surut ................................ 79
xxiii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Foto-foto penelitian ........................................................................................ 89
2 Menentukan MSL dengan metode filter Xo (Filter Doodson) ........................... 90
3 Pengukuran konsentrasi MPT ........................................................................ 92
4 Debit stasiun sumber berdasarkan arus dan luas penampang ....................... 93
5 Profil menegak suhu, salinitas, dan densitas di stasiun 4 ............................... 94
6 Klasifikasi estuari menurut Angka Richardson ............................................... 96
7 Analisis sedimen dasar .................................................................................. 97
8 Kontur batimetri 3 dimensi PPB dan laut sekitarnya ....................................... 98
9 Validasi kedekatan data pasang surut NaOTide dan observasi ..................... 99
10 Penentuan tipe aliran dengan angka Reynolds .......................................... 101
11 Validasi data arus model dan observasi ..................................................... 102
12 Validasi data elevasi model dan observasi ................................................. 103
13 Validasi data MPT model dan observasi .................................................... 104
xxv
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Laguna Segara Anakan merupakan estuari semi tertutup berada dalam
wilayah administratif Kabupaten Cilacap, Propinsi Jawa Tengah mempunyai dua
inlet-outlet (disebut pelawangan) di sebelah timur dan barat. Pelawangan
sebelah timur merupakan akses pelabuhan perniagaan dan industri, sedangkan
pelawangan barat merupakan akses nelayan Kawasan Laguna Segara Anakan
dan Samudera Hindia. Menurut Purba dan Sujastani (1989), kondisi Pelawangan
Timur
tidak mengalami perubahan yang nyata, dan Laguna Segara Anakan
sebelah barat mendapat tekanan berupa masukan sedimen terutama dari Sungai
Citanduy (masuk wilayah Jawa Barat) sebesar 5 juta m3 per tahun, dan Sungai
Cimeneng/Palindukan dan Sungai Cibeureum (masuk wilayah Jawa Tengah)
sebesar 770 ribu m3 per tahun, yang akhirnya keluar ke laut.
Perairan Pelawangan Barat (selanjutnya ditulis PPB) merupakan inlet-outlet
bagian barat Laguna Segara Anakan menuju Samudera Hindia, dengan kondisi
geografis bukitan 70-190 m dpl (dari permukaan laut) dengan muara Nusa Were
(SACDP-BAKOSURTANAL 1998). Hidrologi laguna dipengaruhi sungai-sungai
yang bermuara di laguna sebelah barat diantaranya Sungai Citanduy, Sungai
Cibeureum, dan Sungai Cikonde, bersama pasang surut akan mempengaruhi
kondisi hidrodinamika PPB. Sungai Citanduy sebagai sungai terbesar dan
menyumbang 80% debit air dan sedimen melayang masuk ke dalam laguna
(Purba dan Sujastani 1989; Matsuyama et al. 1994; Nugrahadi dan Tejakusuma
2007), 20% debit dari sungai-sungai lain.
Isu pengelolaan PPB terintegrasi dengan Kawasan Segara Anakan adalah
tingginya laju sedimentasi dengan akibat primer berkurangnya luas area
perairan. Hidrodinamika dan sebaran Muatan Padatan Tersuspensi (selanjutnya
ditulis MPT) merupakan aspek penting dalam pengelolaan Segara Anakan dan
PPB yang erat kaitannya dengan transpor material, kualitas air, dan sedimentasi.
Sedimentasi merupakan material sedimen yang masuk ke dalam perairan
baik yang berada di dasar perairan (bed load) maupun yang melayang
(suspended load) (van Rijn 1993; Lin dan Falconer 1995). Dalam penelitian ini
hanya membahas tentang dinamika sedimen melayang, dimana MPT merupakan
salah satu bentuk dari sedimen melayang. Masuknya MPT ke laut mempunyai
2
karakteristik tersendiri, dimana mekanisme transpornya dipengaruhi oleh musim,
hidrodinamika, angin, arus, gelombang, pasang surut, dan bentuk dasar perairan.
