Analisis Angkutan Sedimen Total Sungai Percut Kabupaten Deli Serdang
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Uraian
Sumber utama dari material yang menjadi endapan fluvial adalah pecahan
dari batuan kerak bumi. Batuan hasil pelapukan secara berangsur diangkut ke
tempat lain oleh tenaga air, angin dan gletser. Air mengalir dipermukaan tanah
atau sungai membawa batuan halus baik terapung, melayang atau digeser di dasar
sungai menuju tempat yang lebih rendah. Hembusan angin juga bisa mengangkat
debu, pasir, bahkan bahan material yang lebih besar. Makin kuat hembusan itu,
makin besar pula daya angkutnya. Peristiwa ini disebut dengan disintegrasi yang
prosesnya dapat fisik atau kimia. Sebagai akibat proses tersebut adalah
terbentuknya butiran tanah dengan berbagai macam sifat yang berbeda, tergantung
dari keadaan iklim, topografi, jenis batuan, waktu dan organisme. Apabila partikel
tanah tersebut terkikis dari permukaan bumi atau palung sungai maka material
yang dihasilkan akan bergerak atau berpindah menurut arah aliran yang
membawanya menjadi angkutan sedimen.
Pengetahuan mengenai angkutan sedimen yang terbawa oleh aliran sungai
dalam kaitannya dengan besar aliran sungai akan mempunyai arti penting bagi
kegiatan pengembangan dan manajemen sumber daya air, konservasi tanah dan
perencanaan bangunan pengamanan sungai. Pengetahuan mengenai sedimen akan
memungkinkan untuk dilakukannya pengukuran sedimen yang melayang terbawa
aliran ataupun sedimen yang bergerak di dasar sungai. Sedimentasi adalah suatu
proses pengendapan material yang ditransport oleh media air, angin, es atau
gletser di suatu cekungan. Delta yang terdapat di mulut-mulut sungai adalah hasil
1
Universitas Sumatera Utara
dan proses pengendapan material-material yang diangkut oleh air sungai. Proses
sedimentasi meliputi proses erosi, transportasi (angkutan), pengendapan
(deposition) dan pemadatan (compaction) dari sedimentasi itu sendiri. Proses
tersebut berjalan sangat komplek, dimulai dari jatuhnya hujan yang menghasilkan
energi kinetik yang merupakan permulaan dari proses erosi. Begitu tanah menjadi
partikel halus, lalu menggelinding bersama aliran, sebagian akan tertinggal di atas
tanah sedangkan bagian lainnya masuk ke sungai terbawa aliran menjadi angkutan
sedimen. Bentuk, ukuran dan beratnya partikel tanah tersebut akan menentukan
jumlah besarnya angkutan sedimen.
Dasar sungai biasanya tersusun oleh endapan dari material angkutan
sedimen yang terbawa oleh aliran sungai, material tersebut dapat terangkut
kembali apabila terjadi kenaikan kecepatan aliran cukup tinggi. Besarnya volume
angkutan sedimen tergantung dari pada perubahan kecepatan aliran dan adanya
kegiatan di palung sungai. Sebagai akibat dari perubahan volume angkutan
sedimen adalah terjadinya penggerusan di beberapa tempat serta terjadinya
pengendapan di tempat lain pada dasar sungai sehingga dengan demikian bentuk
dari dasar sungai akan selalu berubah.
II.2 Transportasi Sedimen
Hasil pelapukan batuan dibawa oleh suatu media ke tempat lain dimana
kemudian diendapkan. Pada umumnya pembawa hasil pelapukan ini dilakukan
oleh suatu media yang berupa cairan, angin dan es. Sifat-sifat transportasi
sedimen berpengaruh terhadap sedimen itu sendiri yaitu mempengaruhi
pembentukan struktur sedimen yang terbentuk. Hal ini penting untuk diketahui
2
Universitas Sumatera Utara
karena sebenarnya struktur sedimen merupakan suatu catatan (record) tentang
proses yang terjadi sewaktu sedimen tersebut diendapkan. Umumnya proses itu
merupakan hasil langsung dari gerakan media pengangkut. Namun demikian sifat
fisik (ragam ukuran, bentuk dan berat jenis) butiran sedimen itu sendiri
mempunyai pengaruh pada proses mulai dari erosi, transportasi sampai ke
pengendapan.
II.2.1 Erosi dan Sedimentasi
Secara umum dapat dikatakan bahwa erosi dan sedimentasi merupakan
proses terlepasnya butiran tanah dari induknya di suatu tempat dan terangkutnya
material tersebut oleh gerakan air atau angin kemudian diikuti dengan
pengendapan material yang terangkut di tempat lain (Suripin, 2002). Proses erosi
dan sedimentasi ini baru mendapat perhatian cukup serius oleh manusia pada
sekitar tahun 1940-an, setelah menimbulkan kerugian yang cukup besar, baik
berupa merosotnya produktivitas tanah serta yang tidak kalah pentingnya adalah
rusaknya bangunan-bangunan keairan serta sedimentasi waduk. Daerah pertanian
merupakan lahan yang paling rentan terhadap terjadinya proses erosi. Bahaya
erosi banyak terjadi di daerah-daerah lahan kering terutama yang memiliki
kemiringan lereng sekitar 15% atau lebih.
3
Universitas Sumatera Utara
II.2.1.1 Erosi
Erosi tanah adalah suatu proses atau peristiwa hilangnya lapisan permukaan
tanah atas, baik disebabkan oleh pergerakan air maupun angin. Proses erosi tanah
yang disebabkan oleh air meliputi tiga tahap yang terjadi dalam keadaan normal di
lapangan, yaitu tahap pertama pemecahan bongkah-bongkah atau agregat tanah ke
dalam bentuk butir-butir kecil atau partikel tanah, tahap kedua pemindahan atau
pengangkutan butir-butir yang kecil sampai sangat halus tersebut, dan tahap
ketiga
pengendapan partikel-partikel tersebut di tempat yang lebih rendah atau di dasar
sungai (Priyantoro, 1987).
Hujan merupakan salah satu faktor utama penyebab terjadinya erosi tanah.
Tetesan air hujan merupakan media utama pelepasan partikel tanah. Pada saat
butiran air hujan mengenai permukaan tanah yang gundul, partikel tanah dapat
terlepas dan terlempar sampai beberapa centimeter ke udara. Pada lahan datar
partikel-partikel tanah tersebar lebih kurang merata ke segala arah, tapi untuk
lahan miring terjadi dominasi kearah bawah searah lereng. Partikel-partikel tanah
yang terlepas ini akan menyumbat pori-pori tanah sehingga akan menurunkan
kapasitas dan laju infiltrasi. Pada kondisi dimana intensitas hujan melebihi laju
infiltrasi, maka akan terjadi genangan air di permukaan tanah, yang kemudian
akan menjadi aliran permukaan. Aliran permukaan ini menyediakan energi untuk
mengangkut partikel-partikel yang terlepas baik oleh tetesan air hujan maupun
oleh adanya aliran permukaan itu sendiri. Pada saat aliran permukaan menurun
4
Universitas Sumatera Utara
dan tidak mampu lagi mengangkut partikel tanah yag terlepas, maka partikel tanah
tersebut akan diendapkan.
Proses pengangkutan partikel-partikel tanah ini akan terhenti baik untuk
sementara atau tetap, sebagai pengendapan atau sedimentasi. Proses pengendapan
sementara terjadi pada lereng yang bergelombang, yaitu bagian lereng yang
cekung akan menampung endapan partikel yang hanyut untuk sementara dan pada
hujan berikutnya endapan ini akan terangkat kembali menuju dataran rendah atau
sungai. Sedangkan pengendapan akhir atau sedimentasi terjadi pada sungai. Pada
daerah aliran sungai partikel dan unsur hara yang larut dalam aliran permukaan
akan mengalir ke sungai sehingga terjadi pendangkalan pada tempat tersebut.
