Pemodelan Sirkulasi Air Laut Dan Penyeba
JMS Vol. 4 No. 1, hal. 32 - 50 April 1999
Pemodelan Sirkulasi Air Laut Dan Penyebaran Logam Berat Cadmium
(Cd) di Kolam Pelabuhan Tanjung Priok
Mutiara R. Putri dan Dadang K. Mihardja
Program Studi Oseanografi, Jurusan Geofisika & Meteorologi
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Bandung
Diterima tanggal 3 Maret 1999, disetujui untuk dipublikasikan 30 April 1999
Abstrak
Dalam studi ini digunakan model matematika yang terdiri dari model
hidrodinamika dan model transpor polutan dua dimensi horisontal (2D depth avaraged
model). Gaya penggerak arus yang ditinjau dalam model adalah pasang surut, angin
monsoon, dan aliran sungai. Faktor yang diperhatikan pada model transport zat pencemar
adalah adveksi akibat arus, difusi turbulen, dan sumber pencemar logam berat cadmium
(Cd). Asumsi yang diberlakukan pada model adalah sumber pencemar hanya berasal dari
sungai dengan beban limbah konstan dan zat pencemar merupakan zat yang persisten
(reaksi kimiawi dan proses pengurangnya akibat aktifitas biologi dianggap nol).
Hasil simulasi menunjukkan bahwa di perairan Pelabuhan Tanjung Priok sebaran
logam berat cadmium bergerak sesuai pola arus dan konsentrasinya telah melampaui
ambang batas. Tingkat ketelitian model rata-rata pada penelitian ini berkisar antara 50
hingga 60%.
Kata Kunci : Hidrodinamika dan Transpor Model, Cadmium, Ambang Batas, Kolam
Pelabuhan
Abstract
In this study we had been used mathematical model that consist of hydrodynamics
and pollutant transport two dimensional depth avaraged models. The driven forces of
current that considered in the hydrodynamics model are tidal, monsoon wind, and river
discharges. The factors that considered in the waste transport model are advection by
current, turbulence diffusion, and load waste sources of cadmium (Cd). The model
assumtions are constantly load waste from rivers and persistent waste (chemical reactions
and degradation by bioactivities are assumed zero).
Simulation results show that in Tanjung Priok harbour the distributions of
cadmium follow the current pattern and the consentrations has been over ambient which
allowed. The average accuracy of model in this study is about 50 to 60%.
Keywords : Hydrodynamics and Transport Model, Cadmium, Ambient, Harbour Canal
32
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
33
1. Pendahuluan
Teluk Jakarta merupakan kawasan lalu lintas pelayaran dari dan/atau menuju ke
Pelabuhan Tanjung Priok di ibu kota negara Indonesia, Jakarta. Perairan Pelabuhan
Tanjung Priok menurut berbagai pengukuran semakin merosot kualitasnya, sebagian besar
oleh minyak dan bahan-bahan anorganik, yaitu logam berat1,2). Kegiatan pelayaran,
industri, perkantoran, dan pemukiman memberikan distribusi limbah yang cukup besar. Ini
tentu sangat merugikan jika dibiarkan. Pada akhirnya pencemaran di Pelabuhan Tanjung
Priok ini akan memperngaruhi perairan Teluk Jakarta secara umum. Salah satu komponen
dalam penanganan masalah pencemaran adalah penyediaan informasi tentang keadaan
perairan, beban pencemaran yang masuk, dan distribusinya di perairan tersebut. Informasi
tersebut dapat diperoleh melalui pemantauan terus menerus di lapangan yang memerlukan
biaya besar dan simulasi komputer dengan menggunakan model matematika yang
memerlukan biaya lebih murah.
Badan
Pengendalian
Dampak
Lingkungan
(BAPEDAL)
melalui
Proyek
Pengelolaan dan Pengendalian Pencemaran Lingkungan1) hanya dapat memberikan pola
arus hipotetik di dalam kolam pelabuhan sebagai studi awal untuk melihat pola arus di
kolam pelabuhan. Pada titik-titik tertentu dilakukan sampling parameter kualitas air pada
bulan Oktober/November 1993. Tidak dijelaskan secara detail bagaimana sampling
dilakukan. Dari hasil pengamatan tersebut salah satu yang dapat disimpulkan adalah
pencemaran logam berat cadmium (Cd) di Pelabuhan Tanjung Priok telah melampaui
ambang batas yang diperbolehkan, yaitu 0,01 mg/l sesuai dengan UU no.4 tentang
Ketentuan-Ketentuan Pokok Pengelolaan Lingkungan Hidup. Namun hasil penelitian
tersebut belum dapat memberikan gambaran secara detail setiap waktu dan setiap ruang di
dalam kolam pelabuhan.
Pada penelitian ini disimulasikan model hidrodinamika dan model transpor polutan
di perairan Pelabuhan Tanjung Priok (Gambar 1). Sumber polutan logam berat cadmium
yang mungkin masuk ke dalam perairan ini berasal dari muara sungai, kegiatan bongkar
muat barang, kegiatan pencucian kapal, dan kegiatan lainnya. Karena keterbatasan data
yang ada sebagai masukan model, maka sumber polutan diasumsikan hanya berasal dari
tiga buah muara sungai, yaitu Sungai Japat, Sungai Legoa, dan Sungai Kresek. Namun
34
Gambar
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
1
Gambar 2
Daerah Studi Pelabuhan Tanjung Priok, Jakarta Utara (Sumber : Perum Pelabuhan II
Tanjung Priok, 1993)
Perbandingan Elevasi Pasang Surut antara Hasil Simulasi dengan Prediksi Pasang Surut di
Tanjung Priok.
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
35
demikian diharapkan dapat diperoleh gambaran yang lebih detail mengenai sirkulasi air
laut dan penyebaran logam berat cadmium di lokasi tersebut.
2. Pemodelan Hidrodinamika Dan Transpor Polutan 2-D Mendatar
2.1. Model Hidrodinamika 2-D Mendatar
Sirkulasi air di suatu perairan dapat dijelaskan dengan persamaan hidrodinamika
laut. Perairan Teluk Jakarta adalah perairan dangkal yang mengalami percampuran
sempurna secara vertikal sehingga perairannya dianggap perairan barotropik. Dengan
asumsi tersebut penggunaan persamaan hidrodinamika dua dimensi mendatar cukup
mewakili kondisi di perairan tersebut. Efek angin permukaan dalam model ini diasumsikan
sampai dengan dasar laut.
Persamaan model yang hendak ditinjau terdiri dari persamaan kekekalan massa dan
momentum, yang dapat dirumuskan dalam bentuk transpor3) sebagai berikut:
Persamaan Momentum:
⎡ ∂ 2U ∂ 2V ⎤
U 2 +V 2
∂U U ∂U V ∂U
∂ζ
A
+
+
+ gH
+ rU
−
+ 2⎥
H⎢
2
∂t H ∂x H ∂y
∂x
H2
∂x ⎦
⎣ ∂x
= λw x w 2x + w y2
(1)
⎡ ∂ 2U ∂ 2V ⎤
U 2 +V 2
∂V U ∂V V ∂V
∂ζ
A
+
+
+ gH
+ rV
−
+ 2⎥
H⎢
2
∂t H ∂x H ∂y
∂y
H2
∂y ⎦
⎣ ∂y
= λw y w 2x + w y2
(2)
Persamaan Kontinuitas:
∂ζ ∂U ∂V
+
+
=0
∂t ∂x ∂y
(3)
dimana : AH adalah koefisien turbulensi horisontal [m2/detik], g percepatan gravitasi
[m/detik2], H = h+ζ adalah kedalaman aktual [m], h kedalaman perairan yang diukur dari
duduk tengah (mean sea level) ke dasar laut [m], r koefisien gesekan dasar, t parameter
∫ u dz [m2/detik], u kecepatan arah - x [m/detik],V
z=ζ
waktu [detik], U transpor arah - x =
transpor arah - y =
z=−h
∫ v dz [m2/detik], v kecepatan arah -y [m/detik], wx kecepatan angin
z =ζ
z=−h
36
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
arah-x [m/detik], wy kecepatan angin arah-y [m/detik], x koordinat arah barat-timur, y
koordinat arah utara-selatan, λ koefisien gesekan angin permukaan, dan ζ adalah elevasi
muka laut [m].