Menurut Triatmodjo (1999), pantai dan dasar laut tersusun dari material-material
sedimen seperti pasir, lumpur, lempung serta material-material lainnya yang
sangat dipengaruhi oleh dinamika gerak air seperti arus, gelombang, dan pasang
surut laut disamping sifat fisik sedimen tersebut.
Selama bertahun-tahun MPT yang terbawa oleh aliran sungai-sungai,
masuk ke Laguna Segara Anakan dan diendapkan di laguna, sehingga menjadi
dangkal dalam waktu yang cepat (Purba dan Sujastani 1989; Matsuyama et al.
1994). Ongkosongo et al. (1986) menyatakan bahwa sebagian besar sedimen
yang membentuk dataran lumpur berasal dari Sungai Citanduy dan diendapkan
di laguna sebesar 65% dan sisanya diangkut ke laut melalui PPB. Dinamika arus
dan sebaran MPT di PPB perlu dikaji lebih lanjut.
Penelitian tentang Laguna Segara Anakan sudah cukup banyak, tetapi
penelitian hidrodinamika di Segara Anakan dan PPB belum banyak dilakukan.
Penelitian yang pernah dilakukan di Kawasan Laguna Segara Anakan dan PPB
dapat dilihat pada Tabel 1.
Perumusan Masalah
Materi padatan tersuspensi dari Laguna Segara Anakan terdistribusi ke laut
melalui PPB (Ongkosongo et al. 1986). Sebaran MPT dipengaruhi oleh kondisi
hidrodinamika perairan lokal dan laut, faktor-faktor yang diduga mempengaruhi
adalah arus, pasang-surut, angin, kondisi dasar perairan, salinitas (Holtermann et
al. 2008). Dinamika pergerakan air di Segara Anakan didominasi oleh pasang
surut (Purba dan Sujastani 1989; Matsuyama et al. 1994; Nugrahadi dan
Tejakusuma 2007; Holtermann et al. 2008) yang juga mempengaruhi
hidrodinamika di PPB.
Kondisi hidrodinamik, terutama arus yang dibangkitkan oleh pasang surut
dan interaksinya dengan sebaran MPT di PPB perlu dikaji dengan pendekatan
observasi dan pemodelan. Kerangka pemikiran perumusan masalah dapat dilihat
pada Gambar 1.
3
Tabel 1 Penelitian-penelitian yang pernah dilakukan sebelumnya di PPB
Nomor
Peneliti
Tahun
1
Ongkosongo et al.
1986
2
Purba dan
Sujastani
1989
3
Matsuyama et al.
1994
4
ECI (Engineering
Consultants Inc.)
1994
5
Kusnida et al.
2003
6
Nugrahadi dan
Tejakusuma
2007
7
Holtermann et al.
2008
Tentang
Pertukaran dan
percampuran massa air
laut Samudera Hindia
dengan massa air tawar
Sungai Citanduy di Segara
Anakan, Jawa Tengah
Geografi dan Proses Fisik
Segara Anakan
Pemodelan numerik
pasang surut dan distribusi
MPT di Laguna Segara
Anakan
Model matematika di
Laguna Segara Anakan
Batimetri, pola arus dan
perubahan garis pantai di
Segara Anakan, Cilacap
Aspek hidrodinamika
Segara Anakan sebagai
dasar pertimbangan
pengembangan kawasan
Hidrodinamika Segara
Anakan
Hal penting berkaitan dengan
PPB
Masukan air campuran dari
Sungai Citanduy dan air dari
laguna masuk ke dalam PPB
sebesar 35%
Perubahan kedalaman di PPB
Tipe pasang surut di daerah
PPB
Perubahan kedalaman
Dominasi pasang surut
Arus yang ditimbulkan oleh S.
Citanduy sangat dominan dan
mencapai 1,5 m/detik
Pola arus daerah PPB
Penentuan parameter model
Membahas skenario sudetan
S. Citanduy
Membahas sedikit tentang
batimetri di PPB
membahas sedikit tentang
PPB
Batimetri di laguna
Rekonstruksi kedalaman di
laguna dan PPB
Gambar 1 Kerangka pemikiran penelitian
4
Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1.
Mengkaji dinamika arus dan sebaran Muatan Padatan Tersuspensi di
Perairan Pelawangan Barat dengan pendekatan observasi dan model.