Keadaan ini akan mengakibatkan daya tampung sungai menjadi turun sehingga
timbul bahaya banjir.
II.2.1.2 Sedimentasi
Sedimentasi adalah proses pengendapan material yang terangkut oleh aliran
dari bagian hulu akibat dari erosi. Sungai-sungai membawa sedimen dalam setiap
alirannya. Sedimen dapat berada di berbagai lokasi dalam aliran, tergantung pada
keseimbangan antara kecepatan ke atas pada partikel (gaya tarik dan gaya angkat)
dan kecepatan pengendapan partikel.
Berdasarkan
tempat
dan
tenaga
yang
mengendapkannya,
proses
sedimentasi dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu :
Sedimentasi fluvial
Sedimentasi fluvial adalah proses pengendapan materi yang diangkut oleh
air sungai dan diendapkan disepanjang sungai atau muara sungai. Bentang
5
Universitas Sumatera Utara
alam hasil sedimentasi fluvial antara lain pulau sungai dan delta. Pulau
sungai merupakan dataran yang terdapat di tengah-tengah badan sungai.
Sedangkan delta adalah bentuk hasil endapan lumpur, tanah, pasir, dan
batuan yang terdapat di muara sungai. Pengendapan yang terjadi di sungai
disebut sedimen fluvial. Hasil pengendapan ini biasanya berupa batu
giling, batu geser, pasir, kerikil dan lumpur yang menutupi dasar sungai.
Bahkan endapan sungai ini sangat baik dimanfaatkan untuk bahan
bangunan atau pengaspalan jalan.
Sedimentasi aeris
Sedimentasi Aeolis atau Aeris, yaitu sedimen yang diendapkan oleh tenaga
angin. Contohnya: tanah loss, sand dunes.
Sedimentasi pantai
Sedimen pantai adalah material sedimen yang diendapkan di pantai.
Berdasarkan ukuran butirannya, sedimen panai dapat berkisar dari
sedimen berukuran butir lempung sampai gravel. Suplai muatan sedimen
yang sangat tinggi yang menyebabkan sedimentasi itu hanya dapat berasal
dari daratan yang dibawa ke laut melalui aliran sungai. Pembukaan lahan
di daerah aliran sungai yang meningkatkan erosi permukaan merupakan
faktor utama yang meningkatkan suplai muatan sedimen ke laut.
Ada 3 (tiga) macam pergerakan angkutan sedimen yaitu:
1. Bed load transport
6
Universitas Sumatera Utara
Partikel kasar yang bergerak di sepanjang dasar sungai secara keseluruhan
disebut dengan bed load. Adanya bed load ditunjukkan oleh gerakan
partikel di dasar sungai yang ukurannya besar, gerakan itu dapat bergeser,
menggelinding atau meloncat-loncat, akan tetapi tidak pernah lepas dari
dasar sungai.
2. Wash load transport
Wash load adalah angkutan partikel halus yang dapat berupa lempung
(silk) dan debu (dust), yang terbawa oleh aliran sungai. Partikel ini akan
terbawa aliran sampai ke laut, atau dapat juga mengendap pada aliran yang
tenang atau pada air yang tergenang.
3. Suspended load transport
Suspended load adalah material dasar sungai (bed material) yang
melayang di dalam aliran dan terutama terdiri dari butir pasir halus yang
senantiasa mengambang di atas dasar sungai, karena selalu didorong oleh
turbulensi aliran. Suspended load itu sendiri umumnya bergantung pada
kecepatan jatuh atau lebih dikenal dengan fall velocity.
Pada kenyataan pada tiap satu satuan waktu pergerakan angkutan sedimen
yang dapat diamati hanyalah Bed Load Transport dan Suspended Load Transport.
II.2.2. Angkutan Sedimen
Angkutan sedimen di sungai atau saluran terbuka merupakan suatu proses
alami yang terjadi secara berkelanjutan. Sungai disamping berfungsi sebagai
7
Universitas Sumatera Utara
media untuk mengalirkan air, juga berfungsi untuk mengangkut material sebagai
angkutan sedimen.
Pengertian umum angkutan sedimen adalah sebagai pergerakan butiranbutiran material dasar saluran yang merupakan hasil erosi yang disebabkan oleh
gaya dan kecepatan aliran sungai.
Di dalam perhitungan sifat-sifat sedimen yang dipakai adalah: ukuran,
kerapatan atau kepadatan, kecepatan jatuh dan porositas. Laju angkutan sedimen,
perubahan dasar dan tebing saluran, perubahan morfologi sungai dapat
diterangkan jika sifat sedimennya diketahui.
Beberapa faktor yang mempengaruhi angkutan sedimen adalah :
1. Ukuran partikel sedimen
Klasifikasi
Ukuran butiran
Bongkahan
> 256 mm
Berangkal (couble)
64 – 256 mm
Kerikil (gravel)
2- 64 mm
Pasir (sand)
62 – 2000 μm
Lanau (silt)
4 -62 μm
Lempung (clay)
< 4 μm
Tabel 2.1 Klasifikasi ukuran partikel sedimen
Pengukuran ukuran butiran tergantung pada jenis bongkahan, untuk
berangkal pengukuran dilakukan secara langsung, untuk kerikil dan pasir
dilakukan dengan analisa saringan sedangkan untuk lanau dan lempung dilakukan
dengan analisa sedimen.
2. Berat spesifik partikel sedimen
8
Universitas Sumatera Utara
Berat spesifik adalah berat sedimen per satuan volume dari bahan angkutan
sedimen. Dirumuskan sebagai berikut :
��
=
2.1
3. Tegangan geser kritis
Tegangan geser kritis merupakan parameter penting dalam angkutan
sedimen. Pergerakan sedimen dipengaruhi oleh tegangan geser, kecepatan kritis
dan gaya angkat. Partikel sedimen akan terangkat apabila tegangan geser dasar
lebih besar dari tegangan geser kritis erosi dan tegangan geser kritis erosi melebihi
tegangan geser kritis deposisi.
Beberapa penelitian menunjukkan bahwa tegangan geser kritis sangat
bergantung pada riwayat proses pengendapan dan konsolidasi. Untuk itu beberapa
penelitian tegangan geser kritis sedimen kohesif biasanya dilakukan dengan
menghubungkan antara tegangan geser dan massa jenis sedimen pada berbagai
variasi ketinggian sampel.
Sedimen bergerak tergantung dari besarnya gaya seret dan gaya angkat dan
dapat digambarkan sebagai berikut.
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1. Gaya yang bekerja pada butiran di dasar sungai
Dimana:
f = koefisien gesekan
W’ = (��
s - ��
)*g
FD = ��
∗����
2.2
2.3
�� ∗
10
Universitas Sumatera Utara
FL = ��
∗����2
2.4
�� ∗
Partikel sedimen akan mulai bergerak pada kondisi kecepatan geser kritis
terlampaui, karena gaya dorong lebih besar dari gaya gesek.
��
=
2.5
Persamaan tegangan geser Shield adalah:
��=
2.6
∗
Dimana :
��= ��∗ ��∗ S , sehingga :
��
11
Universitas Sumatera Utara
��=
2.7
∗
D = kedalaman saluran (m)
S = kemiringan saluran
D = diameter butiran sedimen (mm)
��= tegangan geser kritis
��
Apabila bilangan Reynold diketahui maka tegangan geser kritis dapat
diketahui dengan melihat grafik 2.2 buku Sediment Transport, Chi Ted Yang
halaman 22.
��
��
=
2.8
12
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
U* = kecepatan geser
d = diameter sedimen
v = viskositas kinematik
��
=
Viskositas kinematik dari air (v) dihubungkan kepada viskositas dinamik (��
) oleh
berat jenis sebagai berikut = ��
/��
. Sebagian besar buku Mekanika Fluida
mempunyai tabel dan diagram dari viskositas air sebagai fungsi dari temperatur.
