Post on 19-Mar-2019
6
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Saluran Terbuka
2.1.1. Aliran Pada Saluran Terbuka
Aliran air dalam suatu saluran dapat berupa aliran saluran terbuka
(open channel flow) maupun aliran-pipa (pipe flow). Kedua jenis aliran
tersebut sama dalam banyak hal, namun berbeda dalam satu hal yang
penting. Aliran saluran terbuka harus memiliki permukaan bebas (Gambar
2.1), sedangkan aliran pipa tidak demikian, karena air harus mengisi
seluruh saluran (Gambar 2.2).
Garis persamaan
V1
V2Dasar saluran
Permukaan air
Garis energi
z2
y2
hf
V2²2g
z1
y1
V1²2g
1 2
Gambar 2.1 Aliran Saluran Terbuka
7
z1
z2
y1
V1²
Garis persamaan
y2
hf
V1
V2
Garis tengah pipa
Garis derajat hidrolik
Garis energi
1 2
2gV2²2g
Gambar 2.2 Aliran Pipa
Pada gambar 2.2 aliran pipa, dua tabung pizometer dipasangkan ke
pipa pada penampang 1 dan 2. Permukaan air dalam tabung diatur dengan
tekanan dalam pipa pada ketinggian yang disebut garis derajat hidrolik.
Tekanan yang ditimbulkan oleh air pada setiap penampang pipa
ditunjukkan dalam tabung yang bersesuaian dengan kolom air setinggi y
diatas garis tengah pipa. Jumlah energi dalam aliran di penampang
berdasarkan suatu garis persamaan adalah jumlah tinggi tempat z diukur
dari garis tengah pipa, tinggi tekan y dan tinggi kecepatan V2/2g, dengan V
adalah kecepatan rata-rata aliran. Energi ini dinyatakan dalam gambar
dengan suatu garis derajat energi atau disingkat garis energi. Energi yang
hilang ketika air mengalir dari penampang 1 ke penampang 2 dinyatakan
dengan hf. Bagan yang serupa untuk aliran saluran terbuka diperlihatkan
dalam gambar 2.1 aliran terbuka.
8
Energi yang terdapat pada aliran saluran terbuka dan aliran pipa
diatas dapat dinyatakan dalam persamaan yaitu :
f
21
11
21
11 hg2
Vyzg2
Vyz +++=++ pers (2.1)
Persamaan diatas dikenal juga sebagai persamaan energi (energi
equation) atau dapat disebut juga sebagai persamaan energi dari Bernoulli.
Aliran pada saluran terbuka dapat diklasifikasikan menjadi berbagai
tipe tergantung kriteria yang digunakan. Berdasarkan perubahan kedalaman
dan/atau kecepatan mengikuti fungsi waktu, maka aliran dibedakan
menjadi permanen (steady) dan tidak permanen (unsteady). Sedangkan
berdasarkan fungsi, maka aliran dibedakan menjadi aliran seragam
(uniform) dan tidak seragam/berubah (nonuniform or varied). Klasifikasi
aliran pada saluran terbuka dapat dilihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Klasifikasi Aliran Pada Saluran Terbuka
Aliran (flow)
Aliran Permanen (steady)
Seragam (uniform)
Berubah (varied)
Seragam (uniform)
Berubah (varied)
Fungsi Waktu
Fungsi Ruang
Berubah Lambat Laun (gradually)
Berubah Tiba-Tiba (rapidly)
Berubah Lambat Laun (gradually)
Berubah Tiba-Tiba (rapidly)
Aliran tak Permanen (unsteady)
9
a. Aliran Permanen dan Tidak Permanen
Jika kecepatan aliran pada suatu titik tidak berubah terhadap
waktu, maka aliran disebut aliran permanen atau tunak (steady flow),
jika kecepatan pada suatu lokasi tertentu berubah terhadap waktu
maka alirannya disebut aliran tidak permanen atau tidak tunak
(unsteady flow).
b. Aliran Seragam dan Berubah
Jika kecepatan aliran pada suatu waktu tertentu tidak berubah
sepanjang saluran yang di tinjau, maka alirannya disebut aliran
seragam (uniform flow). Namun, jika kecepatan aliran pada saat
tertentu berubah terhadap jarak, maka aliran disebut aliran tidak
seragam/berubah (nonuniform flow or varied flow).
Berdasarkan laju perubahan kecepatan terhadap jarak, maka
aliran dapat diklasifikasikan menjadi aliran berubah lambat laun
(gradually varied flow) atau aliran berubah tiba-tiba (rapidly varied
flow).
c. Aliran Laminer dan Turbulen
Jika partikel zat cair yang bergerak mengikuti alur tertentu dan
aliran tampak seperti gerakan serat-serat atau lapisan-lapisan tipis
yang paralel, maka alirannya disebut aliran laminer. Sebaliknya, jika
partikel zat cair bergerak mengikuti alur yang tidak beraturan, baik
ditinjau terhadap ruang maupun waktu, maka alirannya disebut aliran
turbulen.
10
Faktor yang menentukan keadaan aliran adalah pengaruh
relatif antara kekentalan (viskositas) dan gaya inersia. Jika gaya
viskositas yang dominan, maka alirannya laminer, sedangkan jika
gaya inersia yang dominan, maka aliran turbulen. Nisbah antara gaya
kekentalan dan inersia dinyatakan dalam bilangan Reynold (Rey),
yang didefinisikan seperti rumus berikut :
vLVeyR ×
= pers (2.2)
dimana :
Rey = bilangan Reynold
V = kecepatan aliran (m/det),
L = panjang karakteristik (m) pada saluran muka air
bebas, L = R,
R = jari-jari hidrolik saluran (m),
v = kekentalan kinematik (m2/det).
Batas peralihan antara aliran laminer dan turbulen pada aliran
bebas terjadi pada bilangan Reynold, Rey ± 600, yang dihitung
berdasarkan jari-jari hidrolik sebagai panjang karakteristik. Dalam
kehidupan sehari-hari, aliran laminer pada saluran terbuka sangat
jarang ditemui. Aliran jenis ini mungkin dapat terjadi pada aliran
yang kedalaman sangat tipis diatas permukaan gelas sangat halus
dengan kecepatan yang sangat kecil.