2.
Mengetahui beban Muatan Padatan Tersuspensi yang keluar dari Perairan
Pelawangan Barat.
Manfaat
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah diperoleh suatu
gambaran perkiraan transpor MPT yang disebabkan arus. Diharapkan dalam
pengembangan lebih lanjut hasil penelitian berupa pola arus dan sebaran MPT
dapat digunakan sebagai masukan dalam pengelolaan Perairan Pelawangan
Barat dan Kawasan Laguna Segara Anakan.
TINJAUAN PUSTAKA
Kondisi Perairan Pelawangan Barat
Laguna Segara Anakan bagian barat dan Samudera Hindia dihubungkan
oleh PPB. Bagian yang berhubungan dengan laut merupakan teluk memanjang
dari Perairan Pangandaran Jawa Barat hingga Pulau Nusa Kambangan Jawa
Tengah. Pantai berhadapan dengan Samudera Hindia mempunyai gradasi dari
yang curam hingga berkurang kecuramannya di bagian muara Nusa Were
(SACDP-BAKOSURTANAL 1998).
Perairan Pelawangan Barat merupakan tempat keluar masuknya air ke
Laguna Segara Anakan dengan mekanisme pasang surut. Karakter PPB adalah
perairan yang pendek, dalam dan lebar sehingga membawa massa air pasang
surut yang banyak (Purba dan Sujastani 1989). Pasang surut bersama debit
Sungai Citanduy menentukan proses percampuran air. Sungai yang mengalir
masuk ke Laguna Segara Anakan bagian barat terdiri dari Sungai Citanduy,
Sungai Cibeureum, Sungai Cikonde. Debit Sungai Citanduy berperan sangat
penting bagi hidrodinamika di bagian barat laguna, karena daerah tangkapan
airnya yang luas.
Sungai-sungai yang masuk ke dalam Laguna Segara Anakan, setelah
bercampur di laguna maka air yang keluar dari laguna akan mempengaruhi
kondisi PPB ketika surut, dan sebaliknya ketika pasang maka laguna akan
mendapat masukan air laut melalui PPB dan masukan air dari sungai. Tabel 2
menunjukkan sungai-sungai, luas daerah aliran sungai dan debit musiman ratarata, beserta estimasi endapan yang masuk laguna.
Tabel 2 Hidrologi sungai-sungai yang masuk ke Segara Anakan
3
Rerata Debit (m /hari)
Basin dan Sungai
Luas
Basin (Ha)
Basin Citanduy
3500
Estimasi transpor
silt ke dalam laguna
(ton/tahun)
Musim
Kemarau
6
(x10 )
Musim
Penghujan
6
(x10 )
Rerata
Tahunan
6
(x10 )
14,77
24,45
19,61
Sungai Cibeureum
0,05
0,17
0,11
9.000
Sungai Cikonde
0,08
1,5
0,79
2.194.000
Total
14,9
26,12
20,51
5.242.000
Sungai Citanduy
Basin Segara Anakan
3.039.000
960
Sumber: Purba dan Sujastani (1989)
6
Menurut Kusnida et al. (2003) bahwa pada tahun 1944 luas Segara Anakan
adalah sekitar 6.450 hektar, tahun 1992 sekitar 1.800 hektar, tahun 2000 sekitar
1.600 hektar, tahun 2003 sekitar 600 hektar. Area dan volume Laguna Segara
Anakan mengalami penurunan secara gradual karena proses sedimentasi, yang
menyebabkan akresi sedimen. Sebagai akibatnya adalah terbentuknya beberapa
pulau di laguna dan ukurannya meningkat, beberapa pulau bergabung dengan
pulau utama. Kecepatan akresi di laguna bervariasi karena kecepatan erosi di
basin Segara Anakan dan atau basin Sungai Citanduy. Proses sedimentasi
tersebut dapat mempengaruhi kedalaman perairan di Laguna Segara Anakan
ataupun di PPB.