Misalnya harga yang mewakili v = 1.10-6 m2/s untuk air bersih pada suhu 20oC.
Dengan melihat grafik di bawah ini maka akan didapatkan nilai critical stress.
13
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2. Diagram Shields
Diagram Shields secara empiris menunjukkan bagaimana pendimensian
tegangan geser kritis yang diperlukan untuk inisiasi pergerakan yang merupakan
fungsi dari bentuk khusus partikel bilangan Reynolds, Rep atau bilangan Reynold
yang terkait dengan partikel tersebut. (Chi Ted Yang, 2003).
II.2.3. Rumus-rumus Angkutan Sedimen
Rumus-rumus yang dipakai dalam perhitungan angkutan sedimen dibagi
dalam 3 (tiga) bagian, yaitu angkutan sedimen dasar (bed load transport),
angkutan sedimen melayang (suspended load) dan angkutan sedimen total (total
load transport).
II.2.3.1 Angkutan Sedimen Dasar (Bed Load Transport)
A. Metode DuBoys
14
Universitas Sumatera Utara
Persamaan DuBoys adalah persamaan klasik yang telah diteliti oleh para
ahli yang berbeda dan menghasilkan kesimpulan bahwa rumus DuBoys dihasilkan
dari percobaan yang dilakukan pada flume yang kecil dan range yang kecil,
sehingga aplikasinya sangat cocok untuk penelitiaan dengan studi saluran terbuka.
Persamaan DuBoys dapat ditulis sebagai berikut :
qb = ��
(��
- ��
c)
Dimana :
2.9
Qb = W * qb
2.10
��= ��
∗��
∗��
2.11
�� = tegangan geser
15
Universitas Sumatera Utara
qb = debit bed load
Qb = muatan sedimen dasar (kg/s)
B. Metode Shields
Shields (1936) dalam penelitiaanya mengenai pergerakan awal dari
sedimen dengan mengukur kondisi aliran dengan sedimen transport yang lebih
besar dari nol dan kemudiaan memberikan hubungan terhadap penentuaan kondisi
aliran yang berhubungan pada gerak yang baru mulai. Persamaan Shields dapat
ditulis sebagai berikut :
=
Dimana :
��
2.12
Qb = W * qb
2.13
��= ��
∗��
∗��
2.14
= tegangan geser (kg/m2)
16
Universitas Sumatera Utara
��
= tegangan geser kritis (kg/m2)
c
��
, ��
s = berat spesifik sedimen dan air (kg/m3)
Qb
= muatan sedimen dasar (kg/s)
C. Metode Schoklitsch
Schoklitsch adalah ilmuan yang pertama kali menggunakan parameter debit
air untuk menentukan bed load. Formula schoklitsch dengan satuan metrik:
qb = S3/2 (q - qc)
Qb = W * qb
2.15
2.16
Dimana :
qb
= debit bed load ( kg/s)/m
17
Universitas Sumatera Utara
d
= ukuran partikel (m)
q dan qc = debit air dan debit kritis (m3/s)/m
D. Metode Meyer-Peter
Ahli yang pertama kali menemukan pendekatan dengan parameter slope
energi adalah mayer – peter dkk (1934). Mayer-Peter melakukan studi
laboratorium secara intensif mengenai sediment transport, yang kemudian
menemukan rumus bed load dengan menggunakan system metric sebagai berikut :
qb2/3 = - 17
2.17
Qb = W * qb
2.18
Dimana :
qb
= debit bed load (kg/s)/m
q
= debit air dalam (kg/s)/m
d
= ukuran partikel (m)
Qb
= muatan sedimen dasar (kg/s)
E. Metode Meyer-Peter dan Muller
Setelah 14 tahun amelakukan penelitian dan analisis, Meyer-Peter dan
Muller (1948) mengubah rumus Meyer-Peter menjadi rumus Meyer-Peter dan
Muller, yaitu :
S )3/2 R = 0,047 (γs- γ) d + 0,25 ρ1/3 qb2/3
Qb = W * qb
2.19
2.20
Dimana :
γs
= berat jenis sedimen (m ton/m3)
18
Universitas Sumatera Utara
γ
= berat jenis air (m ton/m3)
R
= jari-jari hidrolik (m)
d
= diameter partikel rata-rata (m)
ρ
= Massa jenis air (m ton s/m4)
S ) = jenis slope
Qb
= muatan sedimen dasar (kg/s)
F. Metode Rottner
Rottner (1959) Schoklitsch mengasumsikan bahwa muatan dasar dapat dihitung
dengan menggunakan rumus:
qb = γs [(δs-1)g D3]1/2 x { [0,667()2/3 + 0,14]- 0,778()2/3}3 2.15
Qb = W * qb
2.21
Dimana :
Qb = muatan sedimen dasar (kg/s)
II.2.3.2. Angkutan Sedimen Melayang (Suspended Load Transport)
A. Metode Lane dan Kalinske
Lane dan Kalinske, mengasumsikan bahwa muatan melayang dapat
dihitung dengan menggunakan rumus :
qsw = q Ca PL exp
2.22
Dimana :
qsw = Debit air
Ca = Berat kering
PL = C / Ca
Ca = Konsentrasi muatan layang
19
Universitas Sumatera Utara
= Kecepatan jatuh
U* = Kecepatan geser
D = Kedalaman air
B. Metode Einstein
Einstein, mengasumsikan bahwa bahwa muatan melayang dapat dihitung
dengan
menggunakan rumus :
qsw = 11,6 U* Ca a [(2,303 log ) I1 + I2 ]
2.23
Dimana :
qsw = Debit air
U’* = U* = Kecepatan geser
Ca = Konsentrasi muatan layang
a = 2d65
D = Kedalaman air
∆ = ks / x = d65 / x
I = Numerik terintegritas
C. Metode Chang, Simons, dan Richardson
Chang, Simons, dan Richardson, mengasumsikan bahwa muatan melayang
dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
qsw = γ D Ca (V I1 - I2)
2.24
Dimana :
qsw = Debit air
20
Universitas Sumatera Utara
γ = Berat jenis sedimen
D = Kedalaman air
Ca = Konsentrasi muatan layang
I = Numerik terintegritas
U* = Kecepatan geser
k = Kostanta Prandtl – von Karman ( 0,4 )
V = Rata – rata kecepatan aliran
II.2.5.3. Angkutan Sedimen Total (Total Load Transport)
A. Persamaan Yang’s
Yang’s (1973) mengusulkan formula transportasi sedimen berdasarkan
konsep unit aliran listrik, yang dapat dimanfaatkan untuk prediksi materi
keseluruhan tempat tidur konsentrasi diangkut dalam flumes tempat tidur pasir
dan sungai. Yang mendasarkan rumusnya pada konsep bahwa jumlah angkutan
sedimen berbanding langsung dengan jumlah energi aliran. Energy per satuan
berat air dapat dinyatakan dengan hasil kali kemiringan dasar dan kecepatan
aliran. Energy per satuan besar air tersebut oleh Yang disebut sebagai unit stream
power dan dianggap sebagai parameter penting dalam menentukan jumlah
angkutan sedimen.