Persamaan tersebut diselesaikan secara simultan dengan metode numerik semi
implisit dua langkah3). Kondisi awal simulasi dalam model ini dianggap perairan yang
ditinjau dalam keadaan tenang4).
Pada batas terbuka diberikan nilai elevasi yang berupa data masukan, yang diperoleh
dari perhitungan pasang surut harmonik. Pada batas tertutup di sepanjang garis pantai
digunakan syarat kondisi semi slip. Kecepatan tegak lurus bidang batas sama dengan nol,
sedangkan kecepatan singgung dihitung. Asumsi yang digunakan garis pantai tidak mungkin
dilalui massa air dan tidak ada daratan yang digenangi atau tersingkap akibat kenaikan atau
penurunan muka air laut3).
2.2. Persamaan Transpor Polutan Cadmium 2-D Mendatar
Model transpor polutan Cadmium didasarkan pada persamaan transpor zat terlarut
dalam air yang dimodifikasi untuk menghitung material sumber dan sink, serta interaksi
faktor lainnya dalam kolom air.
Secara umum dalam bentuk persamaan transpor dua dimensi mendatar dapat
dituliskan sebagai berikut4-7):
∂C
∂C
∂C
∂ 2C
∂ 2C
+u
+v
= Kx 2 + Ky 2 + S + R
∂t
∂x
∂y
∂x
∂y
(4)
dimana : C adalah konsentrasi polutan Cadmium [mg/l], S suku sumber, R suku reaksi
kimiawi, sedangkan Kx dan Ky adalah koefisien dispersi horisontal arah-x dan arah-y. Suku sumber
tambahan yang masuk ke perairan yang ditinjau, yang dihitung sebagai berikut:
S =
W
Qs
(5)
dimana W adalah beban limbah dan Qs adalah debit sungai.
Asumsi yang digunakan pada persamaan (4) adalah efek difusi molekuler tidak
berarti signifikan bila dibandingkan dengan efek difusi turbulensi, secara vertikal dianggap
telah terjadi percampuran turbulen dengan sempurna sehingga konsentrasi polutan terlarut
sempurna dalam badan air. Polutan logam berat cadmium tidak ada yang mengendap dan
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
37
tidak ada penambahan konsentrasi dari udara, sehingga dapat dianggap tidak terjadi reaksi
kimiawi8). Kalaupun ada perubahan akan terjadi dalam jangka waktu yang lama
(persistent).
Untuk menyelesaikan persamaan transpor polutan secara numerik digunakan
metode eksplisit arah hulu (upstream)4). Pada batas terbuka gradien polutan dianggap
sangat kecil, sehingga dapat diabaikan. Pada garis pantai atau batas tertutup dianggap tidak
ada massa air dan polutan yang melaluinya, sehingga tidak ada konsentrasi polutan pada
grid tersebut.
2.3 Desain Model
Simulasi hidrodinamika dilakukan secara bertahap mulai dari model besar yang
meliputi seluruh perairan Teluk Jakarta hingga model kecil yang meliputi daerah
Pelabuhan Tanjung Priok dengan menggunakan teknik model sarang (Fitriyanto, 1993).
Luas daerah model kecil adalah 5,25 km x 3,7 km (lihat gambar 1) dengan lebar grid arahx dan arah-y (∆x dan ∆y) 50 meter. Parameter hidrodinamika yang digunakan langkah
waktu (∆t) 60 detik, AH = 8.0 m2/detik, λ di dalam pelabuhan 5x10-5, sedangkan di luar
pelabuhan = 10-4, r = 0.012. Penggunaan parameter-parameter tersebut masih berdasarkan
uji coba untuk mendapatkan hasil yang terbaik, yaitu yang mendekati keadaan dilapangan.
Simulasi sebaran logam berat cadmium (Cd) dilakukan hanya pada model kecil
selama 15 hari, yang meliputi kondisi pasang surut purnama hingga pasang surut perbani.
Skenario simulasi yang dilakukan adalah :
•
•
pada saat angin barat yang dianggap dapat mewakili kondisi musim barat. Di perairan
Teluk Jakarta umumnya terjadi pada bulan Desember hingga Februari.
pada saat angin utara yang dianggap dapat mewakili kondisi musim peralihan. Di
perairan Teluk Jakarta umumnya terjadi pada bulan Maret hingga Mei untuk musim
peralihan dari musim barat ke musim timur dan pada bulan September hingga
•
November untuk musim peralihan dari musim timur ke musim barat.
pada saat angin timur yang dianggap dapat mewakili kondisi musim timur. Di perairan
Teluk Jakarta umumnya terjadi pada bulan Juni hingga Agustus.
Sumber polutan dianggap hanya berasal dari tiga buah muara sungai seperti
disebutkan pada bagian pendahuluan. Debit sungai dan beban limbah diasumsikan konstan
38
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
dan kontinu setiap waktu, kecuali pada kasus perhitungan waktu kuras (flushing time)
beban limbah (lihat Tabel 1) hanya dibuang satu kali pada saat awal simulasi. Tujuan dari
perhitungan waktu kuras ini adalah untuk mengetahui berapa lama polutan dapat dibilas
oleh adanya arus yang disebabkan oleh pasang surut, debit sungai, dan angin di muaramuara sungai tersebut jika tidak terjadi penambahan polutan.
Sebagai nilai awal konsentrasi logam berat cadmium di seluruh perairan Pelabuhan
Tanjung Priok adalah 0,005 mg/l. Nilai ini diambil dari hasil pengamatan P3O LIPI tahun
1975 untuk perairan Teluk Jakarta. Dalam hal ini diasumsikan bahwa pengamatan tahun
1975 dapat mewakili kondisi perairan sebelum konsentrasi cadmium dari mulut sungai
masuk ke kolam pelabuhan. Koefisien dispersi diambil konstan (Kx = Ky) sebesar 5,0
m2/detik berdasarkan pada koefisien yang pernah digunakan pada penelitian sebelumnya6).
Tabel 1. Data Debit Sungai dan Beban Limbah Logam Berat Cadmium (Cd)
MUARA SUNGAI
JAPAT
LEGOA
KRESEK
BEBAN LIMBAH
(gr/detik)
0,236
0,096
0,985
DEBIT
(m3/detik)
10,725
2,250
36,460
3. Analisis
3.1. Hasil Verifikasi dan Data Pengamatan
Dari hasil simulasi hidrodinamika elevasi pasang surut di Tanjung Priok
menunjukkan tipe harian tunggal, seperti halnya dengan data pengamatan. Tidak terdapat
perbedaan fasa, namun terdapat perbedaan amplitudo sebesar 6 cm (lihat gambar 2).
Berdasarkan data pengamatan oleh P4L Jakarta (1990) yang ada di Muara Sungai
Kresek kecepatan arus pada saat pasang adalah 0.34 m/detik dan saat surut 0.38 m/detik.
Hasil simulasi kecepatan arus di lokasi tersebut 0.30 m/detik saat pasang dan 0.39 m/detik
saat surut. Data pengamatan konsentrasi logam berat cadmium (tidak disebutkan kondisi
pasang surutnya) di Muara Sungai Japat 0.007 mg/l, di Muara Sungai Kresek 0.02 mg/l,
sedangkan di Muara Sungai Legoa tidak terdapat data pengamatan. Hasil simulasi saat
musim peralihan di Muara Sungai Japat 0.0072 mg/l saat surut dan 0.01545 mg/l saat
pasang, di Muara Sungai Kresek konsentrasi cadmium 0.0075 mg/l saat surut dan 0.02075
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
39
mg/l saat pasang, sedangkan di Muara Sungai Legoa 0.0163 mg/l saat surut dan 0.03065
mg/l saat pasang.
Perbandingan antara data hasil pengamatan yang dilakukan pada bulan
Oktober/Nopember 1993 oleh P4L, Jakarta dan hasil simulasi logam berat cadmium di
lokasi tertentu (gambar 1) dapat dilihat secara grafik pada gambar 3.a dan 3.b atau secara
detail pada tabel 2. Tingkat ketelitian model yang dihitung berdasarkan perbandingan
antara data dan hasil simulasi (musim timur, musim peralihan, dan musim barat) di muara
sungai berkisar antara 60 hingga 70%. Khusus di lokasi H, di daerah dekat muara sungai
Kresek, tampak kesesuaian antara data dan hasil simulasi pada musim timur dan musim
barat hingga lebih dari 90%. Namun di lokasi-lokasi yang jauh dari muara sungai sangat
tampak ketidaksesuaiannya terhadap data, dimana prosentase ketelitiannya hanya 10
hingga 30%.
