6

II. SIKLUS HIDROLOGI

Sasaran Pembelajaran/Kompetensi:

1. Mahasiswa mengetahui pengertian, ruang lingkup dan peranan Ilmu hidrologi,

2. Mahasiswa mampu menjelaskan Siklus Hidrologi, dan, Hidrologi di Indonesia

A. Pengertian, ruang lingkup dan peranan Ilmu hidrologi

Hidrologi adalah cabang ilmu dari ilmu kebumian. Hidrologi merupakan ilmu yang

penting dalam asesmen, pengembangan, utilisasi dana manajemen summberdaya air

yang dewasa ini semakin meningkat realisasinya di berbagai level. Indonesia secara

umum juga mengalami berbagai permasalahan sumberdaya air yang membutuhkan

analisis hidrologi yang semakin rumit dalam mengatasinya. Hal ini mendorong para

peneliti bidang Hidrologi untuk semakin intensif dalam mengumpulkan data dan

informasi dari level global sampai pada tingkat prilaku air di sub-sub daerah aliran

sungai.

Pemahaman ilmu hidrologi akan membantu kita dalam menyelesaikan problem

berupa kekeringan, banjir, perencanaan sumberdaya air seperti dalam disain

irigasi/bendungan, pengelolaan daerah aliran sungai, degradasi lahan, sedimentasi dan

problem lain yang terkait dengan kasus keairan.

B. Siklus Hidrologi

Siklus hidrologi adalah pergerakan air di bumi berupa cair, gas, dan padat baik proses

di atmosfir, tanah dan badan-badan air yang tidak terputus melalui proses kondensasi,

presipitasi, evaporasi dan transpirasi. Pemanasan air samudera oleh sinar matahari

merupakan kunci proses siklus hidrologi tersebut dapat berjalan secara kontinu. Air

berevaporasi, kemudian jatuh sebagai presipitasi dalam bentuk air, es, atau kabut. Pada

perjalanan menuju bumi beberapa presipitasi dapat berevaporasi kembali ke atas atau

langsung jatuh yang kemudian diintersepsi oleh tanaman sebelum mencapai tanah.

Setelah mencapai tanah, siklus hidrologi terus bergerak secara kontinu dalam tiga cara

yang berbeda:

7

Gambar 2.1. Siklus Hidrologi (T=transpirasi, E=evaporasi, P=hujan, R=aliran

permukaan, G=aliran airtanah dan I=infiltrasi). Sumber: Viessman et.al.,

1989)

1. Evaporasi / transpirasi - Air yang ada di laut, di daratan, di sungai, di tanaman, dsb.

kemudian akan menguap ke angkasa (atmosfer) dan kemudian akan menjadi awan.

Pada keadaan jenuh uap air (awan) itu akan menjadi bintik-bintik air yang

selanjutnya akan turun (precipitation) dalam bentuk hujan, salju, es.

2. Infiltrasi / Perkolasi ke dalam tanah - Air bergerak ke dalam tanah melalui celah-

celah dan pori-pori tanah dan batuan menuju muka air tanah. Air dapat bergerak

akibat aksi kapiler atau air dapat bergerak secara vertikal atau horizontal dibawah

permukaan tanah hingga air tersebut memasuki kembali sistem air permukaan.

3. Air Permukaan - Air bergerak diatas permukaan tanah dekat dengan aliran utama

dan danau; makin landai lahan dan makin sedikit pori-pori tanah, maka aliran

permukaan semakin besar. Aliran permukaan tanah dapat dilihat biasanya pada

daerah urban. Sungai-sungai bergabung satu sama lain dan membentuk sungai

utama yang membawa seluruh air permukaan disekitar daerah aliran sungai menuju

laut.

8

Air permukaan, baik yang mengalir maupun yang tergenang (danau, waduk, rawa), dan

sebagian air bawah permukaan akan terkumpul dan mengalir membentuk sungai dan

berakhir ke laut. Proses perjalanan air di daratan itu terjadi dalam komponen-

komponen siklus hidrologi yang membentuk sisten Daerah Aliran Sungai

(DAS).Jumlah air di bumi secara keseluruhan relatif tetap, yang berubah adalah wujud

dan tempatnya.

