Metode Meteorological Water Balance Dr FJ Mock (1)

Metode Meteorological Water Balance Dr. F.J. Mock Metode ini ditemukan oleh Dr. F.J. Mock pada tahun 1973 dimana metode ini didasarkan atas fenomena alam dibeberapa tempat di Indonesia. Dengan metode ini, besarnya aliran dari data curah hujan , karakteristik hidrologi daerah pengaliran dan evapotranspirasi dapat dihitung. Pada dasarnya metode ini adalah hujan yang jatuh pada catchment area sebagian akan hilang sebagai evapotranspirasi, sebagian akan langsung menjadi aliran permukaan (direct run off) dan sebagian lagi akan masuk kedalam tanah (infiltrasi), dimana infiltrasi pertama-tama akan menjenuhkan top soil, kemudian menjadi perkolasi membentuk air bawah tanah (ground water) yang nantinya akan keluar ke sungai sebagai aliran dasar (base flow). Adapun ketentuan dari metode ini adalah sebagai berikut : 1. Data meteorologi Data meterologi yang digunakan mencakup : a. Data presipitasi dalam hal ini adalah curah hujan bulanan dan data curah hujan harian. b. Data klimatologi berupa data kecepatan angin, kelembapan udara, tempratur udara dan penyinaran matahari untuk menentukan evapotranspirasi potensial (Eto) yang dihitung berdasarkan metode Penman Modifikasi 2. Evapotranspirasi Aktual ( Ea) Penentuan harga evapotranspirasi actual ditentuakan berdasarkan persamaan :E = Eto x d/30 x m ... (3.7) E = Eto x (m / 20) x (18-n) .. (3.8) Ea = Eto E (3.9) Dimana : Ea = Evapotranspirasi aktual (mm) Eto = Evapotranspirasi potensial (mm) d = 27 (3/2) x n n = jumlah hari hujan dalam sebulan m = Perbandingan permukaan tanah tanah yang tidak tertutup dengan tumbuh-tumbuhan penahan hujan koefisien yang tergantung jenis areal dan musiman dalam % ) m = 0 untuk lahan dengan hutan lebat. m = Untuk lahan dengan hutan sekunder pada akhir musim dan bertambah 10 % setiap bulan berikutnya. m = 10 40% untuk lahan yang erosi m = 30 50 % untuk lahan pertanian yang diolah ( sawah ) 3. Keseimbangan air dipermukaan tanah (S) a. Air hujan yang mencapai permukaan tanah dapat dirumuskan sebagai berikut : S = R Ea . (3.10) Dimana : S = Keseimbangan air dipermukaan tanah R = Hujan Bulanan Ea = Evapotranspirasi Aktual Bila harga positif (R > Ea) maka air akan masuk ke dalam tanah bila kapasitas kelembapan tanah belum terpenuhi. Sebaliknya bila kondisi kelembapan tanah sudah tercapai maka akan terjadi limpasan permukaan (surface runoff). Bila harga tanah S negatif ( R > Ea ) , air hujan tidak dapat masuk kedalam tanah (infltrasi) tetapi air tanah akan keluar dan tanah akan kekurangan air (defisit).Perubahan kandungan air tanah (soil storage) tergantung dari harga S. Bila S negatif maka kapasitas kelembapan tanah akan kekurangan dan bila harga S positif akan menambah kekurangan kapasitas kelembapan tanah bulan sebelumnya. c. Kapasitas kelembapan tanah (soil moisture capacity). Didalam memperkirakan kapasitas kelembapan tanah awal diperlukan pada saat dimulainya perhitungan dan besarnya tergantung dari kondisi porositas lapisan tanah atas dari daerah pengaliran. Biasanya diambil 50 s/d 250 mm, yaitu kapasitas kandungan air didalam tanah per m3. semakin besar porositas tanah maka kelembapan tanah akan besar pula. d. Kelebihan Air (water surplus) Besarnya air lebih dapat mengikuti formula sbb : WS = S - Tampungan tanah ... (3.11) Dimana : WS = water surplus S = R- Ea Tampungan Tanah = Perbedaan Kelembapan tanah. 