Tabel 2. Perbandingan Konsentrasi Logam Berat Cadmium (mg/l)
Antara Data dan Hasil Simulasi
Lokasi
Data
Oktober
/November 1993
Musim Timur
Hasil Simulasi
Musim
Peralihan
Keterangan
Musim Barat
A
Pasang
0,01875
Surut
0,01625
Pasang
-
Surut
-
Pasang
-
Surut
-
Pasang
-
Surut
-
B
C
D
E
F
G
H
K
1
2
3
4
5
6
S. Japat
S. Legoa
0,02500
0,02500
0,02625
0,03125
0,02750
0,03500
0,02875
0,01500
0,01750
0,01250
0,02000
0,01625
0,02250
0,03375
0,00700
-
0,01875
0,04000
0,05625
0,05375
0,03375
0,04125
0,02375
0,04625
0,05000
0,05125
0,02000
0,01625
0,05875
0,06125
0,00700
-
0,00620
0,00575
0,00620
0,00615
0,01345
0,02065
0,02460
0,00500
0,00640
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00760
0,01645
0,03550
0,00605
0,00570
0,00610
0,00605
0,01225
0,01960
0,02380
0,00500
0,00655
0,00575
0,00500
0,00500
0,00505
0,00690
0,02010
0,03230
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,01175
0,02200
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00670
0,01350
0,01630
0,00565
0,00560
0,00560
0,02220
0,01005
0,02140
0,00500
0,00520
0,00500
0,00500
0,00500
0,00625
0,00625
0,01660
0,03560
0,01565
0,00560
0,00555
0,00550
0,02000
0,00985
0,01525
0,00500
0,00705
0,00500
0,00500
0,00500
0,00645
0,00635
0,01660
0,03560
S. Kresek
0,02000
0,02000
0,02470
0,02440
0,01045
0,00960
0,02470
0,02470
Tidak
termasuk
daerah model
Tidak ada
Data
Pengamatan
40
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
GRAFIK PERBANDINGAN ANTARA DATA DAN SIMULASI
Saat Pasang
Konsentrasi Cd (mg/l)
0.060
0.050
0.040
0.030
0.020
0.010
0.000
A
B
C
D
E
F
G
H
K
1
2
3
4
5
6
S. J apat S. Legoa
Data
Gambar 3.a
Sim. M. Tim ur
S.
K r es ek
Lokasi
Sim. M. Peralihan
Sim. M. Barat
Perbandingan Antara Data dan Hasil Simulasi di Pelabuhan Tanjung Priok - Saat Pasang.
GRAFIK PERBANDINGAN ANTARA DATA DAN SIMULASI
Saat Surut
Konsentrasi Cd (mg/l)
0.060
0.050
0.040
0.030
0.020
0.010
0.000
A
B
C
D
E
F
G
H
K
1
2
3
4
5
6
S. Japat S. Legoa
Data
Gambar 3.b
Sim. M. Timur
Sim. M. Peralihan
S.
Kr esek
Lokasi
Sim. M. Barat
Perbandingan Antara Data dan Hasil Simulasi di Pelabuhan Tanjung Priok - Saat Surut.
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
41
Perbedaan-perbedaan tersebut dapat disebabkan karena dalam pemodelan ini
diasumsikan bahwa sumber polutan besarnya konstan dan hanya berasal dari muara-muara
sungai saja, sedangkan pada kenyataannya besar polutan tidak akan konstan dan terdapat
sumber lain yang memberikan input lebih besar, misalnya adanya pencucian kapal dan
kegiatan bongkar muat barang, dan sebagainya. Hal terpenting lainnya adalah konsentrasi
logam berat cadmium yang terukur pada bulan Oktober/November 1993 di perairan
tersebut adalah konsentrasi yang telah terakumulasi sejak puluhan tahun sebelumnya,
sedangkan nilai awal yang digunakan untuk simulasi diambil dari data yang ada yaitu
tahun 1975 dan simulasi hanya dilakukan selama 15 hari. Sampel air mungkin hanya
diambil di lapisan permukaan, sedangkan pada pemodelan dilakukan perata-rataan
terhadap kedalaman. Distribusi vertikal konsentrasi cadmium di perairan tersebut belum
diperhatikan dalam pemodelan ini.
Sebagai studi awal ini memang keakuratan model belum sepenuhnya dapat
dibandingkan terhadap data pengamatan. Pada tahap selanjutnya dapat dilakukan simulasi
yang lebih lama dan pengamatan lapangan secara detail, sehingga uji keakuratan model
dapat dilakukan. Namun pada studi awal ini diharapkan akan dapat diperoleh gambaran
mengenai pola arus dan distribusi konsentrasi cadmium di dalam kolam pelabuhan sebagai
berikut:
3.2. Pola Arus dan Sebaran Logam Berat Cadmium (Cd)
Pola arus di dalam kolam Pelabuhan Tanjung Priok lebih dipengaruhi oleh pasang
surut dan morfologi pelabuhan dibandingkan pengaruh musim atau angin. Pengaruh
morfologi pelabuhan terhadap pola arus untuk simulasi tanpa angin, musim barat, dan
musim timur hampir sama. Hal ini dapat dilihat di sisi timur dan sisi barat pelabuhan. Arus
berbalik arah dengan kecepatan yang lebih kecil karena tertahan oleh penahan gelombang.
Di kolam-kolam pelabuhan arus berbalik dari sisi yang satu ke sisi lainnya mengikuti pola
arus pada umumnya. Di luar pelabuhan arus bergerak sepanjang penahan gelombang
sesuai arah angin. Pada saat pasang purnama dan saat pasang perbani pola arus sama.
Hanya saja saat pasang perbani magnitudo arus relatif lebih kecil dibandingkan saat pasang
purnama.
42
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
Gambar 4.a
Sirkulasi Arus Hasil Simulasi di Pelabuhan Tanjung Priok - Tanpa Angin; Saat Air Menuju
ke Surut Purnama.
Gambar 4.b
Sirkulasi Arus Hasil Simulasi di Pelabuhan Tanjung Priok - Tanpa Angin; Saat Air Menuju
ke Pasang Purnama.
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
43
Gambar 5.a
Pola Arus Hipotetik di Pelabuhan Tanjung Priok; Saat Air Surut. (Sumber : BAPEDAL,
1993)
Gambar 5.b
Pola Arus Hipotetik di Pelabuhan Tanjung Priok; Saat Air Pasang. (Sumber : BAPEDAL,
1993)
44
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
Berdasarkan hasil simulasi untuk kondisi tanpa adanya angin saat air surut ke
pasang purnama (gambar 4.a) arus masuk ke kolam pelabuhan melalui pintu masuk
pelabuhan di sisi timur. Arus akibat debit sungai yang bermuara di pelabuhan tersebut
diimbangi oleh arus pasang surut yang masuk ke arah sungai. Pada saat air pasang ke surut
(gambar 4.b) arus keluar dari perairan pelabuhan. Kecepatan arus di muara sungai akibat
debit sungai sangat dominan. Pola arus hasil simulasi ini lebih dapat memberikan
gambaran detail dibandingkan dengan arus hipotetik yang dilakukan oleh BAPEDAL
(gambar 5.a dan 5.b).
Pada saat bertiup angin barat (musim barat) dengan kecepatan rata-rata 2 m/detik,
arus secara umum bergerak dari barat ke timur (gambar 6). Pada saat tersebut sebaran
konsentrasi polutan mengikuti pola arus, yaitu ke arah timur (gambar 7). Saat surut polutan
mulai menyebar keluar dari pintu timur pelabuhan. Konsentrasi di dalam kolam pelabuhan
dan muara-muara sungai menjadi besar pada saat pasang.
Pada saat bertiup angin timur dengan kecepatan rata-rata 2 m/detik, arus secara
umum bergerak dari timur ke barat (gambar 8). Sebaran polutan pun bergerak ke bagian
barat pelabuhan (gambar 9).
