20infiltrasi

Pengukuran Infiltrasi 239

20. PENGUKURAN INFILTRASI

Ai Dariah dan Achmad Rachman

1. PENDAHULUAN

Infiltrasi merupakan peristiwa atau proses masuknya air ke dalamtanah, umumnya (tetapi tidak mesti) melalui permukaan tanah dan secaravertikal. Pada beberapa kasus, air dapat masuk melalui jalur atau rekahantanah, atau gerakan horizontal dari samping, dan lain sebagainya.

Dalam bidang konservasi tanah, infiltrasi merupakan komponenyang sangat penting karena masalah konservasi tanah pada azasnyaadalah pengaturan hubungan antara intensitas hujan dan kapasitasinfiltrasi, serta pengaturan aliran permukaan. Aliran permukaan hanyadapat diatur dengan memperbesar kemampuan tanah menyimpan air,utamanya dapat ditempuh melalui perbaikan atau peningkatan kapasitasinfiltrasi. Kapasitas infiltrasi merupakan laju maksimum air yang dapatmasuk ke dalam tanah pada suatu saat.

Infiltrasi merupakan interaksi kompleks antara intensitas hujan,karakteristik dan kondisi permukaan tanah. Intensitas hujan berpengaruhterhadap kesempatan air untuk masuk ke dalam tanah. Bila intensitashujan lebih kecil dibandingkan dengan kapasitas infiltrasi, maka semua airmempunyai kesempatan untuk masuk ke dalam tanah. Sebaliknya, bilaintensitas hujan lebih tinggi dibandingkan dengan kapasitas infiltrasi,maka sebagian dari air yang jatuh di permukaan tanah tidak mempunyaikesempatan untuk masuk ke dalam tanah, dan bagian ini akan mengalirsebagai aliran permukaan. Penutupan dan kondisi permukaan tanahsangat menentukan tingkat atau kapasitas air untuk menembuspermukaan tanah, sedangkan karakteristik tanah, khususnya strukturinternalnya berpengaruh terhadap laju air saat melewati masa tanah.Unsur sruktur tanah yang terpenting adalah ukuran pori dan kemantapanpori.

Laju infiltrasi dapat diukur di lapangan dengan mengukur curahhujan, aliran permukaan, dan menduga faktor-faktor lain dari siklus air,atau menghitung laju infiltrasi dengan analisis hidrograf. Mengingat caratersebut memerlukan biaya yang relatif mahal, maka penetapan infiltrasisering dilakukan pada luasan yang sangat kecil dengan menggunakansuatu alat yang dinamai infiltrometer.

Dariah dan Rachman240

Ada beberapa macam infiltrometer yang dapat digunakan untukmenetapkan laju infiltrasi, yaitu: (1) ring infiltrometer (single ataudouble/concentric-ring infiltrometer); (2) wells, auger hole permeameter;(3) pressure infiltrometer; (4) closed-top permeameter; (5) crust test; (6)tension and disc infiltrometer; (7) driper; dan (8) rainfall (Clothier, 2001;Reynold et al., 2002). Metode yang akan diuraikan dalam bab ini adalahpengukuran infiltrasi dengan menggunakan ring infiltrometer.

2. PRINSIP

Keunggulan dari penggunaan ring infiltrometer dibandingkandengan beberapa alat lainnya adalah relatif murah, mudah untukmenggunakan dan menganalisis datanya, serta tidak memerlukanketerampilan yang tinggi dari penggunanya. Kelemahan dari alat iniadalah peluang untuk terjadinya gangguan terhadap tanah relatif tinggi(Clothier, 2001), sehingga untuk mendapatkan hasil pengukuran yangmewakili, diperlukan ulangan pengukuran yang relatif banyak, baikulangan secara spasial maupun temporal.

Ring infiltrometer utamanya digunakan untuk menetapkaninfiltrasi kumulatif, laju infiltrasi, sorptivitas, dan kapasitas infiltrasi. Adadua bentuk ring infiltrometer, yaitu single ring infiltrometer dan double atauconcentric-ring infiltrometer. Penggunaan double-ring infiltrometerditujukan untuk mengurangi pengaruh rembesan lateral. Oleh karenaadanya rembesan lateral, sering menyebabkan hasil pengukuran dari alatini menjadi tidak mudah untuk diekstrapolasikan ke dalam skala lapangan.

