Analisis Laju Angkutan Sedimen untuk Perencanaan Kantong Lumpur pada D.I. Perkotaan Kabupaten Batubara”
ANALISIS LAJU ANGKUTAN SEDIMEN UNTUK PERENCANAAN KANTONG LUMPUR PADA D.I. PERKOTAAN KABUPATEN BATUBARA
TUGAS AKHIR Diajukan untuk Melengkapi Tugas-Tugas dan Memenuhi Syarat untuk Menempuh Ujian Sarjana Teknik Sipil
Disusun Oleh :
ARIS MUNANDAR 08 04040 012 BIDANG STUDI TEKNIK SUMBER DAYA AIR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2014
ABSTRAK
Sungai adalah jalan air alami yang mengalir ke laut atau danau atau ke sungai yang lain. Selain mengalirkan air, sungai juga mengalirkan sedimen dan polutan. Sedimentasi adalah proses pengendapan material yang terangkut oleh aliran dari bagian hulu. Proses sedimentasi meliputi proses erosi, angkutan (transport), pengendapan (deposition), dan pemadatan (compaction) dari sedimentasi itu sendiri. Sedimentasi sungai juga berpengaruh terhadap daerah irigasi. Lokasi penelitian adalah Daerah Irigasi Perkotaan yang teletak pada Kabupaten Batubara Provinsi Sumatera Utara, dan letak koordinat bendung (weir) 3°15’34,9” LU dan 99°20’56.8” BT. Bendung Gerak Perkotaan dibangun tahun 1985 memiliki 5 pintu. Dari hasil survei awal, tinggi sedimen pada saluran primer mencapai 0,8 m. Pada saluran primer Sta ± 10 km sudah tidak mampu lagi mensuplai air. Maka dengan areal irigasi ± 3.350 Ha diperkirakan akan berkurang
Penelitian ini dilakukan dengan menganalisa prediksi erosi yang terjadi
pada DAS Bah Bolon dengan menggunakan metode USLE dan menghitung
sedimentasi pada DAS Bah Bolon . Lalu menganalisa laju angkutan sedimen dan menghitung volume sedimen yang masuk ke dalam saluran irigasi Perkotaan dengan menggunakan estimasi se dimen metode Yang’s, metode Engelund and Hansen, metode Shen and Hung, dan dengan metode Meyer Petter Muller (MPM). Kemudian dihitung berapa besar panjang dan lebar kantong lumpur sehingga dapat menampung besarnya sedimen yang masuk ke dalam jaringan irigasi Perkotaan
Hasil perhitungan yang dilakukan didapat bahwa besarnya erosi yang terjadi pada DAS Bah Bolon mencapai 31,331 ton/ha/tahun atau sebesar
3.574.604,08 ton/tahun dengan sedimentasi yang dihasilkan adalah sebesar
300.606,98 ton/tahun. Estimasi sedimen metode
Yang’s didapat hasil sedimen
18,888 ton/hari, dengan metode Engelund and Hansen didapat hasil sedimen 15,341 ton/hari, dengan metode Shen and Hung didapat hasil sedimen 0,448 ton/hari, dengan metode Sampling Meyer, Petter, and Muller (MPM) didapat hasil sedimen 33,385 ton/hari.
Maka dapat disimpulkan bahwa angkutan sedimen yang masuk ke saluran irigasi Perkotaan adalah 4,054 % dari yang dihasilkan DAS Bah Bolon. Metode estimasi angkutan sedimen yang dipakai dalam perhitungan muatan sedimen saluran irigasi Perkotaan adalah metode Sampling Meyer, Petter, and Muller karena hasilnya lebih memungkinkan dan jumlah muatan sedimen yang dihasilkan lebih besar daripada metode lainnya. Dari jumlah muatan sedimen maka didapat
3
volume kantong lumpur Daerah Irigasi Perkotaan adalah 200 m , dengan dimensi kantong lumpur adalah panjang 54 m dan lebar 6,6 m, dan kedalaman kantong lumpur pada saat kosong adalah 0,4525 m.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, karena berkat Rahmat dan Kuasa- Nya, serta dukungan dari berbagai pihak, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Adapun judul dari Tugas Akhir ini adalah “Analisis Laju Angkutan
Sedimen untuk Perencanaan Kantong Lumpur pada D.I. Perkotaan Kabupaten Batubara
”. Tugas akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata I (S1) di Bidang Studi Teknik Sumber Daya Air Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini jauh dari kesempurnaan, baik dari segi isi maupun segi bahasa dan cara penyusunannya serta dari segi teori dan perhitungannya, oleh karena itu bersedia menerima kritikan dan saran yang membangun demi hasil yang lebih baik.
Penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan setinggi-tingginya atas bimbingan dan bantuan yang diberikan sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Ucapan terima kasih penulis ucapkan kepada :
1. Ayahanda Burhanuddin dan Ibunda Murliana yang telah membesarkan, mendidik, selalu mendukung saya dalam do ’a, memberikan dorongan material, sepiritual serta memotivasi saya dengan sabar dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Terunajaya, M.Sc selaku dosen pembimbing sekaligus orang tua bagi penulis yang telah berkenan meluangkan waktu, tenaga dan pikiran untuk membantu, membimbing dan mengarahkan penulis hingga
3. Bapak Dr. Ir. Ahmad Perwira Mulia, M.Sc selaku dosen pembanding/penguji yang telah memberikan kritikan dan nasehat yang membangun dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Ivan Indrawan, ST, MT, selaku dosen pembanding/penguji yang telah memberikan kritikan dan nasehat yang membangun dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini dan telah banyak membantu dan membimbing saya dalam kuliah.
5. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku ketua Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik USU.
6. Bapak Ir. Syahrizal, MT selaku sekretaris Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik USU.
7. Bapak/Ibu Dosen Staf Pengajar Jurusan teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
8. Kepada kakak, abang dan adik-adikku tersayang, yang mendukung penyelesaian Tugas Akhir ini. Bang Putra, Kak Nona, Kak Putri, dan kepada adik-adikku Andi, Aulia, Dinda, Kiki, Denni, dan lain-lain.
9. Adik Lia Arrumaisha yang telah memberikan motivasi, inspirasi, semangat, dan selalu mendukung serta medo’akan penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
10. Semua sahabat-sahabatku khususnya kepada Fadil, Muazzi, Dedi, Khatab, Imam, Amec, Riza, Al, Andy, Denny, Hafizh obama, Fadhlan, Nelwan, Berry, dan Hafiz yang telah memberikan dukungan dalam pengerjaan Tugas Akhir ini.
11. Abang Habibi el hadidhy dan Bang Kiki 99 yang telah banyak membantu
12. Teman-teman sejawat 08 Teknik Sipil USU yang telah memberikan semangat dan bantuan Danny, Siddik, Fuad, Khaidir, Galih, Topan, Robi, Mustapa, Doni, dan banyak lagi yang tidak bisa disebutkan satu persatu.
13. Adik-adik Teknik Sipil USU yang telah membantu dan memberi semangat kepada penulis; Rico 11, Reno 11, Subar 11, Dian 11, Arif gumit 11, Dhika 11, Sormin 11, Yazid 09, Azam 09, Khairun 09, Ian 09, Ari 10, Rahmat 10, Fauzi 10, Dikki 10, dan masih banyak lagi yang tidak bisa disebutkan satu persatu.
14. Seluruh pegawai administrasi Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan bantuan dan kemudahan dalam penyelesaian administrasi.
Semoga Allah SWT membalas dan melimpahkan rahmat dan karunia-Nya kepada kita semua, dan atas dukungan yang telah diberikan, penulis ucapkan terima kasih. Semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Medan, Juni 2014 Hormat Saya
Aris Munandar 08 0404 012
DAFTAR ISI ABSTRAK .............................................................................................................