Pada saat musim peralihan yang dianggap bertiup angin utara, arus di luar
pelabuhan bergerak dari utara ke selatan, sedangkan pola arus di dalam kolam pelabuhan
bervariasi sesuai dengan pola pasang surut dan morfologi pelabuhannya. Saat air pasang ke
surut di luar pelabuhan arus bergerak dari utara ke selatan. Di dalam pelabuhan arus ke
luar dari kolam-kolam pelabuhan menuju ke pintu barat dan pintu timur pelabuhan. Akibat
morfologi pelabuhan terjadi turbulensi arus, sehingga arus melawan masuk ke muara
Sungai Japat. Arus yang keluar dari kolam pelabuhan sebagian ke arah barat, sebagian ke
arah timur. Arus yang bergerak ke arah timur menyebabkan arus masuk ke muara Sungai
Legoa dan Sungai Kresek (gambar 10). Saat air surut ke pasang arus (gambar 11) bergerak
dari utara ke selatan, masuk ke kolam-kolam pelabuhan. Arus yang masuk ke kolam-kolam
pelabuhan memperbesar arus-arus yang masuk ke muara-muara sungai. Akibatnya sebaran
polutan tidak tersebar luas. Simulasi ini dilakukan untuk kondisi awal yang sama dengan
saat bertiup angin barat dan angin timur. Jika dilakukan dengan kondisi awal dari simulasi
angin barat atau angin timur, maka sebaran polutan selama pergantian musim akan tampak
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
45
Gambar 6
Sirkulasi Arus di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Barat 2 m/detik; Saat Air Menuju ke
Surut Purnama.
Gambar 7
Sebaran Logam Berat Cadmium di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Barat 2 m/detik; Saat
Air Menuju ke Surut Purnama.
46
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
Gambar 8
Sirkulasi Arus di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Timur 2 m/detik; Saat Air Menuju ke
Surut Purnama.
Gambar 9
Sebaran Logam Berat Cadmium di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Timur 2 m/detik;
Saat Air Menuju ke Surut Purnama.
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
47
Gambar 10
Sirkulasi Arus di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Utara 2 m/detik; Saat Air Menuju ke
Surut Purnama.
Gambar 11
Sirkulasi Arus di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Utara 2 m/detik; Saat Air Menuju ke
Pasang Purnama.
48
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
lebih jelas. Akibatnya perbandingan antara hasil simulasi dan data pengamatan yang
dilakukan oleh P4L pada bulan Oktober-November 1993 di muara-muara sungai hampir
sama, sedangkan di daerah-daerah pengamatan lainnya masih jauh berbeda (lihat Tabel 2
dan uraian pada bagian 3.1). Perlu simulasi yang lebih lama agar polutan lebih tersebar dan
ada akumulasi konsentrasi cadmium diwaktu sebelumnya, karena kontribusi hasil
pengamatan di lapangan merupakan hasil akumulasi logam berat dalam waktu yang cukup
lama.
3.3. Waktu Kuras (Flushing Time)
Model transpor polutan pada persamaan (4) disimulasikan dengan beban limbah
atau suku sumber S diberikan hanya sesaat pada awal simulasi. Selanjutnya konsentrasi
cadmium disebarkan sesuai pola arus hasil hidrodinamika dan didifusikan di kolam
pelabuhan. Simulasi dihentikan ketika konsentrasi cadmium di kolam pelabuhan mencapai
orde 10-5 mg/l, dimana pada orde konsentrasi ini logam berat cadmium masih
diperbolehkan untuk berbagai kepentingan9). Pada kondisi ini perairan dapat dianggap
dalam keadaan ‘bersih’.
Hasil simulasi tersebut menunjukkan penyebaran polutan logam berat cadmium di
Pelabuhan Tanjung Priok mengalami perubahan dari waktu ke waktu. Satu jam setelah
konsentrasi dibuang, polutan mulai menyebar hingga 200 m dari masing-masing muara
sungai dengan konsentrasi rata-rata 0.0125 mg/l. Setelah tiga jam limbah dari Sungai
Legoa konsentrasi menyebar hingga 300 m dengan konsentrasi rata-rata 0.0165 mg/l,
namun di muara sungai lainnya kurang dari 300 m. Setelah lima jam penyebaran rata-rata
polutan berkurang menjadi 0.01 mg/l di semua muara sungai. Setelah tujuh jam
konsentrasi polutan diperairan tersebut sudah sangat kecil dan dapat dikatakan bersih.
4. Kesimpulan
a. Tingkat ketelitian model yang dihitung dari perbandingan antara hasil simulasi dan data
pengamatan di daerah dekat sumber antara 60 hingga 90%, dimana ketelitian terbesar
diperoleh di dekat daerah muara sungai Kresek, dan di daerah jauh dari sumber hanya 1030%, sehingga rata-rata tingkat ketelitian model pada penelitian ini berkisar antara 5060%.
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
49
b. Pola arus di kolam Pelabuhan Tanjung Priok lebih dipengaruhi oleh pasang surut dan
morfologi pelabuhan. Hasil simulasi pola arus untuk kondisi tanpa angin dapat
menjelaskan lebih detail pola arus hipotetik yang dilakukan oleh BAPEDAL.
c. Pola arus dan pasang surut sangat berperan dalam penyebaran logam berat Cadmium.
Saat surut sebaran konsentrasi keluar dari pelabuhan, sebaliknya pada saat pasang
konsentrasi tertahan di dalam pelabuhan. Pada musim barat konsentrasi cadmium
terakumulasi di sisi timur pelabuhan, saat musim timur terakumulasi di sisi barat,
sedangkan pada musim peralihan konsentrasi lebih tertahan di muara-muara sungai.
d. Dengan berbagai keterbatasan data masukan yang ada dan metode pemodelan yang
dilakukan dapat ditunjukkan bahwa konsentrasi logam berat cadmium di Pelabuhan
Tanjung Priok telah melampaui ambang batas yang diperbolehkan, yaitu 0.01 mg/l2,9).
Ucapan Terima Kasih
Hasil Penelitian Hibah Bersaing I yang berjudul “Pemodelan Kualitas Air : Kaji
Kasus Sungai dan Estuari di Kawasan DKI Jakarta serta Teluk Jakarta”, yang dibiayai oleh
Proyek Peningkatan Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat, Direktorat Jenderal
Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Kebudayaan, Tahun 1992 - 1995.
Daftar Pustaka
1. Pusat Penelitian Lingkungan Hidup IPB dan Badan Pengendalian Dampak Lingkungan,
"Pengendalian Pencemaran Pelabuhan", Proyek Pengelolaan dan Pengendalian
Pencemaran Lingkungan, 1992.
2. Pusat Penelitian Lingkungan Hidup IPB dan Badan Pengendalian Dampak Lingkungan,
“Studi Formulasi Pola/Model Pelabuhan Berwawasan Lingkungan”, Proyek Pengelolaan
dan Pengendalian Pencemara Lingkungan, 1993/1994.
3. Fitriyanto, M.S., "Penerapan "Model Sarang" (Nested Model) Dalam Studi
Hidrodinamika Perairan Pantai Suralaya, Serang, Jawa Barat", Thesis Jurusan Fisika
ITB, 1993.
4. Putri, M.R., “Pemodelan Hidrodinamika dan Penyebaran Logam Berat Cadmium (Cd) di
Pelabuhan Tanjung Priok”, Tugas Akhir Sarjana, Jurusan Geofisika dan Meteorologi
ITB, 1994.
50
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
5. Fischer, HB. (ed.), "Transpor Model for Inland and Coastal Water", Proceedings of a
Symposium on Predictive Ability, Academic Press, New York, 1981.
6. Mihardja, D.K., I.M. Radjawane, M.R. Putri, M. Ali, F. Harwati, P. Astuti, “Pemodelan
Kualitas Air; Kaji Kasus Sungai dan Estuari di Kawasan DKI Jakarta serta Teluk
Jakarta”, Laporan Akhir Penelitian Hibah Bersaing, 1994.
7. Mihardja, D.K., Supriyanto, M.S. Fitriyanto, H. Latief, “Model Matematis dan Simulasi
Komputer Penyebaran Polutan di Teluk Jakarta”, Penelitian Sector Loan Th. 1989/1990
No. 169/P4M/DPPM/BD XXI/1989, Lembaga Penelitian ITB, 1990.
8. Othmer, Kirk, "Encyclopedia of Chemical Technology", Second Edition, vol.2s, 1953
9. UU no.4 tahun 1982 tentang Ketentuan-Ketentuan Pokok Pengelolaan Lingkungan
Hidup, 1982.