11
d. Aliran Subkritis, Kritis dan Superkritis
Aliran dikatakan kritis (Fr = 1) apabila kecepatan aliran sama
dengan kecepatan gelombang gravitasi dengan amplitudo kecil.
Gelombang gravitasi dapat dibangkitkan dengan merubah kedalaman.
Jika kecepatan aliran lebih kecil dari pada kecepatan kritis, maka
alirannya disebut subkritis (Fr < 1), sedangkan jika kecepatannya
alirannya lebih besar dari pada kecepatan kritis, maka alirannya
disebut superkritis (Fr > 1).
Parameter yang menentukan ketiga jenis aliran tersebut adalah
nisbah antara gaya gravitasi dan gaya inersia, yang dinyatakan dengan
bilangan Froude (Fr). Bilangan Froude untuk saluran berbentuk
persegi didefinisikan sebagai :
hgVFr×
= pers (2.3)
dimana :
Fr = bilangan Froude
V = kecepatan aliran (m/dt),
h = kedalaman aliran (m),
g = percepatan gravitasi (m2/dt).
12
2.1.2. Aliran Permanen Seragam
a. Kualifikasi Aliran Seragam
Aliran seragam (uniform flow) dianggap memiliki ciri-ciri
pokok yaitu :
1. Kedalaman, luas basah, kecepatan dan debit pada setiap
penampang pada bagian seluran yang lurus adalah konstan,
2. Garis energi, muka air dan dasar saluran saling sejajar, berarti
kemiringannya sama atau Sf = Sw = So = S.
Aliran seragam dianggap sebagai suatu aliran permanen
(steady flow). Aliran dalam saluran terbuka dikatakan permanen
(steady) bila kedalaman aliran tidak berubah atau dianggap konstan
selama suatu selang waktu tertentu.
Bila air mengalir dalam saluran terbuka, air akan mengalami
hambatan saat mengalir ke hilir. Hambatan ini biasanya dilawan oleh
komponen gaya berat yang bekerja dalam air dalam arah geraknya.
Aliran seragam akan terjadi bila hambatan ini seimbang dengan gaya
berat. Besarnya tahanan bila faktor-faktor lain dari saluran dianggap
tidak berubah, tergantung pada kecepatan aliran. Bila air memasuki
saluran secara perlahan, kecepatan mengecil dan oleh karenanya
hambatannya juga mengecil, dan hambatan lebih kecil dari gaya berat
sehingga terjadi aliran percepatan di bagian yang lurus disebelah
hulu.
13
Kecepatan dan hambatan akan meningkatkan lambat laun
sampai terjadi keseimbangan antara hambatan dengan gaya-gaya
berat. Pada keadaan ini dan selanjutnya aliran menjadi seragam.
Bagian lurus di hulu yang diperlukan untuk membentuk aliran
seragam dikenal sebagai zona peralihan (transitory zone). Dalam zona
ini aliran dipercepat dan berubah. Bila saluran lebih pendek daripada
panjang peralihan yang diperlukan untuk kondisi yang ditetapkan,
maka tidak dapat terjadi aliran seragam. Pada bagian hilir saluran,
hambatan mungkin akan terjadi lebih kecil dari gaya berat, sehingga
aliran menjadi tidak seragam lagi atau berubah.
Untuk menjelaskan hal ini, diperlihatkan suatu saluran
panjang dengan tiga jenis kemiringan; subkritis, kritis dan superkritis
(Gambar 2.4). Pada kemiringan subkritis (Gambar 2.4.(a)) permukaan
air di zona peralihan tampak bergelombang. Aliran dibagian tengah
saluran bersifat seragam namum kedua ujungnya bersifat berubah.
Pada kemiringan kritis (Gambar 2.4.(b)) permukaan air dari aliran
kritis ini tidak stabil. Dibagian tengah dapat terjadi gelombang tetapi
kedalaman rata-ratanya konstan dan alirannya dapat dianggap
seragam. Pada kemiringan subkritis (Gambar 2.4.(c)) permukaan air
beralih dari keadaan subkritis menjadi superkritis setelah melalui
terjunan hidrolik lambat laun. Di hilir zona peralihan aliran mendekati
seragam. Kedalaman aliran seragam disebut kedalaman normal
(normal depth). Pada gambar 2.4 tersebut, garis panjang terputus-
putus menyatakan garis kedalaman normal, disingkat dengan G.K.N.,
14
dan garis pendek terputus-putus atau garis titik-titik menyatakan garis
kedalaman kritis atau G.K.K.
Aliran BerubahZona Peralihan
Aliran Seragam Aliran BerubahZona Peralihan
Aliran BerubahZona Peralihan
Dapat dianggap Aliran Seragam
G.K.N
G.K.K
G.K.N & G.K.K
G.K.K
G.K.N
Aliran BerubahZona Peralihan
Aliran Seragam
Kemiringan subkritis So < Sc
Kemiringan kritis So = Sc
Kemiringan superkritis So > Sc
Gambar 2.4. Pembentukan Aliran Seragam Pada Saluran
(a)
(b)
(c)
15
b. Kecepatan Rata-Rata Aliran Seragam
Untuk perhitungan hidrolika, kecepatan rata-rata aliran
seragam dalam saluran terbuka biasanya dinyatakan dengan perkiraan
yang dikenal dengan rumus aliran seragam (uniform flow formula).
Sebagian besar rumus-rumus aliran seragam dapat dinyatakan dalam
bentuk umum sebagai berikut :
V = C Rx Sy pers (2.4)
dimana :
V = kecepatan rata-rata (m/det),
C = faktor tahanan aliran yang bervariasi menurut kekasaran
saluran, kekentalan dan berbagai faktor lainnya,
R = jari-jari hidrolik (m),
S = kemiringan energi/saluran,
x,y = eksponen.