4. Limpasan dan penyimpanan air tanah (Run off dan Ground Water storage ). a. Infiltrasi (i) Infiltrasi ditaksir berdasarkan kondisi porositas tanah dan kemiringan daerah pengaliran. Daya infiltrasi ditentukan oleh permukaan lapisan atas dari tanah. Misalnya kerikil mempuyai daya infiltrasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan tanah liat yang kedap air. Untuk lahan yang terjal dimana air sangat cepat menikis diatas permukaan tanah sehingga air tidak dapat sempat berinfltrasi yang menyebabkan daya infiltrasi lebih kecil. Formula dari infiltrasi ini adalah sebagai berikut :i = Koefisien Infiltrasi x WS ... (3.12) Dimana : i = Infiltrasi (Koefisien Infiltrasi (i) = 0 s/d 1,0 ) WS = kelebihan air b. Penyimpanan air tanah (ground water storage) Pada permulaan perhitungan yang telah ditentukan penyimpanan air awal yang besarnya tergantung dari kondisi geologi setempat dan waktu.Persamaan yang digunakan adalah (sumber : PT. Tricon Jaya, Sistim Planing Irigasi Ongka Persatuan Kab. Donggala Hal V-4) Vn = k. (Vn 1) + (1 + k ) in .. (3.13) Dimana : Vn = Volume simpanan ait tanah periode n ( m3) Vn 1 = Volume simpanan air tanah periode n 1 (m3) K = qt/qo = Faktor resesi aliran air tanah (catchment are recession factor ). Faktor resesi aliran tanah (k) berkisar antara 0 s/d 1 qt = Aliran tanah pada waktu t (bulan ke t) qo = Aliran tanah pada awal (bulan ke 0) in = Infiltrasi bulan ke n (mm) Untuk mendapatkan perubahan volume aliran air dalam tanah mengikuti persamaan : Vn = Vn - Vn 1 . (3.14) c. Limpasan (Run off ) Air hujan atau presipitasi akan menempuh tiga jalur menuju kesungai. Satu bagian akan mengalir sebagai limpasan permukaan dan masuk kedalam tanah lalu mengalir ke kiri dan kananya membentuk aliran antara. Bagian ketiga akan berperkolasi jauh kedalam tanah hingga mencapai lapisan air tanah. Aliran permukaan tanah serta aliran antara sering digabungkan sebagai limpasan langsung (direc runoff)Untuk memperoleh limpasan, maka persamaan yang digunakan adalah : BF = I - ( Vn ) ....................... (3.15) Dro = WS I ........ (3.16) Ron = BF +Dro ... (3.17) Dimana : BF = Aliran dasar (M3/dtk/km) I = Infltrasi (mm) Vn = Perubahan volume aliran tanah (M3) Dro = Limpasan Langsung (mm) WS = Kelebihan air Ron = Limpasan periode n (M3/dtk/km2) d. Banyaknya air yang tersedia dari sumbernya. Persamaan yang digunakan adalah Qn = Ron x A .. (3.18) Dimana : Qn = Banyaknya air yg tersedia dari sumbernya periode n (m3/dtk) A = Luas daerah tangkapan (catchment area) Km2