Pemodelan Sirkulasi Air Laut Dan Penyebaran Logam Berat Cadmium
(Cd) di Kolam Pelabuhan Tanjung Priok
Mutiara R. Putri dan Dadang K. Mihardja
Program Studi Oseanografi, Jurusan Geofisika & Meteorologi
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Bandung
Diterima tanggal 3 Maret 1999, disetujui untuk dipublikasikan 30 April 1999
Abstrak
Dalam studi ini digunakan model matematika yang terdiri dari model
hidrodinamika dan model transpor polutan dua dimensi horisontal (2D depth avaraged
model). Gaya penggerak arus yang ditinjau dalam model adalah pasang surut, angin
monsoon, dan aliran sungai. Faktor yang diperhatikan pada model transport zat pencemar
adalah adveksi akibat arus, difusi turbulen, dan sumber pencemar logam berat cadmium
(Cd). Asumsi yang diberlakukan pada model adalah sumber pencemar hanya berasal dari
sungai dengan beban limbah konstan dan zat pencemar merupakan zat yang persisten
(reaksi kimiawi dan proses pengurangnya akibat aktifitas biologi dianggap nol).
Hasil simulasi menunjukkan bahwa di perairan Pelabuhan Tanjung Priok sebaran
logam berat cadmium bergerak sesuai pola arus dan konsentrasinya telah melampaui
ambang batas. Tingkat ketelitian model rata-rata pada penelitian ini berkisar antara 50
hingga 60%.
Kata Kunci : Hidrodinamika dan Transpor Model, Cadmium, Ambang Batas, Kolam
Pelabuhan
Abstract
In this study we had been used mathematical model that consist of hydrodynamics
and pollutant transport two dimensional depth avaraged models. The driven forces of
current that considered in the hydrodynamics model are tidal, monsoon wind, and river
discharges. The factors that considered in the waste transport model are advection by
current, turbulence diffusion, and load waste sources of cadmium (Cd). The model
assumtions are constantly load waste from rivers and persistent waste (chemical reactions
and degradation by bioactivities are assumed zero).
Simulation results show that in Tanjung Priok harbour the distributions of
cadmium follow the current pattern and the consentrations has been over ambient which
allowed. The average accuracy of model in this study is about 50 to 60%.
Keywords : Hydrodynamics and Transport Model, Cadmium, Ambient, Harbour Canal
32
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
33
1. Pendahuluan
Teluk Jakarta merupakan kawasan lalu lintas pelayaran dari dan/atau menuju ke
Pelabuhan Tanjung Priok di ibu kota negara Indonesia, Jakarta. Perairan Pelabuhan
Tanjung Priok menurut berbagai pengukuran semakin merosot kualitasnya, sebagian besar
oleh minyak dan bahan-bahan anorganik, yaitu logam berat1,2). Kegiatan pelayaran,
industri, perkantoran, dan pemukiman memberikan distribusi limbah yang cukup besar. Ini
tentu sangat merugikan jika dibiarkan. Pada akhirnya pencemaran di Pelabuhan Tanjung
Priok ini akan memperngaruhi perairan Teluk Jakarta secara umum. Salah satu komponen
dalam penanganan masalah pencemaran adalah penyediaan informasi tentang keadaan
perairan, beban pencemaran yang masuk, dan distribusinya di perairan tersebut. Informasi
tersebut dapat diperoleh melalui pemantauan terus menerus di lapangan yang memerlukan
biaya besar dan simulasi komputer dengan menggunakan model matematika yang
memerlukan biaya lebih murah.
Badan
Pengendalian
Dampak
Lingkungan
(BAPEDAL)
melalui
Proyek
Pengelolaan dan Pengendalian Pencemaran Lingkungan1) hanya dapat memberikan pola
arus hipotetik di dalam kolam pelabuhan sebagai studi awal untuk melihat pola arus di
kolam pelabuhan. Pada titik-titik tertentu dilakukan sampling parameter kualitas air pada
bulan Oktober/November 1993. Tidak dijelaskan secara detail bagaimana sampling
dilakukan. Dari hasil pengamatan tersebut salah satu yang dapat disimpulkan adalah
pencemaran logam berat cadmium (Cd) di Pelabuhan Tanjung Priok telah melampaui
ambang batas yang diperbolehkan, yaitu 0,01 mg/l sesuai dengan UU no.4 tentang
Ketentuan-Ketentuan Pokok Pengelolaan Lingkungan Hidup. Namun hasil penelitian
tersebut belum dapat memberikan gambaran secara detail setiap waktu dan setiap ruang di
dalam kolam pelabuhan.
Pada penelitian ini disimulasikan model hidrodinamika dan model transpor polutan
di perairan Pelabuhan Tanjung Priok (Gambar 1). Sumber polutan logam berat cadmium
yang mungkin masuk ke dalam perairan ini berasal dari muara sungai, kegiatan bongkar
muat barang, kegiatan pencucian kapal, dan kegiatan lainnya. Karena keterbatasan data
yang ada sebagai masukan model, maka sumber polutan diasumsikan hanya berasal dari
tiga buah muara sungai, yaitu Sungai Japat, Sungai Legoa, dan Sungai Kresek. Namun
34
Gambar
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
1
Gambar 2
Daerah Studi Pelabuhan Tanjung Priok, Jakarta Utara (Sumber : Perum Pelabuhan II
Tanjung Priok, 1993)
Perbandingan Elevasi Pasang Surut antara Hasil Simulasi dengan Prediksi Pasang Surut di
Tanjung Priok.
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
35
demikian diharapkan dapat diperoleh gambaran yang lebih detail mengenai sirkulasi air
laut dan penyebaran logam berat cadmium di lokasi tersebut.
2. Pemodelan Hidrodinamika Dan Transpor Polutan 2-D Mendatar
2.1. Model Hidrodinamika 2-D Mendatar
Sirkulasi air di suatu perairan dapat dijelaskan dengan persamaan hidrodinamika
laut. Perairan Teluk Jakarta adalah perairan dangkal yang mengalami percampuran
sempurna secara vertikal sehingga perairannya dianggap perairan barotropik. Dengan
asumsi tersebut penggunaan persamaan hidrodinamika dua dimensi mendatar cukup
mewakili kondisi di perairan tersebut. Efek angin permukaan dalam model ini diasumsikan
sampai dengan dasar laut.
Persamaan model yang hendak ditinjau terdiri dari persamaan kekekalan massa dan
momentum, yang dapat dirumuskan dalam bentuk transpor3) sebagai berikut:
Persamaan Momentum:
⎡ ∂ 2U ∂ 2V ⎤
U 2 +V 2
∂U U ∂U V ∂U
∂ζ
A
+
+
+ gH
+ rU
−
+ 2⎥
H⎢
2
∂t H ∂x H ∂y
∂x
H2
∂x ⎦
⎣ ∂x
= λw x w 2x + w y2
(1)
⎡ ∂ 2U ∂ 2V ⎤
U 2 +V 2
∂V U ∂V V ∂V
∂ζ
A
+
+
+ gH
+ rV
−
+ 2⎥
H⎢
2
∂t H ∂x H ∂y
∂y
H2
∂y ⎦
⎣ ∂y
= λw y w 2x + w y2
(2)
Persamaan Kontinuitas:
∂ζ ∂U ∂V
+
+
=0
∂t ∂x ∂y
(3)
dimana : AH adalah koefisien turbulensi horisontal [m2/detik], g percepatan gravitasi
[m/detik2], H = h+ζ adalah kedalaman aktual [m], h kedalaman perairan yang diukur dari
duduk tengah (mean sea level) ke dasar laut [m], r koefisien gesekan dasar, t parameter
∫ u dz [m2/detik], u kecepatan arah - x [m/detik],V
z=ζ
waktu [detik], U transpor arah - x =
transpor arah - y =
z=−h
∫ v dz [m2/detik], v kecepatan arah -y [m/detik], wx kecepatan angin
z =ζ
z=−h
36
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
arah-x [m/detik], wy kecepatan angin arah-y [m/detik], x koordinat arah barat-timur, y
koordinat arah utara-selatan, λ koefisien gesekan angin permukaan, dan ζ adalah elevasi
muka laut [m].
Persamaan tersebut diselesaikan secara simultan dengan metode numerik semi
implisit dua langkah3). Kondisi awal simulasi dalam model ini dianggap perairan yang
ditinjau dalam keadaan tenang4).