Batimetri Perairan Pelawangan Barat
Akibat dari proses sedimentasi dari Laguna Segara Anakan mengakibatkan
perubahan kedalaman di Pelawangan Barat, deposisi sedimen mempengaruhi
kedalaman perairan, menurut Purba dan Sujastani (1989) perubahan kedalaman
dari 40 m (tahun 1817) menjadi 10 m (1987), sehingga akan mengurangi aliran
pasang surut dan mengembalikan akresi sedimen ke laguna. Perubahan
kedalaman dapat diketahui dengan membandingkan peta batimetri pada siklus
waktu tertentu pada lokasi yang sama, dengan pengukuran kedalaman secara
periodik. Data kedalaman tersebut digunakan untuk membangun peta kedalaman
(batimetri).
Data batimetri adalah dasar yang sangat dibutuhkan untuk memahami
hidrodinamika suatu perairan (Nugrahadi dan Tejakusuma 2007). Secara umum
PPB merupakan perairan dangkal. Dalam menampilkan data batimetri dibuat
garis isobath (garis khayal yang menghubungkan kedalaman perairan yang
sama). Data batimetri dibangun dari pengukuran observasi berupa data
kedalaman berkoordinat atau hasil digitasi peta kedalaman penelitian pada
daerah yang sama (Siregar dan Selamat 2009). Data kedalaman dan data posisi
yang bersesuaian selanjutnya dikoreksi dengan data pasang surut dan dibuat
grid dengan proses interpolasi.
Batimetri suatu perairan bersama dengan kondisi batas dan garis pantai
menjadi masukan untuk pembuatan model suatu perairan untuk membentuk
daerah model (model domain). Penelitian Holtermann et al. (2008) telah
menampilkan batimetri Laguna Segara Anakan, tetapi untuk batimetri PPB hanya
sedikit wilayah yang terekam.
7
Pasang Surut
Pasang surut merupakan proses naik turunnya muka laut yang hampir
teratur, dibangkitkan oleh gaya tarik bulan dan matahari (harian). Karena posisi
bulan dan matahari terhadap bumi selalu berubah secara hampir teratur, maka
besarnya kisaran pasang surut juga berubah mengikuti perubahan posisi-posisi
tersebut. Jika suatu perairan mengalami satu kali pasang dan surut per hari,
maka kawasan tersebut dikatakan bertipe pasang surut tunggal. Jika terjadi dua
kali pasang dan dua kali surut dalam satu hari, maka pasang surutnya dikatakan
bertipe pasang surut ganda. Tipe pasang surut lainnya merupakan peralihan
antara tipe tunggal dan ganda, dan dikenal sebagai pasang surut campuran. Tipe
pasang surut ini dapat berubah tergantung terutama pada kondisi perubahan
kedalaman perairan atau geomorfologi pantai (Open University Course Team
1989; Ongkosongo dan Suyarso 1989).
Pergerakan air di laguna Segara Anakan dipengaruhi oleh aliran air sungai
dan pasang surut yang berasal dari Samudera Hindia. Pengaruh pasang surut
dari Samudera Hindia merambat masuk PPB melalui muara Nusa Were dan
masuk ke laguna. Tipe pasang surut PPB adalah pasang surut campuran dengan
dominasi pasang surut ganda (Ongkosongo et al. 1986; Purba dan Sujastani
1989; Nugrahadi dan Tejakusuma 2007; Holtermann et al. 2008). Pengukuran
pasang surut memberikan hasil tunggang pasang surut adalah 0,04-1,90 m
(Purba dan Sujastani 1989), 1,4 m (Holtermann et al. 2008).
Penjalaran gelombang pasang surut dari laut menuju estuari berlawanan
arah dengan debit sungai yang mengalir menuju laut. Karena adanya perbedaan
densitas antara air laut dan air tawar, maka akan terjadi percampuran diantara
keduanya. Tingkat percampuran tergantung pada geometri estuari, kisaran
pasang surut, besarnya debit sungai, perbedaan densitas antara air laut dan air
tawar, dan angin.
Cepat rambat pasang surut ke dalam estuari tergantung pada kedalaman
perairan. Puncak gelombang bergerak lebih cepat dari lembah, sehingga siklus
pasang surut bersifat asimetris dengan interval waktu relatif lama antara pasang
naik dan surut rendah berikutnya, dan interval yang lebih pendek antara surut
rendah dengan pasang naik berikutnya (Open University Course Team 1989).