Infiltrasi (vertikal) ke dalam tanah yang pada mulanya tidak jenuh,terjadi di bawah pengaruh hisapan matriks tanah dan gravitasi. Lajuinfiltrasi pada awalnya tinggi, dengan masuknya air lebih dalam dan lebihdalamnya profil tanah yang basah, maka hisapan matriks tanah berkurangdan akhirnya hanya tinggal tarikan gravitasi yang berpengaruh terhadappergerakan air, menyebabkan laju infiltrasi semakin menurun denganberjalannya waktu mendekati kondisi kesetimbangan (steady-state).Kandungan air tanah pada saat mulai terjadinya infiltrasi jugaberpengaruh terhadap laju infiltrasi (Gambar 1). Oleh karena itu Sharmaet al. (1980) menyatakan bahwa secara tidak langsung infiltrasidipengaruhi oleh evapotranspirasi melalui pengaruhnya terhadap kadarair tanah awal.


Pada awalnya basah

Pada awalnya kering

Gambar 1. Laju infiltrasi sebagai fungsi dari waktu untuk dua tanahdengan perbedaan kandungan air pada awal infiltrasi(Sumber: Arsyad, 2000)

Pada pengukuran laju infiltrasi dengan menggunakan ringinfiltrometer, istilah steady state seringkali diganti dengan quasi-steadystate/kesetimbangan semu. Istilah ini digunakan karena dalam beberapakasus truesteady-state (kesetimbangan yang sesungguhnya) dapatmenjadi sangat lambat untuk menuju ke asymptote. Young (1987)menyatakan bahwa waktu yang dibutuhkan untuk mencapai laju infiltrasidalam kondisi kesetimbangan (quasi-steady-state infiltration rate) semakinberkurang dengan semakin kecilnya ukuran/diameter ring yang digunakan.Namun demikian, penggunaan ring yang terlalu kecil juga menyebabkansemakin tingginya tingkat kesalahan (error) pengukuran (Tricker, 1978).

Keragaman alami yang tinggi dari tanah di lapangan juga dapatmenyebabkan terjadinya perubahan laju infiltrasi secara tidak menentudengan berjalannya waktu, sehingga identifikasi dari true steady statemenjadi sulit dilakukan. Beberapa praktisi telah mencoba untukmelakukan estimasi true steady state dengan memplot laju infiltrasi, q, (y-axis) terhadap inverse waktu, t-1, (x-axis). Selanjutnya mengekstrapolasiintersep dari y-axis untuk mendapatkan laju infiltrasi pada waktu yang takterbatas/ infinite time (Reynold et al., 2002).

Infiltrasi pada quasy-steady state melalui ring infiltrometer dapatdigambarkan dengan menggunakan persamaan Reynolds dan Elrick(1990), yakni:

1(*/1)/()/(/ 21212 aCdCaCdCHKaQKq fsfss (1)


dimana: qs (Lt-1) = laju infiltrasi pada kondisi kesetimbangan (quasi-steadyinfiltration rate); Q (L3t-1) = volume air yang terinfiltrasi per satuan waktu(the corresponding quasi-steady flow rate); a (L) = radius ring, H (L) =kedalaman genangan dalam ring pada kondisi kesetimbangan (the steadydepth of ponded water), d (L) = kedalaman/bagian ring yang masuk kedalam tanah, C1 =0,361 dan C2 = 0,184 (merupakan konstanta untuk d 3 cm dan H 5 cm), * = sifat pori tanah/soil macroscopis capilarity(Tabel 1).

Persamaan (1) mengindikasikan bahwa infiltrasi (quasy-steadystate infiltration) ditentukan oleh konduktivitas hidrolik tanah dalamkeadaan jenuh (Kfs), kedalaman penggenangan (H), kedalaman ring/tinggiring yang masuk ke dalam tanah/cylinder insertion depth (d), jari-jari ringinfiltrometer (a), dan panjang pori makro/soil macroscopic capilarity length(*). Persamaan tersebut juga mengindikasikan adanya tiga komponenaliran (quasy-steady flow) pada ring infiltrometer, yaitu aliran yangdisebabkan oleh tekanan hidrostatik dari genangan air dalam ring (termsatu dari persamaan satu bagian kanan), aliran yang dipengaruhi olehkapilaritas tanah dalam keadaan tidak jenuh/capilarity suction (term keduadari persamaan satu bagian kanan), dan aliran yang dipengaruhi olehgravitasi (term ketiga dari persamaan satu bagian kanan). Aliran lateral(penyimpangan aliran) yang disebabkan oleh tekanan hidrostatik dankapilaritas dinyatakan secara implisit dalam term (C1d+C2a).