Pada batas terbuka diberikan nilai elevasi yang berupa data masukan, yang diperoleh
dari perhitungan pasang surut harmonik. Pada batas tertutup di sepanjang garis pantai
digunakan syarat kondisi semi slip. Kecepatan tegak lurus bidang batas sama dengan nol,
sedangkan kecepatan singgung dihitung. Asumsi yang digunakan garis pantai tidak mungkin
dilalui massa air dan tidak ada daratan yang digenangi atau tersingkap akibat kenaikan atau
penurunan muka air laut3).
2.2. Persamaan Transpor Polutan Cadmium 2-D Mendatar
Model transpor polutan Cadmium didasarkan pada persamaan transpor zat terlarut
dalam air yang dimodifikasi untuk menghitung material sumber dan sink, serta interaksi
faktor lainnya dalam kolom air.
Secara umum dalam bentuk persamaan transpor dua dimensi mendatar dapat
dituliskan sebagai berikut4-7):
∂C
∂C
∂C
∂ 2C
∂ 2C
+u
+v
= Kx 2 + Ky 2 + S + R
∂t
∂x
∂y
∂x
∂y
(4)
dimana : C adalah konsentrasi polutan Cadmium [mg/l], S suku sumber, R suku reaksi
kimiawi, sedangkan Kx dan Ky adalah koefisien dispersi horisontal arah-x dan arah-y. Suku sumber
tambahan yang masuk ke perairan yang ditinjau, yang dihitung sebagai berikut:
S =
W
Qs
(5)
dimana W adalah beban limbah dan Qs adalah debit sungai.
Asumsi yang digunakan pada persamaan (4) adalah efek difusi molekuler tidak
berarti signifikan bila dibandingkan dengan efek difusi turbulensi, secara vertikal dianggap
telah terjadi percampuran turbulen dengan sempurna sehingga konsentrasi polutan terlarut
sempurna dalam badan air. Polutan logam berat cadmium tidak ada yang mengendap dan
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
37
tidak ada penambahan konsentrasi dari udara, sehingga dapat dianggap tidak terjadi reaksi
kimiawi8). Kalaupun ada perubahan akan terjadi dalam jangka waktu yang lama
(persistent).
Untuk menyelesaikan persamaan transpor polutan secara numerik digunakan
metode eksplisit arah hulu (upstream)4). Pada batas terbuka gradien polutan dianggap
sangat kecil, sehingga dapat diabaikan. Pada garis pantai atau batas tertutup dianggap tidak
ada massa air dan polutan yang melaluinya, sehingga tidak ada konsentrasi polutan pada
grid tersebut.
2.3 Desain Model
Simulasi hidrodinamika dilakukan secara bertahap mulai dari model besar yang
meliputi seluruh perairan Teluk Jakarta hingga model kecil yang meliputi daerah
Pelabuhan Tanjung Priok dengan menggunakan teknik model sarang (Fitriyanto, 1993).
Luas daerah model kecil adalah 5,25 km x 3,7 km (lihat gambar 1) dengan lebar grid arahx dan arah-y (∆x dan ∆y) 50 meter. Parameter hidrodinamika yang digunakan langkah
waktu (∆t) 60 detik, AH = 8.0 m2/detik, λ di dalam pelabuhan 5x10-5, sedangkan di luar
pelabuhan = 10-4, r = 0.012. Penggunaan parameter-parameter tersebut masih berdasarkan
uji coba untuk mendapatkan hasil yang terbaik, yaitu yang mendekati keadaan dilapangan.
Simulasi sebaran logam berat cadmium (Cd) dilakukan hanya pada model kecil
selama 15 hari, yang meliputi kondisi pasang surut purnama hingga pasang surut perbani.
Skenario simulasi yang dilakukan adalah :
•
•
pada saat angin barat yang dianggap dapat mewakili kondisi musim barat. Di perairan
Teluk Jakarta umumnya terjadi pada bulan Desember hingga Februari.
pada saat angin utara yang dianggap dapat mewakili kondisi musim peralihan. Di
perairan Teluk Jakarta umumnya terjadi pada bulan Maret hingga Mei untuk musim
peralihan dari musim barat ke musim timur dan pada bulan September hingga
•
November untuk musim peralihan dari musim timur ke musim barat.
pada saat angin timur yang dianggap dapat mewakili kondisi musim timur. Di perairan
Teluk Jakarta umumnya terjadi pada bulan Juni hingga Agustus.
Sumber polutan dianggap hanya berasal dari tiga buah muara sungai seperti
disebutkan pada bagian pendahuluan. Debit sungai dan beban limbah diasumsikan konstan
38
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
dan kontinu setiap waktu, kecuali pada kasus perhitungan waktu kuras (flushing time)
beban limbah (lihat Tabel 1) hanya dibuang satu kali pada saat awal simulasi. Tujuan dari
perhitungan waktu kuras ini adalah untuk mengetahui berapa lama polutan dapat dibilas
oleh adanya arus yang disebabkan oleh pasang surut, debit sungai, dan angin di muaramuara sungai tersebut jika tidak terjadi penambahan polutan.
Sebagai nilai awal konsentrasi logam berat cadmium di seluruh perairan Pelabuhan
Tanjung Priok adalah 0,005 mg/l. Nilai ini diambil dari hasil pengamatan P3O LIPI tahun
1975 untuk perairan Teluk Jakarta. Dalam hal ini diasumsikan bahwa pengamatan tahun
1975 dapat mewakili kondisi perairan sebelum konsentrasi cadmium dari mulut sungai
masuk ke kolam pelabuhan. Koefisien dispersi diambil konstan (Kx = Ky) sebesar 5,0
m2/detik berdasarkan pada koefisien yang pernah digunakan pada penelitian sebelumnya6).
Tabel 1. Data Debit Sungai dan Beban Limbah Logam Berat Cadmium (Cd)
MUARA SUNGAI
JAPAT
LEGOA
KRESEK
BEBAN LIMBAH
(gr/detik)
0,236
0,096
0,985
DEBIT
(m3/detik)
10,725
2,250
36,460
3. Analisis
3.1. Hasil Verifikasi dan Data Pengamatan
Dari hasil simulasi hidrodinamika elevasi pasang surut di Tanjung Priok
menunjukkan tipe harian tunggal, seperti halnya dengan data pengamatan. Tidak terdapat
perbedaan fasa, namun terdapat perbedaan amplitudo sebesar 6 cm (lihat gambar 2).
Berdasarkan data pengamatan oleh P4L Jakarta (1990) yang ada di Muara Sungai
Kresek kecepatan arus pada saat pasang adalah 0.34 m/detik dan saat surut 0.38 m/detik.
Hasil simulasi kecepatan arus di lokasi tersebut 0.30 m/detik saat pasang dan 0.39 m/detik
saat surut. Data pengamatan konsentrasi logam berat cadmium (tidak disebutkan kondisi
pasang surutnya) di Muara Sungai Japat 0.007 mg/l, di Muara Sungai Kresek 0.02 mg/l,
sedangkan di Muara Sungai Legoa tidak terdapat data pengamatan. Hasil simulasi saat
musim peralihan di Muara Sungai Japat 0.0072 mg/l saat surut dan 0.01545 mg/l saat
pasang, di Muara Sungai Kresek konsentrasi cadmium 0.0075 mg/l saat surut dan 0.02075
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
39
mg/l saat pasang, sedangkan di Muara Sungai Legoa 0.0163 mg/l saat surut dan 0.03065
mg/l saat pasang.
Perbandingan antara data hasil pengamatan yang dilakukan pada bulan
Oktober/Nopember 1993 oleh P4L, Jakarta dan hasil simulasi logam berat cadmium di
lokasi tertentu (gambar 1) dapat dilihat secara grafik pada gambar 3.a dan 3.b atau secara
detail pada tabel 2. Tingkat ketelitian model yang dihitung berdasarkan perbandingan
antara data dan hasil simulasi (musim timur, musim peralihan, dan musim barat) di muara
sungai berkisar antara 60 hingga 70%. Khusus di lokasi H, di daerah dekat muara sungai
Kresek, tampak kesesuaian antara data dan hasil simulasi pada musim timur dan musim
barat hingga lebih dari 90%. Namun di lokasi-lokasi yang jauh dari muara sungai sangat
tampak ketidaksesuaiannya terhadap data, dimana prosentase ketelitiannya hanya 10
hingga 30%.