Gambar 2. Kesetimbangan dan pergerakan air secara hidrologis. (Sumber: Viessman

et.al., 1989).

Secara umum bagan alir distribusi air hujan dalam proses hidrologi dapat dilihat pada

Gambar 3 yang disajikan sebagai bentuk transformasi hyetograph menjadi streamflow

hydrograph melalui berbagai proses di bumi dan di atmosfir.

9

Gambar 3. Distribusi input presipitasi dalam siklus hidrologi

Siklus Karbon (C)

Diagram dari siklus karbon. Angka dengan warna hitam menyatakan berapa banyak

karbon tersimpan dalam berbagai reservoir, dalam milyar ton ("GtC" berarti Giga Ton

Karbon). Angka dengan warna biru menyatakan berapa banyak karbon berpindah antar

reservoir setiap tahun. Sedimen, sebagaimana yang diberikan dalam diagram, tidak

termasuk ~70 juta GtC batuan karbonat dan kerogen

Bagian terbesar dari karbon yang berada di atmosfer Bumi adalah gas karbon dioksida

(CO2). Meskipun jumlah gas ini merupakan bagian yang sangat kecil dari seluruh gas

yang ada di atmosfer (hanya sekitar 0,04% dalam basis molar, meskipun sedang

mengalami kenaikan), namun ia memiliki peran yang penting dalam menyokong

kehidupan. Gas-gas lain yang mengandung karbon di atmosfer adalah metan dan

kloroflorokarbon atau CFC (CFC ini merupakan gas artifisial atau buatan). Gas-gas

tersebut adalah gas rumah kaca yang konsentrasinya di atmosfer telah bertambah dalam

dekade terakhir ini, dan berperan dalam pemanasan global.

10

Gambar 4. Siklus Karbon di Bumi dan di Atmosfir

Karbon diambil dari atmosfer dengan berbagai cara:

1. Ketika matahari bersinar, tumbuhan melakukan fotosintesa untuk mengubah

karbon dioksida menjadi karbohidrat, dan melepaskan oksigen ke atmosfer.

Proses ini akan lebih banyak menyerap karbon pada hutan dengan tumbuhan

yang baru saja tumbuh atau hutan yang sedang mengalami pertumbuhan yang

cepat.

2. Pada permukaan laut ke arah kutub, air laut menjadi lebih dingin dan CO2 akan

lebih mudah larut. Selanjutnya CO2 yang larut tersebut akan terbawa oleh

sirkulasi termohalin yang membawa massa air di permukaan yang lebih berat

ke kedalaman laut atau interior laut (lihat bagian solubility pump).

3. Di laut bagian atas (upper ocean), pada daerah dengan produktivitas yang

tinggi, organisme membentuk jaringan yang mengandung karbon, beberapa

organisme juga membentuk cangkang karbonat dan bagian-bagian tubuh

lainnya yang keras. Proses ini akan menyebabkan aliran karbon ke bawah (lihat

bagian biological pump).

4. Pelapukan batuan silikat. Tidak seperti dua proses sebelumnya, proses ini tidak

memindahkan karbon ke dalam reservoir yang siap untuk kembali ke atmosfer.

Pelapukan batuan karbonat tidak memiliki efek netto terhadap CO2 atmosferik

11

karena ion bikarbonat yang terbentuk terbawa ke laut dimana selanjutnya

dipakai untuk membuat karbonat laut dengan reaksi yang sebaliknya (reverse

reaction).

Karbon dapat kembali ke atmosfer dengan berbagai cara pula, yaitu:

1. Melalui pernafasan (respirasi) oleh tumbuhan dan binatang. Hal ini merupakan

reaksi eksotermik dan termasuk juga di dalamnya penguraian glukosa (atau

molekul organik lainnya) menjadi karbon dioksida dan air.

2. Melalui pembusukan binatang dan tumbuhan. Fungi atau jamur dan bakteri

mengurai senyawa karbon pada binatang dan tumbuhan yang mati dan

mengubah karbon menjadi karbon dioksida jika tersedia oksigen, atau menjadi

metana jika tidak tersedia oksigen.