1.7. Sistematika Penulisan ............................................................................... 5
2.2.2.1 Iklim ......................................................................................... 15
2.2.2 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Erosi ...................................... 14
2.2.1 Mekanisme Erosi ............................................................................ 10
2.2 Erosi ........................................................................................................... 9
2.1 Umum ......................................................................................................... 7
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
1.6. Metodologi Penelitian ............................................................................... 5
KATA PENGANTAR .......................................................................................... i DAFTAR ISI ......................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ viii DAFTAR TABEL .................................................................................................. x DAFTAR NOTASI ............................................................................................... xi DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... xiv
1.5. Manfaat Penulisan ..................................................................................... 4
1.4. Tujuan ....................................................................................................... 4
1.3. Pembatasan Masalah ................................................................................. 3
1.2. Perumusan Masalah .................................................................................. 3
1.1. Latar Belakang .......................................................................................... 1
BAB I PENDAHULUAN
2.2.2.2 Topografi .................................................................................. 15
Vegetasi .................................................................................... 16
2.2.2.3 Tanah ........................................................................................ 17
2.2.2.4 Manusia .................................................................................... 18
2.2.2.5 USLE Sebagai Model Perkiraan Besarnya Erosi ........................... 19
2.2.3 Faktor Erosivitas Hujan (R) ..................................................... 20
2.2.3.1 Faktor Erodibilitas Tanah (K) .................................................. 20
2.2.3.2 Faktor Panjang dan Kemiringan Lereng (LS) .......................... 24
2.2.3.3 Faktor Pengolahan Lahan (C) .................................................. 25
2.2.3.4 Faktor Konservasi Tanah (P) ................................................... 25
2.3 Sedimentasi ................................................................................................ 27
2.3.1 Pembagian Sedimen ....................................................................... 32
2.3.2 Angkutan Sedimen ......................................................................... 35
2.3.2.1 Ukuran Partikel Sedimen ......................................................... 36
2.3.2.2 Berat Spesifik Partikel Sedimen............................................... 36
2.3.2.3 Kecepatan Jatuh (Fall Velocity) ............................................... 37
2.3.2.4 Tegangan geser kritis ............................................................... 38
2.3.3 Persamaan Angkutan Sedimen ....................................................... 41
2.3.3.1 Yang’s ...................................................................................... 41
2.3.3.2 Engelund and Hansen ............................................................... 43
2.3.3.3 Shen and Hungs ....................................................................... 43
2.3.3.4 Metode Sampling Meyer Petter Muller.................................... 44
2.4 Hubungan Erosi dengan Besarnya Sedimentasi ......................................... 45
2.5 Debit Air..................................................................................................... 46
2.5.1 Pengukuran Debit Air Secara Langsung ........................................ 46
2.5.2 Pengukuran Debit Air Secara Tidak Langsung .............................. 50
2.6 Perencanaan Kantong Lumpur ................................................................... 56
2.6.1 Dimensi Kantong Lumpur.............................................................. 57
2.6.2 Kecepatan Endap ............................................................................ 59
2.6.3 Volume Tampungan ....................................................................... 60
2.6.4 Pemeriksaan Terhadap Berfungsinya Kantong Lumpur ................ 62
2.6.4.1 Efisiensi pengendapan .............................................................. 62
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.2 Metode Kerja .............................................................................................. 68
3.3 Pelaksanaan Penelitian ............................................................................... 70
3.3.1 Studi Pustaka .................................................................................. 70
3.3.2 Survei Pengambilan Data ............................................................... 70
3.3.3 Pengujian Sampel ........................................................................... 73
3.3.3.1 Konsentrasi Sedimen ................................................................ 74
3.3.3.2 Diameter Butiran Sedimen ....................................................... 76