Tabel 2. Perbandingan Konsentrasi Logam Berat Cadmium (mg/l)
Antara Data dan Hasil Simulasi
Lokasi
Data
Oktober
/November 1993
Musim Timur
Hasil Simulasi
Musim
Peralihan
Keterangan
Musim Barat
A
Pasang
0,01875
Surut
0,01625
Pasang
-
Surut
-
Pasang
-
Surut
-
Pasang
-
Surut
-
B
C
D
E
F
G
H
K
1
2
3
4
5
6
S. Japat
S. Legoa
0,02500
0,02500
0,02625
0,03125
0,02750
0,03500
0,02875
0,01500
0,01750
0,01250
0,02000
0,01625
0,02250
0,03375
0,00700
-
0,01875
0,04000
0,05625
0,05375
0,03375
0,04125
0,02375
0,04625
0,05000
0,05125
0,02000
0,01625
0,05875
0,06125
0,00700
-
0,00620
0,00575
0,00620
0,00615
0,01345
0,02065
0,02460
0,00500
0,00640
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00760
0,01645
0,03550
0,00605
0,00570
0,00610
0,00605
0,01225
0,01960
0,02380
0,00500
0,00655
0,00575
0,00500
0,00500
0,00505
0,00690
0,02010
0,03230
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,01175
0,02200
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00500
0,00670
0,01350
0,01630
0,00565
0,00560
0,00560
0,02220
0,01005
0,02140
0,00500
0,00520
0,00500
0,00500
0,00500
0,00625
0,00625
0,01660
0,03560
0,01565
0,00560
0,00555
0,00550
0,02000
0,00985
0,01525
0,00500
0,00705
0,00500
0,00500
0,00500
0,00645
0,00635
0,01660
0,03560
S. Kresek
0,02000
0,02000
0,02470
0,02440
0,01045
0,00960
0,02470
0,02470
Tidak
termasuk
daerah model
Tidak ada
Data
Pengamatan
40
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
GRAFIK PERBANDINGAN ANTARA DATA DAN SIMULASI
Saat Pasang
Konsentrasi Cd (mg/l)
0.060
0.050
0.040
0.030
0.020
0.010
0.000
A
B
C
D
E
F
G
H
K
1
2
3
4
5
6
S. J apat S. Legoa
Data
Gambar 3.a
Sim. M. Tim ur
S.
K r es ek
Lokasi
Sim. M. Peralihan
Sim. M. Barat
Perbandingan Antara Data dan Hasil Simulasi di Pelabuhan Tanjung Priok - Saat Pasang.
GRAFIK PERBANDINGAN ANTARA DATA DAN SIMULASI
Saat Surut
Konsentrasi Cd (mg/l)
0.060
0.050
0.040
0.030
0.020
0.010
0.000
A
B
C
D
E
F
G
H
K
1
2
3
4
5
6
S. Japat S. Legoa
Data
Gambar 3.b
Sim. M. Timur
Sim. M. Peralihan
S.
Kr esek
Lokasi
Sim. M. Barat
Perbandingan Antara Data dan Hasil Simulasi di Pelabuhan Tanjung Priok - Saat Surut.
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
41
Perbedaan-perbedaan tersebut dapat disebabkan karena dalam pemodelan ini
diasumsikan bahwa sumber polutan besarnya konstan dan hanya berasal dari muara-muara
sungai saja, sedangkan pada kenyataannya besar polutan tidak akan konstan dan terdapat
sumber lain yang memberikan input lebih besar, misalnya adanya pencucian kapal dan
kegiatan bongkar muat barang, dan sebagainya. Hal terpenting lainnya adalah konsentrasi
logam berat cadmium yang terukur pada bulan Oktober/November 1993 di perairan
tersebut adalah konsentrasi yang telah terakumulasi sejak puluhan tahun sebelumnya,
sedangkan nilai awal yang digunakan untuk simulasi diambil dari data yang ada yaitu
tahun 1975 dan simulasi hanya dilakukan selama 15 hari. Sampel air mungkin hanya
diambil di lapisan permukaan, sedangkan pada pemodelan dilakukan perata-rataan
terhadap kedalaman. Distribusi vertikal konsentrasi cadmium di perairan tersebut belum
diperhatikan dalam pemodelan ini.
Sebagai studi awal ini memang keakuratan model belum sepenuhnya dapat
dibandingkan terhadap data pengamatan. Pada tahap selanjutnya dapat dilakukan simulasi
yang lebih lama dan pengamatan lapangan secara detail, sehingga uji keakuratan model
dapat dilakukan. Namun pada studi awal ini diharapkan akan dapat diperoleh gambaran
mengenai pola arus dan distribusi konsentrasi cadmium di dalam kolam pelabuhan sebagai
berikut:
3.2. Pola Arus dan Sebaran Logam Berat Cadmium (Cd)
Pola arus di dalam kolam Pelabuhan Tanjung Priok lebih dipengaruhi oleh pasang
surut dan morfologi pelabuhan dibandingkan pengaruh musim atau angin. Pengaruh
morfologi pelabuhan terhadap pola arus untuk simulasi tanpa angin, musim barat, dan
musim timur hampir sama. Hal ini dapat dilihat di sisi timur dan sisi barat pelabuhan. Arus
berbalik arah dengan kecepatan yang lebih kecil karena tertahan oleh penahan gelombang.
Di kolam-kolam pelabuhan arus berbalik dari sisi yang satu ke sisi lainnya mengikuti pola
arus pada umumnya. Di luar pelabuhan arus bergerak sepanjang penahan gelombang
sesuai arah angin. Pada saat pasang purnama dan saat pasang perbani pola arus sama.
Hanya saja saat pasang perbani magnitudo arus relatif lebih kecil dibandingkan saat pasang
purnama.
42
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
Gambar 4.a
Sirkulasi Arus Hasil Simulasi di Pelabuhan Tanjung Priok - Tanpa Angin; Saat Air Menuju
ke Surut Purnama.
Gambar 4.b
Sirkulasi Arus Hasil Simulasi di Pelabuhan Tanjung Priok - Tanpa Angin; Saat Air Menuju
ke Pasang Purnama.
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
43
Gambar 5.a
Pola Arus Hipotetik di Pelabuhan Tanjung Priok; Saat Air Surut. (Sumber : BAPEDAL,
1993)
Gambar 5.b
Pola Arus Hipotetik di Pelabuhan Tanjung Priok; Saat Air Pasang. (Sumber : BAPEDAL,
1993)
44
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
Berdasarkan hasil simulasi untuk kondisi tanpa adanya angin saat air surut ke
pasang purnama (gambar 4.a) arus masuk ke kolam pelabuhan melalui pintu masuk
pelabuhan di sisi timur. Arus akibat debit sungai yang bermuara di pelabuhan tersebut
diimbangi oleh arus pasang surut yang masuk ke arah sungai. Pada saat air pasang ke surut
(gambar 4.b) arus keluar dari perairan pelabuhan. Kecepatan arus di muara sungai akibat
debit sungai sangat dominan. Pola arus hasil simulasi ini lebih dapat memberikan
gambaran detail dibandingkan dengan arus hipotetik yang dilakukan oleh BAPEDAL
(gambar 5.a dan 5.b).
Pada saat bertiup angin barat (musim barat) dengan kecepatan rata-rata 2 m/detik,
arus secara umum bergerak dari barat ke timur (gambar 6). Pada saat tersebut sebaran
konsentrasi polutan mengikuti pola arus, yaitu ke arah timur (gambar 7). Saat surut polutan
mulai menyebar keluar dari pintu timur pelabuhan. Konsentrasi di dalam kolam pelabuhan
dan muara-muara sungai menjadi besar pada saat pasang.
Pada saat bertiup angin timur dengan kecepatan rata-rata 2 m/detik, arus secara
umum bergerak dari timur ke barat (gambar 8). Sebaran polutan pun bergerak ke bagian
barat pelabuhan (gambar 9).
