Bab IV - Perpustakaan Digital ITB -...

Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi

Laporan Tugas Akhir Kajian Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 1

BAB IV

PEMODELAN MATEMATIKA PERILAKU

SEDIMENTASI

4.1 UMUM

Untuk mengkaji perilaku sedimentasi di lokasi studi, maka dilakukanlah pemodelan

matematika dengan menggunakan bantuan perangkat lunak SMS versi 8.1. Pemodelan

matematika dilakukan pada dua kawasan pemodelan, yaitu kawasan besar dan kawasan

kecil. Kawasan besar mencakup perairan yang cukup luas dimana kawasan kecil berada

didalamnya. Cakupan kawasan besar adalah perairan sepanjang Selat Malaka, sedangkan

kawasan kecil hanya meliputi perairan di sekitar semenanjung Belawan. Kawasan pemodelan

diperlihatkan pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1 Kawasan Pemodelan

Pada kawasan besar akan dilakukan pemodelan pola arus secara global dan peramalan

elevasi muka air pasang surut pada titik-titik yang nantinya akan dijadikan daerah batas


Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 2

pemodelan kawasan kecil. Kemudian, dengan menggunakan kondisi batas dari hasil

pemodelan pada kawasan besar, maka dilakukanlah simulasi hidrodinamika arus pada

kawasan kecil yang dilanjutkan dengan simulasi sedimentasi.

Adapun bagan alir pemodelan matematika pada kajian ini dapat dilihat pada Gambar 4.2.

Model Matematika(Evaluasi layout Pengembangan)

Pemodelan Arus Global ADCIRC Model

Pemodelan Hidrodinamika Arus

RMA2 Model

Model SedimenSED2D Model

Mulai

Output: > Pola dan besaran Arus > Muka Air

Output: > Pola Arus > Muka Air Pasang Surut

Output: > Konsentrasi Sedimen (Penyebaran Sedimen) > Erosi dan Sedimentasi

Parameter sebagai bahan untuk evaluasi layout

Gambar 4.2 Bagan Alir Pemodelan



4.2 PEMODELAN KAWASAN BESAR

Pemodelan kawasan besar yang dilakukan dengan menggunakan modul ADCIRD, bertujuan

untuk memodelkan pola arus secara global. Daerah yang akan dimodelkan adalah Selat

Malaka. Selain menghasilkan pola arus di sekitar perairan Belawan, pemodelan ini juga

menghasilkan elevasi muka air pada titik-titik yang diinginkan dalam domain yang

dibangkitkan dari database yang tersedia pada modul ADCIRC. Dengan input data peta

bathimetri, yang koordinatnya telah disesuaikan dengan koordinat geografis, dan

memasukkan konstituen-konstituen pasang surut, akan didapatkan elevasi muka air dalam

selang waktu tertentu sesuai dengan yang diinginkan. Output elevasi muka air ini akan

dikalibrasikan dengan data hasil pengukuran.

Simulasi model dilakukan sesuai dengan waktu pengukuran pasang surut, sehingga kalibrasi

bisa dilakukan dengan membandingkan output elevasi muka air yang dihasilkan dari model

arus global terhadap elevasi muka air hasil pengukuran di lapangan. Peramalan elevasi muka

air pasang surut dilakukan di tiga titik, yaitu muara Sungai Belawan, muara Sungai Percut

dan muara Sungai Koala Besar, pada tanggal 9-23 September 2007.

Hasil simulasi ini berupa pola arus, besaran arus, serta nilai elevasi muka air pasang surut

pada titik yang ditinjau. Pada Gambar 4.3 dan Gambar 4.4 ditampilkan pola arus di Selat

Malaka pada jam ke-206 dan 350. Gambar 4.5 memperlihatkan perbandingan elevasi muka

air hasil simulasi terhadap elevasi muka air hasil pengukuran pada muara sungai Belawan.

Dari hasil simulasi ini, diketahui bahwa arus maksimum yang terjadi di Selat Malaka yaitu

1.52 m/detik.