Data-data yang dipergunakan dalam pembuatan persamaan Yang’s adalah :
21
Universitas Sumatera Utara
Data sedimen
Geometri saluran
Kecepatan aliran
Analisa perhitungan
Log Ct = 5.435 – 0.286 log - 0.457 log
+ (1.799 – 0.409 log − 0.314 log )log ( −)
2.25
Dimana :
Ct = konsentrasi sedimen total
d50 = diameter sedimen 50% dari material dasar (mm)
��= kecepatan jatuh (m/s)
V = kecepatan aliran (m/s)
Vcr = kecepatan kritis (m/s)
22
Universitas Sumatera Utara
S = kemiringan sungai
U* = kecepatan geser (m/s)
B. Metode Engelund and Hansen
Engelund and Hansen (1967) persamaan Engelund-Hansen didasarkan pada
pendekatan tegangan geser. Persamaan Engelund and Hansen dapat ditulis sebagai
berikut :
qs = 0,05 γs V2 []1/2 []3/2
Qs = W * qs
Dimana : ��
0 = ��
∗��
∗��
2.26
2.27
2.28
��
0 = tegangan geser (kg/m2)
Qs = muatan sedimen (kg/s)
C. Metode Shen and Hungs
Shen and Hung (1971) diasumsikan bahwa transportasi sedimen adalah
begitu kompleks sehingga tidak menggunakan bilangan Reynolds, bilangan
23
Universitas Sumatera Utara
Froude, kombinasi ini dapat ditemukan untuk menjelaskan transportasi sedimen
dengan semua kondisi. Shen and Hung mencoba untuk menemukan variabel yang
dominan yang mendominasi laju transportasi sedimen, mereka merekomendasikan
kemunduran persamaan berdasarkan 587 set data laboratorium. Persamaan Shen
and Hung dapat ditulis sebagai berikut :
Log Ct = - 107404.459 + 324214.747* Y – 326309.589*Y2
+ 109503.872*Y3
2.29
Dimana : Y = []0.0075
Ct = konsentrasi sedimen total
V = kecepatan aliran (m/s)
��= kecepatan jatuh (m/s)
S = kemiringan sungai Universitas Sumatera Utara
W = lebar sungai (m)
D = kedalaman sungai (m)
Qs = muatan sedimen (kg/s)
II.3. Dampak Erosi dan Sedimentasi
II.3.1. Pengaruh Erosi
Seperti yang telah diuraikan, erosi dan sedimentasi yang diakibatkan oleh
pergerakan air (daerah dengan curah hujan tinggi) meliputi beberapa proses.
24
Universitas Sumatera Utara
Terutama
meliputi
proses
pelepasan,
penghanyutan/pengangkutan
dan
pengendapan daripada partikel-partikel tanah yang terjadi akibat tumbukan
percikan air hujan dan aliran permukaan.
Air hanya akan mengalir dipermukaan tanah apabila jumlah air hujan lebih
besar daripada kemampuan tanah untuk menginfiltrasi air ke lapisan yang lebih
dalam. Dengan menurunnya porositas tanah, karena sebagian pori-pori tertutup
oleh partikel tanah yang halus, maka laju infiltrasi akan semakin berkurang,
akibatnya aliran air dipermukaan akan semakin bertambah banyak. Aliran air di
permukaan mempunyai peranan yang penting. Lebih banyak air yang mengalir di
permukaan tanah maka lebih banyak tanah yang terkikis dan terangkut banjir yang
dilanjutkan terus ke sungai untuk akhirnya diendapkan. Lebih lanjut tetesan air
hujan ini dapat menimbulkan pembentukan lapisan tanah keras pada lapisan
permukaan. Akibatnya dapat menyetop sama sekali laju infiltrasi sehingga aliran
permukaan semakin berlimpah.
Dari uraian ini jelas bahwa pengaruh erosi ini dapat menimbulkan
kemerosotan kesuburan fisik dari tanah.
II.3.2. Pengaruh Sedimentasi
Erosi tidak hanya berpengaruh negative pada lahan dimana terjadi erosi,
tetapi juga di daerah hilirnya dimana material sedimen diendapkan. Banyak
bangunan-bangunan sipil di daerah hilir akan terganggu, saluran-saluran, jalur
navigasi air akan mengalami pengendapan sedimen. Disamping itu kandungan
sedimen yang tinggi pada air sungai juga akan merugikan pada penyediaan air
bersih. Salah satu keuntungan yang dapat diperoleh dari pengendapan sedimen
25
Universitas Sumatera Utara
barangkali adalah penyuburan tanah jika sumber sedimen berasal dari tanah yang
subur.
II.4. Morfologi Sungai
Morfologi sungai adalah ilmu yang mempelajari sifat, jenis dan perilaku
sungai dengan semua aspek perubahannya dalam dimensi ruang dan waktu.
Gejala morfologi yang mempengaruhi sungai adalah :
1. Keadaan daerah aliran sungai, yang meliputi unsure topografi, vegetasi, geologi
tanah dan penggunaan tanah yang berpengaruh terhadap koefisien rembesan
pengaliran, sifat curah hujan serta keadaan hidrologi.
2. Hidrologi di palung sungai.
3. Material dasar saluran, tebing serta berubahnya alur aliran.
4. Aktivitas manusia diantaranya:
Dibangunnya prasarana air
Pengambilan material dasar sungai, tebing sungai dan bantaran sungai.
Pembuangan material dan sampah ke sungai.
II.5. Geometri dan Geoteknik Sungai
Bentuk sungai dapat dibedakan berdasarkan :
1. Topografi sungai meliputi bagian hulu dan hilir sungai dan sungai transisi.
Parameter yang menentukan adalah kemiringan dasar saluran, yang
dipengaruhi oleh jenis butiran material dasar dan kekasaran dasar sungai.
2. Lapisan dasar sungai yang meliputi :
a. Sungai dengan dasar yang mudah tergerus.
26
Universitas Sumatera Utara
b. Sungai dengan dasar yang tidak mudah tergerus.
c. Sungai dengan dasar yang mudah tergerus tetapi terlindung oleh
material
sungai lain yang mudah bergerak.
d. Sungai dengan lapisan dasar mudah tergerus dan di atasnya terdiri dari
perpaduan antara material itu sendiri dengan muatan dasar lepas.
e. Sungai dengan dasar saliran terdiri dari lapisan alluvial tergerus dengan
kedalaman cukup besar.
3. Jenis sungai dengan dasar batuan gelinding, berpasir, berlempung dan lainlainnya.
4. Kemiringan dasar saluran yang meliputi sungai dengan kemiringan curam,
landai dan bertangga.
5. Bentuk melintang sungai.
6. Pembentukan dasar sungai.
7. Jenis angkutan sedimen dan angkutan materialnya.
8. Pola aliran sungai yang meliputi :
a. Dendritik
Pola ini terjadi pada daerah berbatuan sejenis dengan penyebaran
yang luas. Misalnya suatu daerah yang ditutupi oleh endapan sedimen yang
meliputi daerah yang luas dan umumnya endapan itu terletak pada suatu
bidang horizontal.
b. Radial
Biasanya pola radial dijumpai pada lereng gunung api daerah
topografi berbentuk kubah.
27
Universitas Sumatera Utara
c. Rectangular
Terdapat di daerah yang batuannya mengalami retakan-retakan.
Misalnya batuan jenis limestone.
9. Tinjauan daerah aliran sungai yang meliputi :
a. Sungai lurus
Terjadi bukan karena alam tetapi dikarenakan ole perbaikan aliran
sungai oleh manusia dan disengaja dibuat lurus.
b. Sungai berliku
Terjadi secara alamiah, sangat sering ditemui dan mempunyai cirri
dengan arus yang berupa kurva yang dihubungkan dengan bagian alur
sungai yang lurus.
c. Sungai berjalin
Terjadi karena fenomena sungai, sungai ini terdiri dari alur yang
dipisahkan oleh pulau ataupun tebing kemudian bersatu kembali di bagian
hilirnya.
Topografi sungai termasuk diantaranya adalah kemiringan dasar sungai,
alur sungai, geometri permukaan, daya erosi sungai, dan kesemuanya berpengaruh
terhadap laju debit sungai dan angkutan sedimen. Hal ini dapat merubah bentuk
alur sungai dan kemiringan dasar sungai. Geometri permukaan mempengaruhi
alur sungai, kedalaman sungai dan angkutan sedimen sungai.
