Pemanfaatan Pemodelan dan Sistem Dinamik untuk PenyusunanStrategi PengendalianPencemaran Udara

Dr. Asep Sofyan

Dosen Teknik Lingkungan ITB

Email: asepsofyan@gmail.com,

HP/WA : 081-322-902-009

Sumber Pencemaran Udara

MonitoringAmbient

PemodelanPencemaran Udara

Analisis Data &Interpretasi

Perencanaan Strategi Pengendalian & Pengembangan

Hukum dan PeraturanPembangunan

Inventarisasi

Emisi

Tahapan PengelolaanKualitas Udara Perkotaan

1. Penegakan hukum

2. Sumber pencemar potensial

3. Inventarisasi Emisi

4. Monitoring (Pemantauan)

5. Pemodelan Transport Pencemar

6. Analisis Data dan interpretasi

7. Perencanaan dan Strategi

Monitoring (pengukuran)

Inventarisasi Emisi

Area bisnis dan transportasi Area industri

Inventarisasi Emisi

Beban emisi (ton/tahun) Grid 1 km x 1 km

Sumber Pencemaran Udara

MonitoringAmbient

PemodelanPencemaran Udara

Analisis Data &Interpretasi

Perencanaan Strategi Pengendalian & Pengembangan

Hukum dan PeraturanPembangunan

Inventarisasi

Emisi

Peran Pemodelan Pencemaran Udara adalah sebagai alat (tools) untuk menganalisis dan mengintepretasi hasil inventarisasi emisi dan pemantauan (monitoring) kualitas udara untuk menyusun strategi pengendalian pencemaran udara.

PemodelanUdara?

Pemodelan Pencemaran Udara

Definisi

Pemodelan pencemaran udaraadalah penggambaran proses pergerakan pencemar udarabeserta hubungan antarkomponen/variabelpembentuknya menggunakan representasi logika dan matematika.

Reaksi kimia di atmosfer

Manfaat Pemodelan Lingkungan Memahami interaksi antar komponen sistem

Membuat berbagai skenario kebijakan

Membuat simulasi desain

Membantu interpretasi hasil pengukuran (sampling)

x

Perkiraan Model Pengukuran di 24 titik

Proses Pemodelan Lingkungan

Tahapan proses pemodelan pencemaran udara

Konseptualisasi dan Identifikasi Menyusun hipotesis dasar teori (fisika, kimia,

biologi, manajemen)

Identifikasi struktur model (model 1D, 2D, 3D, dsb)

Representasi matematika Biasanya dalam bentuk diferensial atau persamaan

aljabar

Untuk sistem pakar dapat pula menggunakanaturan bahasa (linguistic rules)

Implementasi numerik Menyusun algoritma solusi numerik

Melakukan perhitungan menggunakan komputer

Estimasi parameter dan Kalibrasi Pengaturan parameter model berdasarkan data

pengukuran

Kalibrasi sehingga seluruh data pengukuran danparameter model sesuai

Pengujian hipotesis Pengujian keluaran model terhadap kondisi uji yang

telah ditentukan untuk hipotesis tertentu

Validasi Memastikan kualitas model yang dihasilkan dengan

membandingkannya dengan data pengukuran

Tahapan proses pemodelan pencemaran udara (2)

Adveksi adalah pergerakan partikel searah gerakan media, contoh pencemar air bergerak searah aliran sungai, pencemar udara bergerak searah angin

Difusi/dispersi adalah pergerakan partikel acak yang disebabkan oleh gaya tarik antar molekul (gerak brown), contoh ketika tinta diteteskan ke air, maka tinta akan menyebar kesegala arah

Deposisi/sedimentasi adalah pergerakan partikel ke arah permukaan bumi karena adanya gaya gravitasi

Reaksi adalah reaksi kimia antar molekul yang menyebabkan perubahan senyawa molekul

Persamaan Fisik/Kimia/Biologi

Proses Metode Numerik Proses metode numerik adalah proses penyelesaian

persamaan matematika menggunakan bahasa komputer.

Model biasanya menggunakan metode grid atau segmen.