3.3.3.3 Berat Jenis Partikel (Specific Gravity) ..................................... 77
3.3.4 Perhitungan Prediksi Volume Erosi dengan Metode USLE .......... 78
3.3.5 Perhitungan Laju Angkutan Sedimen ............................................ 83
3.3.6 Perencanaan Kantong Lumpur ....................................................... 86
3.3.7 Kesimpulan dan Saran.................................................................... 88
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa Erosi .............................................................................................. 89
4.1.1 Erosivitas Hujan (R) ....................................................................... 89
4.1.2 Faktor Erodibilitas Tanah (K) ........................................................ 94
4.1.3 Faktor Panjang dan Kemiringan Lereng (LS) ................................ 96
4.1.4 Faktor Penggunaan dan Pengelolaan Lahan (CP) .......................... 99
4.2 Analisa Sedimentasi DAS .......................................................................... 101
4.3 Analisa Angkutan Sedimen Pada Saluran Irigasi Perkotaan ...................... 102
4.3.1 Perhitungan Angkutan Sedimen Dengan Formula Yang’s ............ 106
4.3.2 Perhitungan Angkutan Sedimen Dengan Formula Engelund and Hansen ..................................................................................... 108 and Hung ........................................................................................ 110
4.3.4 Perhitungan Transportasi Sedimen Dengan Formula Meyer Petter Muller (MPM) ..................................................................... 112
4.4 Perencanaan Kantong Lumpur ................................................................... 115
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ................................................................................................ 127
5.2 Saran ........................................................................................................... 128 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................ 129 LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
2.9 Klasifikasi Ukuran Partakel Sedimen ...............................................36
4.4 Kemiringan lereng dan nilai faktor S pada Sub DAS Bah Bolon ....96
4.3 Lokasi Pengamatan Hujan Sub DAS Bah Bolon .............................92
4.2 Perhitungan Erosivitas Hujan (R) Sub DAS Bah Bolon ..................92
4.1 Data Curah Hujan Rata-rata Bulanan (2001-2010) Sub DAS Bah Bolon ................................................................................................91
3.3 Berat Jenis Partikel Sedimen ............................................................77
3.2 Pengujian Konsentrasi Sedimen .......................................................76
3.1 Data perhitungan kecepatan .............................................................72
2.8 Klasifikasi Kondisi Dasar Sungai .....................................................35
Tabel Uraian
2.7 Pengaruh Luas DAS terhadap NLS ..................................................30
2.6 Nilai Faktor P untuk berbagai Tindakan Konservasi Tanah ............27
2.5 Nilai CP untuk Berbagai Macam Penggunaan Lahan ......................26
2.4 Nilai K untuk Berbagai Jenis Tanah .................................................24
2.3 Nilai M untuk Beberapa Tekstur Tanah ...........................................23
2.2 Kode Permeabilitas Profil Tanah .....................................................22
2.1 Kode Struktur Tanah ........................................................................22
4.5 Menentukan nilai CP rata-rata pada Sub DAS Bah Bolon ...............99
DAFTAR GAMBAR
Gambar Uraian
2.1 Nomograf untuk menghitung nilai erodibilitas tanah (K) dalam
satuan metrik (Wischmeier, et.al., 1971) ......................................... 21
2.2 Sketsa Profil Memanjang Alur Sungai (Fadlun, 2009) .................... 29
2.3 Diagram Klasifikasi Angkutan Sedimen ......................................... 32
2.4 Grafik Hubungan Diameter Butiran Dengan Kecepatan Jatuh Sedimen............................................................................................ 38
2.5 Gaya Yang Bekerja Pada Butiran di Dasar Sungai .......................... 39
2.6 Diagram Shields ............................................................................... 41
2.7 Sketsa Isometris Alat Ukur Romijn ................................................. 47
2.8 Gambar Skat Ukur Cipoletti ............................................................ 48
2.9 Gambar Skat Ukur Thompson ......................................................... 49
2.10 Gambar Alat Ukur Parshall Flume .................................................. 50
2.11 Jenis-jenis Pelampung ...................................................................... 52
2.12 Sketsa alur sungai untuk pengukuran kecepatan metode pelampung ........................................................................................ 53
2.13 Sketsa Pelampung Tungkai .............................................................. 54
2.14 Skema Kantong Lumpur .................................................................. 57
2.15 Hubungan Antara Diameter Saringan dan Kecepatan Endap untuk Air Tenang ............................................................................. 60
2.16 Potongan Melintang dan Potongan Memanjang Kantong Lumpur yang Menunjukkan Metode Pembuatan Tampungan......... 61
2.17 Grafik Pembuangan Sedimen Camp untuk Aliran Turbelensi (Camp, 1945 dalam KP-02) ............................................................. 64
2.18 Tegangan geser kritis dan kecepatan geser kritis sebagai fungsi
3