Model MockModel Mock ini mensimulasikan kesetimbangan air bulanan pada suatu cathment area tertentu yang ditujukan untuk menghitung total run off, dengan menggunakan hujan bulanan, evapotranspirasi, kelembaban tanah, dan persedian air tanah. Yaitu dengan mendasarkan pada proses kesetimbangan air yang sudah umum, yaitu bahwa hujan yang jatuh di atas permukaan tanah dan tumbuhan penutup lahan, sebagian air itu akan menguap dan sebagian lagi akan meresap masuk kedalam tanah. Infiltrasi ini dan keluar menuju sungai menjadi aliran dasar.Model Mock yang dikembangkan oleh Dr. F. J. Mock didasarkan atas daur hidrologi. Metoda Mock merupakan salah satu dari sekian banyak metoda yang menjelaskan hubungan rainfall-runoff. Secara garis besar model rainfall-runoff bisa dilihat pada Gambar 3.4. berikut ini.

Groundwater Storage

Surface Storage

RainfallEvapotranspirasi

Infiltrasi

Surface Run Off Groundwater Run Off

Total Run Off

Gambar 3.4. Bagan alir model rainfall-runoff.

Metoda Mock dikembangkan untuk menghitung debit bulanan rata-rata. Data-data yang dibutuhkan dalam perhitungan debit dengan Metoda Mock ini adalah data klimatologi, luas dan penggunaan lahan dari catchment area.Proses perhitungan yang dilakukan dalam Metoda Mock dijelaskan dalam Gambar 3.5. Pada prinsipnya, Metoda Mock memperhitungkan volume air yang masuk, keluar, dan yang disimpan dalam tanah (soil storage). Volume air yang masuk adalah hujan. Air yang keluar adalah infiltrasi, perkolasi dan yang dominan adalah akibat evapotranspirasi. Perhitungan evapotranspirasi menggunakan Metoda Penmann. Sementara soil storage adalah volume air yang disimpan dalam pori-pori tanah, hingga kondisi tanah menjadi jenuh.Secara keseluruhan perhitungan debit dengan Metoda Mock ini mengacu pada water balance, dimana volume air total yang ada di bumi adalah tetap, hanya sirkulasi dan distribusinya yang bervariasi. PerhitunganBase Flow, Direct Run Off dan Storm Run OffPerhitunganEvapotranspirasi Potensial(Metoda Penman)PerhitunganEvapotranspirasi AktualPerhitunganWater Surplus

Gambar 3.5 Bagan alir perhitungan debit dalam metoda Mock.C. Evapotranspirasi AktualJika dalam evapotranspirasi potensial air yang tersedia dari yang diperlukan oleh tanaman selama proses transpirasi berlebihan, maka dalam evapotranspirasi aktual ini jumlah air tidak berlebihan atau terbatas. Jadi evapotranspirasi aktual adalah evapotranspirasi yang terjadi pada kondisi air yang tersedia terbatas. Evapotranspirasi aktual dipengaruhi oleh proporsi permukaan luar yang tidak tertutupi tumbuhan hijau (exposed surface) pada musim kemarau. Besarnya exposed surface (m) untuk tiap daerah berbeda-beda. F.J. Mock mengklasifikasikan menjadi tiga daerah dengan masing-masing nilai exposed surface sebagai berikut.

Tabel 3.4. Exposed Surface,m

NoMDaerah

10 %Hutan primer, sekunder

210 40 %Daerah tererosi

330 50 %Daerah ladang pertanian

Selain exposed surface evapotranspirasi aktual juga dipengaruhi oleh jumlah hari hujan (n) dalam bulan yang bersangkutan.Menurut Mock rasio antara selisih evapotranspirasi potensial dan evapotranspirasi aktual dengan evapotranspirasi potensial dipengaruhi oleh exposed surface (m) dan jumlah hari hujan (n), seperti ditunjukan dalam formulasi sebagai berikut:

Sehingga:

. Dari formulasi diatas dapat dianalisis bahwa evapotranspirasi potensial akan sama dengan evapotranspirasi aktual (atau E = 0) jika:a. Evapotranspirasi terjadi pada hutan primer atau hutan sekunder. Dimana daerah ini memiliki harga exposed surface (m) sama dengan nol.b. Banyaknya hari hujan dalam bulan yang diamati pada daerah itu sama dengan 18 hari.Jadi evapotranspirasi aktual adalah evapotranspirasi potensial yang memperhitungkan faktor exposed surface dan jumlah hari hujan dalam bulan yang bersangkutan. Sehingga evapotranspirasi aktual adalah evapotranspirasi yang sebenarnya terjadi atau actual evapotranspiration, dihitung sebagai berikut:

D. Water SurplusWater surplus didefinisikan sebagai air hujan (presipitasi) yang telah mengalami evapotranspirasi dan mengisi tampungan tanah (soil storage, disingkat SS). Water surplus ini berpengaruh langsung pada infiltrasi atau perkolasi dan total run off yang merupakan komponen debit. Persamaan water surplus (disingkat WS) adalah sebagai berikut:WS = (P Ea) + SSDengan memperhatikan Gambar 3.6, maka water surplus merupakan air limpasan permukaan ditambah dengan air yang mengalami infiltrasi.Tampungan kelembaban tanah (soil moisture storage, disingkat SMS) terdiri dari kapasitas kelembaban tanah (soil moisture capacity, disingkat SMC), zona infiltrasi, limpasan permukaan tanah dan tampungan tanah (soil storage, disingkat SS). Besarnya soil moisture capacity (SMC) tiap daerah tergantung dari tipe tanaman penutup lahan (land covery) dan tipe tanahnya, seperti ditunjukkan dalam tabel di bawah ini.