3. Melalui pembakaran material organik yang mengoksidasi karbon yang

terkandung menghasilkan karbon dioksida (juga yang lainnya seperti asap).

Pembakaran bahan bakar fosil seperti batu bara, produk dari industri

perminyakan (petroleum), dan gas alam akan melepaskan karbon yang sudah

tersimpan selama jutaan tahun di dalam geosfer. Hal inilah yang merupakan

penyebab utama naiknya jumlah karbon dioksida di atmosfer.

4. Produksi semen. Salah satu komponennya, yaitu kapur atau gamping atau

kalsium oksida, dihasilkan dengan cara memanaskan batu kapur atau batu

gamping yang akan menghasilkan juga karbon dioksida dalam jumlah yang

banyak.

5. Di permukaan laut dimana air menjadi lebih hangat, karbon dioksida terlarut

dilepas kembali ke atmosfer.

6. Erupsi vulkanik atau ledakan gunung berapi akan melepaskan gas ke atmosfer.

Gas-gas tersebut termasuk uap air, karbon dioksida, dan belerang. Jumlah

karbon dioksida yang dilepas ke atmosfer secara kasar hampir sama dengan

jumlah karbon dioksida yang hilang dari atmosfer akibat pelapukan silikat;

Kedua proses kimia ini yang saling berkebalikan ini akan memberikan hasil

penjumlahan yang sama dengan nol dan tidak berpengaruh terhadap jumlah

karbon dioksida di atmosfer dalam skala waktu yang kurang dari 100.000

tahun.

12

Karbon di biosfer

Sekitar 1900 gigaton karbon ada di dalam biosfer. Karbon adalah bagian yang penting

dalam kehidupan di Bumi. Ia memiliki peran yang penting dalam struktur, biokimia,

dan nutrisi pada semua sel makhluk hidup. Dan kehidupan memiliki peranan yang

penting dalam siklus karbon:

1. Autotroph adalah organisme yang menghasilkan senyawa organiknya sendiri

dengan menggunakan karbon dioksida yang berasal dari udara dan air di sekitar

tempat mereka hidup. Untuk menghasilkan senyawa organik tersebut mereka

membutuhkan sumber energi dari luar. Hampir sebagian besar autotroph

menggunakan radiasi matahari untuk memenuhi kebutuhan energi tersebut, dan

proses produksi ini disebut sebagai fotosintesis. Sebagian kecil autotroph

memanfaatkan sumber energi kimia, dan disebut kemosintesis. Autotroph yang

terpenting dalam siklus karbon adalah pohon-pohonan di hutan dan daratan dan

fitoplankton di laut. Fotosintesis memiliki reaksi 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 +

6O2

2. Karbon dipindahkan di dalam biosfer sebagai makanan heterotrop pada

organisme lain atau bagiannya (seperti buah-buahan). Termasuk di dalamnya

pemanfaatan material organik yang mati (detritus) oleh jamur dan bakteri untuk

fermentasi atau penguraian.

3. Sebagian besar karbon meninggalkan biosfer melalui pernafasan atau respirasi.

Ketika tersedia oksigen, respirasi aerobik terjadi, yang melepaskan karbon

dioksida ke udara atau air di sekitarnya dengan reaksi C6H12O6 + 6O2 →

6CO2 + 6H2O. Pada keadaan tanpa oksigen, respirasi anaerobik lah yang

terjadi, yang melepaskan metan ke lingkungan sekitarnya yang akhirnya

berpindah ke atmosfer atau hidrosfer.

4. Pembakaran biomassa (seperti kebakaran hutan, kayu yang digunakan untuk

tungku penghangat atau kayu bakar, dll.) dapat juga memindahkan karbon ke

atmosfer dalam jumlah yang banyak.

5. Karbon juga dapat berpindah dari bisofer ketika bahan organik yang mati

menyatu dengan geosfer (seperti gambut). Cangkang binatang dari kalsium

karbonat yang menjadi batu gamping melalui proses sedimentasi.