Pada kondisi tertentu dimana H=d=0, misalnya pada kondisigenangan dangkal, maka persamaan (1) dapat dinyatakan dalam bentukpersamaan yang dikemukakan oleh Wooding dalam Reynolds et al.(2002), yakni:

1*/(1)/(/ 32 aCKfsaQKq fss (2)

dimana: C3=0,23 . Untuk kasus seperti ini, hanya komponen kapilaritas dan gravitasi yang berpengaruh.

Pengaruh penyimpangan aliran (aliran lateral) yang disebabkanoleh kapilaritas tanah dinyatakan secara implisit dalam term C3a. Nilai *yang tinggi mengindikasikan lebih dominan pengaruh faktor gravitasidalam menentukan laju infiltrasi dibandingkan dengan kapilaritas, sepertipada tanah bertekstur kasar atau tanah berporositas tinggi. Sebaliknyanilai * (Tabel 1) yang kecil mengindikasikan lebih dominannya gayakapilaritas, misalnya terjadi pada tanah bertekstur halus.


Tabel 1. Estimasi nilai * berdasarkan kategori tekstur dan struktur tanah(adaptasi dari Elrick et al., 1989 dalam Reynolds et al., 2002)

Kategori tekstur dan struktur tanah * cm-1

Kompak, tidak berstruktur, berbahan liat atau lempung; contoh tanahtimbunan (land fill and liners), lacustrine atau tanah marinTanah bertekstur halus (berliat atau berdebu) dan tidak berstuktur;termasuk juga beberapa tanah berpasir halusSebagian besar tanah berstruktur (most structured soil) dari liat sampailempung; juga termasuk pasir halus-sedang tak berstruktur. Sebagianbesar lahan pertanian termasuk dalam kategori ini.Pasir kasar dan berbatu; tanah dengan tingkat agregasi tinggi, tanahdengan banyak rekahan (cracks) dan pori makro.

0,01

0,04

0,12

0,36

Keterangan: nilai * telah diidentifikasi secara numerik.

3. METODE

3.1. Alat

a. Ring infiltrometer: single-ring infiltrometer umumnya berukurandiameter 10-50 cm dan panjang atau tinggi 10-20 cm. Ukuran double-ring infiltrometer adalah ring pengukur/ring bagian dalam umumnyaberdiameter 10-20 cm, sedangkan ring bagian luar (ringpenyangga/buffer ring) berdiameter 50 cm. Panjang ring pengukurmaupun ring penyangga sama dengan panjang single-ringinfiltrometer yaitu 10-20 cm. Untuk tujuan tertentu sering digunakanukuran ring yang lebih besar atau lebih kecil. Namun demikian,penggunaan ring yang terlalu kecil menghasilkan kesalahanpengukuran yang besar (Tricker, 1978), sedangkan penggunaanukuran ring yang terlalu besar juga menjadi tidak efisien karenamembutuhkan air dalam jumlah banyak, sulit untuk dipasang, relatiflebih mahal, serta membutuhkan waktu lama untuk mencapaikesetimbangan. Ring umumnya terbuat dari logam dengan ketebalan1-5 mm, bagian bawah dibuat tajam, untuk meminimumkan gangguanterhadap tanah.

b. Balok kayu dan palu untuk membenamkan ring ke dalam tanah ataudapat digunakan penumbur hidrolik (hydraulik rum), stop watch (alatpengukur waktu lainnya), spon kasar. Bila penambahan air dilakukan


secara otomatis, maka gunakan mariotte reservoir, namun bilapenambahan air dilakukan secara manual, maka diperlukan emberatau drum, gayung, gelas ukur, penggaris atau meteran.