Klasifikasi Model Kualitas Udara

Klasifikasi model berdasarkan periode waktu:

Model jangka pendek (short-term) – untuk beberapa jam sampai hari; untuk skenario kondisi terburuk

Model jangka panjang (long-term) – untuk memprediksi konsentrasi rata-rata tahunan; menghitung paparan thd kesehatan

Klasifikasi model berdasarkan reaksi kimia:

Model tidak reaktif (non-reactive) – contoh untuk pencemar PM, SO2 dan CO

Model reaktif – untuk pencemar O3, NO2, dsb.

7/17/2020 15

Klasifikasi Model Kualitas Udara (2) Klasifikasi model berdasarkan sistem koordinat

yang digunakan:

Berbasis Grid Wilayah dibagi menjadi sel array

Contoh Eulerian Multibox Model

Trajectory Mengikuti pergerakan plume searah angin

Contoh Lagrangian model

Klasifikasi model berdasarkan kompleksitas

Screening: estimasi sederhana, digunakan data meteorologi

untuk memprediksi

Refined: memiliki proses fisika dan kimia atmosfer yang lebih

detail, memerlukan input data yang lebih kompleks

7/17/2020 16

http://www.epa.gov/scram

001/images/grid4.jpg

Klasifikasi Model Kualitas Udara (3)

Klasifikasi model berdasarkan sumber pencemar:

Gas beracun, gas berbau, gas bertekanan, partikulat

Sumber tunggal, banyak sumber (multi)

Sumber titik (cerobong), sumber garis (lalu lintas), sumber area (landfill), sumber volumes (conveyor, vent di gedung bertingkat)

Klasifikasi model berdasarkan sumber data:

Pendekatan analisis sumber

Pendekatan analisis reseptor

Klasifikasi model berdasarkan aplikasi:

Model meteorologi, model emisi, model fotokimia, model dispersi, model reseptor

7/17/2020 17

KonsentrasiAmbient

Hasil Perhitungan

KarakteristikDispersi

KarakteristikEmisi

Model Sumber (Source Model)

Pendekatan Analisis Sumber

✓ Identifikasi lokasi sumber

pencemar (kawasan

industri, jalan raya, dsb)

✓ Identifikasi sumber potensial

sbg emisi primer (PM, NOx,

SO2, dsb)

✓ Deskripsikan proses fisik

dan kimia yang sesuai

✓ Catat potensi pembentukan

emisi sekunder (O3)

✓ Identifikasi sumber yang

paling efektif dapat

dikendalikan

Bottom Up

Dampak Sumber Hasil Perhitungan

KarakteristikAmbien

KarakteristikSumber

Model Reseptor (Receptor Model)

Pendekatan Analisis Reseptor

✓ Cari lokasi pemantauan

yang memiliki tingkat

pencemaran tinggi

✓ Identifikasi komposisi kimia

dari PM

✓ Deskripsikan perkiraan

dampak sumber

✓ Catat PM primer dan

sekunder

✓ Identifikasi sumber yang

paling efektif dapat

dikendalikan

Top Down

Contoh Model Kualitas Udara US EPA

7/17/2020 20

Klasifikasi model berdasarkan skala spasial

Microscale (10 - 100 m) dan Middle-scale (100 -500 m) – bau, debu, pencemar B3.

Neighborhood scale (500 m - 4 km) – emisi kendaraan, rumah tangga, emisi primer industri.

Urban scale (4 - 100 km) – ozone, sulfat dan nitrat sekunder, kebakaran hutan.

Continental scale (1.000 – 10.000 km) – debu gurun sahara, gurun asia, kebakaran hutan skala besar.

Global scale (> 10.000 km) – GRK, halocarbons, black carbon.

21

Eulerian Vs Lagrangian Model

Eulerian vs. Lagrangian

Eulerian Fixed coordinate

Focus on the statistical properties of fluid velocities

Eulerian statistics are readily measurable

Directly applicable when there are chemical reactions

Closure problem – no generally valid solutions

Lagrangian Moving coordinate

Focus on the statistical properties of the displacements of groups of particles

No closure problem

Difficult to accurately determine the required particle statistics

Not directly applicable to problems involving nonlinear chemical reactions

Eulerian Model

Eulerian Model

Skema Lagrangian Model

Lagrangian output15/02/02 12TU 9.5-10.5km

19/02/02 12TU 8-9km

Lagrangian

7/17/2020 29

Contoh Output Model Gauss

Sumber Titik

Model Gauss merupakan model dispersi kepulan

pencemar dari cerobong yang paling sederhana

dan paling banyak dipergunakan.