28
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Uraian
Sumber utama dari material yang menjadi endapan fluvial adalah pecahan
dari batuan kerak bumi. Batuan hasil pelapukan secara berangsur diangkut ke
tempat lain oleh tenaga air, angin dan gletser. Air mengalir dipermukaan tanah
atau sungai membawa batuan halus baik terapung, melayang atau digeser di dasar
sungai menuju tempat yang lebih rendah. Hembusan angin juga bisa mengangkat
debu, pasir, bahkan bahan material yang lebih besar. Makin kuat hembusan itu,
makin besar pula daya angkutnya. Peristiwa ini disebut dengan disintegrasi yang
prosesnya dapat fisik atau kimia. Sebagai akibat proses tersebut adalah
terbentuknya butiran tanah dengan berbagai macam sifat yang berbeda, tergantung
dari keadaan iklim, topografi, jenis batuan, waktu dan organisme. Apabila partikel
tanah tersebut terkikis dari permukaan bumi atau palung sungai maka material
yang dihasilkan akan bergerak atau berpindah menurut arah aliran yang
membawanya menjadi angkutan sedimen.
Pengetahuan mengenai angkutan sedimen yang terbawa oleh aliran sungai
dalam kaitannya dengan besar aliran sungai akan mempunyai arti penting bagi
kegiatan pengembangan dan manajemen sumber daya air, konservasi tanah dan
perencanaan bangunan pengamanan sungai. Pengetahuan mengenai sedimen akan
memungkinkan untuk dilakukannya pengukuran sedimen yang melayang terbawa
aliran ataupun sedimen yang bergerak di dasar sungai. Sedimentasi adalah suatu
proses pengendapan material yang ditransport oleh media air, angin, es atau
gletser di suatu cekungan. Delta yang terdapat di mulut-mulut sungai adalah hasil
1
Universitas Sumatera Utara
dan proses pengendapan material-material yang diangkut oleh air sungai. Proses
sedimentasi meliputi proses erosi, transportasi (angkutan), pengendapan
(deposition) dan pemadatan (compaction) dari sedimentasi itu sendiri. Proses
tersebut berjalan sangat komplek, dimulai dari jatuhnya hujan yang menghasilkan
energi kinetik yang merupakan permulaan dari proses erosi. Begitu tanah menjadi
partikel halus, lalu menggelinding bersama aliran, sebagian akan tertinggal di atas
tanah sedangkan bagian lainnya masuk ke sungai terbawa aliran menjadi angkutan
sedimen. Bentuk, ukuran dan beratnya partikel tanah tersebut akan menentukan
jumlah besarnya angkutan sedimen.
Dasar sungai biasanya tersusun oleh endapan dari material angkutan
sedimen yang terbawa oleh aliran sungai, material tersebut dapat terangkut
kembali apabila terjadi kenaikan kecepatan aliran cukup tinggi. Besarnya volume
angkutan sedimen tergantung dari pada perubahan kecepatan aliran dan adanya
kegiatan di palung sungai. Sebagai akibat dari perubahan volume angkutan
sedimen adalah terjadinya penggerusan di beberapa tempat serta terjadinya
pengendapan di tempat lain pada dasar sungai sehingga dengan demikian bentuk
dari dasar sungai akan selalu berubah.
II.2 Transportasi Sedimen
Hasil pelapukan batuan dibawa oleh suatu media ke tempat lain dimana
kemudian diendapkan. Pada umumnya pembawa hasil pelapukan ini dilakukan
oleh suatu media yang berupa cairan, angin dan es. Sifat-sifat transportasi
sedimen berpengaruh terhadap sedimen itu sendiri yaitu mempengaruhi
pembentukan struktur sedimen yang terbentuk. Hal ini penting untuk diketahui
2
Universitas Sumatera Utara
karena sebenarnya struktur sedimen merupakan suatu catatan (record) tentang
proses yang terjadi sewaktu sedimen tersebut diendapkan. Umumnya proses itu
merupakan hasil langsung dari gerakan media pengangkut. Namun demikian sifat
fisik (ragam ukuran, bentuk dan berat jenis) butiran sedimen itu sendiri
mempunyai pengaruh pada proses mulai dari erosi, transportasi sampai ke
pengendapan.
II.2.1 Erosi dan Sedimentasi
Secara umum dapat dikatakan bahwa erosi dan sedimentasi merupakan
proses terlepasnya butiran tanah dari induknya di suatu tempat dan terangkutnya
material tersebut oleh gerakan air atau angin kemudian diikuti dengan
pengendapan material yang terangkut di tempat lain (Suripin, 2002). Proses erosi
dan sedimentasi ini baru mendapat perhatian cukup serius oleh manusia pada
sekitar tahun 1940-an, setelah menimbulkan kerugian yang cukup besar, baik
berupa merosotnya produktivitas tanah serta yang tidak kalah pentingnya adalah
rusaknya bangunan-bangunan keairan serta sedimentasi waduk. Daerah pertanian
merupakan lahan yang paling rentan terhadap terjadinya proses erosi. Bahaya
erosi banyak terjadi di daerah-daerah lahan kering terutama yang memiliki
kemiringan lereng sekitar 15% atau lebih.
3
Universitas Sumatera Utara
II.2.1.1 Erosi
Erosi tanah adalah suatu proses atau peristiwa hilangnya lapisan permukaan
tanah atas, baik disebabkan oleh pergerakan air maupun angin. Proses erosi tanah
yang disebabkan oleh air meliputi tiga tahap yang terjadi dalam keadaan normal di
lapangan, yaitu tahap pertama pemecahan bongkah-bongkah atau agregat tanah ke
dalam bentuk butir-butir kecil atau partikel tanah, tahap kedua pemindahan atau
pengangkutan butir-butir yang kecil sampai sangat halus tersebut, dan tahap
ketiga
pengendapan partikel-partikel tersebut di tempat yang lebih rendah atau di dasar
sungai (Priyantoro, 1987).
Hujan merupakan salah satu faktor utama penyebab terjadinya erosi tanah.
Tetesan air hujan merupakan media utama pelepasan partikel tanah. Pada saat
butiran air hujan mengenai permukaan tanah yang gundul, partikel tanah dapat
terlepas dan terlempar sampai beberapa centimeter ke udara. Pada lahan datar
partikel-partikel tanah tersebar lebih kurang merata ke segala arah, tapi untuk
lahan miring terjadi dominasi kearah bawah searah lereng. Partikel-partikel tanah
yang terlepas ini akan menyumbat pori-pori tanah sehingga akan menurunkan
kapasitas dan laju infiltrasi. Pada kondisi dimana intensitas hujan melebihi laju
infiltrasi, maka akan terjadi genangan air di permukaan tanah, yang kemudian
akan menjadi aliran permukaan. Aliran permukaan ini menyediakan energi untuk
mengangkut partikel-partikel yang terlepas baik oleh tetesan air hujan maupun
oleh adanya aliran permukaan itu sendiri. Pada saat aliran permukaan menurun
4
Universitas Sumatera Utara
dan tidak mampu lagi mengangkut partikel tanah yag terlepas, maka partikel tanah
tersebut akan diendapkan.
Proses pengangkutan partikel-partikel tanah ini akan terhenti baik untuk
sementara atau tetap, sebagai pengendapan atau sedimentasi. Proses pengendapan
sementara terjadi pada lereng yang bergelombang, yaitu bagian lereng yang
cekung akan menampung endapan partikel yang hanyut untuk sementara dan pada
hujan berikutnya endapan ini akan terangkat kembali menuju dataran rendah atau
sungai. Sedangkan pengendapan akhir atau sedimentasi terjadi pada sungai. Pada
daerah aliran sungai partikel dan unsur hara yang larut dalam aliran permukaan
akan mengalir ke sungai sehingga terjadi pendangkalan pada tempat tersebut.