3.2 Prosedur

a. Benamkan ring secara vertikal ke dalam tanah sedalam 3-10 cmmenggunakan balok kayu dan palu atau penumbur hidrolik. Pastikanbahwa kedalaman ring cukup untuk membuat ring kuat berdiri.Namun demikian perhitungkan pula tebal ring yang akan digenangi,misalnya bila kedalaman pembenaman ring 5 cm dan kedalamanpenggenangan juga 5 cm, maka panjang ring yang digunakanminimal 11 cm. Gangguan terhadap tanah akibat prosespembenaman ring harus seminimal mungkin. Hindari pengikisan atauperataan tanah. Bila double ring infiltrometer yang digunakan, makaring pengukur dibenamkan terlebih dahulu.

b. Hindari kebocoran di sekitar dinding ring dengan cara memadatkanbagian tanah yang bersentuhan dengan dinding ring. Bila terbentukcelah yang besar, maka perlu dilakukan perekatan denganmenggunakan serbuk bentonit atau liat halus.

c. Genangi ring pengukur dengan tingkat kedalaman yang konstan, danukur kecepatan masuknya air ke dalam tanah. Bila double ringinfiltrometer yang digunakan, maka samakan ketinggian genanganpada ring penyangga dengan ring pengukur (Gambar 2). Tinggigenangan biasanya bekisar antara 5-20 cm. Cara yang mudah untukmengatur tinggi genangan secara konstan adalah denganmenggunakan mariotte reservoir (Gambar 3). Ketinggian pelampungpada marriot reservoir dibuat sama dengan ketinggian air pada ringpengukur, sedangkan kecepatan penurunan air pada marriotereservoir dapat digunakan untuk menghitung laju infiltrasi. Alternatiflainnya adalah dengan menggunakan katup apung (float valve) yangdihubungkan (via tabung atau selang yang bersifat flexible) denganpenampung air yang mengalir dengan menggunakan gaya gravitasi(gravity-feed reservoir). Cara ini sering digunakan pada tanah-tanahyang mempunyai laju infiltasi tinggi. Cara yang paling sederhanaadalah dengan menambahkan air secara manual, biasanyadigunakan untuk tanah dengan laju infiltrasi rendah. Untukmengetahui kapan air harus ditambahkan, diperlukan penunjuk/


pointer (yang paling sederhana adalah penggaris atau batangkayu/logam yang ditera) atau bisa digunakan semacam kait pengukur(hook gauge). Ketika permukaan air dalam ring pengukur turun dansampai pada titik penunjuk (pointer) atau hook gauge level, makalakukan penambahan air sampai permukaan air dalam ring kembalike titik awal/preset mark. Rata-rata laju infiltrasi ditetapkan/ dihitungdari volume penambahan air dan interval waktu penambahan.Kedalaman penggenangan (H) merupakan ketinggian air yangterletak pada pertengahan antara preset mark dan pointer (hookgauge).

Gambar 2. Double ring infiltrometer

d. Quasy-steady state flow (aliran air yang konstan) diasumsikan terjadiketika kecepatan penurunan air di dalam ring menjadi konstan. Waktuyang dibutuhkan untuk mencapai quasy-steady state flow (waktukesetimbangan) umumnya meningkat dengan semakin halusnyatekstur tanah, menurunnya struktur tanah, meningkatnya kedalamanpenggenangan (H) dan kedalaman pembenaman ring (d), dansemakin besarnya radius ring.

constant headwater level (H)

Kedalamanring (d)

ring dalam(ring pengukur)

ring luar(penyangga)

aWetting frontdari ringpenyangga

wetting frontdari ring pengukur


Gambar 3. Penggunaan marriote reservoir dalam pengukurasn infiltrasi

3.3. Analisis

Cara yang paling mudah untuk menganalisis konduktivitas hidroliktanah dalam keadaan jenuh di lapangan (laju infiltrasi) adalah denganmengabaikan dua term pertama dari persamaan (1) sebelah kanandengan asumsi:

Kfs = qs (3)

dimana: qs (Lt-1) adalah laju infiltrasi dalam keadaan quasy-steady state,Kfs (Lt-1) konduktivitas hidrolik dalam keadaan jenuh.

Hasil dari persamaan (3) dapat saja menjadi overestimate,tergantung pada besarnya H, d, a dan *. Untuk menghindari hal tersebutdisarankan agar men-setting atau mengatur H dan d = 5 cm (nilai yangumum digunakan), dan * = 0,12 cm-1 (nilai untuk kebanyakan tanah-tanah pertanian).