Rumus aliran seragam yang baik untuk saluran aluvial dengan
pengangkutan dan aliran turbulen harus memperhitungkan semua
besaran-besaran berikut ini :
• Luas basah (A)
• Kecepatan rata-rata (V)
• Kecepatan permukaan yang maksimum (Vmaks)
• Keliling basah (P)
• Jari-jari hidrolis (R)
• Kedalaman luas basah maksimum (y)
16
• Kemiringan muka air (Sw)
• Koefisien yang menyatakan kekasaran saluran (n)
• Muatan sedimen yang melayang (Qs)
• Muatan dasar (Qb)
Banyak sekali rumus-rumus praktis mengenai aliran seragam
yang telah dibuat dan dipublikasikan tetapi tidak satupun dari rumus-
rumus tersebut memenuhi persyaratan rumus yang baik. Rumus yang
paling terkenal dan banyak dipakai adalah rumus Manning.
c. Rumus Manning
Pada tahun 1889 seorang insinyur Irlandia, Robert Manning
mengemukakan sebuah rumus yang akhirnya diperbaiki menjadi
rumus yang sangat dikenal sebagai.
21
32
SRn1V = pers (2.5)
dimana :
V = kecepatan rata-rata (m/dt),
R = jari-jari hidrolik (m),
S = kemiringan saluran,
n = kekasaran dari Manning.
Rumus ini dikembangkan dari tujuh rumus yang berbeda,
berdasarkan data percobaan Bazin yang selanjutnya dicocokkan
dengan 170 percobaan. Akibat sederhananya rumus ini dan hasilnya
yang memuaskan dalam pemakaian praktis, rumus Manning menjadi
sangat banyak dipakai dibandingkan dengan rumus aliran seragam
17
lainnya untuk menghitung aliran saluran terbuka. Nilai-nilai n dari
Manning dapat dilihat pada Lampiran A.
2.2. Irigasi
Irigasi adalah suatu usaha penyediaan dan pengaturan air untuk menunjang
pertanian, baik air permukaan (berasal dari saluran irigasi) maupun air tanah.
Irigasi bertujuan untuk membantu para petani dalam mengolah lahan pertaniannya,
terutama bagi para petani di pedesaan yang sering kekurangan air.
2.2.1. Saluran Irigasi
Saluran irigasi adalah saluran yang membawa atau mengalirkan air
ke daerah irigasi. Saluran irigasi utama terbagi atas 3 jenis yaitu :
a. Saluran primer
Saluran primer adalah saluran yang membawa air dari jaringan
utama ke saluran sekunder dan ke petak-petak tersier yang diairi. Petak
tersier adalah kumpulan petak-petak kuarter, petak kuarter memiliki
luas kurang lebih 8-15 ha. Sedangkan petak tersier memiliki luas antara
50-150 ha.
b. Saluran sekunder
Saluran sekunder adalah saluran yang membawa air dari saluran
primer ke petak-petak tersier yang dilayani oleh saluran sekunder
tersebut.
18
c. Saluran tersier
Saluran tersier adalah saluran yang membawa air dari bangunan
sadap tersier dari jaringan utama ke dalam petak tersier saluran kuarter.
Saluran kuarter membawa air dari boks bagi kuarter melalui bangunan
sadap tersier atau parit sawah ke sawah-sawah.
2.2.2. Kebutuhan Air Irigasi
Analisis kebutuhan air irigasi merupakan salah satu tahap penting
yang diperlukan dalam perencanaan dan pengelolaan sistem irigasi.
Kebutuhan air tanaman didefinisikan sebagai jumlah air yang dibutuhkan
oleh tanaman pada suatu periode untuk dapat tumbuh dan produksi secara
normal. Kebutuhan air nyata untuk areal usaha pertanian meliputi
evapotranspirasi (ET), sejumlah air yang dibutuhkan untuk pengoperasian
secara khusus seperti penyiapan lahan dan penggantian air, serta kehilangan
selama pemakaian. Sehingga kebutuhan air dapat dirumuskan sebagai
berikut (Sudjarwadi 1990):
KAI = ET + KA + KK pers (2.6)
dimana :
KAI = kebutuhan air irigasi
ET = evapotranspirasi
KA = kehilangan air
KK = kebutuhan khusus
Untuk memenuhi kebutuhan air irigasi terdapat dua sumber utama.
yaitu pemberian air irigasi (PAI) dan hujan efektif (HE). Disamping itu
19
terdapat sumber lain yang dapat dimanfaatkan adalah kelengasan yang ada
di daerah perakaran serta kontribusi air bawah permukaan. Pemberian Air
Irigasi dapat dipandang sebagai kebutuhan air dikurangi hujan efektif dan
sumbangan air tanah.
PAI = KAI -HE – KAT pers (2.7)
dimana :
PAI = pemberian air irigasi
KAI = kebutuhan air
HE = hujan efektif
KAT = kontribusi air tanah
2.2.3. Kebutuhan Air Sawah Untuk Padi
Kebutuhan air di sawah untuk padi ditentukan oleh faktor-faktor
berikut :
1. Penyiapan lahan
2. Penggunaan konsumtif
3. Perkolasi dan rembesan
4. Pergantian lapisan air
5. Curah hujan efektif
Kebutuhan total air di sawah (GFR) mencakup faktor 1 sampai 4.
Kebutuhan bersih air di sawah (NFR) juga memperhitungkan curah hujan
efektif. Kebutuhan air di sawah dinyatakan dalam mm/hari atau l/dt.ha.
Tidak disediakan kelonggaran untuk efisiensi irigasi di jaringan tersier dan
20
utama. Efisiensi juga dicakup dalam memperhitungkan kebutuhan
pengambilan irigasi (m3/dt).
1. Penyiapan Lahan Untuk Padi
Kebutuhan air untuk penyiapan lahan umumnya menentukan
kebutuhan maksimum air irigasi pada suatu proyek irigasi. Faktor-
faktor penting yang menentukan besarnya kebutuhan air untuk
penyiapan lahan adalah:
a. Lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan pekerjaan
penyiapan lahan.
Faktor-faktor penting yang menentukan lamanya jangka
waktu penyiapan lahan adalah:
- Tersedianya tenaga kerja dan ternak penghela atau traktor
untuk menggarap tanah,
- Perlu memperpendek jangka waktu tersebut agar tersedia
cukup waktu untuk menanam padi sawah atau padi ladang
kedua.