MODEL GAUSS

Model Dispersi Gauss

Menggunakan asumsi bahwa

penyebaran pencemar dari cerobong mengikuti persamaan difusi molekular

Konsentrasi pencemar secara horisontal dan vertikal berdistribusi normal (double Gaussian distribution)

Penyebaran dan bentuk kepulan pencemar mengikuti kondisi meteorologi

7/17/2020 30

H

X

Y

Z

u

QModel Gauss tidak

cocok untuk

• Model regional,

• Topografi yang

komplek

• Terjadi konveksi

• Terjadi pencemar

dari ground

31

PERSAMAAN MODEL GAUSS

( )( )

−+

−

=

2

2

2

2

2

1exp

2,,

zyzy

Hzy

u

QzyxC

Model Dispersi dan TrajektoriPencemaran Udara HYSPLIT

HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Langrangian Integrated Trajectory) adalah model trajectory pencemaran udara buatan Air Resources Lab, NOAA, Amerika Serikat.

HYSPLIT menggunakan pendekatan Langrangian, yaitu perhitungan hanya dilakukan sepanjang trajectory, tidak semua grid.

𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑡 + ∆𝑡= 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑡

+1

2𝑉 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛, 𝑡 + 𝑉 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑡 + 𝑉 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛, 𝑡 ∆𝑡 , 𝑡 + ∆𝑡 ∆𝑡

𝑋𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑡 + ∆𝑡 = 𝑋𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑡 + ∆𝑡 + 𝑈′ 𝑡 + ∆𝑡 ∆𝑡

𝑍𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑡 + ∆𝑡 = 𝑍𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑡 + ∆𝑡 +𝑊′ 𝑡 + ∆𝑡 ∆𝑡

Persamaan umum yang digunakan untuk Trajektori

3D Model, model dispersi persamaan ditunjukan dengan

menambahkan komponen turbulensi

Contoh output

Eulerian 3D

Eulerian Multi-box Model

Ilustrasi Multi-Grid Contoh Output Model Eulerian 3D

Pengaturan Domain dan Grid Model Grid horisontal dan

vertikal (3 dimensi)

Sistem Dinamikuntuk PengelolaanPencemaran Udara

Sistem dinamik memecahkan permasalahanpencemaran udara dengan menggunakan pendekatanteknik dan manajemen berdasarkan metode analisislogika dan model matematika.

Pemanfaatan Sistem Dinamik

Fenomena fisik

contoh siklus air

Fenomena fisikadalah fenomenayang tidakmelibatkan campurtangan manusiaatau keputusanmanusia

Fenomena sosialcontoh pencemaran udara dari industri, transportasi dan domestik

Fenomena sosialadalah segalasesuatu yang dipengaruhi oleh kegiatan atauaktivitas manusiayang diwujudkanoleh keputusan-keputusannya

Struktur :

unsurpembentukfenomena dan pola keterkaitanantar unsurtersebut

Perilaku:

perubahan suatubesaran/variabeldalam suatukurun waktutertentu, baikkuantitatifmaupunkualitatif

Sistem :

Suatu sistem adalah suatufenomena yang strukturnyatelah diketahui

• Suatu sistem adalah suatu fenomena yang strukturnya telah diketahui

• Suatu sistem merupakan suatu gabungan daribeberapa bagian yang bekerja untuk tujuan bersama.

• Suatu sistem dapat terbentuk dari sejumlah orang dan/atau sejumlah komponen fisik

Persoalan (Problem)

• Suatu fenomena yang kehadirannya tidak diinginkan, contoh: jumlah pencemar udara terus meningkat.

• Suatu fenomena yang ingin diwujudkan. Contoh: target udara bersih dan segar yang ingin dicapai pada tahun 2022.

• Suatu kesenjangan (gap) antara keadaan sebenarnya(actual state) dengan keadaan yang diinginkan (goal).

Thompson, 2007

Struktur FenomenaFenomena

Sumber: M. Tasrif,

2015

Pola Karakteristik Perilaku Sistem

Sumber: M. Tasrif, 2015

Indigeneous variabel Indigeneous variabel

Exogeneus variabel

Overview of the system dynamics modeling approach

Jia, 2017

Jia, 2017

Jia, 2017

Jia, 2017

Terima kasih