Keadaan ini akan mengakibatkan daya tampung sungai menjadi turun sehingga
timbul bahaya banjir.
II.2.1.2 Sedimentasi
Sedimentasi adalah proses pengendapan material yang terangkut oleh aliran
dari bagian hulu akibat dari erosi. Sungai-sungai membawa sedimen dalam setiap
alirannya. Sedimen dapat berada di berbagai lokasi dalam aliran, tergantung pada
keseimbangan antara kecepatan ke atas pada partikel (gaya tarik dan gaya angkat)
dan kecepatan pengendapan partikel.
Berdasarkan
tempat
dan
tenaga
yang
mengendapkannya,
proses
sedimentasi dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu :
Sedimentasi fluvial
Sedimentasi fluvial adalah proses pengendapan materi yang diangkut oleh
air sungai dan diendapkan disepanjang sungai atau muara sungai. Bentang
5
Universitas Sumatera Utara
alam hasil sedimentasi fluvial antara lain pulau sungai dan delta. Pulau
sungai merupakan dataran yang terdapat di tengah-tengah badan sungai.
Sedangkan delta adalah bentuk hasil endapan lumpur, tanah, pasir, dan
batuan yang terdapat di muara sungai. Pengendapan yang terjadi di sungai
disebut sedimen fluvial. Hasil pengendapan ini biasanya berupa batu
giling, batu geser, pasir, kerikil dan lumpur yang menutupi dasar sungai.
Bahkan endapan sungai ini sangat baik dimanfaatkan untuk bahan
bangunan atau pengaspalan jalan.
Sedimentasi aeris
Sedimentasi Aeolis atau Aeris, yaitu sedimen yang diendapkan oleh tenaga
angin. Contohnya: tanah loss, sand dunes.
Sedimentasi pantai
Sedimen pantai adalah material sedimen yang diendapkan di pantai.
Berdasarkan ukuran butirannya, sedimen panai dapat berkisar dari
sedimen berukuran butir lempung sampai gravel. Suplai muatan sedimen
yang sangat tinggi yang menyebabkan sedimentasi itu hanya dapat berasal
dari daratan yang dibawa ke laut melalui aliran sungai. Pembukaan lahan
di daerah aliran sungai yang meningkatkan erosi permukaan merupakan
faktor utama yang meningkatkan suplai muatan sedimen ke laut.
Ada 3 (tiga) macam pergerakan angkutan sedimen yaitu:
1. Bed load transport
6
Universitas Sumatera Utara
Partikel kasar yang bergerak di sepanjang dasar sungai secara keseluruhan
disebut dengan bed load. Adanya bed load ditunjukkan oleh gerakan
partikel di dasar sungai yang ukurannya besar, gerakan itu dapat bergeser,
menggelinding atau meloncat-loncat, akan tetapi tidak pernah lepas dari
dasar sungai.
2. Wash load transport
Wash load adalah angkutan partikel halus yang dapat berupa lempung
(silk) dan debu (dust), yang terbawa oleh aliran sungai. Partikel ini akan
terbawa aliran sampai ke laut, atau dapat juga mengendap pada aliran yang
tenang atau pada air yang tergenang.
3. Suspended load transport
Suspended load adalah material dasar sungai (bed material) yang
melayang di dalam aliran dan terutama terdiri dari butir pasir halus yang
senantiasa mengambang di atas dasar sungai, karena selalu didorong oleh
turbulensi aliran. Suspended load itu sendiri umumnya bergantung pada
kecepatan jatuh atau lebih dikenal dengan fall velocity.
Pada kenyataan pada tiap satu satuan waktu pergerakan angkutan sedimen
yang dapat diamati hanyalah Bed Load Transport dan Suspended Load Transport.
II.2.2. Angkutan Sedimen
Angkutan sedimen di sungai atau saluran terbuka merupakan suatu proses
alami yang terjadi secara berkelanjutan. Sungai disamping berfungsi sebagai
7
Universitas Sumatera Utara
media untuk mengalirkan air, juga berfungsi untuk mengangkut material sebagai
angkutan sedimen.
Pengertian umum angkutan sedimen adalah sebagai pergerakan butiranbutiran material dasar saluran yang merupakan hasil erosi yang disebabkan oleh
gaya dan kecepatan aliran sungai.
Di dalam perhitungan sifat-sifat sedimen yang dipakai adalah: ukuran,
kerapatan atau kepadatan, kecepatan jatuh dan porositas. Laju angkutan sedimen,
perubahan dasar dan tebing saluran, perubahan morfologi sungai dapat
diterangkan jika sifat sedimennya diketahui.
Beberapa faktor yang mempengaruhi angkutan sedimen adalah :
1. Ukuran partikel sedimen
Klasifikasi
Ukuran butiran
Bongkahan
> 256 mm
Berangkal (couble)
64 – 256 mm
Kerikil (gravel)
2- 64 mm
Pasir (sand)
62 – 2000 μm
Lanau (silt)
4 -62 μm
Lempung (clay)
< 4 μm
Tabel 2.1 Klasifikasi ukuran partikel sedimen
Pengukuran ukuran butiran tergantung pada jenis bongkahan, untuk
berangkal pengukuran dilakukan secara langsung, untuk kerikil dan pasir
dilakukan dengan analisa saringan sedangkan untuk lanau dan lempung dilakukan
dengan analisa sedimen.
2. Berat spesifik partikel sedimen
8
Universitas Sumatera Utara
Berat spesifik adalah berat sedimen per satuan volume dari bahan angkutan
sedimen. Dirumuskan sebagai berikut :
��
=
2.1
3. Tegangan geser kritis
Tegangan geser kritis merupakan parameter penting dalam angkutan
sedimen. Pergerakan sedimen dipengaruhi oleh tegangan geser, kecepatan kritis
dan gaya angkat. Partikel sedimen akan terangkat apabila tegangan geser dasar
lebih besar dari tegangan geser kritis erosi dan tegangan geser kritis erosi melebihi
tegangan geser kritis deposisi.
Beberapa penelitian menunjukkan bahwa tegangan geser kritis sangat
bergantung pada riwayat proses pengendapan dan konsolidasi. Untuk itu beberapa
penelitian tegangan geser kritis sedimen kohesif biasanya dilakukan dengan
menghubungkan antara tegangan geser dan massa jenis sedimen pada berbagai
variasi ketinggian sampel.
Sedimen bergerak tergantung dari besarnya gaya seret dan gaya angkat dan
dapat digambarkan sebagai berikut.
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1. Gaya yang bekerja pada butiran di dasar sungai
Dimana:
f = koefisien gesekan
W’ = (��
s - ��
)*g
FD = ��
∗����
2.2
2.3
�� ∗
10
Universitas Sumatera Utara
FL = ��
∗����2
2.4
�� ∗
Partikel sedimen akan mulai bergerak pada kondisi kecepatan geser kritis
terlampaui, karena gaya dorong lebih besar dari gaya gesek.
��
=
2.5
Persamaan tegangan geser Shield adalah:
��=
2.6
∗
Dimana :
��= ��∗ ��∗ S , sehingga :
��
11
Universitas Sumatera Utara
��=
2.7
∗
D = kedalaman saluran (m)
S = kemiringan saluran
D = diameter butiran sedimen (mm)
��= tegangan geser kritis
��
Apabila bilangan Reynold diketahui maka tegangan geser kritis dapat
diketahui dengan melihat grafik 2.2 buku Sediment Transport, Chi Ted Yang
halaman 22.
��
��
=
2.8
12
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
U* = kecepatan geser
d = diameter sedimen
v = viskositas kinematik
��
=
Viskositas kinematik dari air (v) dihubungkan kepada viskositas dinamik (��
) oleh
berat jenis sebagai berikut = ��
/��
. Sebagian besar buku Mekanika Fluida
mempunyai tabel dan diagram dari viskositas air sebagai fungsi dari temperatur.