6. Sisanya, yaitu siklus karbon di laut dalam, masih dipelajari. Sebagai contoh,

penemuan terbaru bahwa rumah larvacean mucus (biasa dikenal sebagai

13

"sinkers") dibuat dalam jumlah besar yang mana mampu membawa banyak

karbon ke laut dalam seperti yang terdeteksi oleh perangkap sedimen [1].

Karena ukuran dan kompisisinya, rumah ini jarang terbawa dalam perangkap

sedimen, sehingga sebagian besar analisis biokimia melakukan kesalahan

dengan mengabaikannya.

Penyimpanan karbon di biosfer dipengaruhi oleh sejumlah proses dalam skala waktu

yang berbeda: sementara produktivitas primer netto mengikuti siklus harian dan

musiman, karbon dapat disimpan hingga beberapa ratus tahun dalam pohon dan hingga

ribuan tahun dalam tanah. Perubahan jangka panjang pada kolam karbon (misalnya

melalui de- atau afforestation) atau melalui perubahan temperatur yang berhubungan

dengan respirasi tanah) akan secara langsung mempengaruhi pemanasan global

Siklus Biogeokimia

Materi yang menyusun tubuh organisme berasal dari bumf. Materi yang berupa

unsurunsur terdapat dalam senyawa kimia yang merupakan Materi dasar makhluk

hidup dan tak hidup.

Siklus biogeokimia atau siklus organikanorganik adalah siklus unsur atau senyawa

kimia yang mengalir dari komponen abiotik ke biotik dan kembali lagi ke komponen

abiotik. Siklus unsur-unsur tersebut tidak hanya melalui organisme, tetapi jugs

melibatkan reaksireaksi kimia dalam lingkungan abiotik sehingga disebut siklus

biogeokimia.

Siklus-siklus tersebut antara lain: siklus air, siklus oksigen, siklus karbon, siklus

nitrogen, dan siklus sulfur. Di sini hanya akan dibahas 3 macam siklus, yaitu siklus

nitrogen, siklus fosfor, dan siklus karbon.

1. Siklus Nitrogen (N2)

Gas nitrogen banyak terdapat di atmosfer, yaitu 80% dari udara. Nitrogen bebas dapat

ditambat/difiksasi terutama oleh tumbuhan yang berbintil akar (misalnya jenis

polongan) dan beberapa jenis ganggang. Nitrogen bebas juga dapat bereaksi dengan

hidrogen atau oksigen dengan bantuan kilat/ petir.

Tumbuhan memperoleh nitrogen dari dalam tanah berupa amonia (NH3), ion nitrit

(N02- ), dan ion nitrat (N03- ).

Beberapa bakteri yang dapat menambat nitrogen terdapat pada akar Legum dan akar

tumbuhan lain, misalnya Marsiella crenata. Selain itu, terdapat bakteri dalam tanah

14

yang dapat mengikat nitrogen secara langsung, yakni Azotobacter sp. yang bersifat

aerob dan Clostridium sp. yang bersifat anaerob. Nostoc sp. dan Anabaena sp.

(ganggang biru) juga mampu menambat nitrogen.

Nitrogen yang diikat biasanya dalam bentuk amonia. Amonia diperoleh dari hasil

penguraian jaringan yang mati oleh bakteri. Amonia ini akan dinitrifikasi oleh bakteri

nitrit, yaitu Nitrosomonas dan Nitrosococcus sehingga menghasilkan nitrat yang akan

diserap oleh akar tumbuhan. Selanjutnya oleh bakteri denitrifikan, nitrat diubah

menjadi amonia kembali, dan amonia diubah menjadi nitrogen yang dilepaskan ke

udara. Dengan cara ini siklus nitrogen akan berulang dalam ekosistem. Lihat Gambar.

Gambar 5. Siklus Nitrogen di Alam (Koottatep, Polprasert & Oanh, 2000)

2. Siklus Fosfor

Di alam, fosfor terdapat dalam dua bentuk, yaitu senyawa fosfat organik (pada

tumbuhan dan hewan) dan senyawa fosfat anorganik (pada air dan tanah).

