Penetapan Konduktivitas Hidrolik Tanah Jenuh: Metode Laboratorium 177

16. PENETAPAN KONDUKTIVITASHIDROLIK TANAH DALAM KEADAANJENUH: METODE LABORATORIUM

Ai Dariah, Yusrial, dan Mazwar

1. PENDAHULUAN

Pergerakan air di dalam tanah merupakan aspek penting dalamhubungannya dengan bidang pertanian. Beberapa proses penting, sepertimasuknya air ke dalam tanah, pergerakan air ke zona perakaran,keluarnya air lebih (excess water) atau drainase, aliran permukaan, danevaporasi, sangat dipengaruhi oleh kemampuan tanah untuk melewatkanair. Parameter atau ukuran yang dapat menggambarkan kemampuantanah dalam melewatkan air disebut sebagai konduktivitas hidrolik(hydraulik conductivity) (Klute dan Dirksen, 1986).

Tingkat kemampuan tanah untuk melewatkan air sangatdipengaruhi oleh kadar air tanah. Oleh karena itu, konduktivitas hidroliktanah dibedakan menjadi 2, yakni konduktivitas hidrolik dalam keadaantidak jenuh, dan dalam keadaan jenuh. Dalam bab ini dibahaskonduktivitas hidrolik tanah dalam keadaan jenuh, atau dikenal puladengan sebutan permeabilitas tanah (soil permeability).

Permeabilitas merupakan salah satu sifat lapisan tanah yangsangat berpengaruh terhadap kepekaan tanah terhadap erosi. Tanahyang bersifat permeable (berpermeabilitas tinggi) relatif kurang pekaterhadap erosi dibandingkan dengan tanah yang permeabilitasnya rendah.Beberapa model prediksi erosi, seperti USLE (Wischmeier dan Smith,1978), WEPP (Flanagan dan Frankenberger, 2002), GUEST (Rose et al.,1997), dan beberapa model erosi lainnya, menggunakan permeabilitastanah sebagai salah satu parameter untuk menduga besarnya erosi.Namun demikian, nilai yang digunakan untuk input model-model tersebutsebaiknya merupakan hasil pengukuran di lapangan, karena data yangdiperlukan adalah nilai permeabilitas dari suatu penampang tanah. Datapermeabilitas tanah juga merupakan salah satu data sifat fisik yangsangat diperlukan dalam penilaian kesesuaian lahan (Sys, 1985;Keersebilck dan Soeprapto dalam Prasetyo et al., 2004).

Dariah et al.178

Penetapan konduktivitas hidrolik dalam keadaan jenuh(permeabilitas tanah) dapat dilakukan di lapangan maupun di laboratorium.Metode laboratorium akan diuraikan dalam bab ini, sedangkan metodelapangan dibahas pada Bab 18.

Ada beberapa metode laboratorium yang dapat digunakan untukmenetapkan konduktivitas hidrolik tanah dalam keadaan jenuh, diantaranya:(1) metode tinggi air konstan/constan head method (Klute dan Dirksen,1986); (2) metode tinggi air konstan di dalam tangki/constan head soilcore/tank method (Reynold and Elrick, 2002); (3) metode tinggi air terjun didalam tangki/falling head soil core/tank method (Reynold and Elrick, 2002);dan (4) metode aliran air dalam kondisi kesetimbangan/steady flow soilcolumn method (Boolthink dan Bouma, 2002). Pemilihan suatu metodesangat ditentukan oleh berbagai faktor seperti: (1) ketersediaan alat; (2) sifatalami tanah; (3) ketersediaan contoh tanah; dan (4) kemampuan danpengetahuan dari pelaku percobaan. Metode yang akan diuraikan dalam babini adalah constant head soil method. Metode ini tergolong sederhana danmudah diaplikasikan. Prinsip yang digunakan identik dengan cara yangdikemukakan De Boodt (dalam LPT,1979), dan didasarkan pada hukumDarcy.

2. PRINSIP

Secara kuantitatif permeabilitas tanah diartikan sebagaikecepatan bergeraknya suatu cairan pada suatu media berpori dalamkeadaan jenuh. Dalam hal ini sebagai cairan adalah air, dan sebagaimedia berpori adalah tanah.

Konduktivitas hidrolik (permeabilitas) tanah didefinisikan olehhukum Darcy untuk satu dimensi yaitu aliran secara vertikal. Sifat inisangat dipengaruhi oleh geometri (ruang) pori dan sifat dari cairan yangmengalir didalamnya. Ukuran pori dan adanya hubungan antar pori-poritersebut sangat menentukan apakah tanah mempunyai permeabilitasrendah atau tinggi. Air dapat mengalir dengan mudah di dalam tanahyang mempunyai pori-pori besar dan mempunyai hubungan antar poriyang baik. Pori-pori yang kecil dengan hubungan antar pori yang seragamakan mempunyai permeabilitas lebih rendah, sebab air akan mengalirmelalui tanah lebih lambat. Kemungkinan tanah-tanah yang pori-porinyabesar, permeabilitasnya mendekati nol (hampir tidak ada aliran), yaitu jikapori-pori tersebut terisolasi (tidak ada hubungan) sesamanya.