Misalnya harga yang mewakili v = 1.10-6 m2/s untuk air bersih pada suhu 20oC.
Dengan melihat grafik di bawah ini maka akan didapatkan nilai critical stress.
13
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2. Diagram Shields
Diagram Shields secara empiris menunjukkan bagaimana pendimensian
tegangan geser kritis yang diperlukan untuk inisiasi pergerakan yang merupakan
fungsi dari bentuk khusus partikel bilangan Reynolds, Rep atau bilangan Reynold
yang terkait dengan partikel tersebut. (Chi Ted Yang, 2003).
II.2.3. Rumus-rumus Angkutan Sedimen
Rumus-rumus yang dipakai dalam perhitungan angkutan sedimen dibagi
dalam 3 (tiga) bagian, yaitu angkutan sedimen dasar (bed load transport),
angkutan sedimen melayang (suspended load) dan angkutan sedimen total (total
load transport).
II.2.3.1 Angkutan Sedimen Dasar (Bed Load Transport)
A. Metode DuBoys
14
Universitas Sumatera Utara
Persamaan DuBoys adalah persamaan klasik yang telah diteliti oleh para
ahli yang berbeda dan menghasilkan kesimpulan bahwa rumus DuBoys dihasilkan
dari percobaan yang dilakukan pada flume yang kecil dan range yang kecil,
sehingga aplikasinya sangat cocok untuk penelitiaan dengan studi saluran terbuka.
Persamaan DuBoys dapat ditulis sebagai berikut :
qb = ��
(��
- ��
c)
Dimana :
2.9
Qb = W * qb
2.10
��= ��
∗��
∗��
2.11
�� = tegangan geser
15
Universitas Sumatera Utara
qb = debit bed load
Qb = muatan sedimen dasar (kg/s)
B. Metode Shields
Shields (1936) dalam penelitiaanya mengenai pergerakan awal dari
sedimen dengan mengukur kondisi aliran dengan sedimen transport yang lebih
besar dari nol dan kemudiaan memberikan hubungan terhadap penentuaan kondisi
aliran yang berhubungan pada gerak yang baru mulai. Persamaan Shields dapat
ditulis sebagai berikut :
=
Dimana :
��
2.12
Qb = W * qb
2.13
��= ��
∗��
∗��
2.14
= tegangan geser (kg/m2)
16
Universitas Sumatera Utara
��
= tegangan geser kritis (kg/m2)
c
��
, ��
s = berat spesifik sedimen dan air (kg/m3)
Qb
= muatan sedimen dasar (kg/s)
C. Metode Schoklitsch
Schoklitsch adalah ilmuan yang pertama kali menggunakan parameter debit
air untuk menentukan bed load. Formula schoklitsch dengan satuan metrik:
qb = S3/2 (q - qc)
Qb = W * qb
2.15
2.16
Dimana :
qb
= debit bed load ( kg/s)/m
17
Universitas Sumatera Utara
d
= ukuran partikel (m)
q dan qc = debit air dan debit kritis (m3/s)/m
D. Metode Meyer-Peter
Ahli yang pertama kali menemukan pendekatan dengan parameter slope
energi adalah mayer – peter dkk (1934). Mayer-Peter melakukan studi
laboratorium secara intensif mengenai sediment transport, yang kemudian
menemukan rumus bed load dengan menggunakan system metric sebagai berikut :
qb2/3 = - 17
2.17
Qb = W * qb
2.18
Dimana :
qb
= debit bed load (kg/s)/m
q
= debit air dalam (kg/s)/m
d
= ukuran partikel (m)
Qb
= muatan sedimen dasar (kg/s)
E. Metode Meyer-Peter dan Muller
Setelah 14 tahun amelakukan penelitian dan analisis, Meyer-Peter dan
Muller (1948) mengubah rumus Meyer-Peter menjadi rumus Meyer-Peter dan
Muller, yaitu :
S )3/2 R = 0,047 (γs- γ) d + 0,25 ρ1/3 qb2/3
Qb = W * qb
2.19
2.20
Dimana :
γs
= berat jenis sedimen (m ton/m3)
18
Universitas Sumatera Utara
γ
= berat jenis air (m ton/m3)
R
= jari-jari hidrolik (m)
d
= diameter partikel rata-rata (m)
ρ
= Massa jenis air (m ton s/m4)
S ) = jenis slope
Qb
= muatan sedimen dasar (kg/s)
F. Metode Rottner
Rottner (1959) Schoklitsch mengasumsikan bahwa muatan dasar dapat dihitung
dengan menggunakan rumus:
qb = γs [(δs-1)g D3]1/2 x { [0,667()2/3 + 0,14]- 0,778()2/3}3 2.15
Qb = W * qb
2.21
Dimana :
Qb = muatan sedimen dasar (kg/s)
II.2.3.2. Angkutan Sedimen Melayang (Suspended Load Transport)
A. Metode Lane dan Kalinske
Lane dan Kalinske, mengasumsikan bahwa muatan melayang dapat
dihitung dengan menggunakan rumus :
qsw = q Ca PL exp
2.22
Dimana :
qsw = Debit air
Ca = Berat kering
PL = C / Ca
Ca = Konsentrasi muatan layang
19
Universitas Sumatera Utara
= Kecepatan jatuh
U* = Kecepatan geser
D = Kedalaman air
B. Metode Einstein
Einstein, mengasumsikan bahwa bahwa muatan melayang dapat dihitung
dengan
menggunakan rumus :
qsw = 11,6 U* Ca a [(2,303 log ) I1 + I2 ]
2.23
Dimana :
qsw = Debit air
U’* = U* = Kecepatan geser
Ca = Konsentrasi muatan layang
a = 2d65
D = Kedalaman air
∆ = ks / x = d65 / x
I = Numerik terintegritas
C. Metode Chang, Simons, dan Richardson
Chang, Simons, dan Richardson, mengasumsikan bahwa muatan melayang
dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
qsw = γ D Ca (V I1 - I2)
2.24
Dimana :
qsw = Debit air
20
Universitas Sumatera Utara
γ = Berat jenis sedimen
D = Kedalaman air
Ca = Konsentrasi muatan layang
I = Numerik terintegritas
U* = Kecepatan geser
k = Kostanta Prandtl – von Karman ( 0,4 )
V = Rata – rata kecepatan aliran
II.2.5.3. Angkutan Sedimen Total (Total Load Transport)
A. Persamaan Yang’s
Yang’s (1973) mengusulkan formula transportasi sedimen berdasarkan
konsep unit aliran listrik, yang dapat dimanfaatkan untuk prediksi materi
keseluruhan tempat tidur konsentrasi diangkut dalam flumes tempat tidur pasir
dan sungai. Yang mendasarkan rumusnya pada konsep bahwa jumlah angkutan
sedimen berbanding langsung dengan jumlah energi aliran. Energy per satuan
berat air dapat dinyatakan dengan hasil kali kemiringan dasar dan kecepatan
aliran. Energy per satuan besar air tersebut oleh Yang disebut sebagai unit stream
power dan dianggap sebagai parameter penting dalam menentukan jumlah
angkutan sedimen.