Faktor-faktor tersebut saling berkaitan. Kondisi sosial
budaya yang ada di daerah penanaman padi akan mempengaruhi
lamanya waktu yang diperlukan untuk penyiapan lahan. Untuk
daerah-daerah proyek baru, jangka waktu penyiapan lahan akan
ditetapkan berdasarkan kebiasaan yang berlaku di daerah-daerah di
dekatnya. Sebagai pedoman diambil jangka waktu 1,5 bulan untuk
menyelesaikan penyiapan lahan di seluruh petak tersier.
21
Bilamana untuk penyiapan lahan diperkirakan akan dipakai
peralatan mesin secara luas, maka jangka waktu penyiapan lahan
akan diambil satu bulan. Perlu diingat bahwa transplantasi
(pemindahan bibit ke sawah) mungkin sudah dimulai setelah 3
sampai 4 minggu di beberapa bagian petak tersier dimana
pengolahan lahan sudah selesai.
b. Jumlah air yang diperlukan untuk penyiapan lahan.
Pada umumnya jumlah air yang dibutuhkan untuk penyiapan
lahan dapat ditentukan berdasarkan kedalaman serta porositas tanah
di sawah. Rumus berikut dipakai untuk memperkirakan kebutuhan
air untuk penyiapan lahan:
( )FlPd
10
dNS-SPWR 4
ba ++⋅
= pers (2.8)
dimana :
PWR = kebutuhan air untuk penyiapan lahan (mm),
Sa = derajat kejenuhan tanah setelah penyiapan lahan
dimulai (%),
Sb = derajat kejenuhan tanah sebelum penyiapan lahan
dimulai (%),
N = porositas tanah dalam % pada harga rata-rata untuk
kedalaman tanah
d = asumsi kedalaman tanah setelah pekerjaan penyiapan
lahan (mm),
22
Pd = kedalaman genangan setelah pekerjaan penyiapan
lahan (mm),
Fl = kehilangan air di sawah selama 1 hari (mm).
Untuk tanah bertekstur berat tanpa retak-retak kebutuhan air
untuk penyiapan lahan diambil 200 mm ini termasuk air untuk
penjenuhan dan pengolahan tanah. Pada permulaan transplantasi
tidak akan ada lapisan air yang tersisa di sawah. Setelah
transplantasi selesai, lapisan air di sawah akan ditambah 50 mm.
secara keseluruhan, ini berarti bahwa lapisan air yang diperlukan
akan menjadi 250 mm untuk penyiapan lahan dan untuk lapisan air
awal setelah transplantasi selesai.
Bila lahan telah dibiarkan bera selama jangka waktu yang
lama (2,5 bulan atau lebih), maka lapisan air yang diperlukan untuk
penyiapan lahan diambil 300 mm, termasuk yang 50 mm untuk
penggenangan setelah transplantasi.
c. Kebutuhan air selama penyiapan lahan.
Untuk perhitungan kebutuhan irigasi selama penyiapan
lahan, digunakan metode yang dikembangkan oleh van de Goor dan
Zijlstra (1968). Metode tersebut didasarkan pada laju air konstan
dalam 1/dt selama periode penyiapan lahan dan menghasilkan
rumus berikut:
( )1eeMIR k
k
−= pers (2.9)
23
dimana :
IR = kebutuhan air irigasi di tingkat persawahan (mm/hari),
M = kebutuhan air untuk mengganti/mengkompensari
kehilangan air akibat evaporasi dan perkolasi di sawah
yang sudah dijenuhkan M = Eo + p (mm/hari),
Eo = evaporasi air terbuka yang diambil 1,1 ETo selama
penyiapan lahan (mm/hari),
p = perkolasi (mm/hari),
k = s
tM× ,
t = jangka waktu penyiapan lahan (hari),
s = kebutuhan air, untuk penjenuhan ditambah dengan
lapisan air 50 mm, mm yakni 200 + 50 = 250 mm
seperti yang sudah diterangkan di atas (mm),
e = bilangan eksponensial : 2,7182.
2. Penggunaan Konsumtif
Penggunaan air untuk kebutuhan tanaman dapat didekati dengan
menghitung evapotranspirasi tanaman, yang besarnya dipengaruhi oleh
jenis tanaman, umur tanaman dan faktor klimatologi. Nilai
evapotranspirasi merupakan jumlah dari evaporasi dan transpirasi.
Yang dimaksud dengan evaporasi adalah proses perubahan molekul air
di permukaan menjadi molekul air di atmosfir. Sedangkan transpirasi
adalah proses fisiologis alamiah pada tanaman, dimana air yang dihisap
24
oleh akar diteruskan lewat tubuh tanaman dan diuapkan kembali
melalui pucuk daun.
Nilai evapotranspirasi dapat diperoleh dengan pengukuran di
lapangan atau dengan rumus-rumus empiris. Untuk keperluan
perhitungan kebutuhan air irigasi dibutuhkan nilai evapotranspirasi
potensial (ETo) yaitu evapotranspirasi yang terjadi apabila tersedia
cukup air. Kebutuhan air untuk tanaman adalah nilai ETo dikalikan
dengan suatu koefisien tanaman.
ETc = c x ETo pers (2.10)
dimana :
ETc = evapotranspirasi tanaman (mm/hari),
ETo = evapotranspirasi tanaman acuan (mm/hari),
c = koefisien tanaman.
Kebutuhan air konsumtif ini dipengaruhi oleh jenis dan usia
tanaman (tingkat pertumbuhan tanaman). Pada saat tanaman mulai
tumbuh, nilai kebutuhan air konsumtif meningkat sesuai
pertumbuhannya dan mencapai maksimum pada saat pertumbuhan
vegetasi maksimum. Setelah mencapai maksimum dan berlangsung
beberapa saat menurut jenis tanaman, nilai kebutuhan air konsumtif
akan menurun sejalan dengan pematangan biji. Pengaruh watak
tanaman terhadap kebutuhan tersebut dengan faktor tanaman (c).
