dasar teori hindcasting.pdf
-
Upload
sella-monica -
Category
Documents
-
view
12 -
download
1
description
Transcript of dasar teori hindcasting.pdf
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-1
2 Dasar Teori
Untuk melakukan analisis mengenai permasalahan sedimentasi yang terjadi di sekitar alur
masuk Pelabuhan Pulau Baai berdasarkan data mentah yang tersedia (berupa data angin
jam-jaman, data batimetri, peta lokasi dan data seri waktu dari elevasi pasang surut di
lokasi studi) diperlukan beberapa metoda pengolahan data untuk mendapatkan data yang
siap digunakan dalam pemodelan numerik.
Berikut ini akan diuraikan beberapa teori yang mendasari metode pengolahan data dan
analisis yang digunakan dalam penyusunan model numerik untuk permasalahan
sedimentasi di sekitar alur masuk Pelabuhan Pulau Baai.
2.1 Hindcasting
Angin merupakan faktor dominan dalam mekanisme pembentukan gelombang. Untuk
melakukan peramalan gelombang, maka dibutuhkan data gelombang. Namun karena
data gelombang sulit diperoleh dikarenakan oleh berbagai faktor seperti sulitnya metode
pelaksanaan, alat dan biaya yang sangat mahal karena gelombang adalah proses acak
yang terjadi dalam satuan detik sehingga diperlukan storage dan baterai yang sangat
besar karena data ini harus diambil untuk beberapa tahun kedepan jadi dapat
dibayangkan berapa banyak storage yang diperlukan untuk menampung data tersebut.
Dalam peramalan data gelombang, data gelombang hanya dapat diramal sesuai dengan
banyaknya data yang didapat (data gelombang 2 tahun hanya dapat meramal data
gelombang 2 tahun kedepan). Karena data gelombang sulit didapatkan maka data
gelombang diperoleh dari data angin melalui proses hindcasting. Dalam hindcasting,
gelombang laut yang timbul dianggap hanya dibangkitkan oleh hembusan angin saja. Hal
Bab
2
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-2
ini masih dapat diterima karena angin merupakan faktor terbesar yang dapat membentuk
gelombang walupun tidak seakurat meramal data gelombang dari data gelombang yang
diperoleh dari lapangan. Adapun gelombang-gelombang laut yang terjadi pada umumnya
diakibatkan oleh hal-hal sebagai berikut :
Gelombang akibat angin
Gelombang akibat pasut
Gelombang akibat gempa/longsor/pergerakan di dasar laut
Gelombang akibat kapal laut, dan lain-lain.
Data-data yang dibutuhkan untuk meramal gelombang terdiri dari :
1. Data angin
2. Panjang fetch efektif (daerah pembentukan gelombang)
2.1.1 Data Angin
Posisi bumi terhadap matahari yang berubah-ubah sepanjang tahun akan menyebabkan
terjadinya perbedaan temperatur dan tekanan udara di setiap bagian bumi. Peristiwa
tersebut menyebabkan terjadinya gerakan udara. Gerakan udara dari tekanan tinggi
menuju tekanan rendah disebut dengan angin. Angin merupakan salah satu pembangkit
gelombang laut. Oleh karena itu data angin dapat digunakan untuk memperkirakan tinggi
dan arah gelombang di lokasi studi.
Data angin yang digunakan untuk perhitungan tinggi gelombang adalah data yang dicatat
oleh BMG (Badan Meteorologi dan Geofisika). Pada umumnya data ini diperoleh dari
Pelabuhan Udara.
Data angin yang diperlukan adalah kecepatan dan arahnya. Data tersebut selanjutnya
diolah secara statistik dan kemudian digunakan sebagai data masukan perhitungan tinggi
dan perioda gelombang. Pada umumnya data angin yang diperoleh pelabuhan udara
berupa kecepatan angin berikut arah untuk tiap-tiap jam. Selanjutnya data angin jam-
jaman ini diolah menjadi data angin harian maksimum, sehingga untuk satu hari
pengamatan terdapat satu data kecepatan angin maksimum berikut arahnya. Selanjutnya
data angin tersebut dikelompokkan berdasarkan arah berhembusnya ke dalam delapan
penjuru mata angin seperti yang disajikan dalam Tabel 2.1.
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-3
Tabel 2.1 Pengelompokan Arah Angin Berhembus
No. Arah Angin Sudut (derajat)
1. Utara 337, 5 x < 22,5 2. Timur Laut 22,5 x < 67,5 3. Timur 67, 5 x
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-4
dimana 1 mil laut setara dengan 1853,15 meter.
Berdasarkan Shore Protection Manual 1984 (SPM 1984), data angin yang diperoleh dari
pengukuran harus dikoreksi terlebih dahulu. Setelah dikoreksi kemudian dikonversi
menjadi UA yaitu wind stress factor (faktor tegangan angin). Koreksi data angin meliputi
tahap-tahap berikut:
A. Koreksi Elevasi
Jika posisi stasiun tidak terletak pada elevasi 10 m, maka dilakukan koreksi terhadap data
yang akan digunakan yaitu :
7/1
(z))10(10 U=
z
U (2.1)
di mana :
U(z) = Kecepatan angin menurut pencatatan stasiun pada elevasi z
U(10) = Kecepatan angin pada elevasi 10 m di atas permukaan laut
B. Koreksi Lokasi
Data angin yang diperoleh di stasiun pengamat angin (biasanya di bandara) merupakan
data angin yang dicatat di daratan, sedang terbentuknya gelombang adalah akibat dari
angin yang terbentuk dan berhembus di laut, sehingga perlu dilakukan koreksi terhadap
data hasil pencatatan dengan suatu reduksi yang diberi notasi RL. Jadi selain diperlukan
faktor konversi satuan dari knot ke meter/detik, juga diperlukan pemberian faktor reduksi
RL untuk mengubah angin darat menjadi angin laut. Rumusan untuk menghitung faktor
reduksi RL diperoleh dari acuan Shore Protection Manual (SPM 1984), yaitu persamaan
(2.2) sebagai berikut :
L
WL U
UR = (2.2)
dimana:
RL = Rasio antara kecepatan angin dilautan dengan kecepatan angin di daratan.
Uw = Kecepatan angin di lautan.
UL = Kecepatan angin di daratan.
Harga RL ini didapat dari grafik hubungan antara RL vs UL yang terdapat pada SPM 1984
berdasarkan data kecepatan angin di daratan UL dalam satuan knot. Dari persamaan (2.2)
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-5
di atas, dengan diketahuinya harga RL dan UL maka besar kecepatan angin di laut dapat
dihitung sebagai berikut:
LLW URU .= (2.3) Jadi, kecepatan angin lautan setelah dikoreksi dan dikonversikan adalah:
360015,1853 LLw
URU = (2.4)
dimana:
Uw = Kecepatan angin setelah dikoreksi dan dikonversi, (meter/detik)
RL = Faktor reduksi dari kecepatan di daratan menjadi di lautan, non dimensi
UL = Kecepatan angin maksimum harian dari stasiun pengamat (knot)
Harga RL diperoleh dari Gambar 2.1 dibawah ini.