Fosfat organik dari hewan dan tumbuhan yang mati diuraikan oleh dekomposer

(pengurai) menjadi fosfat anorganik. Fosfat anorganik yang terlarut di air tanah atau air

laut akan terkikis dan mengendap di sedimen laut. Oleh karena itu, fosfat banyak

terdapat di batu karang dan fosil. Fosfat dari batu dan fosil terkikis dan membentuk

fosfat anorganik terlarut di air tanah dan laut. Fosfat anorganik ini kemudian akan

diserap oleh akar tumbuhan lagi. Siklus ini berulang terus menerus. Lihat Gambar

15

Gambar 6. Siklus Fosfor di Alam

3. Siklus Karbon dan Oksigen

Di atmosfer terdapat kandungan COZ sebanyak 0.03%. Sumber-sumber COZ di udara

berasal dari respirasi manusia dan hewan, erupsi vulkanik, pembakaran batubara, dan

asap pabrik. Karbon dioksida di udara dimanfaatkan oleh tumbuhan untuk

berfotosintesis dan menghasilkan oksigen yang nantinya akan digunakan oleh manusia

dan hewan untuk berespirasi. Hewan dan tumbuhan yang mati, dalam waktu yang lama

akan membentuk batubara di dalam tanah. Batubara akan dimanfaatkan lagi sebagai

bahan bakar yang juga menambah kadar C02 di udara.

Di ekosistem air, pertukaran C02 dengan atmosfer berjalan secara tidak langsung.

Karbon dioksida berikatan dengan air membentuk asam karbonat yang akan terurai

menjadi ion bikarbonat. Bikarbonat adalah sumber karbon bagi alga yang

memproduksi makanan untuk diri mereka sendiri dan organisme heterotrof lain.

Sebaliknya, saat organisme air berespirasi, COz yang mereka keluarkan menjadi

bikarbonat. Jumlah bikarbonat dalam air adalah seimbang dengan jumlah C02 di air.

16

Gambar 7. Siklus Karbon dan Oksigen di Alam

Kesetimbangan Air Regional

Konsep kesetimbangan air juga dapat dinyatakan secara regional atau dalam suatu

kawasan seperti pada suatu daerah tangkapan hujan (catchment area) atau pada suatu

daerah pengaliran sungai (DAS atau Sub-DAS).

Kesetimbangan air dapat diklasifikasikan berdasarkan posisinya dalam bumi menjadi:

i. Kesetimbangan air di atas permukaan tanah,

Kesetimbangan air di atas permukaan tanah dapat dinyatakan dengan

persamaan:

P + R1 – R2 + Rg – Es –Ts – I = Ss

ii. Kesetimbangan air di bawah permukaan tanah

Kesetimbangan air di bawah permukaan tanah dapat dinyatakan dengan

persamaan:

I + G1 – G2 – Rg – Eg – Tg = Sg

iii. Kesetimbangan total adalah merupaka kombinasi dari persamaan

kesetimbangan air di atas permukaan dan di bawah permukaan tanah yang

dinyatakan dengan persamaan:.

P – (R2 –R1) – (Es + Eg) – (Ts + Tg) – (G2 – G1) = (Ss + Sg).

Kesetimbangan regional air tersebut dapat dilihat pada Gambar 8.

17

Gambar 8. Siklus Hidrologi Regional

C. Hidrologi di Indonesia

Indonesia dalam mengimplemetasikan konsep keairan telah menuangkan dalam

bentuk perundangan berupa UNDANG-UNDANG REPUBLIK INDONESIA

NOMOR 7 TAHUN 2004 yang memuat konsep dasar keairan berupa definisi-definisi:

1. Air adalah semua air yang terdapat pada, diatas, ataupun dibawah permukaan

tanah, termasuk dalam pengertian ini air permukaan, air tanah, air hujan, dan air

laut yang berada di darat.

2. Air permukaan adalah semua air yang terdapat pada permukaan tanah.

3. Air tanah adalah air yang terdapat dalam lapisan tanah atau batuan di bawah

permukaan tanah.