Gambar 4.3 Hasil Simulasi Arus Global pada jam ke-206

Gambar 4.4 Hasil Simulasi Arus Global pada jam ke-350



Grafik Pasang Surut

0

50

100

150

200

250

300

0 60 120 180 240 300 360Jam Ke-

Ket

ingg

ian

Muk

a A

ir (

PengukuranHasil Model

Gambar 4.5 Perbandingan Elevasi Muka Air

4.3 PEMODELAN KAWASAN KECIL

Tujuan pemodelan kawasan kecil adalah untuk mensimulasikan hidrodinamika arus dan

sedimentasi di perairan Belawan. Pemodelan arus dilakukan dengan menggunakan modul

RMA2, yang outputnya kemudian digunakan sebagai input untuk pemodelan sedimen

dengan modul SED2D.

Untuk mengkaji perilaku sedimentasi di alur pelayaran pelabuhan Belawan , maka pada

pemodelan ini akan dilakukan simulasi hidrodinamika arus dan sedimentasi pada beberapa

skenario yang berbeda-beda. Skenario-skenario yang akan disimulasikan adalah sebagai

berikut:

1. Skenario kondisi eksisting

2. Skenario pengembangan dengan pelebaran alur eksisting

1. Lebar 140 meter pada kedalaman -14.0



3. Skenario pengembangan dengan pelebaran alur eksisting140 meter pada kedalaman

-14.0 dan breakwater di muara



4. Skenario pengembangan dengan adanya alur baru




5. Skenario pengembangan dengan adanya alur baru dengan lebar 140 meter pada

kedalaman -14.0 dan adanya pengurangan sumber sedimen

1. Sumber sedimen menjadi 75%



4. Sumber sedimen menjadi 0% yang dilakukan dengan membuat sudetan

untuk mengalihkan aliran Sungai Belawan

6. Skenario Pengembangan Ultimate, dengan adanya alur baru dengan lebar 140 meter

pada kedalaman -14.0 dan adanya pengurangan sumber sedimen menjadi 0% yang

dilakukan dengan membuat sudetan untuk mengalihkan aliran Sungai Belawan

serta adanya breakwater di kiri dan kanan alur untuk mencegah sedimen dari laut.

Kondisi batas yang digunakan sebagai input pada pemodelan ini adalah debit sungai dan

elevasi muka air pasang surut. Input debit aliran dan sedimen layang untuk tiap skenario

adalah data output dari pemodelan DAS pada studi sebelumnya. Adapun input elevasi muka

air pasang surut hasil peramalan ADCIRC pada model kawasan besar.

4.3.1 Skenario 1 (Kondisi Eksisting)

Pada skenario kondisi eksisting, data-data yang digunakan adalah layout dan bathimetri

eksisting. Mesh dan bathimetri yang dibentuk dapat dilihat pada Gambar 4.6.

Sebelum melakukan simulasi untuk memodelkan kondisi daerah kajian, maka perlu

dilakukan kalibrasi. Kalibrasi adalah proses untuk mendapatkan model yang bisa mewakili

kondisi perairan yang dikaji. Kalibrasi dilakukan dengan cara menjalankan RMA2 dengan

parameter kawasan yang berbeda sehingga didapat hasil simulasi yang mendekati keadaan

lapangan. Dalam proses kalibrasi, program RMA2 dijalankan selama 15 hari dengan

mengubah-ubah parameter kawasan berupa koefisien Viskositas Eddy dan koefisien

kekasaran Manning. Berdasarkan hasil trial dan error, diperoleh nilai Viskositas Eddy 40.000

Pa-detik dan koefisien Manning sebesar 0.0235. Parameter kawasan ini akan digunakan pada



simulasi hidrodinamika pada semua skenario dalam kajian ini. Adapun perbandingan data

hasil simulasi dengan data lapangan ditunjukan pada Gambar 4.8, 4.9, dan 4.10.