Gambar 2.1 Perhitungan harga rasio RL sebagai fungsi dari UL
C. Koreksi Durasi
Data angin yang tersedia biasanya tidak disebutkan durasiya atau merupakan data hasil
pengamatan sesaat. Kondisi sebenarnya kecepatan angin adalah selalu berubah-ubah
meskipun pada arah yang sama. Untuk melakukan hincasting, diperlukan juga durasi atau
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-6
lama angin bertiup, dimana selama dalam durasi tersebut dianggap kecepatan angin
adalah konstan. Oleh karena itu, koreksi durasi ini dilakukan untuk mendapatkan
kecepatan angin rata-rata selama durasi angin bertiup yang diinginkan.
Berdasarkan data hasil pengamatan angin sesaat, dapat dihitung kecepatan angin rata-
rata untuk durasi angin tertentu, dengan prosedur sebagai berikut:
1. Perhitungan u3600 ( kecepatan rata-rat pada durasi 3600 detik)
ff ut 1609= uf = kecepatan angin hasil pengukuran (2.5)
+=
ff t
c 45log9.0tanh296.0277.1 ; 1 < tf < 3600 s
5334.1log15.0 += ff tc ; 3600 < tf < 36000 s (2.6)
f
f
cu
u =3600 (2.7)
2. Perhitungan ut
+=t
ct45log9.0tanh296.0277.1 ; 1 < tf < 3600 s
5334.1log15.0 += tct ; 3600 < tf < 36000 s (2.8)
3600ucu tt = (2.9)
D. Koreksi Stabilitas
Jika udara (tempat angin berhembus) dan laut (tempat pembentukan gelombang) memiliki
perbedaan temperatur, maka harus ada koreksi terhadap stabilitas kecepatan angin
akibat kondisi ini, yang didefinisikan sebagai:
)10(TR = UU (2.10) dimana :
RT = Besar koreksi (dibaca dari grafik pada SPM 1984)
U = Kecepatan angin setelah dikoreksi dalam m/s
Grafik untuk menentukan nilai RT dapat dilihat pada Gambar 2.2.
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-7
Gambar 2.2 Grafik Nilai RT vs T (SPM 1984)
E. Koreksi Tegangan Angin
Setelah data kecepatan angin melalui koreksi-koreksi di atas, maka data tersebut
dikonversi menjadi wind stress factor (UA) dengan menggunakan persamaan berikut ini :
23.171.0 uuA = (2.11)
2.1.2 Daerah Pembentukan Gelombang (Fetch Efektif)
Fetch adalah daerah pembentukan gelombang yang diasumsikan memiliki arah dan
kecepatan angin yang relatif konstan. Karakteristik gelombang yang ditimbulkan oleh
angin ditentukan juga oleh panjang fetch. Fetch efektif di titik tertentu adalah area dalam
radius perairan yang melingkupi titik tersebut dimana dalam area tersebut angin bertiup
dengan kecepatan konstan dari arah manapun menuju titik tertentu.
Penghitungan panjang fetch efektif ini dilakukan dengan meggunakan bantuan peta
topografi lokasi dengan skala yang cukup besar, sehingga dapat terlihat pulau-pulau atau
daratan yang mempengaruhi pembentukan gelombang disuatu lokasi. Penentuan titik
fetch diambil pada posisi laut dalam dari lokasi perairan yang ditinjau. Ini karena
gelombang yang dibangkitkan oleh angin terbentuk dilaut dalam, kemudian merambat
kearah pantai dan pecah seiring dengan mendangkalnya dasar perairan didekat pantai.
Pada peramalan gelombang, data angin yang digunakan adalah data angin maksimum
jam - jaman berikut arahnya yang dibuat dalam delapan arah mata angin. Setelah itu,
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-8
panjang fecth efektif dapat ditentukan kemudian.
Prosedur penentuan panjang fetch efektif adalah sebagai berikut:
1. Menentukan titik dan lokasi yang hendak ditinjau.
2. Tarik garis fetch untuk suatu arah.
3. Garis-garis fetch dibagi dengan selang 5 untuk delapan arah mata angin, dengan tiap
arah mata angin memiliki daerah pengaruh sebesar 22,5 ke arah kiri (berlawanan
arah jarum jam) dan 22,5 ke arah kanan (searah jarum jam).
4. Ukur panjang fecth yang telah dibuat, hasil perhitungan panjang fecth yang dihitung
harus dalam skala 1:1 (dalam panjang sebenarnya).
5. Mengukur panjang fetch efektif adalah:
=
== ki
i
k
iii
eff
FF
1
1
cos
cos
(2.12)
Dimana :
Fi = Panjang fetch ke-i
= sudut pengukuran fetch ke i
i = nomor pengukuran fetch
k = jumlah pengukuran fetch
Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam penarikan garis fetch yaitu:
a. Tidak ada fetch di daratan
b. Tidak ada fetch sejajar pantai, minimum 15 dari garis pantai.
2.1.3 Peramalan Data Gelombang
Setelah dilakukan koreksi data angin dan penghitungan fetch efektif, selanjutnya
dilakukan peramalan data gelombang. Data angin yang telah dikoreksi (UA) dan data
panjang fetch efektif digunakan untuk memperkirakan data tinggi gelombang (H) dan
perioda gelombang (T) yang dibangkitkan oleh hembusan angin tersebut.
Dalam melakukan peramalan tinggi dan perioda gelombang, digunakan langkah-langkah
perhitungan berdasarkan SPM 1984 dengan menggunakan persamaan-persamaan
berikut:
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-9
42 1015.7
.8.68 x
U
FgUgt
A
eff
A
= (2.13)
dimana :
g = Percepatan gravitasi bumi = 9.81 (m/s2)
UA = Wind stress factor (m/s)
Feff = Panjang fetch efektif (m)
T = Durasi angin yang bertiup (detik)
Adapun prosedur peramalan gelombang berdasarkan SPM 1984 adalah sebagai berikut:
1. Lakukan perhitungan sesuai persamaan (2.13). Jika hasil perhitungannya tidak
memenuhi persamaan tersebut, maka gelombang yang terjadi merupakan hasil
pembentukan gelombang sempurna. Oleh karena itu perhitungan tinggi dan perioda
gelombangnya menggunakan persamaan berikut:
gU
H Amo2.2403.0= (2.14)
gU
T Ap2314.8= (2.15)
dimana:
Hmo = Tinggi gelombang signifikan menurut energi spektral (m)
TP = Perioda puncak spektrum (detik)
G = Percepatan gravitasi bumi = 9.81 (m/s2)
UA = Wind stress factor (m/s)
Jika hasil perhitungan memenuhi persamaan (2.13), maka gelombang yang terjadi
merupakan hasil pembentukan gelombang tidak sempurna. Pembentukan gelombang
tidak sempurna ini ada dua jenis, yaitu ;
a. Pembentukan gelombang terbatas fetch (fetch limited)
b. Pembentukan gelombang terbatas durasi (time limited)
Untuk membedakannya perlu diketahui terlebih dahulu durasi kritis (tc), yaitu:
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-10
32
2
2 .8.68
=
A
effAc U
FggU
t (2.16)
2. Periksa durasi data angin (t), lalu bandingkan terhadap durasi kritis (tc).
Jika t > tc, maka gelombang yang terjadi merupakan gelombang hasil pembentukan
terbatas fetch (fetch limited). Pada pembentukan jenis ini, durasi angin yang bertiup
cukup lama. Perhitungan tinggi dan perioda gelombangnya dilakukan dengan
menggunakan persamaan berikut :
2
2
2 ..0016.0
=
A
effAmo U
FggU
H (2.17)
2
2
..2857.0
=
A
effAp U
FggU
T (2.18)
dimana:
Hmo = Tinggi gelombang signifikan menurut energi spektral (m)
TP = Perioda puncak spektrum (detik)
g = Percepatan gravitasi bumi = 9.81 (m/s2)
UA = Wind stress factor (m/s)
Jika t < tc, maka gelombang yang terjadi merupakan gelombang hasil pembentukan
terbatas durasi (time limited). Pada pembentukan ini, durasi angin yangbertiup tidak
cukup lama. Perhitungan tinggi dan perioda gelombangnya dilakukan dengan
menggunakan persamaan (2.17) dan (2.18) namun dengan terlebih dahulu mengganti
panjang Feff dengan Fmin berikut ini :
23
2
2
min 6.68
=
A
A
Ugt
gU
F (2.19)
Proses peramalan tinggi dan periode gelombang metode hindcasting dapat dilihat
pada bagan alir dalam Gambar 2.3 di bawah ini.