Nilai koefisien pertumbuhan tanaman ini tergantung jenis
tanaman yang ditanam. Untuk tanaman jenis yang sama juga berbeda
menurut varietasnya. Sebagai contoh padi dengan varietas unggul masa
25
tumbuhnya lebih pendek dari padi varietas biasa. Pada Tabel 2.1
disajikan harga-harga koefisien tanaman padi dengan varietas unggul
dan varitas biasa menurut Nedeco/Prosida dan FAO.
Tabel 2.1 Harga-Harga Koefisien1) Tanaman Padi
Nedeco/Prosida FAO Bulan Varietas2)
biasa Varietas3)
unggul Varietas
biasa Varietas unggul
0,5 1,20 1,20 1,10 1,10 1 1,20 1,27 1,10 1,10
1,5 1,32 1,33 1,10 1,05 2 1,40 1,30 1,10 1,05
2,5 1,35 1,30 1,10 0,95 3 1,24 0 1,05 0
3,5 1,12 0,95 4 04) 0
Sumber: Dirjen Pengairan, Bina Program PSA 010, 1985
1) Harga-harga koefisien ini akan dipakai dengan rumus
evapotranspirasi Penman yang sudah dimodifikasi, dengan
menggunakan metode yang diperkenalkan oleh Nedeco/Prosida atau
FAO,
2) Varietas padi biasa adalah varietas padi yang mana tumbuhnya
lama,
3) Varietas unggul adalah varietas padi yang jangka waktu tumbuhnya
pendek,
4) Selama setengah bulan terakhir pemberian air irigasi ke sawah
dihentikan; kemudian keofisien tanaman diambil “nol” dan padi
akan menjadi masak dengan air yang tersedia
26
Yang dimaksud ETo, adalah evapotranspirasi tetapan yaitu laju
evaportranspirasi dari suatu permukaan luas tanaman rumput hijau
setinggi 8 sampai 15 cm yang menutup tanah dengan ketinggian
seragam dan seluruh permukaan teduh tanpa suatu bagian yang
menerima sinar secara langsung serta rumput masih tumbuh aktif tanpa
kekurangan air. Evapotranspirasi tetapan disebut juga dengan
evapotranspirasi referensi/keluar. Terdapat beberapa cara untuk
menentukan evapotranspirasi tetapan, salah satunya seperti yang
diusulkan oleh Kriteria Perencanaan Irigasi 1986 sebagai berikut :
ETo = Kp . Epan pers (2.11)
dimana :
ETo = Evaporasi tetapan/tanaman acuan (mm/hari),
Epan = Pembacaan panci Evaporasi,
Kp = koefisien panci.
3. Perkolasi
Laju perkolasi sangat bergantung kepada sifat-sifat tanah. Pada
tanah-tanah lempung berat dengan karakteristik pengolahan (puddling)
yang baik, laju perkolasi dapat mencapai 1-3 mm/hari. Pada tanah-
tanah yang lebih ringan; laju perkolasi bisa lebih tinggi
Dari hasil-hasil penyelidikan tanah pertanian dan penyelidikan
kelulusan, besarnya laju perkolasi serta tingkat kecocokan tanah untuk
pengelohanan tanah dapat diterapkan dan dianjurkan pemakaiannya.
Guna menentukan laju perkolasi, tinggai muka air tanah juga harus di
27
perhitungkan. Perembesan terjadi akibat meresapnya air melalui
tanggul sawah.
4. Penggantian Lapisan Air
Setelah pemupukan, usahakan untuk menjadwalkan dan
menganti lapisan air menurut kebutuhan. Jika tidak ada penjadwalan
semacam itu, lakukan penggantian sebanyak 2 kali, masing-masing 50
mm (3,3 mm/hari selama setengah bulan) selama sebulan dan 2 bulan
setelah transplantasi.
5. Curah Hujan Efektif
Untuk irigasi padi curah hujan efektif bulanan diambil 70% dari
curah hujan minimum tengah-bulanan dengan periode ulang 5 tahun.
5)bulansetengah(R1517,0Re ××= pers (2.12)
dimana :
Re = curah hujan efektif (mm/hari),
R(setengah bulan)5 = curah hujan minimum tengah bulanan
dengan periode ulang 5 tahun/mm.
Di daerah-daerah yang besar dimana tersedia data-data curah
hujan harian, harus dipertimbangkan untuk diadakan studi simulasi
untuk menghasilkan criteria yang lebih terinci.
2.2.4. Kebutuhan Air Sawah Untuk Tanaman Selain Padi
Tanaman selain padi yang dibudidayakan oleh petani pada
umumnya berupa palawija. Yang dimaksudkan dengan palawija adalah
28
berbagai jenis tanaman yang dapat ditanam di sawah pada musim kemarau
ataupun pada saat kekurangan air. Lazimya tanaman palawija ditanam di
lahan tegalan.
Dari jumlah air yang dibutuhkan, palawija dapat dibedakan menjadi
3 (tiga) jenis, yaitu.
a) palawija yang butuh banyak air, seperti bawang, kacang tanah, ketela,
b) palawija yang butuh sedikit air, misalnya cabai, jagung, tembakau dan
kedelai,
c) palawija yang membutuhkan sangat sedikit air, misalnya ketimun dan
lembayung.
Maksud analisis kebutuhan air untuk tanaman palawija terutama
untuk mengetahui luas lahan yang direncanakan untuk tanaman padi
maupun palawija berkaitan dengan ketersedian air pada bangunan
pengambilan sehingga kegagalan usaha pertanian dapat dihindari. Dengan
kata lain hitungan kebutuhan air untuk palawija digunakan sebagai dasar
untuk melakukan usaha pertanian sesuai dengan jumlah air yang tersedia.
Pemberian air untuk palawija akan ekonomis jika sampai kapasitas
lapang, lalu berhenti dan diberikan lagi sampai sebelum mencapai titik
layu. Analisis kebutuhan air untuk tanaman palawija dihitung seperti untuk
tanaman padi, namun ada dua hal yang membedakan, yaitu pada tanaman
palawija tidak memerlukan genangan serta koefisien tanaman yang
digunakan sesuai dengan jenis palawija yang ditanam.