Persamaan (1) dapat juga diaplikasikan secara langsung untukmenetapkan Kfs, yakni:

1(*/1)/ 2121

aCdCaCdCHq

K sfs

(4)

dan contoh data hasil pengukuran disajikan dalam Tabel 2.

Marriotereservoir

Tensiometer(optional)

H

d

a


Tabel 2. Contoh lembar data hasil pengukuran infiltrasi danperhitungan Kfs (Reynolds et al., 2002)

Parameter/persamaan yang digunakan Nilai

Radius ring pengukur, (a)Kedalaman pembenaman ring (cylinder insertion depth), (d)Kedalaman penggenangan (depth of water ponding), (H)Macroscopic capillarity length parameter (*) Laju infiltrasi pada quasi-steady state (pengukuran), qs=Qs/r2

Quasy-empirical constant, C1 = 0,316 Quasy-empirical constant, C2 = 0,18 Quasy-empirical constant, C3 = 0,25

30 cm5 cm10 cm0,12 cm-1

1,82 x 10-3cm det-1

0,99270,57810,7854

Persamaan yang digunakan Nilai

Persamaan (2): 1*/(1 3

aCqsK fs

Persamaan (3): Kfs = qs

Persamaan (4):

1(*/1)/ 2121

aCdCaCdCHq

K sfs

1,3 x 10-3cmdet-1

1,8 x 10-3cmdet-1

1,2 x 10-3cmdet-1

3.4. Catatan

a. Penggunaan double-ring infiltrometer ditujukan untuk mengurangipenyimpangan aliran atau aliran lateral. Namun demikian, hasilpengujian di laboratorium, lapangan, dan simulasi numerikmenunjukkan bahwa fungsi ring penyangga (buffer cylinder) seringtidak efektif, yang mana laju infiltrasi pada ring pengukur dalamkondisi quasy-steady state masih dipengaruhi oleh aliran yangmenyimpang (flow divergence). Akibatnya, penggunaan double ringinfilrometer tidak dapat meningkatkan keakuratan persamaan (3).

b. Keakuratan persamaan (3) dalam penetapan Kfs meningkat denganbertambahnya radius ring (a), berkurangnya kedalamanpenggenangan (H), dan bertambahnya kedalaman pembenaman ring.Namun demikian, penggunaan ring yang terlalu besar menyebabkanlebih lamanya waktu yang dibutuhkan untuk mencapaikesetimbangan (konstan) dan peluang untuk terjadinya gangguan


terhadap tanah (saat ring dipasang) akan semakin besar.Pembenaman ring yang terlalu dalam juga dapat menyebabkantimbulnya celah antara tanah dan dinding ring, terutama untuk tanah-tanah yang mudah pecah. Tabel 3 menunjukkan hasil percobaanuntuk menetapkan nilai optimum untuk H, d, dan a.

c. Beberapa faktor fisik dapat menyebabkan terjadinya kesalahan (error)pengukuran, Tabel 4 menyajikan jenis gangguan fisik yang dapatterjadi dan cara mengurangi peluang terjadinya gangguan tersebut:

Tabel 3. Pengaruh kedalaman penggenangan (H), kedalamanpembenaman ring (d), radius ring (a), dan soil macroscopiccapillarity length (*) terhadap quasy-steady hydrostaticpressure flow (aliran akibat tekanan hidrostatik), capillarity flow(aliran akibat gaya kapilaritas), gravity flow (aliran akibat gayagravitasi), dan laju infiltrasi relatif (qs/Kfs) (Reynold, 2002)

H d A * PressureflowCapillaryty

flowGravity

flow qs/Kfs2

cm (cm-1) 1

55555

5555

102040

555

55555

35

1020

555

555

510204060

30303030

303030

303030

0,120,120,120,120,12

0,120,120,120,12

0,120,120,12

0,360,040,01

0,6370,4650,3030,1780,126

0,2460,2240,1830,134

0,4480,8971,793

0,2240,2240,224

0,0610,7760,5040,2070,210

0,4100,3740,3060,225

0,3740,3740,374

0,1250,1214,483

11111

1111

111

111

2,6982,2411,8071,4751,336

1,6561,5981,4891,358

1,8222,2703,167

1,3492,3455,707

1* = diseleksi berdasarkan kriteria pada Tabel 1, 2dihitung dengan menggunakanpersamaan (1).