3.1 Lokasi Penelitian Tugas Akhir......................................................... 67
4.7 Grafik Perbandingan Hasil Perhitungan Angkutan Sedimen ........... 114
4.14 Detail Pintu Saluran Primer ............................................................. 125
4.13 Detail Kantong Lumpur Rencana .................................................... 124
4.12 Kantong Lumpur Rencana ............................................................... 123
4.11 Penampang Saluran Existing ........................................................... 122
4.10 Kondisi Existing Daerah Irigasi Perkotaan ...................................... 121
4.9 Potongan Memanjang Kantong Lumpur .......................................... 120
4.8 Potongan Melintang Kantong Lumpur dalam Keadaan Konsong (Qs) ................................................................................... 119
4.6 Peta DAS Bah Bolon ....................................................................... 105
3.2 Diagram Alir Penelitian ................................................................... 69
4.5 Penampang Saluran Primer Daerah Irigasi Perkotaan ..................... 104
4.4 Peta Penutup Lahan DAS Bah Bolon .............................................. 100
4.3 Peta Kemiringan Lereng DAS Bah Bolon ....................................... 98
4.2 Peta Jenis Tanah DAS Bah Bolon ................................................... 95
4.1 Peta Polygon Thiessen DAS Bah Bolon .......................................... 93
3.5 Model Pelampung yang Digunakan ................................................. 72
3.4 Penampang Saluran Primer Daerah Irigasi Perkotaan Debit Banjir................................................................................................ 71
3.3 Sketsa Pengambilan Data di Lapangan ............................................ 70
4.15 Detail Pimtu Saluran Pembilas ........................................................ 126
DAFTAR NOTASI
Ae = Perkiraan besarnya jumlah erosi ------------------------------- ton/ha/tahun
R = Faktor erosivitas curah hujan tahunan rata-rata -------------- mm R m = Erosivitas Curah Hujan Bulanan ------------------------------- cm (Rain) m = Curah hujan bulanan --------------------------------------------- cm K = Indeks erodibilitas tanah M = Persentase ukuran partikel a = Persentase bahan organik b = Kode kelas struktur tanah c = Kode Kelas permeabilitas tanah LS = Indeks panjang dan kemiringan lereng L = Panjang lereng ---------------------------------------------------- m S = Kemiringan lereng ----------------------------------------------- % z = Konstanta yang besarnya bervariasi tergantung besarnya kemiringan lereng C = Indeks pengelolahan lahan P = Indeks upaya konservasi tanah atau lahanY = hasil sedimen persatuan luas ------------------------------------ ton/tahun Ws = Luas Daerah Aliran Sungai -------------------------------------- Ha NLS = Nisbah Pelepasan Sedimen -------------------------------------- %
= Kecepatan jatuh --------------------------------------------------- m/detik
s = Berat jenis sedimen ----------------------------------------------- kg/m
3
= Berat jenis air --------------------------------------------- kg/m
3
ρ = Massa jenis air ----------------------------------------------------- kg.s
2
/m
4
2
d = Diameter sedimen ------------------------------------------------- mm
Ss = Kemiringan sungai
3
= Beban layang ------------------------------------------------------ m/detik
3 Q sus
ba = Lebar ambang ------------------------------------------------------ m h = Tinggi permukaan air --------------------------------------------- m D = Kedalaman saluran ------------------------------------------------ m B = Lebar saluran ------------------------------------------------------ m Q s = Muatan sedimen --------------------------------------------------- m/detik
3
Rh = Jari-jari hidrolis ---------------------------------------------------- m Q = Debit air ------------------------------------------------------------ m/detik
2 P = Keliling basah ----------------------------------------------------- m
Re = Bilangan Reynold As = Luas penampang sungai ------------------------------------------ m
U * = Kecepatan geser --------------------------------------------------- m/s C t = Konsentrasi sedimen total---------------------------------------- ppm
V = Kecepatan aliran --------------------------------------------------- m/s
= Kinematik viscositas ---------------------------------------------- m
= Kecepatan kritis --------------------------------------------------- m/s
V cr
90 = Diameter sedimen 90% dari material -------------------------- mm
d
2 d 50 = Diameter sedimen 50% dari material/diameter rata-rata ---- mm
= Tegangan geser kritis --------------------------------------------- kg/m
2
C = Tegangan geser ---------------------------------------------------- kg/m
/s T = Suhu air -------------------------------------------------------------
2
q b = Tingkat bedload dalam saluran, berat per waktu dan lebar ---------------------------------------------------------------- (kg/s)/m
(Ks/Kr)S = Konstanta untuk mencari nilai S
r
Ps = Persentase Sedimentasi ------------------------------------------- % k = Koefisien pelampung u = Kecepatan pelampung -------------------------------------------- m/det λ
= Kedalaman tungkai (h) per kedalaman air (d) n = Koeffisien kekasaran dinding dan dasar saluran Manning K = Koeffisien kekasaran dinding dan dasar saluran Strickler w = Kecepatan endap partikel-partikel yang ukurannya di luar ukuran partikel yang direncana ---------------------------- m/det w = Kecepatan endap rencana ---------------------------------------- m/det v = Kecepatan rata-rata aliran dalam kantong lumpur ----------- m/det