Gambar 4.6 Deskripsi Model Skenario 1

Gambar 4.7 Daerah Lingkungan Kerja dan Alur Pelayaran Belawan

Pasang Surut

Debit dan Sedimen Sungai Belawan

Pasang Surut Debit dan Sedimen Sungai Deli

Pasang Surut


Lokasi Kalibrasi Arus dan Sedimen



0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Waktu (jam)

Elev

asi M

uka

Air (

m)

Data LapanganHasil Simulasi

Gambar 4.8 Perbandingan Elevasi Muka Air

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Waktu (jam)

Kece

pata

n Ar

us (m

/det

ik)


Gambar 4.9 Perbandingan Kecepatan Arus

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Waktu (jam)

Ara

h A

rus

(der

ajat

)


Gambar 4.10 Perbandingan Arah Arus



Pemodelan Arus

Gambar 4.11 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase A

Gambar 4.12 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase B

A

B



Gambar 4.13 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase C

Gambar 4.14 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase D

D

C



Gambar 4.15 Pola Arus Skenario 1 pada Fase E

Pola arus saat pasang hasil pemodelan menunjukkan bahwa besar arus di kolam citra adalah

0.1 m/detik sedangkan pola arus di alur pelayaran berkisar antara 0.1-1 m/detik. Hasil

pemodelan arus pada saat surut menunjukkan bahwa kecepatan arus di sekitar kolam

pelabuhan eksisting adalah 0.1 m/detik sedangkan di alur pelayaran, kecepatan arus berkisar

antara 0.1-0.55 m/detik.

Pemodelan Sedimentasi Setelah melakukan simulasi hidrodinamika arus dengan RMA2, selanjutnya ialah simulasi

sedimentasi dengan SED2D. Simulasi dilakukan dengan cara memberikan input konsentrasi

sedimen serta menetapkan parameter-parameter pemodelan SED2D. Pada kajian ini simulasi

dilakukan dengan menganggap material dasarnya sebagai pasir. Konsentrasi awal yang

digunakan ialah sebesar 0.03 kg/m3 yang ditentukan berdasarkan data lapangan. Parameter

pemodelan ditentukan dengan cara trial and error, yaitu dengan mengubah-ubah nilai

koefisien difusi dan kecepatan jatuh, sehingga diperoleh model yang mendekati kondisi

lapangan. Dari hasil trial and error tersebut diperoleh koefisien difusi sebesar 50.000 m2/detik

dan kecepatan jatuh sebesar 0.0014 m/detik. Proses kalibrasi pada simulasi sedimentasi ini

dilakukan dengan cara membandingkan konsentrasi sedimen di suatu titik tinjau, dan

membandingkan volume sedimen yang mengendap dengan data volume pengerukan di

E



kolam citra dan alur pelayaran. (Lokasi kolam citra dan alur pelayaran ditunjukan pada

Gambar 4.7). Perbandingan konsentrasi sedimen pada lokasi 12 antara hasil simulasi dan

data lapangan ditampilkan pada Gambar 4.16. Gambar 4.17 menunjukan hasil simulasi

sedimentasi, berupa ketebalan sedimen yang mengendap setelah satu tahun.

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0 100 200 300 400 500 600 700Time step (jam)

Kon

sent

rasi

Sed

imen

kg/

m3 Hasil Simulasi

PasutKonsentrasi SpringKonsentrasi NeapSedimen BelawanSedimen Deli

Gambar 4.16 Konsentrasi Sedimen di Lokasi 12

Gambar 4.17 Sedimentasi setelah 1 Tahun



Berdasarkan Gambar 4.16, konsentrasi sedimen pada lokasi 12 baik pada kondisi pasang

surut spring maupun neap telah mendekati kondisi lapangan. Selain itu diperlihatkan pula

adanya pengaruh yang cukup besar dari sungai Belawan dan Deli, yaitu dari fluktuasi

konsentrasi sedimen di lokasi tersebut yang cenderung mengikuti pola fluktuasi konsentrasi

sedimen dari aliran sungai Belawan dan Deli.

Hasil pemodelan sedimentasi menunjukkan penumpukan sedimen 0.1-2 meter di sekitar

kolam citra dan 0.5-2 meter di alur pelayaran. Total volume sedimentasi yang terjadi di alur

pelayaran adalah sebesar 2,632,301 m3 sedangkan volume sedimentasi yang terjadi di kolam

citra 237,549 m3. Hasil pemodelan tersebut memberikan komparasi yang baik dengan data

pengerukan berkala rata-rata alur sebesar 2,303,971 m3/tahun dan untuk kolam citra sebesar

212,722 m3/tahun, sehingga model sedimentasi ini dianggap cukup mewakili kondisi yang

sebenarnya.