29
a. Penyiapan Lahan
Masa prairigasi diperlukan guna menggarap lahan untuk
ditanami dan untuk menciptakan kondisi kelembaban yang memadai
untuk persemaian tanaman. Jumlah air yang dibutuhkan tergantung
pada kondisi tanah dan pola tanam yang diterapkan. Kriteria
Perencanaan Irigasi mengusulkan air untuk pengolahan lahan sejumlah
50 -120 mm untuk tanaman ladang dan 100 -120 mm untuk tanaman
tebu, kecuali jika terdapat kondisi-kondisi khusus misalnya ada
tanaman lain yang segera ditanam setelah tanaman padi
b. Penggunaan Konsumtif
Untuk menentukan penggunaan konsumtif cara yang digunakan
seperti pada tanaman padi hanya koefisien tanaman yang berbeda. Nilai
koefisien beberapa jenis tanaman yang direkomendasikan oleh Kriteria
Perencanaan Irigasi seperti terlihat pada Tabel 2.2. Sedangkan nilai
koefisien tanaman tebu diperlihatkan pada Tabel 2.3.
30
Tabel 2.2 Harga-Harga Koefisien Tanaman Untuk Beberapa Palawija
Setengah Koefisien Tanaman
bulan ke Kedelai Jagung Kac.Tanah Bawang Buncis Kapas
1 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50
2 0,75 0,59 0,51 0,51 0,64 0,50
3 1,00 0,96 0,66 0,69 0,89 0,58
4 1,00 1,05 0,85 0,90 0,95 0,75
5 0,82 1,02 0,95 0,95 0,88 0,91
6 0,45 0,95 0,95 - - 1,04
7 - - 0,55 - - 1,05
8 - - 0,55 - - 1,05
9 - - - - - 1,05
10 - - - - - 0,78
11 - - - - - 0,65
12 - - - - - 0,65
13 - - - - - 0,65
Sumber : Kriteria Perencanaan Irigasi, KP-01
Tabel 2.3 Harga-Harga Koefisien Tanaman Untuk Tebu
Umur Tanaman RH < 70% min RH < 20% Min
12 bulan 24 bulan
Tahap Pertumbuhan
Angin kecil s/d sedang
Angin kencang
Angin kecil s/d sedang
Angin kencang
0 -1 0 -2,5 saat tanam sd 0,25 rimbun 0,55 0,6 0,4 0,45
1-2 2,5 -3,5 0,25 -0,5 rimbun 0,8 0,85 0,75 0,8
2 -2,5 3,5 -4,5 0,5 -0,75 rimbun 0,9 0,95 0,95 1,0
2,5 -4 4,5 -6 0,75 – rimbun 1,0 1,1 1,1 1,2
4 -10 6 -17 Penggunaan air puncak 1,05 1,15 1,25 1,3
10 -11 17 -22 Awal berbunga 0,8 0,85 0,95 1,05
11 -12 22 -24 Menjadi masak 0,6 0,65 0,7 0,75
Sumber : Kriteria Perencanaan Irigasi, KP – 01
31
2.2.5. Debit Rencana
Debit rencana adalah debit yang akan digunakan sebagai debit
saluran dalam perancangan saluran. Besaran debit rencana dipengaruhi oleh
kebutuhan bersih air sawah, luas area yang diairi dan efisiensi irigasi
saluran. Debit rencana sebuah saluran dihitung dengan rumus umum
sebagai berikut :
EA NFR
Q petakrencana = pers (2.13)
EQ
Q petakrencana = pers (2.14)
dimana :
Qrencana = debit rencana (l/dt),
Qpetak = debit petak (l/dt),
NFR = kebutuhan bersih (netto) air sawah (m.l/t.ha),
Apetak = luas daerah yang diairi (ha),
E = efisiensi saluran.
a. Kebutuhan air di sawah
Kebutuhan air di sawah ditentukan oleh faktor-faktor berikut:
• Cara penyiapan lahan,
• Kebutuhan air untuk tanam,
• Perkolasi dan rembesan,
• Pergantian lapisan air,
• Curah hujan efektif.
32
Kebutuhan total air di sawah (GFR) mencakup faktor 1 sampai
4. Kebutuhan bersih (netto) air di sawah (NFR) juga memperhitungkan
curah hujan efektif. Besarnya kebutuhan air di sawah bervariasi
menurut tahap dan pertumbuhan tanaman dan bergantung kepada cara
pengolahan lahan. Besarnya kebutuhan air di sawah dinyatakan dalam
mm/hari.
b. Efisiensi
Untuk tujuan-tujuan perencanaan, dianggap bahwa seperempat
sampai sepertiga dari jumlah air yang diambil akan hilang sebelum air
itu sampai di sawah. Kehilangan air disebabkan oleh kegiatan
eksploitasi, evaporasi, dan perembesan.
Pada umumnya kehilangan air di jaringan irigasi dapat dibagi-
bagi sebagai berikut :
• 15 - 22,5% dipetak tersier, antara bangunan sadap tersier dan
sawah,
• 7,5 – 12,5% di saluran sekunder,
• 7,5 – 12,5% di saluran primer.
2.3. Perancangan Saluran Untuk Aliran Seragam
2.3.1. Geometri Saluran
Penampang saluran terbagi atas dua, yang pertama adalah
penampang saluran alam dan kedua adalah saluran penampang buatan.
Penampang saluran alam umumnya sangat tidak beraturan, biasanya
33
bervariasi dari bentuk seperti parabola sampai trapesium. Sedangkan
penampang saluran buatan biasanya di rancang berdasarkan geometris yang
umum seperti persegi panjang, trapesium, segitiga, lingkaran, parabola,
persegi panjang sisi dibulatkan dan segitiga dasar dibulatkan.