Penetapan Konduktivitas Hidrolik Tanah Jenuh: Metode Laboratorium 179

Permeabilitas juga mungkin mendekati nol apabila pori-pori tanah sangatkecil, seperti pada tanah liat.

Sifat dari cairan yang secara langsung berpengaruh terhadappermeabilitas tanah adalah viskositas (viscosity) dan berat jenis (density).Permeabilitas berbanding terbalik dengan sifat kekentalan zat cair,dimana sifat kekentalan air (viscosity) berkurang dengan meningkatnyasuhu. Oleh karena itu, koefisien permeabilitas meningkat sejalan denganmeningkatnya suhu air. Dalam hal ini penentuan permeabilitas sebaiknyadilakukan pada suhu air tidak lebih dari 20C. Total garam terlarut (totaldissolved salt) dalam air rembesan dapat mempengaruhi permeabilitas,terutama untuk tanah padat.

Pengukuran permeabilitas tanah di laboratorium merupakanaplikasi langsung dari persamaan Darcy pada suatu kolom tanah dalamkeadaan jenuh dari suatu penampang melintang (cross-sectional area)yang bersifat seragam (uniform) dan dapat dinyatakan dalam bentukpersamaan berikut:

)( 12 HHAtVLK s (1)

dimana: Ks adalah konduktivitas hidrolik dalam keadaan jenuh; V adalahvolume air yang mengalir melalui masa (contoh) tanah dengan luaspenampang A dalam jangka waktu t; dan (H2-H1) adalah perbedaan tinggipermukaan air (hydraulic head diference) yang mengalir melewati contoh(kolom) tanah sepanjang L. H1 adalah tinggi hidrolik pada titik masuknyaair, sedangkan H2 adalah tinggi hidrolik pada tempat keluarnya air.

3. METODE

3.1. Bahan dan alat

Contoh tanah yang digunakan adalah contoh tanah tidakterganggu (utuh), diambil dengan menggunakan ring atau selinder darimetal (umumnya terbuat dari kuningan atau plastik, metode pengambilancontoh tanah disajikan pada Bab 2). Contoh tanah tetap dipertahankanberada di dalam ring/selinder selama pengukuran/penetapan berlangsung.Dimensi dari contoh tanah dapat bervariasi. Idealnya harus mewakili unitstruktur terbesar dalam tanah, namun demikian tidaklah praktis bilamenggunakan ukuran yang terlalu besar. Ukuran ring yang dianggaplayak untuk digunakan dalam penetapan permeabilitas tanah adalah

Dariah et al.180

berdiameter antara 5 dan 10 cm dengan panjang atau tinggi ring antara 5dan 25 cm. Laboratorium Fisika Tanah, Balai Penelitian Tanah Bogormenggunakan ring berukuran tinggi 4 cm dan diameter dalam 7,63 cm.

Alat yang relatif sederhana untuk penetapan konduktivitashidrolik/permeabilitas tanah disajikan pada Gambar 1. Sebuah rak darikayu atau metal dibuat untuk menyangga 6 - 12 ring sampel, ditempatkandalam satu baris. Air dialirkan melewati siphon yang menghubungkan ringdengan ring berikutnya. Sistem aliran air dapat dibuat satu arah atausecara berputar (circulating water-supply system). Pada sistem satu arah,kelebihan air (over flow) langsung mengalir menuju saluran pembuangan(Gambar 1), sedangkan pada sistem beputar, kelebihan air ditampungdalam suatu penampung, selanjutnya dialirkan kembali melewati siphondengan menggunakan pompa (Gambar 2).

Air yang berhasil melalui masa tanah dari masing-masing contohtanah ditampung dalam wadah, misalnya gelas piala atau labu untukselanjutnya diukur dengan menggunakan gelas ukur.

3.2. Prosedur

1. Tutup atau lapisi ujung contoh tanah bagian bawah menggunakankasa halus atau kain tipis, bertujuan untuk menahan tanah sehinggatidak lolos dari ring. Jika contoh tanah bertekstur halus, perlu dipilihpenutup dari saringan yang relatif rapat.