Pasang surut dapat menyebabkan pergerakan horisontal (arus), yaitu aliran
horisontal periodik air yang berkaitan dengan naik-turunnya pasang surut. Arus
8
non-pasang surut termasuk semua arus selain arus pasang surut. Arus yang di
alam merupakan kombinasi dari arus pasang surut dan arus non-pasang surut.
Arus pasang surut mengalami saat berbalik arah dengan periode pendek
dengan besaran arus kecil bahkan nol, yang dinamakan air berhenti (slack
water), terjadi ketika pergantian pasang menuju surut dan sebaliknya. Arus
bervariasi dari nol sewaktu air berhenti (slack water) sampai maksimum. Arus
pasang berada di atas air berhenti (slack water), sedangkan arus surut berada di
bawah air berhenti (slack water) (Open University Course Team 1989).
Tipe Estuari
Berdasarkan struktur salinitasnya estuari diklasifikasikan menjadi tiga tipe
estuari, yaitu terstratifikasi (highly stratified), tercampur sebagian (partially
mixed), dan tercampur sempurna (well mixed) (Dyer 1986; Open University
Course Team 1989; Triatmojo 1999; Ji 2008). Tipe dari estuari dapat dilihat pada
Gambar 2.
Estuari Terstratifikasi (Highly Stratified Estuaries)
Ketika debit sungai yang besar memasuki daerah dengan pasang surut
yang lemah, dimana air tawar dengan densitas lebih ringan daripada air laut,
cenderung mengalir ke arah laut melintasi permukaan dan air dengan densitas
tinggi berada di bawah dan baji garam hampir tidak bergerak. Air laut berada di
bawah dan dekat dengan mulut estuari, hanya sebagian kecil terjadi
percampuran. Antara dua massa air ada zona sempit pada bagian permukaan
dimana terdapat perbedaan salinitas tajam yang disebut haloklin. Gradien
densitas membuat haloklin cenderung stabil dan dua massa air tersebut tidak
bercampur dengan cepat. Karena kecilnya kisaran pasang surut yang kecil, maka
massa air dekat dasar yang bersalinitas tinggi menjadi relatif stasioner, tetapi air
tawar di permukaan mempunyai kecepatan yang tinggi. Beda kecepatan tersebut
membuat tidak ada air tawar yang tercampur ke dasar dan hanya terjadi
percampuran di bagian atas.
Estuari Tercampur Sebagian (Partially-Mixed Estuaries)
Estuari dengan pasang surut, dimana sebagian besar massa air bergerak
ke arah darat saat pasang dan arah sebaliknya ketika surut, adanya gesekan
9
pada dasar menyebabkan tahanan kecepatan dan menimbulkan turbulensi.
Turbulensi membuat proses percampuran massa air efektif, dimana terjadi
proses percampuran air bersalinitas tinggi ke arah permukaan dan air
bersalinitas rendah bercampur ke bawah. Proses penurunan salinitas mencapai
dekat dasar sehingga menghasilkan gradien salinitas ke arah hulu estuari.
Di permukaan dengan lapisan densitas lebih rendah mengalir ke laut
dengan membawa air bersalinitas hasil dari percampuran. Garam tersebut
merupakan proses pergantian dari lapisan di bawahnya sebagai akibat
masuknya air laut ke arah daratan yang menimbulkan turbulensi. Arus residu
secara vertikal disebabkan perbedaan densitas secara vertikal dan proses
percampuran yang disebut sirkulasi vertikal gravitasi. Tetapi arus ini hanya
sepersepuluh dari arus yang disebabkan pasang surut.
Arus dari estuari tipe ini dalam irisan melintang menunjukkan fenomena di
lapisan atas mengarah ke laut sedangkan dekat dasar arah aliran mengarah ke
daratan, dengan profil salinitas semakin ke dalam semakin tinggi sebagai akibat
proses percampuran turbulensi. Arus residu di permukaan lebih tinggi saat surut
dari pada saat pasang, berkebalikan dengan arus dekat dasar, di daerah lapisan
tengah mempunyai kondisi haloklin yang merupakan daerah tidak ada aliran.