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-11
Gambar 2.3 Flowchart peramalan tinggi dan periode gelombang
2.1.4 Analisis Frekuensi Gelombang
Tinggi gelombang rencana ditentukan dengan mencari tinggi gelombang perioda ulang
tertentu yang dapat dihitung menggunakan metoda analisa frekuensi. Beberapa metoda
yang sangat dikenal antara lain adalah Metoda Normal, Gumbell, Pearson Type III dan
Log Pearson Type III. Metoda ini digunakan untuk mengetahui tinggi dan perioda
gelombang untuk beberapa perioda ulang tahun kedepan yaitu 2, 5, 10, 25, 50 serta 100
tahun, metoda yang digunakan dalam penentuan tinggi dan perioda gelombang
perencanaan yaitu metode yang memiliki kesalahan relatif (error) terkecil.
A. Metode distribusi normal
Distribusi normal atau kurva normal dikenal pula dengan nama distribusi Gauss yang
mempunyai rumus sebagai berikut:
Xt SKXX .+= (2.20) dimana:
Xt = Tinggi gelombang untuk periode ulang T tahun (m)
X = Gelombang maksimum rata-rata
SX = Standar deviasi
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-12
K = Faktor variabel reduksi Gauss untuk distribusi normal
B. Metode distribusi log normal 2 parameter
Distribusi log normal merupakan hasil transformasi dari distribusi normal, yaitu dengan
mengubah nilai variat X menjadi nilai logaritmik variat X. Untuk distribusi log normal dua
parameter mempunyai persamaan transformasi:
LogXt SKLogXX .log += (2.21) dimana:
log Xt = Nilai logaritmik tinggi gelombang untuk periode ulang T tahun (m)
LogX = Nilai logaritmik tinggi gelombang maksimum rata-rata
LogXS = Standar deviasi logaritmik nilai X
K = faktor variabel reduksi Gauss untuk distribusi log normal 2 parameter
Apabila perhitungan tanpa nilai logaritmik, dapat digunakan persamaan berikut:
Xt SKXX .+= (2.22) dimana:
Xt = Nilai tinggi gelombang untuk periode ulang T tahun (m)
X = Nilai tinggi gelombang maksimum rata-rata
SX = Standar deviasi nilai X
K = Nilai karakteristik distribusi Log Normal 2 Parameter yang nilainya bergantung
dari koefisien variasi (CV)
XS
C XV =
C. Metode distribusi log normal 3 parameter
Distribusi log normal 3 parameter dapat dituliskan sebagai:
Xt SKXX .+= (2.23) dimana:
Xt = Nilai tinggi gelombang untuk periode ulang T tahun (m)
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-13
X = Nilai tinggi gelombang maksimum rata-rata
SX = Standar deviasi nilai X
K = Nilai karakteristik distribusi Log Normal 3 Parameter yang nilainya bergantung dari
koefisien variasi (CS)
D. Metode distribusi Gumbell
Metoda distribusi Gumbell yang banyak digunakan dalam analisa frekuensi
mempunyai rumus:
Xt SKXX .+= (2.24)
( ) nnt SYYK /= (2.25)
+= 1303.2834.0 TTLogYt (2.26)
dimana:
Xt = Tinggi gelombang untuk periode ulang T tahun (m)
X = Tinggi gelombang maksimum rata-rata
SX = Standar deviasi
K = Faktor frekuensi
Yn = Nilai rata-rata dari reduksi variat, nilainya tergantung dari jumlah data
Sn = Deviasi standar dari reduksi variat, nilainya tergantung dari jumlah data
E. Metode distribusi Pearson III
Distribusi Pearson III mempunyai bentuk kurva seperti bel. Persamaan distribusi Pearson
III dapat dijelaskan sebagai berikut:
Xt SKXX .+= (2.27) dimana:
Xt = Nilai tinggi gelombang untuk periode ulang T tahun (m)
X = Nilai tinggi gelombang maksimum rata-rata
SX = Standar deviasi nilai X
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-14
K =Faktor sifat distribusi Pearson III yang merupakan fungsi dari CS (koefisien
skewness)
Nilai Cs yang diperoleh digunakan untuk mendapatkan nilai KT dari tabel. Persamaan
distribusi Pearson III akan merupakan garis lengkung apabila digambarkan pada kertas
peluang normal.
F. Metode distribusi log Pearson tipe III
Metoda ini mempunyai persamaan sebagai berikut:
LogXt SKLogXX .log += (2.28) dimana :
LogXt = Logaritmik tinggi gelombang untuk periode ulang T tahun
LogX = Logaritmik tinggi gelombnag maksimum rata-rata
= nLogX
LogXS = Standar deviasi = ( )
1
2
n
LogXLogX
K = Karakteristik dari distribusi Log Pearson III yang nilainya bergantung
pada harga CS
CS = koefisien Skewness = ( )
( )( ) 3.2.1 iSnnLogXLogX
Apabila nilai CS = 0, maka distribusi log Pearson III identik dengan distribusi log normal
sehingga distribusi kumulatifnya akan tergambar sebagai garis lurus pada kertas grafik
log normal. Perioda gelombang rencana bisa didapatkan dengan cara memetakan tinggi
gelombang yang didapat dari analisa frekuensi di atas ke scatter diagram perioda
gelombang terhadap tinggi gelombang.
2.2 Transport Sedimen Sejajar Pantai
Gelombang yang datang dengan kemiringan sudut tertentu dan pecah didekat pantai,
akan diteruskan dalam dua komponen (Gambar 2.4), yaitu fluks energi gelombang yang
tegak lurus pantai dan fluks energi gelombang yang sejajar pantai. Komponen fluks energi
gelombang yang tegak lurus pantai akan hancur membentur pantai sedangkan komponen
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-15
fluks energi gelombang yang sejajar pantai akan membangkitkan arus sejajar dengan
garis pantai. Gelombang dan arus inilah yang menyebabkan terjadinya transpor sedimen
baik yang sejajar dengan garis pantai maupun ke arah laut dalam. Namun yang
mempunyai pengaruh lebih banyak untuk jangka panjang ialah tranpor sedimen sejajar
pantai sedangkan yang tergak lurus pantai bila dirata-ratakan hasilnya sangat kecil
sehingga bisa diabaikan.
Gelombang yang pecah akan menyebabkan sedimen terangkat dan melayang-layang.