Tabel 3.5 Nilai Soil Moisture Capacity untuk Berbagai Tipe Tanaman dan Tipe TanahTipe TanamanTipe TanahZone Akar(dalam m)Soil Moisture Capacity (dalam mm)

Tanaman Berakar PendekPasir Halus 0.5050

Pasir Halus dan Loam0.5075

Lanau dan Loam0.62125

Lempung dan Loam0.40100

Lempung0.2575

Tanaman Berakar SedangPasir Halus 0.7575




Lempung0.50150

Tanaman Berakar DalamPasir Halus 1.00100




Lempung0.67200

Tanaman PalmPasir Halus 1.50150




Lempung0.67200

Mendekati Hutan AlamPasir Halus 2.50250




Lempung1.17350

Gambar 3.6 Water surplus merupakan presipitasi yang telah mengalami evapotranspirasi, atau limpasan permukaan ditambah infiltrasi.KAPASITAS KELEMBABAN TANAHZONA INFILTRASILIMPASAN PERMUKAAN

PRESIPITASIEVAPOTRANSPIRASITAMPUNGAN KELEMBABAN TANAH TANAH

Dalam Metoda Mock, tampungan kelembaban tanah dihitung sebagai berikut:SMS = ISMS + (P Ea) dimana:ISMS=initial soil moisture storage (tampungan kelembaban tanah awal), merupakan soil moisture capacity (SMC) bulan sebelumnya.P Ea=presipitasi yang telah mengalami evapotranspirasi.Asumsi yang dipakai oleh Dr. F.J. Mock adalah air akan memenuhi SMC terlebih dahulu sebelum water surplus tersedia untuk infiltrasi dan perkolasi yang lebih dalam atau melimpas langsung (direct run off). Ada dua keadaan untuk menentukan SMC, yaitu:1. SMC = 200 mm/bulan, jika P Ea < 0.Artinya soil moisture storage (tampungan tanah lembab) sudah mencapai kapasitas maksimumnya atau terlampaui sehingga air tidak disimpan dalam tanah lembab. Ini berarti soil storage (SS) sama dengan nol dan besarnya water surplus sama dengan P - Ea.2. SMC = SMC bulan sebelumnya + (P Ea), jika P Ea < 0.Untuk keadaan ini, tampungan tanah lembab (soil moisture storage) belum mencapai kapasitas maksimum, sehingga ada air yang disimpan dalam tanah lembab. Besarnya air yang disimpan ini adalah P Ea. Karena air berusaha untuk mengisi kapasitas maksimumnya, maka untuk keadaan ini tidak ada water surplus (WS = 0).Selanjutnya WS ini akan mengalami infiltrasi dan melimpas di permukaan (run off). Besarnya infiltrasi ini tergantung pada koefisien infiltrasi. E. Limpasan TotalAir hujan yang telah mengalami evapotranspirasi dan disimpan dalam tanah lembab selanjutnya akan melimpas di permukaan (surface run off) dan mengalami perkolasi. Berikutnya, menurut Mock besarnya infiltrasi adalah water surplus (WS) dikalikan dengan koefisien Infiltrasi (if), atau:Infiltrasi (i) = WS x if Koefisien infiltrasi ditentukan oleh kondisi porositas dan kemiringan daerah pengaliran. Lahan yang bersifat poros umumnya memiliki koefisien yang cenderung besar. Namun jika kemiringan tanahnya terjal dimana air tidak sempat mengalami infiltrasi dan perkolasi ke dalam tanah, maka koefisien Infiltrasinya bernilai kecil.Infiltrasi terus terjadi sampai mencapai zona tampungan air tanah (groundwater storage, disingkat GS). Keadaan perjalanan air di permukaan tanah dan di dalam tanah diperlihatkan dalam Gambar 3.7.Dalam Metoda ini, besarnya groundwater storage (GS) dipengaruhi oleh:a. Infiltrasi (i), semakin besar Infiltrasi maka groundwater storage semakin besar pula. Begitupun sebaliknya.