Distribusi horisontal salinitas merupakan isohaline dengan kemiringan yang tidak
terlalu berbeda antar lapisan. Stratifikasi umumnya cenderung meningkat ke arah
laut.
Estuari Tercampur Sempurna (Well-Mixed Estuaries)
Estuari dengan debit dari sungai tidak besar dan kisaran pasang surut
cukup besar, saat arus pasang surut meningkat maka intensitas percampuran
terjadi sampai pada kondisi bercampurnya kolom air dengan sempurna dengan
menghasilkan variasi lateral salinitas. Arus residu dari sungai cenderung
bercampur pada kolom air, sehingga terjadi variasi horisontal, dengan salinitas
semakin tinggi ke arah laut. Kondisi tersebut menghasilkan arus residu horisontal
dan tidak terjadinya arus vertikal atau pengangkatan (entrainment) vertikal.
Perbedaan salinitas secara vertikal sangat kecil.
10
Keterangan:
o
S = Salinitas ( /oo)
Sumber: Ji 2008
Gambar 2 Tipe estuari. (a) Estuari terstratifikasi (b) Estuari tercampur sebagian
(c) Estuari tercampur sempurna
Kecepatan Arus
Arus adalah pergerakan kontinyu massa air menuju kesetimbangan yang
menyebabkan perpindahan massa air secara horisontal dan vertikal. Gerakan
tersebut merupakan resultan dari beberapa gaya yang bekerja dan beberapa
faktor yang mempengaruhinya (Pond dan Pickard 1983). Gaya yang dapat
menyebabkan terjadinya arus diantaranya: pasang surut, gravitasi, gesekan
angin, tekanan atmosfer, Coriolis, pebedaan densitas. Berbagai macam gaya
tersebut bekerja pada permukaan, kolom, dan dasar perairan. Hasil dari gerakan
massa air adalah vektor yang mempunyai besaran kecepatan dan arah.
Daerah pantai dan estuari sangat dipengaruhi dinamika pasang surut.
Perbedaan tekanan hidrostatis saat terjadi pasang dan surut menyebabkan
pergerakan air yang disebut arus pasang surut (Ji 2008). Menurut Pond dan
Pickard (1983) bahwa arus pasang (flood tide) terjadi ketika naiknya elevasi air,
sedangkan arus surut (ebb tide) terjadi ketika turunnya elevasi air. Kecepatan
arus pasang surut mencapai maksimum pada kondisi air pertengahan diantara
muka air pasang dan surut (mean sea level). Kecepatan akan mencapai
minimum, bahkan nol, pada kondisi air diam (slack water).
11
Untuk mengetahui arus digunakan 2 metode, yaitu cara Eulerian dan
Lagrangian. Pengukuran metode Eularian adalah pengukuran besaran dan arah
arus sepanjang waktu pada titik tetap dengan koordinat tertentu. Alat yag
digunakan adalah pengukur arus konvensional di titik tetap, dengan mengukur
arus tiap satuan waktu. Pengukuran metode Lagrangian adalah metode
pengukuran arus dengan mengikuti lajur (trajectory) partikel. Besarnya kecepatan
dan arah pada tiap satuan waktu dapat diketahui, tetapi dengan posisi yang
berbeda koordinatnya. Dalam metode Eularian kecepatan tidak tergantung
terhadap waktu disebut kondisi tetap (steady state), dalam metode Lagrangian
kecepatan yang tetap terjadi saat kondisi lajurnya seragam (uniform). Kedua
metode tersebut kecepatan akan sama jika aliran keduanya tetap dan seragam
(Dyer 1986).
Hidrodinamika
Sistem perairan pantai dan estuari adalah suatu sistem yang sangat
kompleks dan sangat bergantung pada ruang dan waktu. Untuk mengetahui
hubungan antar sejumlah variabel dan parameter, maka cara terbaik untuk
mengkajinya adalah melalui pendekatan model (Sugianto 2009), salah satunya
dengan model matematik. Persamaan yang digunakan dalam model matematik
yaitu persamaan hidrodinamika untuk pola arus, sedangkan untuk sedimen
melayang digunakan persamaan transpor sedimen.