2. Contoh tanah di dalam ring (yang telah dilapisi bagian bawahnyadengan saringan) direndam dalam air pada bak perendaman dengankedalaman sedikit di bawah bagian atas ring (misalnya jika ring yangdigunakan mempunyai ketinggian 4 cm, maka ketinggian airperendaman kira-kira sampai setinggi 3 cm dari dasar bak). Maksudperendaman adalah untuk mengeluarkan semua udara dari dalampori-pori tanah, sehingga tanah dapat dikondisikan dalam keadaanjenuh. Untuk membuat tanah dalam keadaan jenuh, maka dibutuhkanwaktu perendaman selama lebih dari 12 jam atau sampai contohtanah nampak basah (Klute dan Dirksen, 1986). LPT (1979)menggunakan waktu perendaman lebih dari 24 jam untuk membuatkondisi tanah dalam keadaan jenuh sempurna.

3. Setelah proses penjenuhan selesai, bagian atas dari ring yang berisicontoh tanah dihubungkan dengan ring kosong, menggunakan pitaatau gelang karet dengan lebar sekitar 3 cm atau selotip (pita perekat)

Penetapan Konduktivitas Hidrolik Tanah Jenuh: Metode Laboratorium 181

tahan air. Selama proses penyambungan, contoh tanah tetap beradadi dalam air rendaman. Selanjutnya contoh tanah tersebutdipindahkan ke alat pengukuran, kemudian air dialirkan ke alattersebut. Jaga agar tinggi air di atas contoh tanah konstan.

4. Lakukan pengukuran volume air yang keluar melalui masa tanah.Untuk mempermudah perhitungan, disarankan setiap pengukurandilakukan dalam jangka waktu satu jam. Pengukuran pertamadilakukan 6 jam setelah contoh tanah dialiri air. Misalnya, bila contohtanah diletakkan dan dialiri air pada jam 9, maka pengukuran pertamadilakukan pada jam 15 - jam 16. Pengukuran kedua pada jam 16 - jam17. Pengukuran selanjutnya dilakukan keesokan harinya pada jamdimulainya proses pengaliran air (dalam hal ini dari jam 9 - jam 10).Pengukuran dilakukan minimal sampai hari keempat pada jam yangsama selama satu jam. Ambil nilai rata-rata dari kelima pengukuran.

Gambar 1. Alat pengukur konduktivitas hidrolik (permeabilitas) tanahdengan sistem pembuangan air satu arah (Foto: Sutono;Gambar: Marwanto)

contoh tanahdalam tabung

saringan

Bagan alat pengukur permeabilitas tanah

arah aliran

Dariah et al.182

Gambar 2. Alat pengukur permeabilitas tanah dengan sistem aliran airberputar (circulating water-supply system) (Gambar:Marwanto)

3.3. Perhitungan

Perhitungan dilakukan dengan menggunakan persamaan Darcy(persamaan 1). Nilai simbol pada persamaan (1) yang dipakai diLaboratorium Fisika, Balai Penelitian Tanah Bogor adalah: A = 45,72 cm2,dan L=4 cm (ukuran ring yang digunakan adalah tinggi 4 cm dengan garistengah lingkar dalam 7,63 cm), h = 5 cm (tinggi air dari permukaan tanahselama pengukuran, sesuai dengan rancangan alat), dan jangka waktuyang digunakan untuk setiap kali pengukuran adalah 1 jam. Dengandemikian, cara perhitungan dapat disederhanakan dengan menggunakanpersamaan berikut:

jamcmVcmjamcmcmVcmK /)(017,0)5)(1)(72,45(

42

3

Klasifikasi permeabilitas tanah menurut Uhland dan ONeil (dalamLPT, 1979) disajikan pada pada Tabel 1. Reynolds dan Elrick (2002)menyatakan bahwa kisaran K (permeabilitas) yang dapat diukur denganconstans head method adalah sekitar 100-10-5 cm detik-1. Sedangkanfalling head soil core method dapat mengukur K pada kisaran sekitar 10-4-10-7 cm detik-1.

Penetapan Konduktivitas Hidrolik Tanah Jenuh: Metode Laboratorium 183

Tabel 1. Klasifikasi permeabilitas tanah menurut Uhland dan ONeildalam LPT (1979)

Kelas Permeabilitas

cm jam-1

Sangat lambatLambatAgak lambatSedangAgak cepatCepatSangat cepat

25,00

3.4. Catatan

Proses perendaman dilakukan untuk mengkondisikan tanahdalam keadaan jenuh, namun penjenuhan tidak atau kurang sempurnabisa terjadi misalnya karena adanya udara yang terperangkap dalam pori-pori tanah. Adanya udara yang masih terperangkap dalam pori tanahdapat menyebabkan hasil pengukuran permeabilitas tanah menjadi relatiflebih kecil. Tingkat penjenuhan yang diperoleh pada masing-masingcontoh tanah bisa diperkirakan dengan membandingkan kadar airberdasarkan volume dengan porositas total yang diperhitungkan dariberat jenis dan berat volume. Apabila tingkat kejenuhan kurang dari 85%,sebagian besar udara akan memasuki pori-pori tanah yang kosong,dalam hal ini hukum Darcy tidak berlaku lagi. Ketika tingkat kejenuhanlebih besar dari 85%, kebanyakan udara yang ada di tanah adalah dalambentuk gelembung-gelembung kecil, maka pada kondisi ini, Hukum Darcydiperkirakan akan valid. Untuk kepentingan pengecekan ini, setelahproses penetapan permeabilitas, lakukan penetapan kadar air contohtanah berdasarkan volume dan berat jenis tanah.