Arus mengangkut sedimen sesuai dengan kapasitasnya dalam arti bahwa yang
menentukan bergerak tidaknya sedimen adalah besarnya arus dan ukuran butiran.
Besarnya tingkat transpor sedimen ini dapat dinyatakan dalm Q (debit sedimen) yaitu
banyaknya material sedimen yang melalui suatu penampang tilik per satuan waktu.
Transpor sedimen sejajar pantai umumnya mempunyai satuan meter kubik per tahun.
Karena pergerakannya sejajar pantai, maka ada dua kemungkinan arah pergerakan, yaitu
ke arah kanan dan kiri relatif terhadap seorang pengamat yang berdiri di pantai
menghadap ke arah laut. Pergerakan dari kanan ke kiri diberi notasi Qlt, dan pergerakan
dari kiri ke kanan Qrt, sehingga didapat tingkat transpor sedimen kotor(gross), ialah
Qg = Qlt + Qrt, dan transpor sedimen bersih (net) IQnI = Qlt - Qrt.. Nilai Qg digunakan untuk
meramalkan tingkat pendangkalan pada suatu alur perairan yang terbuka, Qn untuk
desain alur yang dilindungi dan perkiraan erosi pantai, dan Qlt serta Qrt untuk penumpukan
sedimen di belakang sebuah struktur pantai yang menahan pergerakan sedimen.
Untuk menaksir debit sedimen dapat didekati dengan faktor fluks energi sejajar garis
pantai. Dalam perhitungan ini asumsi yamg digunakan adalah :
1. Transpor sedimen hanya terjadi di daerah surf zone saja
2. Garis pantai dengan kontur berupa garis sejajar
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-16
Breaker line
Energi gelombang sejajar pantai
Energi gelombangtegak lurus pantai
Garis pantai
Darat
Q = Debit SedimenSurf zone
Perairan dalam
Refraksi
Gelombangdatang
Breaker line
Energi gelombang sejajar pantai
Energi gelombangtegak lurus pantai
Garis pantai
Darat
Q = Debit SedimenSurf zone
Perairan dalam
Refraksi
Gelombangdatang
Gambar 2.4 Ilustrasi Komponen Energi Gelombang Setelah Pecah
Daerah pantai adalah daerah yang sangat rentan terhadap terjadinya proses erosi dan
sedimentasi, kejadian ini terjadi karena adanya perbedaan transport sedimen yang terjadi
di pantai oleh karena suatu benda baik berupa bangunan ataupun yang lainnya. Dengan
adanya penghalang ini transport sedimen menjadi tidak seimbang sehingga dapat
menjadikan pantai mengalami erosi dan sedimentasi. Daerah yang ditinjau untuk masalah
transport sedimen ini yaitu berada diantara garis pantai dan daerah gelombang pecah
(breakerline), dimana kriteria gelombang pecah adalah saat tinggi gelombang mencapai
0.78 kedalamannya atau dengan persamaan:
78.0hH
Persamaan transport sedimen yang digunakan dalam pemodelan transport sedimen
meliputi tiga persamaan dasar, yaitu
1. persamaan kontinuitas sedimen
0yxqqy
t x y + + = (2.29)
Seperti yang terlihat pada persamaan di atas, persamaan kontinuitas ini memerlukan
input persamaan distribusi sedimen long-shore dan persamaan distribusi sedimen
cross-shore dimana masing-masing persamaan ini saling terkait.
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-17
2. persamaan distribusi sedimen longshore
Persamaan yang dipakai untuk persamaan ini yaitu persamaan yang telah
dikembangkan oleh Fulford (1982) berdasarkan hasil penelitian laboratorium Savage
(1959) dengan asumsi struktur bangunan pantai berlaku sebagai total litoral barier dan
transport sedien cross-shore diabaikan. Rumus yang dipakai dapat ditulis sebagai
berikut:
)exp()( )1( nnx yByyq = (2.30) Dengan mengambil nilai konstanta B tertentu, persamaan diatas diintegralkan dari y=0
sampai y=y1 (lokasi tertentu dalam surfzone) dikalikan dengan persamaan longshore
transport total. Dimana persamaan longshore transport total diambil dari US Army
Corps Of Engineers, Coastal Engineering Research Center (Shore Protection Manual,
1984), adalah sebagai berikut:
)2sin(' 25
bbHCQ = (2.31) Hb = Tinggi gelombang pecah
b = Sudut Gelombang pecah
C = Koefisien CERC 2
1
21
16)1).((
=s
gK
= 0.78 s = rapat massa sedimen
K = 0.77 (SPM,1984)
= massa jenis air laut
P = porositas sedimen
Pada penelitian lebih lanjut nilai n = 3 menunjukan hasil yang lebih mendekati,
sehingga persamaan distribusi long-shore menjadi:
++=
32 exp)()(
bx cy
ayayByq (2.32)
Yb = jarak dari sumbu referansi ke titik gelombang pecah (dalam arah offshore)
a = Suatu konstanta yang menggambarkan trasport sedimen di atas Mean Water
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-18
Level
c = Konstanta yang menentukan lebar pengaruh longshore transport (dalam arah
offshore)
33
3
bYcB = sehingga dipenuhi 0.1)(
0
= dyYqx Dengan asumsi bahwa harga a sebanding dengan nilai tinggi gelombang pecah Hb
dibagi dengan kemiringan (slope) pantai, a= SHb .
Nilai c diambil = 1.25, nilai ini ditentukan dari persamaan regresi kuadrat tekecil non-
linier dari nilai-nilai hasil penelitian Fulford.
Sehingga bentuk akhir persamaan distribusi sedimen longshore pada suatu titik y
dalam surfzone untuk kontur pantai lurus dan sejajar adalah.
++=
32
33 25.1exp)(
25.13)(
bbx y
ayayy
yq (2.33)
3. persamaan distribusi sedimen cross-shore
2.3 Persamaan Kontinuitas
Hukum kekekalan massa menetapkan bahwa massa tidak dapat diciptakan atau
dimusnahkan, walaupun dapat ditransformasi. Untuk mengembangkan konsep matematis
mengenai masalah ini, tinjau suatu ruang berbentuk kubus dalarn sistem koordinat
kartesian seperti ditunjukkan Gambar 2.5.
Persamaan dan hukum kekekalan massa dapat dinyatakan sebagai berikut:
Laju perubahan massa (terhadap waktu) dalam ruang waktu =
Laju aliran massa yang masuk - Laju aliran massa yang keluar dari ruang tilik tersebut
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-19
Gambar 2.5 Ruang tilik kubus dalam fluida
Ditinjau dari ruang tilik, aliran massa yang masuk pada sisi AEHC dan keluar dari sisi
BFGD (dalam arah x) dapat ditulis sebagai berikut:
Besarnya fluks massa masuk =
( ) ( ) ( ) zyxxuzyxuzyx
+ ...
2,,,,
(2.34)
Besarnya fluks massa keluar =
( ) ( ) ( ) zyxxuzyxuzyx
++ ...
2,,,,
(2.35)
Selisih aliran yang masuk dengan yang keluar adalah persamaan (2.34) dikurangi dengan persamaan (2.35), yaitu:
( ) zyxxu
(2.36)
Ditinjau dari ruang tilik, aliran massa yang masuk dari sisi ABCD dan keluar dari sisi
EFGH (dalam arah y) dapat ditulis sebagai berikut:
Besarnya fluks massa masuk =
( ) ( ) ( ) zxyyvzyxvzyx
+ ...