Pada saat musim peralihan yang dianggap bertiup angin utara, arus di luar
pelabuhan bergerak dari utara ke selatan, sedangkan pola arus di dalam kolam pelabuhan
bervariasi sesuai dengan pola pasang surut dan morfologi pelabuhannya. Saat air pasang ke
surut di luar pelabuhan arus bergerak dari utara ke selatan. Di dalam pelabuhan arus ke
luar dari kolam-kolam pelabuhan menuju ke pintu barat dan pintu timur pelabuhan. Akibat
morfologi pelabuhan terjadi turbulensi arus, sehingga arus melawan masuk ke muara
Sungai Japat. Arus yang keluar dari kolam pelabuhan sebagian ke arah barat, sebagian ke
arah timur. Arus yang bergerak ke arah timur menyebabkan arus masuk ke muara Sungai
Legoa dan Sungai Kresek (gambar 10). Saat air surut ke pasang arus (gambar 11) bergerak
dari utara ke selatan, masuk ke kolam-kolam pelabuhan. Arus yang masuk ke kolam-kolam
pelabuhan memperbesar arus-arus yang masuk ke muara-muara sungai. Akibatnya sebaran
polutan tidak tersebar luas. Simulasi ini dilakukan untuk kondisi awal yang sama dengan
saat bertiup angin barat dan angin timur. Jika dilakukan dengan kondisi awal dari simulasi
angin barat atau angin timur, maka sebaran polutan selama pergantian musim akan tampak
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
45
Gambar 6
Sirkulasi Arus di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Barat 2 m/detik; Saat Air Menuju ke
Surut Purnama.
Gambar 7
Sebaran Logam Berat Cadmium di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Barat 2 m/detik; Saat
Air Menuju ke Surut Purnama.
46
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
Gambar 8
Sirkulasi Arus di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Timur 2 m/detik; Saat Air Menuju ke
Surut Purnama.
Gambar 9
Sebaran Logam Berat Cadmium di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Timur 2 m/detik;
Saat Air Menuju ke Surut Purnama.
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
47
Gambar 10
Sirkulasi Arus di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Utara 2 m/detik; Saat Air Menuju ke
Surut Purnama.
Gambar 11
Sirkulasi Arus di Pelabuhan Tanjung Priok - Angin Utara 2 m/detik; Saat Air Menuju ke
Pasang Purnama.
48
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
lebih jelas. Akibatnya perbandingan antara hasil simulasi dan data pengamatan yang
dilakukan oleh P4L pada bulan Oktober-November 1993 di muara-muara sungai hampir
sama, sedangkan di daerah-daerah pengamatan lainnya masih jauh berbeda (lihat Tabel 2
dan uraian pada bagian 3.1). Perlu simulasi yang lebih lama agar polutan lebih tersebar dan
ada akumulasi konsentrasi cadmium diwaktu sebelumnya, karena kontribusi hasil
pengamatan di lapangan merupakan hasil akumulasi logam berat dalam waktu yang cukup
lama.
3.3. Waktu Kuras (Flushing Time)
Model transpor polutan pada persamaan (4) disimulasikan dengan beban limbah
atau suku sumber S diberikan hanya sesaat pada awal simulasi. Selanjutnya konsentrasi
cadmium disebarkan sesuai pola arus hasil hidrodinamika dan didifusikan di kolam
pelabuhan. Simulasi dihentikan ketika konsentrasi cadmium di kolam pelabuhan mencapai
orde 10-5 mg/l, dimana pada orde konsentrasi ini logam berat cadmium masih
diperbolehkan untuk berbagai kepentingan9). Pada kondisi ini perairan dapat dianggap
dalam keadaan ‘bersih’.
Hasil simulasi tersebut menunjukkan penyebaran polutan logam berat cadmium di
Pelabuhan Tanjung Priok mengalami perubahan dari waktu ke waktu. Satu jam setelah
konsentrasi dibuang, polutan mulai menyebar hingga 200 m dari masing-masing muara
sungai dengan konsentrasi rata-rata 0.0125 mg/l. Setelah tiga jam limbah dari Sungai
Legoa konsentrasi menyebar hingga 300 m dengan konsentrasi rata-rata 0.0165 mg/l,
namun di muara sungai lainnya kurang dari 300 m. Setelah lima jam penyebaran rata-rata
polutan berkurang menjadi 0.01 mg/l di semua muara sungai. Setelah tujuh jam
konsentrasi polutan diperairan tersebut sudah sangat kecil dan dapat dikatakan bersih.
4. Kesimpulan
a. Tingkat ketelitian model yang dihitung dari perbandingan antara hasil simulasi dan data
pengamatan di daerah dekat sumber antara 60 hingga 90%, dimana ketelitian terbesar
diperoleh di dekat daerah muara sungai Kresek, dan di daerah jauh dari sumber hanya 1030%, sehingga rata-rata tingkat ketelitian model pada penelitian ini berkisar antara 5060%.
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
49
b. Pola arus di kolam Pelabuhan Tanjung Priok lebih dipengaruhi oleh pasang surut dan
morfologi pelabuhan. Hasil simulasi pola arus untuk kondisi tanpa angin dapat
menjelaskan lebih detail pola arus hipotetik yang dilakukan oleh BAPEDAL.
c. Pola arus dan pasang surut sangat berperan dalam penyebaran logam berat Cadmium.
Saat surut sebaran konsentrasi keluar dari pelabuhan, sebaliknya pada saat pasang
konsentrasi tertahan di dalam pelabuhan. Pada musim barat konsentrasi cadmium
terakumulasi di sisi timur pelabuhan, saat musim timur terakumulasi di sisi barat,
sedangkan pada musim peralihan konsentrasi lebih tertahan di muara-muara sungai.
d. Dengan berbagai keterbatasan data masukan yang ada dan metode pemodelan yang
dilakukan dapat ditunjukkan bahwa konsentrasi logam berat cadmium di Pelabuhan
Tanjung Priok telah melampaui ambang batas yang diperbolehkan, yaitu 0.01 mg/l2,9).
Ucapan Terima Kasih
Hasil Penelitian Hibah Bersaing I yang berjudul “Pemodelan Kualitas Air : Kaji
Kasus Sungai dan Estuari di Kawasan DKI Jakarta serta Teluk Jakarta”, yang dibiayai oleh
Proyek Peningkatan Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat, Direktorat Jenderal
Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Kebudayaan, Tahun 1992 - 1995.
Daftar Pustaka
1. Pusat Penelitian Lingkungan Hidup IPB dan Badan Pengendalian Dampak Lingkungan,
"Pengendalian Pencemaran Pelabuhan", Proyek Pengelolaan dan Pengendalian
Pencemaran Lingkungan, 1992.
2. Pusat Penelitian Lingkungan Hidup IPB dan Badan Pengendalian Dampak Lingkungan,
“Studi Formulasi Pola/Model Pelabuhan Berwawasan Lingkungan”, Proyek Pengelolaan
dan Pengendalian Pencemara Lingkungan, 1993/1994.
3. Fitriyanto, M.S., "Penerapan "Model Sarang" (Nested Model) Dalam Studi
Hidrodinamika Perairan Pantai Suralaya, Serang, Jawa Barat", Thesis Jurusan Fisika
ITB, 1993.
4. Putri, M.R., “Pemodelan Hidrodinamika dan Penyebaran Logam Berat Cadmium (Cd) di
Pelabuhan Tanjung Priok”, Tugas Akhir Sarjana, Jurusan Geofisika dan Meteorologi
ITB, 1994.
50
JMS Vol. 4 No. 1, April 1999
5. Fischer, HB. (ed.), "Transpor Model for Inland and Coastal Water", Proceedings of a
Symposium on Predictive Ability, Academic Press, New York, 1981.
6. Mihardja, D.K., I.M. Radjawane, M.R. Putri, M. Ali, F. Harwati, P. Astuti, “Pemodelan
Kualitas Air; Kaji Kasus Sungai dan Estuari di Kawasan DKI Jakarta serta Teluk
Jakarta”, Laporan Akhir Penelitian Hibah Bersaing, 1994.
7. Mihardja, D.K., Supriyanto, M.S. Fitriyanto, H. Latief, “Model Matematis dan Simulasi
Komputer Penyebaran Polutan di Teluk Jakarta”, Penelitian Sector Loan Th. 1989/1990
No. 169/P4M/DPPM/BD XXI/1989, Lembaga Penelitian ITB, 1990.
8. Othmer, Kirk, "Encyclopedia of Chemical Technology", Second Edition, vol.2s, 1953
9. UU no.4 tahun 1982 tentang Ketentuan-Ketentuan Pokok Pengelolaan Lingkungan
Hidup, 1982.