Data-data yang dipergunakan dalam pembuatan persamaan Yang’s adalah :
21
Universitas Sumatera Utara
Data sedimen
Geometri saluran
Kecepatan aliran
Analisa perhitungan
Log Ct = 5.435 – 0.286 log - 0.457 log
+ (1.799 – 0.409 log − 0.314 log )log ( −)
2.25
Dimana :
Ct = konsentrasi sedimen total
d50 = diameter sedimen 50% dari material dasar (mm)
��= kecepatan jatuh (m/s)
V = kecepatan aliran (m/s)
Vcr = kecepatan kritis (m/s)
22
Universitas Sumatera Utara
S = kemiringan sungai
U* = kecepatan geser (m/s)
B. Metode Engelund and Hansen
Engelund and Hansen (1967) persamaan Engelund-Hansen didasarkan pada
pendekatan tegangan geser. Persamaan Engelund and Hansen dapat ditulis sebagai
berikut :
qs = 0,05 γs V2 []1/2 []3/2
Qs = W * qs
Dimana : ��
0 = ��
∗��
∗��
2.26
2.27
2.28
��
0 = tegangan geser (kg/m2)
Qs = muatan sedimen (kg/s)
C. Metode Shen and Hungs
Shen and Hung (1971) diasumsikan bahwa transportasi sedimen adalah
begitu kompleks sehingga tidak menggunakan bilangan Reynolds, bilangan
23
Universitas Sumatera Utara
Froude, kombinasi ini dapat ditemukan untuk menjelaskan transportasi sedimen
dengan semua kondisi. Shen and Hung mencoba untuk menemukan variabel yang
dominan yang mendominasi laju transportasi sedimen, mereka merekomendasikan
kemunduran persamaan berdasarkan 587 set data laboratorium. Persamaan Shen
and Hung dapat ditulis sebagai berikut :
Log Ct = - 107404.459 + 324214.747* Y – 326309.589*Y2
+ 109503.872*Y3
2.29
Dimana : Y = []0.0075
Ct = konsentrasi sedimen total
V = kecepatan aliran (m/s)
��= kecepatan jatuh (m/s)
S = kemiringan sungai Universitas Sumatera Utara
W = lebar sungai (m)
D = kedalaman sungai (m)
Qs = muatan sedimen (kg/s)
II.3. Dampak Erosi dan Sedimentasi
II.3.1. Pengaruh Erosi
Seperti yang telah diuraikan, erosi dan sedimentasi yang diakibatkan oleh
pergerakan air (daerah dengan curah hujan tinggi) meliputi beberapa proses.
24
Universitas Sumatera Utara
Terutama
meliputi
proses
pelepasan,
penghanyutan/pengangkutan
dan
pengendapan daripada partikel-partikel tanah yang terjadi akibat tumbukan
percikan air hujan dan aliran permukaan.
Air hanya akan mengalir dipermukaan tanah apabila jumlah air hujan lebih
besar daripada kemampuan tanah untuk menginfiltrasi air ke lapisan yang lebih
dalam. Dengan menurunnya porositas tanah, karena sebagian pori-pori tertutup
oleh partikel tanah yang halus, maka laju infiltrasi akan semakin berkurang,
akibatnya aliran air dipermukaan akan semakin bertambah banyak. Aliran air di
permukaan mempunyai peranan yang penting. Lebih banyak air yang mengalir di
permukaan tanah maka lebih banyak tanah yang terkikis dan terangkut banjir yang
dilanjutkan terus ke sungai untuk akhirnya diendapkan. Lebih lanjut tetesan air
hujan ini dapat menimbulkan pembentukan lapisan tanah keras pada lapisan
permukaan. Akibatnya dapat menyetop sama sekali laju infiltrasi sehingga aliran
permukaan semakin berlimpah.
Dari uraian ini jelas bahwa pengaruh erosi ini dapat menimbulkan
kemerosotan kesuburan fisik dari tanah.
II.3.2. Pengaruh Sedimentasi
Erosi tidak hanya berpengaruh negative pada lahan dimana terjadi erosi,
tetapi juga di daerah hilirnya dimana material sedimen diendapkan. Banyak
bangunan-bangunan sipil di daerah hilir akan terganggu, saluran-saluran, jalur
navigasi air akan mengalami pengendapan sedimen. Disamping itu kandungan
sedimen yang tinggi pada air sungai juga akan merugikan pada penyediaan air
bersih. Salah satu keuntungan yang dapat diperoleh dari pengendapan sedimen
25
Universitas Sumatera Utara
barangkali adalah penyuburan tanah jika sumber sedimen berasal dari tanah yang
subur.
II.4. Morfologi Sungai
Morfologi sungai adalah ilmu yang mempelajari sifat, jenis dan perilaku
sungai dengan semua aspek perubahannya dalam dimensi ruang dan waktu.
Gejala morfologi yang mempengaruhi sungai adalah :
1. Keadaan daerah aliran sungai, yang meliputi unsure topografi, vegetasi, geologi
tanah dan penggunaan tanah yang berpengaruh terhadap koefisien rembesan
pengaliran, sifat curah hujan serta keadaan hidrologi.
2. Hidrologi di palung sungai.
3. Material dasar saluran, tebing serta berubahnya alur aliran.
4. Aktivitas manusia diantaranya:
Dibangunnya prasarana air
Pengambilan material dasar sungai, tebing sungai dan bantaran sungai.
Pembuangan material dan sampah ke sungai.
II.5. Geometri dan Geoteknik Sungai
Bentuk sungai dapat dibedakan berdasarkan :
1. Topografi sungai meliputi bagian hulu dan hilir sungai dan sungai transisi.
Parameter yang menentukan adalah kemiringan dasar saluran, yang
dipengaruhi oleh jenis butiran material dasar dan kekasaran dasar sungai.
2. Lapisan dasar sungai yang meliputi :
a. Sungai dengan dasar yang mudah tergerus.
26
Universitas Sumatera Utara
b. Sungai dengan dasar yang tidak mudah tergerus.
c. Sungai dengan dasar yang mudah tergerus tetapi terlindung oleh
material
sungai lain yang mudah bergerak.
d. Sungai dengan lapisan dasar mudah tergerus dan di atasnya terdiri dari
perpaduan antara material itu sendiri dengan muatan dasar lepas.
e. Sungai dengan dasar saliran terdiri dari lapisan alluvial tergerus dengan
kedalaman cukup besar.
3. Jenis sungai dengan dasar batuan gelinding, berpasir, berlempung dan lainlainnya.
4. Kemiringan dasar saluran yang meliputi sungai dengan kemiringan curam,
landai dan bertangga.
5. Bentuk melintang sungai.
6. Pembentukan dasar sungai.
7. Jenis angkutan sedimen dan angkutan materialnya.
8. Pola aliran sungai yang meliputi :
a. Dendritik
Pola ini terjadi pada daerah berbatuan sejenis dengan penyebaran
yang luas. Misalnya suatu daerah yang ditutupi oleh endapan sedimen yang
meliputi daerah yang luas dan umumnya endapan itu terletak pada suatu
bidang horizontal.
b. Radial
Biasanya pola radial dijumpai pada lereng gunung api daerah
topografi berbentuk kubah.
27
Universitas Sumatera Utara
c. Rectangular
Terdapat di daerah yang batuannya mengalami retakan-retakan.
Misalnya batuan jenis limestone.
9. Tinjauan daerah aliran sungai yang meliputi :
a. Sungai lurus
Terjadi bukan karena alam tetapi dikarenakan ole perbaikan aliran
sungai oleh manusia dan disengaja dibuat lurus.
b. Sungai berliku
Terjadi secara alamiah, sangat sering ditemui dan mempunyai cirri
dengan arus yang berupa kurva yang dihubungkan dengan bagian alur
sungai yang lurus.
c. Sungai berjalin
Terjadi karena fenomena sungai, sungai ini terdiri dari alur yang
dipisahkan oleh pulau ataupun tebing kemudian bersatu kembali di bagian
hilirnya.
Topografi sungai termasuk diantaranya adalah kemiringan dasar sungai,
alur sungai, geometri permukaan, daya erosi sungai, dan kesemuanya berpengaruh
terhadap laju debit sungai dan angkutan sedimen. Hal ini dapat merubah bentuk
alur sungai dan kemiringan dasar sungai. Geometri permukaan mempengaruhi
alur sungai, kedalaman sungai dan angkutan sedimen sungai.
28
Universitas Sumatera Utara