2,,,,
(2.37)
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-20
Besarnya fluks massa keluar =
( ) ( ) ( ) zxyyvzyxvzyx
++ ...
2,,,,
(2.38)
Selisih aliran yang masuk dengan yang keluar adalah persamaan (2.37) dikurangi dengan
persamaan (2.38), yaitu:
( ) zyxyv
(2.39)
Ditinjau dari ruang tilik, aliran massa yang masuk dari sisi AEFB dan keluar dari sisi
CHGD (dalam arah z) dapat ditulis sebagai berikut:
Besarnya fluks massa masuk =
( ) ( ) ( ) yxzzwzyxwzyx
+ ...
2,,,,
(2.40)
Besarnya fluks massa keluar =
( ) ( ) ( ) yxzzwzyxwzyx
++ ...
2,,,,
(2.41)
Selisih aliran yang masuk dengan yang keluar adalah persamaan (2.40) dikurangi dengan
persamaan (2.41), yaitu:
( ) zyxzw
(2.42)
Besarnya fluks aliran massa netto dalam ruang tilik = fluks masuk fluks keluar =
( ) ( ) ( ) zyxzw
yv
xu
++
(2.43)
Laju perubahan massa di ruang tilik selama t dapat dituliskan sebagai berikut:
( ) ( ) ( )zyxt
tzyxttzyx +=+ (2.44a)
atau dapat ditulis dalam bentuk:
( ) ( ) ( )zyxt
tzyxttzyx =+ (2.44b)
Dengan menggunakan hukum kekekalan massa yang berbunyi:
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-21
Fluks aliran massa netto = laju perubahan massa dalam ruang tilik, maka persamaan
(2.10) dan (2.11b) dapat disubstitusi ke dalam persamaan massa menjadi seperti di bawah ini:
( ) ( ) ( ) ( ) tzyxt
tzyxzw
yv
xu =
++
(2.45)
( ) ( ) ( ) 0=+++zw
yv
xu
t
(2.46)
0=++
+++
zw
yv
xu
zw
yv
xu
t
(2.47)
Jika persamaan (2.14) dibagi dengan , maka persamaan tersebut akan menjadi:
01 =+++
+++
zw
yv
xu
zw
yv
xu
t
(2.48)
Karena ( )tzyx ,,, = ; ( )txx = ; ( )tyy = ; ( )tzz = , maka:
txu = ;
tyv = ;
tzw =
Nilai di dalam kurung pada persamaan (2.48) dapat dituliskan dalam bentuk turunan total
terhadap waktu (t) atau DtD
.
Sehingga persamaan kekekalan massa atau hukum kontinuitas dapat ditulis menjadi:
01 =+++zw
yv
xu
DtD
(2.49)
Untuk fluida yang tak mampat
0=DtD
Maka persamaan kontinuitas akan menjadi seperti di bawah ini:
0=++zw
yv
xu
(2.50)
Persamaan (2.50) merupakan persamaan kontinuitas, persamaan ini menyatakan bahwa laju pertambahan terhadap waktu untuk massa di suatu titik tinjauan adalah tepat sama
dengan laju bersih aliran masuk massa ke dalam titik tersebut. Untuk mendapatkan
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-22
persamaan dalam dua dimensi, maka persamaan tiga dimensi di atas diintegrasikan
terhadap kedalaman dengan asumsi tidak terdapat variasi kecepatan terhadap
kedalaman.
Persamaan (2.50) di atas diintegrasikan terhadap kedalaman hingga persamaan tersebut menjadi sebagai berikut:
( ) ( )hyxwyxwdzyvdz
xudz
zw
yv
xu
hhh
++=
++
,,,,
(2.51)
Untuk mengintegralkan suku ke 1 dan suku ke 2 pada ruas kanan dari persamaan (2.51) di atas, digunakan Leibniz Rule, bentuk umum Leibniz Rule dapat dituliskan sebagai
berikut:
( )( )
( ) ( )( )
( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )xxxxQ
xxxxQdyyxQ
xdyyxQ
x
x
x
x
x
,,,, += (2.52)
Penerapan metode Leibniz Rule untuk suku ke 1 persamaan (2.51) akan menghasilkan
persamaan sebagai berikut:
( ) ( )xhhyxu
xyxudz
xudzu
x hh
++=
,,,, atau
( ) ( )xhhyxu
xyxudzu
xdzxu
hh
=
,,,, (2.53)
Penerapan metode Leibniz Rule untuk suku ke 2 persamaan (2.51) akan menghasilkan
persamaan sebagai berikut:
( ) ( )yhhyxv
yyxvdz
yvdzv
y hh
++=
,,,, atau
( ) ( )yhhyxv
yyxvdzv
ydzyv
hh
=
,,,, (2.54)
Substitusikan persamaan (2.53) dan persamaan (2.54) ke dalam persamaan (2.51), maka
akan didapat persamaan sebagai berikut:
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) 0,,,,,,
,,,,,,
=++
++
hyxwyxwyhhyxv
yyxvdzv
yxhhyxu
xyxudzu
x hh
(2.55)
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-23
Besarnya kecepatan rata-rata terhadap kedalaman dalam arah sumbu x dan dalam arah
sumbu y adalah sebagai berikut:
dzuh
Uh+
=
1
(2.56) dan dzvh
Vh+
=
1
(2.57)
dimana:
U = kecepatan rata-rata terhadap kedalaman dalam arah sumbu x
V = kecepatan rata-rata terhadap kedalaman dalam arah sumbu y
Definisi h dan dapat dilihat pada Gambar 2.6 di bawah ini.
Gambar 2.6 Definisi h dan
Substitusikan persamaan (2.56) dan (2.57) ke persamaan (2.55), maka akan didapat
persamaan sebagai berikut:
( )[ ] ( ) ( ) ( )[ ] ( )( ) ( ) ( ) 0,,,,,,
,,,,,,
=++
++++
hyxwyxwyhhyxv
yyxvhV
yxhhyxu
xyxuhU
x
(2.58)
Dengan syarat batas kinematis di permukaan bebas adalah:
( ) ( ) ( )
,,,,,, yxw
yyxv
xyxu
t=++ (2.59)
Syarat batas di dasar perairan adalah:
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-24
( ) ( ) ( )yhhyxv
xhhyxu
thhyxw
= ,,,,,, (2.60)
Untuk mendapatkan persamaan kontinuitas dalam dua dimensi, syarat batas pada
persamaan (2.59) dan (2.60) disubstitusikan ke dalam persamaan (2.58). Maka akan didapat persamaan sebagai berikut:
( )[ ] ( )[ ] ( ) ( )th
thV
yhU
x
=+++ (2.61a)
Karena H = h + , maka persamaan kontinuitas dalam dua dimensi menjadi sebagai
berikut:
( ) ( ) 0=++yHV
xHU
xH
(2.61b)
dimana:
U = kecepatan rata-rata terhadap kedalaman dalam arah sumbu x; dzuh
Uh+
=
1
V = kecepatan rata-rata terhadap kedalaman dalam arah sumbu y; dzvh
Vh+
=
1
Persamaan (2.61b) dapat ditulis menjadi:
0=++
++
yHV
xHU
yV
xUH
xH
(2.62)
dimana:
H = kedalaman perairan
U, V = komponen kecepatan arah x dan y
2.4 Persamaan Kekekalan Momentum
Persamaan momentum dapat diturunkan dari hukum II Newton yang berbunyi:
Besarnya total gaya yang bekerja: = amF . Untuk arah x, total gaya dapat dituliskan menjadi:
xxamF = . (2.63)
dimana:
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-25
ax = percepatan dalam arah sumbu x = DtDu
u = kecepatan dalam arah sumbu x dan merupakan fungsi dari ruang dan waktu
( )tzyxuu ,,,= Karena u merupakan fungsi dari ruang dan waktu, maka turunan total dari u terhadap
waktu adalah:
tz
zu
ty
yu
tx
xu
tu
DtDuax
+++== (2.64)
dimana:
utx =
; vty =
; wtz =
sehingga persamaan (2.64) dapat ditulis menjadi:
zuw
yuv
xuu
tu
DtDuax
+++== (2.65)
Maka Hukum II Newton atau persamaan gerak dalam arah sumbu x dapat dituliskan
sebagai berikut:
DtDumF = . (2.66)
Untuk melihat gaya-gaya yang bekerja pada fluida, tinjau suatu elemen fluida seperti pada
Gambar 2.7 berikut ini.