Ada beberapa kesalahan lain yang mungkin terjadi dalampenetapan permeabilitas tanah di laboratorium, yaitu:

- Penggunaan contoh yang tidak mewakili kondisi lapangan yangsebenarnya. Hal ini dapat dihindari dengan pengamatan yang seksamadi lapangan, perhatikan sampai detail (ambil contoh tanah takterganggu yang mewakili dan gunakan contoh/ulangan yang banyak).

- Kesalahan penggunaan tekanan hidrolik di laboratorium. Tekananhidrolik yang digunakan di laboratorium harus mewakilili tekanan

Dariah et al.184

hidrolik di tempat asal sampel. Tekanan hidrolik harus dipilihsedemikian rupa sehingga aliran adalah laminar (sampai diperolehhubungan garis lurus antara pengeluaran air dan tekanan hidrolik), danHukum Darcy bisa berlaku. Umumnya tidak mudah untuk mendapatkanaliran laminar pada tanah dengan tekstur lebih kasar. Dalam hal ini, testlaboratorium harus dilakukan sesuai dengan tekanan hidrolik yangsebelumnya telah diantisipasi di lapanganan.

- Udara terlarut di dalam air. Ketika air masuk ke dalam contoh tanah,sejumlah kecil udara yang terlarut di dalam air, cenderung mengumpulmembentuk seperti gelembung di rongga antara air dan tanah. Hal iniakan mengurangi permeabilitas sejalan dengan bertambahnya waktu.Pengujian permeabilitas terhadap contoh tanah jenuh, biasanya tidakmenunjukkan penurunan yang signifikan jika menggunakan air suling.

- Kebocoran sepanjang sisi dari permeameter dapat mengakibatkan nilaipermeabilitas meningkat.

4. DAFTAR PUSTAKA

Boolthink and Bouma, 2002. Steady flow soil column method: Laboratorymethod. p. 812-815. In Campbell et al. (Eds.). Method of SoilAnalysis Part 4-Physical Method.

Flanagan, D. C., and D. C. Frankenberger. 2002. Water ErosionPrediction Model (WEPP) Window Interface Tutorial. Workshopon Soil Erosion Assesment with the Process-Based WEPP Model.Indianapolis, Indiana.

Klute, A., and Dirksen. 1986. Hidraulic conductivity and diffusivity:Laboratory method. p. 687-732. In Klute, A. (Ed.). Methods of SoilAnalysis Part I. Physical and Mineralogical Methods. SecondEdition.

Prasetyo, B. H., J. S. Adiningsih, K. Subagyono, dan R.D.M. Simanungkalit.2004. Mineralogi, fisika dan mineralogi lahan sawah. hlm. 29-83dalam Tanah Sawah dan Teknologi Penelolaannya. PuslibangTanah dan Agroklimat. Badan Litbang Pertanian.

LPT (Lembaga Penelitian Tanah). 1979. Penuntun Analisa Fisika Tanah.Lembaga Penelitian Tanah. Badan Litbang Pertanian.

Penetapan Konduktivitas Hidrolik Tanah Jenuh: Metode Laboratorium 185

Reynold, W. D., and D. E. Elrick. 2002. Constant head (tank) method:Laboratory method. p. 804-808. In Campbell et al. (Eds.). Methodof Soil Analysis Part 4-Physical Method.

Reynold, W. D., and D. E. Elrick. 2002. Falling head soil core (tank)method: Laboratory method. p. 809-812. In D. E. Elrick andCampbell (Eds.). Method of Soil Analysis Part 4-Physical Method.

Rose, C. W., K. J. Coughland, C. A. A. Ciesolka, and B. Fentie. 1997.Program GUEST (Griffith University Erosion System Template). p.34-58. In Coughland, K. J., and C. W. Rose (Eds.). A New SoilConservation Methodology and Application to Cropping Systemin Tropical Steepland. ACIAR Technical Report, No. 40. Canbera.

Sys., C. 1985. Evaluation of the Physical Environment for Rice Cultivation.In Soil Physics and Rice. International Rice Research Institute.Los Banos, Laguna. Philipines.

Wischmeier, W. H., and D. D. Smith. 1978. Predicting rainfall erosionlosses. A guide to conservation planning. USDA Agric. Handb. No.573.