Tabel 4. Faktor fisik yang dapat meningkatkan kesalahan pengukuraninfiltrasi dan beberapa tindakan untuk penanggulangannya

Faktor fisik Penanggulangan

- Pemadatan tanah saatpemasangan ring

- Aliran seputar dinding ring (shortcircuit flow along the cylinderwalls)

- Siltasi pada permukaan tanah(siltation of the infiltration surface)

- Mengurangi kedalamanpembenaman ring, menipiskandinding ring dengan bagian bawahyang ditajamkan.

- Memadatkan tanah di sekelilingdinding ring dengan merekatkancelah yang timbul dengan bubukbentonit atau liat halus

- Menempatkan spon kasar dipermukaan tanah (terutama yangterkena aliran air).

d. Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa dalam beberapakasus true steady-state (kesetimbangan yang sesungguhnya) dapatmenjadi sangat lambat untuk menuju ke asimptotic. Beberapa praktisitelah mencoba untuk melakukan estimasi true steady state. Beberapacontoh model estimasi laju infiltrasi dalam kondisi kesetimbangan(steady state) dikemukakan oleh Philips (persamaan 5) dalam Bower(1986) dan Clothier & Scotter (2002), serta oleh Horton (persamaan6) dalam Arsyad (2000), yaitu sebagai berikut:

sKSti 2/1

21 (5)

dimana: i = kumulatif infiltrasi; S=S(o, i) adalah sorptivity, merupakanfungsi dari kadar air boundary dan kadar air awal. Cara sederhana untukmengukur sorptivity adalah dengan menetapkan kemiringan dari I (lajuinfiltari) versus t1/2 pada saat awal (initial values dari t); Ks= konduktivitashidrolik dalam keadaan jenuh atau steady infiltrability.

ktcoc effff

)( (6)

dimana: f = kapasitas infiltrasi atau laju maksimum infiltrasi pada suatusaat (cm jam-1); fc = kapasitas infiltrasi pada saat infiltrasi telah konstan(steady state); fo = laju infiltrasi awal; k = konstanta yang menggambar-kan fungsi; dan t adalah waktu.


5. DAFTAR PUSTAKA

Arsyad, S. 2000. Pengawetan Tanah dan Air. Departemen Ilmu-IlmuTanah. Fakultas Pertanian. Institut Pertanian Bogor.

Bower, H. 1986. Intake rate: Cylinder Infiltrometer. p. 825-844 In Methodsof Soil Analysis Part I. Physical and Mineralogical Methods.Second Edition (Ed. A. Klute).

Clothier, B. 2001. Infiltration. p. 237-277. In Soil and EnvironmentalAnalyses: Physical methods. In Smith et al. (Eds.). Marcel Dekker,Inc. United States of America.

Clothier, B., and D. Scotter. 2002. Unsaturated water transmissionparameters obtained from infiltration. p. 879-898. In Method ofSoil Analysis Part 4-Physical Method. In Dane and Topp (Eds.).Soil Sccience Society of America, Inc. Madison, Wisconsin, USA.

Reynold, W. D., D. E. Elrick. 1990. Ponded infiltration from single ring. I.Analysis of steadyflone. Soil. Sci. Soc. Am. J. 54: 1.233-1.241.

Reynold, W. D., D. E. Elrick, dan E. G. Young. 2002. Ring or cylinderinfiltrometer (Vadose Zone). p. 804-808. In Method of SoilAnalysis Part 4-Physical Method. (Eds. Dane and Topp). SoilSccience Society of America, Inc. Madison, Wisconsin, USA.

Sharma, M. L., G. A. Gander, dan C. G. Hunt. 1980. Spatial variabilty ofinfiltration in watershed. Journal of Hydrology. 45: 101-122.Elsevier Scientific Publishing Company. Amsterdam.

Tricker, A. S. 1978. The infiltration cylinder: Some comments on its use.Journal of Hydrology. 36: 383-391. Esevier Scicientific PublishingCompany, Amsterdam.

Young, E. G. 1987. Estimating hydraulic conductivity values from ringinfiltrometer easurement. J. Sci. 38: 623-632.

20infiltrasi

Documents

Transcript of 20infiltrasi