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-26
Gambar 2.7 Gaya-gaya yang bekerja pada elemen fluida
Jika tegangan normal di pusat elemen fluida dalam arah sumbu x adalah xx, maka
dengan ekspansi deret Taylor hingga orde ke 1, dapat diketahui besarnya tegangan
normal pada sisi x yaitu pada ( )2xx + dan pada ( )2xx . Besarnya adalah: Pada ...
22x
xxx xxxx
+=
+ (2.67)
Pada ...22x
xxx xxxx
=
(2.68)
Tegangan geser yang bekerja dalam arah sumbu y adalah:
Pada ...22y
yyy yxyx
+=
+ (2.69)
Pada ...22y
yyy yxyx
=
(2.70)
Tegangan geser yang bekerja dalam arah sumbu z adalah:
Pada ...22z
zzz zxzx
+=
+ (2.71)
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-27
Pada ...22z
zzz zxzx
=
(2.72)
Dengan mensubstitusikan persamaan (2.67) hingga persamaan (2.72) ke dalam persamaan Hukum II Newton, maka persamaan kesetimbangan dalam arah sumbu x
akan menjadi seperti berikut:
DtDuzyxzXyx
yxzz
yxzz
zxyy
zxyy
zyxx
zyxx
zxzx
zxzx
yxyx
yxyx
xxxx
xxxx
=+
++
++
+
222
222
(2.73)
dimana:
X = notasi body force (aksi gaya badan) persatuan massa dalam arah sumbu x
Persamaan (2.73) dapat disederhanakan menjadi sebagai berikut:
DtDuX
zyxzxyxxx
=+++ (2.73a)
Persamaan (2.37a) merupakan persamaan momentum arah sumbu x, dengan cara yang
sama maka akan diperoleh persamaan momentum untuk sumbu y dan z seperti berikut:
DtDvY
zyxzyyyxy
=+++ (2.73b)
DtDwZ
zyxzzyzxz
=+++ (2.73c)
Dimana Y dan Z merupakan notasi body force (aksi gaya badan) persatuan massa dalam
arah sumbu y dan z.
Persamaan Navier-Stokes diturunkkan dari persamaan momentum dengan memasukkan
Hukum Newton untuk tegangan geser dan Hukum Stokes untuk tegangan normal pada
fluida. Hukum Newton untuk tegangan geser pada fluida adalah:
dydu = ; = kekentalan mutlak
Untuk problem tiga dimensi, tegangan geser merupakan fungsi linier dari gradien
kecepatan:
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-28
+=
i
j
j
iy dx
dudydu ; ji (2.74)
Dengan menggunakan persamaan (2.74), maka didapatkan:
+=
dxdv
dydu
xy ;
+=
dydw
dzdv
yz ;
+=dzdu
dxdw
zx (2.75)
dimana: xyyx = ; zyyz = ; zxxz = Hukum Stokes untuk tegangan normal pada fluida adalah:
+++=zw
yv
xu
xuPxx
322 (2.76a)
+++=zw
yv
xu
yvPyy
322 (2.76b)
+++=zw
yv
xu
zwPzz
322 (2.76c)
Selanjutnya substitusikan persamaan (2.75) dan persamaan (2.76a) ke persamaan (2.73a), sehingga diperoleh persamaan gerak Navier-Stokes untuk arah x seperti di
bawah ini:
Xxw
zu
z
xv
yu
yzw
yv
xu
xuP
xDtDu
+
++
++
+++=
322
(2.77)
Persamaan (2.77) di atas bila dibagi dengan akan diperoleh:
Xzxw
zu
yxv
yu
zxw
yxv
xu
xu
xP
DtDu
+
++
++
+++=
2
2
2
2
2
222
2
2
2
2
3221
(2.78)
Xzw
yv
xu
xzu
yu
xu
xP
DtDu +
+++
+++=
311
2
2
2
2
2
2
(2.79)
dimana: = kekentalan dinamik
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-29
Pada persamaan (2.50), dapat dilihat bahwa untuk aliran tak mampat, 0=++zw
yv
xu
,
sehingga persamaan (2.79) menjadi:
Xzu
yu
xu
xP
DtDu +
+++= 2
2
2
2
2
21
(2.78)
Bila persamaan (2.78) dijabarkan lebih lanjut, maka akan diperoleh:
+++=+++ 22
2
2
2
21zu
yu
xu
xPX
zuw
yuv
xuu
tu
(2.79a)
Dengan menggunakan cara yang sama, maka untuk arah y dan arah z akan diperoleh:
+++=+++ 22
2
2
2
21zv
yv
xv
yPX
zvw
yvv
xvu
tv
(2.79b)
+++=+++ 22
2
2
2
21zw
yw
xw
zPX
zww
ywv
xwu
tw
(2.79c)
Persamaan (2.79a), (2.79b), (2.79c) merupakan persamaan gerak (momentum) rata-rata Navier-Stokes untuk arah x, arah y, dan arah z.
Dalam proses penurunan persamaan momentum 2 dimensi, diasumsikan bahwa
percepatan arah vertikal nilainya mendekati nol.