4.3.2 Skenario 2a (Pengembangan dengan Pelebaran Alur Eksisting dengan Lebar 140

meter pada Kedalaman -14.0)

Pada skenario ini, lay out pelabuhan telah disesuaikan dengan rencana pengembangan.

Adapun kondisi alur eksisting dilebarkan menjadi 140 meter dengan kedalaman alur pada -

14.0 dan kemiringan talud 1:6. Mesh dan bathimetri yang dibentuk dapat dilihat pada

gambar berikut ini.

Gambar 4.18 Deskripsi Model Skenario 2a

Pasang Surut



Pengembangan Pelabuhan

Alur dilebarkan



Pemodelan Arus

Gambar 4.19 Pola Arus Skenario 2a (Pasang)

Gambar 4.20 Pola Arus Skenario 2a Surut)



Hasil pemodelan menunjukkan besarnya arus pada saat pasang di sekitar kolam citra adalah

0.01 m/detik sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.01-

0.13 m/detik. Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.1-1 m/detik. Hasil pemodelan

menunjukkan besarnya arus pada saat surut di sekitar kolam citra adalah 0.1 m/detik

sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.13 m/detik.

Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.1-1.2 m/detik.

Pemodelan Sedimentasi

Hasil pemodelan sedimentasi menunjukkan penumpukan sedimen 0.5-2 meter di sekitar alur

pelayaran. Total volume sedimentasi di alur pelayaran adalah 4.432.282 m3. Volume tersebut

lebih besar dibandingkan dengan volume eksisting dengan asumsi bahwa pengerukan

berkala dilakukan untuk menjaga elevasi alur berada pada elevasi -14. Volume sedimentasi di

kolam pelabuhan adalah sebesar 470.211 m3.

Gambar 4.21 Sedimentasi Skenario 2a Setelah 1 Tahun



4.3.3 Skenario 2b (Pengembangan dengan Pelebaran Alur Eksisting dengan Lebar 120


Gambar 4.22 Deskripsi Model Skenario 2b

Pada skenario dimodelkan rencana pengembangan alur eksisting dengan kedalaman -12 m

LWS, lebar alur 120 m, dan kemiringan alur 1:6. Syarat batas (boundary condition) pada

pemodelan berupa pasang surut dan debit untuk pemodelan arus dan konsentrasi

sedimentuntuk pemodelan sedimen.

Pasang Surut




Alur dilebarkan



Pemodelan Arus

Gambar 4.23 Pola Skenario 2b (Pasang)

Gambar 4.24 Pola Arus Skenario 2b (Surut)

Hasil pemodelan menunjukkan besarnya arus pada di sekitar kolam citra adalah 0.01 m/detik

sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.01-0.17 m/detik.

Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.2-1 m/detik.



Pemodelan Sedimentasi

Gambar 4.25 Sedimentasi Selama 1 Tahun

Hasil pemodelan sedimentasi menunjukkan akumulasi sedimen yang yang terjadi di alur

pelayaran dan kolam pelabuhan selama satu tahun berkisar antara 0.5 -2.1 meter. Total

volume sedimentasi yang terjadi di alur pelayaran adalah sebesar 3.831.902 m3. Volume

sedimentasi yang terjadi di kolam pelabuhan adalah sebesar 527.831 m3.

4.3.4 Skenario 2c (Pengembangan dengan Pelebaran Alur Eksisting dengan Lebar 120


Pada skenario dimodelkan rencana pengembangan alur eksisting dengan kedalaman -10.5 m

LWS, lebar alur 120 m, dan kemiringan alur 1:6. Syarat batas (boundary condition) pada

pemodelan berupa pasang surut dan debit untuk pemodelan arus dan konsentrasi sediment

untuk pemodelan sedimen.



Gambar 4.26 Deskripsi Model Skenario 2c

Pemodelan Arus

Hasil pemodelan menunjukkan besarnya arus pada di sekitar kolam citra adalah 0.01 m/detik

sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.01-0.17 m/detik.

Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.17-0.65 m/detik.

Gambar 4.27 Pola Arus Skenario 2c (Pasang)

Pasang Surut




Alur dilebarkan

Bab IV - Perpustakaan Digital ITB -...

Documents

Transcript of Bab IV - Perpustakaan Digital ITB -...