Hidrodinamika mempelajari pergerakan air dan gaya-gaya yang bekerja
pada air tersebut. Model hidrodinamika dapat menyediakan informasi tentang
transpor sedimen termasuk kecepatan air, pola percampuran, dan dispersi (Ji
2008). Dalam mempelajari hidrodinamika dinyatakan dalam persamaanpersamaan. Persamaan hidrodinamika dalam pemodelan dua dimensi yaitu
persamaan kontinyuitas dan kekekalan momentum dengan berbagai asumsi
untuk penyederhanaan.
Persamaan
konservasi
massa
(kontinuitas)
dan
momentum
yang
diintegrasikan terhadap kedalaman. Persamaan hidrodinamika dan transpor
mengacu pada Donnell (2008), Akhwady dan Sufyan (2008), Sachoemar dan
Purwandani
(2009), Sugianto (2009). Tanda dalam persamaan sebagai ciri
khusus, misal (H-1) adalah persamaan hidrodinamika yang pertama.
12
Persamaan Hidrodinamika
Persamaan dasar aliran yang digunakan merupakan persamaan aliran 2
dimensi pada rerata kedalaman (depth average) untuk kondisi aliran sub kritik.
Kondisi aliran yang terjadi pada kanal sangat lebar, sehingga variasi kecepatan
terhadap
kedalaman
relatif
kecil.
Percepatan
gravitasi
lebih
dominan
dibandingkan dengan percepatan aliran vertikal. Sehingga persamaan aliran
dapat didekati dengan persamaan aliran dangkal (shallow water equation).
Komponen kecepatan rata-rata kedalaman dalam koordinat horizontal x dan y (
dan ) didefinisikan sebagai berikut:
+�
1
=
�
+�
1
=
�
dimana:
�
(H-1)
(H-2)
= kedalaman air
= elevasi
+ � = muka air
= kecepatan horizontal arah x
= kecepatan horizontal arah y
Persamaan konservasi massa (persamaan kontinuitas):
Persamaan kontinuitas untuk aliran dua dimensi rata-rata kedalaman
(averaged continuity equation) dapat dituliskan sebagai berikut:
�
�
+
+
�
=0
(H-3)
Substitusi persamaan (H-1) dan (H-2) ke persamaan (H-3), maka persamaan
konservasi massa menjadi:
+
+
+
+
=0
(H-4)
13
Persamaan konservasi momentum:
Persamaan konservasi momentum pada arah x dan y untuk aliran 2
dimensi rata-rata kedalaman dapat ditulis sebagai berikut:
pada arah sumbu x:
�
�
�
+
�
�
�
+
1
+
�
�
−�
�
�
pada arah sumbu y:
�
�
�
+
�
�
+
dimana:
,
,
�
+
1
�
�
,
−�
�
�
�
+ �
�
1 �� 2
+
�
2 �
�
+ �
�
�
�
−
��
�
−
�
��
−
�
�
��
�
−
+
�
��
�
(H-5)
=0
1 �� 2
2 �
(H-6)
=0
= koefisien koreksi momentum
= percepatan gravitasi
�
= rapat massa air
� ,�
= tegangan geser dasar
� ,�
= tegangan geser permukaan
� ,� ,� ,�
= tegangan geser akibat turbulensi
(misal �
adalah tegangan geser ke arah sumbu x yang
bekerja pada bidang tegak lurus sumbu y).
Tegangan geser dasar dalam arah sumbu x dan y dapat dihitung sebagai berikut:
pada arah sumbu x:
1
2
�
=�
2
+
2
1+
2 2
+
(H-7)
pada arah sumbu y:
1
2
�
=�
2
+
2
1+
2 2
+
(H-8)
14
Dengan
adalah koefisien gesek dasar yang dapat dihitung sebagai berikut:
2
=
2
=
2
dimana:
�
(H-9)
1
3
= koefisien Chezy
= koefisien kekasaran Manning
= 1,486 jika menggunakan satuan Inggris dan 1,0 jika menggunakan
satuan Internasional (SI)
Tegangan geser turbulen rata-rata kedalaman dihitung menggunakan konsep
viskositas eddy dari Boussinesq, yaitu:
�
�
=�
=�
�
+
=