0DtDw
Persamaan (2.79c) akan menjadi seperti berikut:
01 =zPZ
(2.80)
Integralkan persamaan (2.80), maka akan diperoleh:
( ) += hZP (2.81) Dari persamaan (2.80), akan diperoleh:
( )x
hZxP
+=1 (2.82)
( )y
hZyP
+=1 (2.83)
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-30
Dengan mengalikan persamaan (2.50) dengan u, kemudian jumlahkan ke ruas kiri persamaan (2.79a) dan substitusikan persamaan (2.82), maka akan diperoleh persamaan berikut:
( )
++++=+++ 2
2
2
2
2
22
zu
yu
xu
xhZX
zuww
yuvv
xu
tu
(2.84a)
Dengan mengalikan persamaan (2.50) dengan v, kemudian jumlahkan ke ruas kiri persamaan (2.79b) dan substitusikan persamaan (2.83), maka akan diperoleh persamaan berikut:
( )
++++=+++ 2
2
2
2
2
22
zv
yv
xv
yhZY
zvww
xuv
yvv
tv
(2.84b)
Untuk memperoleh persamaan kekekalan momentum dua dimensi, maka persamaan
(2.84a) dan (2.84b), diintegrasikan terhadap kedalaman. Persamaan (2.84a) diintegrasikan terhadap kedalaman, maka akan didapat sebagai berikut:
dzzu
yu
xu
dzx
ZdzXdzzuwdz
yuvdz
xudz
tu
h
hhhhhh
+++
=+++
2
2
2
2
2
2
2
(2.85)
Untuk menyederhanakan proses pengintegralan, ruas kiri dan ruas kanan persamaan
(2.85) diselesaikan secara terpisah, untuk menyelesaikan ruas kiri, digunakan metoda Leibniz Rule sebagai berikut:
Suku 1
( ) ( )thhyxu
tyxudzu
tdztu
hh
=
,,,, (2.86)
Suku 2
( ) ( ) ( ) ( )xhhyxuhyxu
xyxuyxudzu
xdz
xu
hh
=
,,,,,,,,2
2
(2.87)
Suku 3
( ) ( ) ( ) ( )yhhyxvhyxu
xyxvyxudzuv
ydz
yuv
hh
=
,,,,,,,, (2.88)
Suku 4
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-31
( ) ( ) ( ) ( )hyxwhyxuy
yxwyxudzzuw
h
=
,,,,,,,,
(2.89)
Substitusi persamaan (2.86) sampai (2.89) ke ruas kiri persamaan (2.85), diperoleh sebagai berikut:
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) dz
zu
yu
xudz
xhZ
dzXhyxwhyxuy
yxwyxuyhhyxv
hyxux
yxvyxudzuvyx
hhyxu
xyxudzu
xthhyxu
tyxudzu
t
hh
h
h
hh
++++
=+
+
+
2
2
2
2
2
2
2
22
,,,,,,,,,,
,,,,,,,,
,,,,,,
(2.90)
Berdasarkan asumsi bahwa u dan v konstan terhadap kedalaman, maka:
( ) +=
hUdzuh
(2.91)
( ) +=
hUdzuh
22 (2.92)
( ) +=
hUVdzuvh
(2.93)
Dengan mensubstitusikan persamaan (2.91) sampai dengan persamaan (2.92) dan persamaan (2.56) dan (2.88) ke persamaan (2.90), maka diperoleh persamaan:
( )( ) ( )( ) ( )( )( ) dz
zu
yu
xuXdz
xhZ
dzXUVhy
Uhx
yxUt
hh
h
+++++
=++++
2
2
2
2
2
2
2,,
(2.94)
Pengintegrasian ruas kanan persamaan (2.85) menghasilkan persamaan sebagai berikut:
( ) ( ) dz
zu
yu
xuXh
xhZX
h
++++
++
2
2
2
2
2
2
(2.95)
Dalam aliran turbulen, viskositas dinamik dapat diganti dengan koefisien viskositas eddy.
Perbedaan dibuat antara tekanan yang bekerja pada bidang x-y, bidang x-z, dan bidang
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-32
y-z. Suku ke 2 persamaan (2.95) dapat ditulis sebagai berikut:
++
h
xzh
xyh
xx zuEdz
yu
EdzxuE 2
2
2
2
2
2
(2.96)
dimana Exx, Exy dan Exz adalah koefisien Viskositas Eddy. Penyelesaian persamaan diatas
adalah sebagai berikut.
( ) 22
2
2
xuhE
xuE xx
hxx
+=
(2.97)
( ) 22
2
2
yuhE
yuE xy
hxy
+=
(2.98)
hxy
hxy z
uzuE
yuE
=
2
2
hxx = (2.99)
dimana:
=x Tegangan geser yang bekerja di permukaan air =hx Tegangan geser yang bekerja di dasar perairan
Tegangan geser yang bekerja di permukaan air disebabkan oleh kecepatan angin, gaya
geser ini dapat dinyatakan sebagai berikut:
cos2ax V= (2.100a)
sin2ay V= (2.100b) Tegangan geser yang terjadi di dasar perairan dihitung dengan menggunakan rumus
empiris.
( )33.12
222
HCVUUn
gHu
hx+= (2.101)
Dengan mensubstitusikan persamaan (2.97), (2.98), (2.99), (2.100a) dan (2.101) ke ruas
kanan persamaan (2.94), diperoleh hasil sebagai berikut:
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-33
( )( ) ( )( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) 222 xuhEhxhZXUVhyUhxhUt xx +++ ++=+++++ ( ) ( ) cos233.120
222
2
2
axy V
HCVUUn
gHyuh
E ++++ (2.102)
dimana,
Hh =+ =X Gaya coriolis untuk arah x ( = sin2 dengan = 7.292x10-5 rad/s =0C 1.486
=n koefisien manning =Z gaya gravitasi = koefisien tegangan geser angin empiris =aV kecepatan angin
Persamaan (2.102) dapat disederhanakan menjadi sebagai berikut:
( ) ( ) ( )
+
+=
++
2
2
2
22
yuE
xuEH
xHgHUVH
yHU
xUH
t xyxx
( ) +++ sin2cos233.12
0
222
hVHC
VUgHUna (2.103a)
Dengan cara yang sama, diperoleh persamaan kekekalan momentum dua dimensi untuk
arah y.
( ) ( ) ( )
+
+=
++
2
2
2
22
yvE
xvEH
yHgHHV
yUVH
xVH
t yyyx
( ) +++ sin2cos233.12
0
222
hVHC
VUgHVna (2.103b)
Persamaan kekekalan momentum yang digunakan oleh RMA2 adalah:
Arah x:
+
+
+
+
+
xh
xagH
yuE
xvEh
yvhv
xvhu
tuh xyyx 2
2
2
2
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-34
( ) ( ) 0sin2cos486.1 22/122
26/1
2
=++ vhVvuh
guna (2.104a)
Arah y:
+
+
+
+
+
xh
xagH
yuE
xvEh
yvhv
xvhu
tvh xyyx 2
2
2
2
( ) ( ) 0sin2cos486.1 22/122
26/1
2
=++ vhVvuh
gvna (2.104b)
2.5 Pasang Surut
2.5.1 Analisis Pasang Surut
Analisa pasang surut dilakukan terhadap data pasang surut untuk mengetahui
karakteristik pasang surut di lokasi kajian yang akan sangat berguna untuk keperluan
desain.
Seperti yang telah diketahui, bahwa pasang surut dipengarui oleh beberpa macam gaya
yang disebut gaya pembangkit pasang surut. Masing-masing gaya akan merupakan
komponen yang menentukan karakteristik dari pasang surut pada tempat tertentu.
Tiap-tiap komponen akan berulang untuk suatu periode tertentu dan mempuyai kecepatan
sudut tertentu yang selalu tetap untuk setiap tempat di bumi ini, karena gaya pembentuk
pasang surut berasal dari gerakan bumi, bulan dan matahari yang mengikuti suatu aturan
yang tetap. Tiap-tiap komponen akan menghasilkan amplitudo dan perbedaan fasa
masing-masing dan untuk tempat tertentu hal tersebut akan selalu tetap.