Penampang yang paling umum digunakan adalah penampang yang
berbentuk trapesium, sebab penampang ini mempunyai stabilitas
kemiringan dinding yang dapat disesuaikan untuk saluran pasangan
ataupun saluran tanpa pasangan (tanah). Dibawah ini adalah unsur-unsur
geometris untuk penampang saluran berbentuk trapesium.
y
w
bP
1z
T
Gambar 2.5 Unsur geometris penampang saluran berbentuk trapesium
Q = AV× pers (2.15)
Q = ASRn1 2
13
2 pers (2.16)
A = ( b + zy ) y pers (2.17)
P = b + 2y 2z1+ pers (2.18)
R = PA =
2z1y2by)zyb(++
+ pers (2.19)
T = b + 2zy pers (2.20)
34
D = TA =
zy2by)zyb(
++ pers (2.21)
Z = T
A 5,1
= [ ]zy2by)zyb( 5,1
++ pers (2.22)
dimana :
Q = debit saluran (m3/det),
V = kecepatan rata-rata (m/det),
A = luas penampang melintang (m2),
P = keliling basah (m),
R = jari-jari hidrolik (m),
T = lebar puncak (m),
D = kedalaman hidrolik (m),
Z = faktor penampang,
b = lebar dasar (m),
y = tinggi air/tinggi saluran (m)
z = kemiringan talut,
w = tinggi jagaan (m).
2.3.2. Saluran Tahan Erosi
Sebagian besar saluran yang diberi lapisan dan saluran yang bahan-
bahannya merupakan hasil rakitan pabrik dapat menahan erosi dengan baik,
sehingga dianggap tahan erosi (nonerodible). Saluran tanpa lapisan
biasanya peka erosi, kecuali digali pada dasar yang keras misalnya dasar
yang terbuat dari batu. Dalam merancang saluran tahan erosi, faktor-faktor
35
seperti kecepatan maksimum yang diizinkan dan gaya tarik yang diizinkan
tidak perlu dipertimbangkan. Perancang cukup menghitung ukuran-ukuran
saluran dengan rumus aliran seragam, kemudian memutuskan ukuran akhir
berdasarkan efisiensi hidrolika, atau hukum pendekatan untuk penampang
terbaik, praktis dan ekonomis.
Faktor-faktor yang harus dipertimbangkan dalam perancangan
adalah jenis bahan yang membentuk tubuh saluran; yang menentukan
koefisien kekasaran; kecepatan minimum yang diizinkan untuk mencegah
pengendapan bila air mengangkut lanau (silt) atau serpihan kasar lainnya;
kemiringan dasar saluran dan kemiringan dinding; jagaan (freeboard); dan
penampang yang paling efisien, ditentukan secara hidrolika maupun secara
pendekatan.
2.3.3. Kecepatan Maksimum yang Diizinkan
Kecepatan maksimum yand diizinkan adalah kecepatan aliran (rata-
rata) maksimum yang tidak akan menyebabkan erosi/gerusan terhadap
permukaan saluran. Kecepatan-kecepatan maksimum berikut ini dianjurkan
pemakaiannya dapat dilihat pada tabel 2.4 dibawah ini.
Tabel 2.4 Kecepatan Maksimum yang Diizinkan
Pasangan Kecepatan Maksimum (m/dt)
Pasangan batu 2 Pasangan beton 3
Pasangan Tanah Dapat dilihat pada Lampiran B
Sumber : Standar Perencanaan Irigasi : KP-03
36
2.3.4. Kecepatan Minimum yang Diizinkan
Kecepatan minimum yang diizinkan atau kecepatan tanpa
pengendapan merupakan kecepatan terendah yang tidak menimbulkan
sedimentasi dan mendorong pertumbuhan tanaman air dan ganggang.
Kecepatan ini sangat tidak menentu dan nilainya yang tepat tidak dapat
ditentukan dengan mudah. Bagi air yang tidak mengandung lanau, hal ini
tidak membawa pengaruh besar kecuali terhadap pertumbuhan tanaman.
Umumnya dapat dikatakan bahwa kecepatan rata-rata 0,5 m/dt sampai 1
m/dt dapat digunakan bila persentase lanau ditunjukkan dalam saluran kecil
dari 0,75 m/dt dapat mencegah pertumbuhan tanaman air yang dapat
mengurangi kapasitas saluran tersebut.
2.3.5. Kemiringan Saluran
Kemiringan memanjang dasar saluran biasanya diatur oleh
keadaaan topografi dan tinggi energi yang diperlukan untuk mengalirkan
air. Dalam berbagai hal, kemiringan ini dapat pula tergantung pada
kegunaan saluran. Misalnya saluran yang digunakan sebagai distribusi air
seperti yang dipakai dalam irigasi, persediaan air minum, penambangan
hidrolika dan proyek pembangkit dengan tenaga air, memerlukan taraf yang
tinggi pada titik penghantar, sebab itu diusahakan kemiringan yang sekecil-
kecilnya untuk menjaga agar kehilangan tinggi tekan akan sekecil-kecilnya.
Kemiringan dinding saluran terutama tergantung pada jenis bahannya.
Tabel 2.5 memuat kemiringan yang dapat dipakai untuk berbagai jenis
bahan.
37
Tabel 2.5 Kemiringan Dinding Saluran
Bahan Kemiringan dinding Batu Hampir tegak lurus Tanah gambut (peat), rawang (muck) 1 : ¼ Lempung teguh atau tanah berlapis beton 1 : ½ sampai 1 : 1 Tanah berlapis batu, atau tanah bagi saluran yang lebar 1 : 1
Lempung kaku atau tanah bagi parit kecil 1 : 1½ Tanah berpasir lepas 1 : 2 Lempung berpasir atau lempung berpori 1 : 3
Sumber : Open-Channel Hydraulics(Chow, Ven Te)
2.3.6. Tinggi Jagaan
Tinggi jagaan suatu saluran adalah jarak vertikal dari puncak
saluran ke permukaan air pada kondisi rancang. Jarak ini harus cukup
mencegah gelombang atau kenaikan muka air yang melimpah ke tepi.
Tinggi jagaan minimum dapat dilihat pada tabel 2.6.