4. Sumber air adalah tempat atau wadah air alami dan/atau buatan yang terdapat

pada, di atas, atau pun di bawah permukaan tanah

5. Wilayah sungai adalah kesatuan wilayah pengelolaan sumber daya air dalam

satu atau lebih daerah aliran sungai dan/atau pulau-pulau kecil yang luasnya

kurang dari atau sama dengan 2.000 km2.

18

6. Daerah aliran sungai (DAS) adalah suatu wilayah daratan yang merupakan satu

kesatuan dengan sungai dan anak-anak sungainya, yang berfungsi menampung,

menyimpan, dan mengalirkan air yang berasal dari curah hujan ke danau atau

ke laut secara alami, yang batas di darat merupakan pemisah topografis dan

batas di laut sampai dengan daerah perairan yang masih terpengaruh aktivitas

daratan.

7. Cekungan air tanah adalah suatu wilayah yang dibatasi oleh batas

hidrogeologis, tempat semua kejadian hidrogeologis seperti proses

pengimbuhan, pengaliran, dan pelepasan air tanah berlangsung.

Permasalahan sumberdaya air di Indonesia masih bertumpu pada aspek kuantitatif

seperti kejadian banjir dan kekeringan. Dimana air terlalu banyak pada musim hujan

dan terlalu sedikit pada musim kemarau. Distribusi ketersediaan air sepanjang waktu

sangat ditentukan oleh distribusi hujan sepanjang tahun dan ketersediaan sarana

penampungan air untuk mencegah kekurangan air pada musim kemarau.

Disamping persoalan kuantitas, kualitas air juga menjadi permasalahan di Indonesia

dimana kualitas air permukaan sudah sangat kotor, misalnya air di Sungai Citarum

yang berbau dan berwarna hitam.

Permasalahan sumber daya air ini dapat diselsesaikan dengan pemahaman yang

komprehensif tentang hidrologi wilayah/regional pada masing-masin DAS.

Pemahaman yang baik dapat mengatur ketersediaan air dalam jumlah dan waktu yang

cukup serta kualitas yang sesuai peruntukannya.

Bentruk transformasi hujan aliran dan simpanan air di wilayah sangat ditentukan oleh

kondisi bentang alam yang terdapat di wilayah jatuhnya hujan. Komposisi aliran

permukaan dan tampungan air secara kuantitatif dapat dilihat pada Gambar 9.

19

Gambar 9. Aliran permukaan dari dari curah hujan dan aliran mantap (air yang

tertampung di waduk, danau dan sungai) di pulau-pulau besar di

Indonesia (Kodoatie dan Suripin, 2000)

Sebaran kebutuhan dan ketersediaan air di Indonesia cukup bervariasi dimana pulau

seperti Jawa, NTB dan Bali memiliki defisit air bila ditinjau dari aspek kebutuhan

domestik dan pertanian. Sementara pulau lainnya masih cenderung cukup dalam artian

ketersediaan aliran mantap. Meskipun demikian, kekurangan air di pulau-pulau

tersebut berpeluang terjadi pada periode waktu tertentu.

Gambar 10. Ketersediaan dan kebutuhan air secara umum di pulau-pulau besar di

Indonesia (Kodoatie dan Suripin, 2000).

SOAL LATIHAN

20

1. Apa yang dimaksud dengan:

a. Hidrologi

b. Presipitasi

2. Jelaskan peranan hidrologi dalam pemecahan permasalahan sumberdaya air yang

ada di Indonesia

3. Gambarkan siklus hidrologi dan jelaskan komponen-komponen penyusunnya

4. Diskusikan ketersediaan dan kebutuhan air di Indonesia

DAFTAR PUSTAKA

Chow, VT., Maidment, DR., and Mays, LW. 1988. Applied Hydrology. McGraw-Hills.

New York.

Kodoatie, RJ dan Sjarief, R. 2008. Pengelolaan Sumber Daya Air Terpadu. Penerbit Andi.

Yogyakarta.

Linsley RK., Kohler, MA., and Paulhus, JLH. 1982. Hydrology for Engineers. McGraw-

Hills. New York.

Viessman, W., Lewis, GL., and Knapp, JW. 1989. Introduction to Hydrology. Harper

Collins Pub. New York.