Pada tempat yang berbeda, komponen tersebut akan menghasilkan amplitudo dan beda
fasa yang berbeda, bergantung pada lokasi dan keadaan geografisnya. Besarnya
amplitudo dan beda fasa pada tempat tertentu disebut dengan konstanta pasang surut
untuk tempat tersebut. Konstanta pasang surut akan menentukan karakteristik dari
pasang surut yang terjadi pada suatu tempat dan besarnya akan dapat diketahui dengan
pengamatan pasang surut dan analisanya.
Analisa pasang surut dilakukan berdasarkan persamaan di bawah ini:
( )=
+=k
iiiit atZZZ
10 cos (2.105)
Keterangan:
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-35
Zt = Tinggi muka air pada waktu t
Z0 = Tinggi muka air rata-rata
k = Jumlah komponen pasang surut
Zi = Amplitdo dari komponen ke-i
i = Kecepatan sudut dari komponen ke i t = Waktu
ai = Beda fasa dari komponen ke-i
2.5.2 Persamaan Regresi
Analisis regresi pada dasarnya adalah studi mengenai ketergantungan satu variabel
dependen (terikat) dengan satu atau lebih variabel independen (variabel penjelas/bebas),
dengan tujuan untuk mengestimasi dan atau memprediksi rata-rata populasi atau nilai
rata-rata variabel dependen berdasarkan nilai variabel independen yang diketahui
(Gujarati, 1995). Pada proses pengolahan data pasang surut metode regresi yang biasa
digunakan adalah admiralty dan least square. Metode yang akan dijelaskan dalam tugas
akhir ini adalah metode least square.
( )=
++=K
kkkkkoi tBtAAy
1sincos (2.106)
A0, Ak, Bk = Koefisien yang harus dihitung dengan Metoda Kuadrat Terkecil
K = Jumlah konstituen yang diperhitungkan.
k = Nomor konstituen.
= T2 .
T = Periode konstituen pasang surut.
t = Waktu (data lapangan).
Model pasang surut diatas dapat dinyatakan sebagai berikut.
==
++=K
kkk
K
kkkoi tBtAAy
11sincos (2.107)
dimana:
A0 = Harga elevasi muka air rata-rata
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-36
= N
yN
iii
=
Ak, Bk = Harga yang dicari.
K = Jumlah konstituen yang diperhitungkan.
k = Konstituen ke-i.
k = Frekuensi sudut konstituen ke-k. t = Waktu (data lapangan).
Error (selisih antara data dan model) dapat didefinisikan sebagai berikut:
eldata yy mod= (2.108)
ii yy = Jumlah Kuadrat Error didefinisikan sebagai berikut:
J = ( )==
=N
1i
2ii
N
1i
2 yy
Metoda kuadrat terkecil menyatakan bahwa model terbaik memberikan jumlah kuadrat
error terkecil.
J = = ==
++
N
1i
2K
1kikk
K
1kikkoi tsinBtcosAAy (2.109)
J = = ==
N
1i
2K
1kikk
K
1kikkoi tsinBtcosAAy
Variabel yang tidak diketahui adalah Ak dan Bk, sementara yang diketahui adalah k, ti dan yi.
J minimum jika turunan pertama J terhadap seluruh parameter yang berpengaruh bernilai
nol. Dalam hal ini parameter-parameter yang berpengaruh adalah Ak dan Bk.
Sehingga:
1. kAJ
= 0
0tcostsinBtcosAAy2AJ N
1itk
K
1kikk
K
1kikkoi
k=
=
= ==
(2.110)
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-37
2. kBJ
= 0
0tsintsinBtcosAAy2BJ N
1itk
K
1kikk
K
1kikkoi
k=
=
= ==
(2.111)
Dari persamaan di atas dapat diuraikan sebagai berikut.
=== ===
=+N
iiki
N
iik
N
i
K
kik
N
itkk
K
kiktkk tytAttBttA
110
1 111coscossincoscoscos
=== ===
=+N
iiki
N
iik
N
i
K
kik
N
itkk
K
kiktkk tytAttBttA
110
1 111sinsinsinsincossin
Dalam bentuk matrik dinyatakan sebagai berikut:
====
====
K
kik
N
itk
K
kik
N
iik
K
kik
N
iik
K
kik
N
iik
tttt
tttt
1111
1111
sinsincossin
sincoscoscos
k
k
B
A
=
==
==
N
iiki
N
iik
N
iiki
N
iik
tytA
tytA
110
110
sinsin
coscos
Untuk 1 buah konstituen, K=1
==
==
N
iii
N
ii
N
iii
N
ii
ttt
ttt
11
21
11
111
11
2
sincossin
sincoscos
1
1
B
A
=
==
==
N
iii
N
ii
N
iii
N
ii
tytA
tytA
11
110
11
110
sinsin
coscos
Untuk 2 buah konstituen, K=2
dalam persamaan matrik [ ]{ } { }CXM = Dimana:
[ ]M =
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-38
====
====
====
====
N
iii
N
ii
N
iiii
N
ii
N
iit
N
it
N
iit
N
iii
N
iiii
N
ii
N
iii
N
ii
N
iit
N
iit
N
iit
N
ii
ttttttt
ttttttt
ttttttt
ttttttt
12
22
12
1121
12
122
12
2
112
112
1212
11
11
21
11
121
121
111
11
2
sincossinsinsincossin
sincoscossincoscoscos
sinsincossinsincossin
sincoscoscossincoscos
{ }X =
2
2
1
1
B
A
B
A
{ }C =
==
==
==
==
N
iii
N
ii
N
iii
N
ii
N
iii
N
ii
N
iii
N
ii
tytA
tytA
tytA
tytA
12
120
12
120
11
110
11
110
sinsin
coscos
sinsin
coscos
Untuk jumlah konstituen yang lain ditentukan dengan cara yang sama. Ukuran matrik
dengan N buah konstituen adalah Matrik 2N x 2N.
-
Simulasi Sedimentasi di Alur Masuk Pelabuhan Pulau Baai dengan Perangkat Lunak SMS 8.1 2-39
2 Dasar Teori.................................................... 1
2.1 Hindcasting.......................................................................................................... 1
2.1.1 Data Angin....................................................................................................... 2
2.1.2 Daerah Pembentukan Gelombang (Fetch Efektif)........................................... 7
2.1.3 Peramalan Data Gelombang........................................................................... 8
2.1.4 Analisis Frekuensi Gelombang...................................................................... 11
2.2 Transport Sedimen Sejajar Pantai .................................................................... 14
2.3 Persamaan Kontinuitas ..................................................................................... 18
2.4 Persamaan Kekekalan Momentum ................................................................... 24
2.5 Pasang Surut..................................................................................................... 34
2.5.1 Analisa Pasang Surut .................................................................................... 34
2.5.2 Persamaan Regresi....................................................................................... 35
Gambar 2.1 Perhitungan harga rasio RL sebagai fungsi dari UL ..................................... 5
Gambar 2.2 Grafik Nilai RT vs T (SPM 1984)............................................................... 7
Gambar 2.3 Flowchart peramalan tinggi dan periode gelombang................................. 11
Gambar 2.4 Ilustrasi Komponen Energi Gelombang Setelah Pecah ............................ 16
Gambar 2.5 Ruang tilik kubus dalam fluida................................................................... 19
Gambar 2.6 Definisi h dan .......................................................................................... 23
Gambar 2.7 Gaya-gaya yang bekerja pada elemen fluida ............................................ 26
Tabel 2.1 Pengelompokan Arah Angin Berhembus ........................................................ 3