Tabel 2.6 Tinggi Jagaan
Debit (m3/dt)
Tinggi Jagaan (m)
< 0,5 0,40 0,5 – 1,5 0,50 1,5 – 5,0 0,60 5,0 – 10,0 0,75 10,0 – 15,0 0,85
> 15,0 1,00 Sumber : Standar Perencanaan Irigasi : KP-03
2.3.7. Penampang Hidrolik Terbaik
Telah diketahui bahwa hantaran suatu penampang saluran akan
meningkat sesuai dengan peningkatan jari-jari hidrolik atau berkurangnya
keliling basah. Dari segi pandangan hidrolika maka penampang saluran
38
yang memiliki basah terkecil akan memiliki hantaran maksimum;
penampang seperti ini disebut penampang hidrolik terbaik.
Penampang hidrolik terbaik juga dapat diartikan sebagai
penampang saluran yang dapat melewatkan debit maksimum untuk luas
penampang basah, kekasaran dan kemiringan dasar tertentu. Berdasarkan
persamaan kontinuitas, tampak jelas bahwa untuk luas penampang
melintang tetap, debit maksimum dicapai jika kecepatan aliran maksimum.
Dari rumus Manning dapat dilihat bahwa untuk kemiringan saluran
dan kekasaran tetap, kecepatan maksimum dicapai jika jari-jari hidrolik (R)
maksimum. Selanjutnya, untuk luas penampang tetap, jari-jari hidrolik
maksimum jika keliling basah (P) minimum.
Dari penjelasan rumus Manning diatas, persamaan dapat ditulis
A = min maka R = max → PA bilamana P → minimum
Dari hal tersebut dapat ditunjukkan bahwa persoalannya ekivalen
dengan melakukan minimizing untuk suatu harga A yang konstan.
A = ( b + zy ) y pers (2.17)
= by + zy2 pers (2.23)
P = b + 2y 2z1+ pers (2.18)
b = P - 2y 2z1+ pers (2.24)
Nilai b pada pers (2.24) dapat disubtitusi ke nilai A pada pers
(2.23), menjadi :
A = ( ) 22 zyyz1y2P ++−
39
P = zyz1y2yA 2 −++ pers (2.25)
P minimum bilamana 0dydP
=
( ) 0zz12yA
dydP 2
2 =−++−=
( ) zz12yA 2
2 −+=
A = ( ) 222 zyyz12 −+ pers (2.26)
Nilai A pada pers (2.26) merupakan disubtitusikan nilai P ke pers
(2.25) akan menghasilkan persamaan sebagai berikut :
P = ( ) ( ) zyz1y2y
zyyz12 2222
−++−+
= ( ) ( ) zyz1y2zyyz12 22 −++−+
= ( ) zy2z1y22 2 −+
= ( ) zy2z1y4 2 −+ pers (2.27)
Nilai A pada pers (2.26) dan nilai P pada pers (2.27) merupakan
luas penampang dan keliling basah untuk penampang hidrolik terbaik. Nilai
A dan P dapat disubtitusikan ke persamaan geometris lain untuk
mendapatkan unsur geometris penampang hidrolis terbaik pada penampang
berbentuk trapesium. Unsur-unsur geometris penampang hidrolis terbaik
untuk penampang saluran berbentuk trapesium dapat dilihat pada tabel 2.7.
40
Tabel 2.7 Unsur-unsur Geometris Penampang Hidrolis Terbaik Untuk
Penampang Saluran Berbentuk Trapesium
Unsur Geometris Persamaan
Debit saluran
(Q)
( )( ) ( ) ( ){ }2222
13
2
2
222
zyyz12Szy2z1y4
zyyz12n1Q −+×
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−+
−+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
Kecepatan rata-rata
(V)
( )( ) ( ) 2
13
2
2
222
Szy2z1y4
zyyz12n1V
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−+
−+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
Luas penampang
(A) ( ) 222 zyyz12A −+=
Keliling basah
(P) ( ) zy2z1y4P 2 −+=
Jari-jari hidrolik
(R)
( )( ) zy2z1y4
zyyz12R2
222
−+
−+=
Lebar puncak
(T) ( ) ( )22 z1y2z1y4T +−+=
Kedalaman hidrolik
(D)
( )( ) ( )22
222
z1y2z1y4zyyz12D+−+
−+=
Faktor penampang
(Z)
( )[ ]( ) ( )22
5,1222
z1y2z1y4
zyyz12Z+−+
−+=
2.4. Metode Numerik
Metode numerik adalah teknik dimana masalah matematik diformulasikan
sedemikian rupa sehingga dapat diselesaikan oleh pengoperasian aritmatika.
Metode-metode yang dapat sering digunakan dalam penyelesain masalah dalam
analisa numerik antara lain metode langsung, metode grafik, metode bagidua,
metode Newton-Raphson dan metode Secant. Dalam penelitian ini, digunakan
41
metode bagidua dalam penyelesain masalah matematik dalam perhitungan
penampang saluran ekonomis.
Metode Bagidua (biseksi) disebut juga pemotongan biner (binary
chopping), pembagian 2 (interval halving) atau metode Bolzano. Metode Bagidua
adalah suatu jenis pencarian inkremental dimana interval senantiasa dibagi
separuhnya. Kalau suatu fungsi berubah tanda sepanjang interval, harga fungsi
ditengahnya di evaluasi. Letak akarnya kemudian ditentukan ada ditengah-tengah
subinterval dimana perubahan tanda terjadi. Proses ini diulang untuk memperoleh
taksiran yang diperhalus.
Langkah-langkah penyelesain masalah matematik dalam metode Bagidua
yaitu :
• Langkah 1 : Memilih taksiran terendah (xi) dan tertinggi (xu) untuk akar
fungsi berubah tanda sepanjang interval. Ini dapat diperiksa dengan : f(xi)
f(xu) < 0.
• Langkah 2 : Taksiran pertama akar xr ditentukan oleh :
2xx
x uir
+=
• Langkah 3 : Buat evaluasi yang berikut untuk menentukan subinterval, di
dalam mana akar terletak :
o Jika f(xi) f(xr) < 0, akar terletak pada subinterval pertama, maka xu = xr,
dan lanjutkan ke step 2,
o Jika f(xi) f(xr) > 0, akar terletak pada subinterval kedua, maka xi = xr,
dan lanjutkan ke step 2,
o Jika f(xi) f(xr) = 0, akar = xr, komputasi selesai.