EaDROPercolasiBFTROChannelPSROSGSGambar 3.7. Perjalanan Air di Permukaan dan di Dalam Tanah

anan air hujan sampai terbentuk debit.

b. Konstanta resesi aliran bulanan.Konstanta resesi aliran bulanan (monthly flow recession constan) disimbolkan dengan K adalah proporsi dari air tanah bulan lalu yang masih ada bulan sekarang. Nilai K ini cenderung lebih besar pada bulan basah.

c. Groundwater storage bulan sebelumnya (GSom).Nilai ini diasumsikan sebagai konstanta awal, dengan anggapan bahwa water balance merupakan siklus tertutup yang ditinjau selama rentang waktu menerus tahunan tertentu. Dengan demikian maka nilai asumsi awal bulan pertama tahun pertama harus dibuat sama dengan nilai bulan terakhir tahun terakhir.

Dari ketiga faktor di atas, Mock merumuskan sebagai berikut:GS = { 0,5 x (1 + K) x i } + { K x GSom }Seperti telah dijelaskan, Metoda Mock adalah metoda untuk memprediksi debit yang didasarkan pada water balance. Oleh sebab itu, batasan-batasan water balance ini harus dipenuhi. Salah satunya adalah bahwa perubahan groundwater storage (GS) selama rentang waktu tahunan tertentu adalah nol, atau (misalnya untuk 1 tahun):

Perubahan groundwater storage (GS) adalah selisih antara groundwater storage bulan yang ditinjau dengan groundwater storage bulan sebelumnya.Perubahan groundwater storage ini penting bagi terbentuknya aliran dasar sungai (base flow, disingkat BF). Dalam hal ini base flow merupakan selisih antara Infiltrasi dengan perubahan groundwater storage, dalam bentuk persamaan:BF = i - GSJika pada suatu bulan GS bernilai negatif (terjadi karena GS bulan yang ditinjau lebih kecil dari bulan sebelumnya), maka base flow akan lebih besar dari nilai Infiltrasinya. Karena water balance merupakan siklus tertutup dengan perioda tahunan tertentu (misalnya 1 tahun) maka perubahan groundwater storage (GS) selama 1 tahun adalah nol. Dari persaman di atas maka dalam 1 tahun jumlah base flow akan sama dengan jumlah Infiltrasi.

Selain base flow, komponen debit yang lain adalah direct run off (limpasan langsung) atau surface run off (limpasan permukaan). Limpasan permukaan berasal dari water surplus yang telah mengalami Infiltrasi. Jadi direct run off dihitung dengan persamaan:DRO = WS - i Setelah base flow dan direct run off komponen pembentuk debit yang lain adalah storm run off, yaitu limpasan langsung ke sungai yang terjadi selama hujan deras. Storm run off ini hanya beberapa persen saja dari hujan. Storm run off hanya dimasukkan ke dalam total run off, bila presipitasi kurang dari nilai maksimum soil moisture capacity. Menurut Mock storm run off dipengaruhi oleh percentage factor, disimbolkan dengan PF. Percentage factor adalah persen hujan yang menjadi limpasan. Besarnya PF oleh Mock disarankan 5% - 10%, namun tidak menutup kemungkinan untuk meningkat secara tidak beraturan hingga mencapai 37,3%.

Dalam perhitungan debit ini, Mock menetapkan bahwa:a. Jika presipitasi (P) > maksimum soil moisture capacity maka nilai storm run off = 0.b. Jika P < maksimum soil moisture capacity maka storm run off adalah jumlah curah hujan dalam satu bulan yang bersangkutan dikali percentage factor, atau:SRO = P x PFDengan demikian maka total run off (TRO) yang merupakan komponen-komponen pembentuk debit sungai (stream flow) adalah jumlah antara base flow, direct run off dan storm run off, atau:TRO = BF + DRO + SRO Total run off ini dinyatakan dalam mm/bulan. Maka jika TRO ini dikalikan dengan catchment area (luas daerah tangkapan air) dalam km2 dengan suatu angka konversi tertentu akan didapatkan besaran debit dalam m3/det.

Metode Meteorological Water Balance Dr FJ Mock (1)

Documents

Transcript of Metode Meteorological Water Balance Dr FJ Mock (1)