Hidrogeologi 01

Hidrogeologi

Program Studi Teknik Pertambangan

Universitas Negeri Padang

(bagian pertama)

Dr. Sudarto Notosiswoyo Guru Besar Bidang Hidrogeologi

Institut Teknologi Bandung

16 – April - 2013

SN - Hidrogeologi => TA - UNP 1

Terminologi:

Hidrogeologi = hidrologi + geologi ilmu mengenai

airtanah (groundwater)

Geohidrologi = geologi + hidrologi

Kedua terminologi tersebut sekarang sudah tidak banyak

dibedakan karena sama pentinngnnya Hidrogeologi

(Hydrogeology)

Istilah lain: groundwater hydrology (hidrologi airtanah)


PENDAHULUAN

Ilmu dasar yang diperlukan (untuk belajar hidrogeologi):

Matematika/ kalkulus

Kimia (kimia dasar, kimia analitik, kimia fisik/termodinamika)

Geologi (litologi, stratigrafi, geologi struktur, sedimentologi)

Mekanika fluida


Buku Acuan:

Applied Hydrogeology – Fetter

Groundwater Hydrology – Todd

Field Hydrogeology – Brassington

Subsurface Hydrology – Pinder & Celia

Physical and Chemical Hydrogeology – Domenico &

Schwartz

Introduction to Hydrology – Viessman & Lewis

dll


Kenapa air penting ?

Air (tawar) adalah kebutuhan hidup manusia dan makhluk

hidup yang lain, terutama yang hidup di darat

Air (tawar) juga merupakan salah satu bagian dan

pendukung kelestarian lingkungan

Manusia memerlukan air tawar yang memenuhi syarat

kesehatan


Airtanah (= groundwater):

Airtanah sebagai sumberdaya

• Air minum

• Bahan baku pada industri minuman/makanan

• Sumber air irigasi

Airtanah sebagai faktor lingkungan

• Penunjang lingkungan (hidup)

• Penunjang aktivitas (alat kerja)

• Pengganggu aktivitas manusia => di tambang dan

konstruksi sipil

• Penyebar polutan SN - Hidrogeologi => TA - UNP 6

Apakah Air Tawar yang ada di Bumi Cukup ?

Sumberdaya air tawar di bumi cukup banyak (selama siklus

hidrologi masih berjalan, air tawar akan selalu ada)

Persediaan air bersih yang terbatas/terganggu, karena:

• jumlah manusia semakin banyak

• tingkat pencemaran semakin tinggi

• pemakaian air yang sulit dikontrol

• pengelolaan air yang belum baik

• distribusi yang tidak merata

• gangguan perubahan iklim


Air di bumi terdapat dlm bentuk:

Air laut (97 %)

Air permukaan lainnya (sungai, danau, dll.)

Es dan salju (di kutub dan puncak-puncak gunung)

Uap air/ awan

Air yang berada di dalam bumi (airtanah, air geotermal, uap,

magma, air formasi, atau terikat pada mineral



Komposisi Air di Bumi

Kenapa airtanah ?

Airtanah lebih tidak rentan terhadap perubahan iklim

Airtanah lebih tidak rentan terhadap pencemaran

Airtanah bisa terdapat pada wilayah-wilayah yang curah

hujannya kecil (jika kondisi geologinya memungkinkan)

(airtanah mengandung ion-ion (mineral) standar yang

diperlukan manusia)


Dimana terdapat airtanah ?

Berada di bawah permukaan tanah (di dalam tanah) dalam

keadaan jenuh (dalam kondisi tidak jenuh => air lembab)

Mengisi rongga atau pori-pori tanah/batuan, pada zona

jenuh air

Gerakan/alirannya (terutama) dipengaruhi oleh gravitasi


Keterdapatan Airtanah di alam:

Terdapat bahan (pembentuk) air (air hujan/air meteorik),

salju/es

Ada tempat untuk menampung (wadah):

• pori-pori pada tanah/batuan

• Rekahan pada batuan

Batuan/tanah berfungsi sebagai wadah airtanah:

• Wadah akuifer

• Penyekat akuifug, akuitard, akuiklud


AIR DI BUMI KITA

Kontrol geologi yang membangun sistem (wadah)

airtanah dalam batuan:

• Tanah => sedimen lepas atau tanah hasil pela[ukan

• Litologi => jenis batuan

• Stratigrafi => susunan batuan

• Struktur geologi => rekah pada batuan (sesar, kekar)

Proses yang membantu pembentukan airtanah:

• resapan (infiltrasi)

• aliran airtanah

• penyimpanan (storage)

• reaksi kimia air (kualitas airtanah) SN - Hidrogeologi => TA - UNP 13

14

Mengenal Karakteristik Air Tanah

Daerah Resapan

Media Pembawa (Aquifer)

Fenomena Transport

Topografi / Kemiringan

Curah Hujan

Jenis Tanah / Topsoil

Vegetasi

Iklim

Sifat Fisik

Sifat Kimia

Porositas

Permeabilitas

Litologi Proses Pembentukan Tipologi Aquifer

Mineral Geokimia Umur Air Tanah & Perjalanan Air Tanah

Head, Pressure

Kontur Muka Airtanah

Sebaran Lateral Aquifer

Flow Net: Equipotential Line & Arah Aliran

Stratigrafi (perlapisan vertikal) Isotrop? Infinite?

Konduktifitas Hidraulik SN - Hidrogeologi => TA - UNP

Airtanah berasal dari air hujan:

air hujan => air permukaan => meresap ke dalam

tanah (infiltrasi/perkolasi) => airtanah (tersimpan/

mengalir di dalam akuifer)

Proses yang terjadi:

• Infiltrasi

• Perkolasi

• Storage


Siklus Hidrogeologi


Skema Neraca Air (air meteorik)


AWAN

AIR PERMUKAAN (laut, sungai, danau, rawa, es)

AIRTANAH (airtanah bebas/ airtanah tertekan)

Infiltrasi/

Perkolasi

Kondensasi/ Hujan

Mata Air

P

I

ET

R

P = R + ET + I

Neraca Air:

Neraca air menunjukkan hubungan antara komponen-2 dalam

siklus hidrgeologi, => dinyatakan sebagai persamaan:

P = R + ET + I atau P = R + ET + (BF + dS)

di mana :

P = presipitasi/ curah hujan

R = run off/ limpasan

E = evaporasi

T = transpirasi

ET = evapo-transpirasi

I = infiltrasi

BF = base flow/ aliran sungai dari mata air

dS = recharge/ imbuhan airtanah SN - Hidrogeologi => TA - UNP 18

Presipitasi (curah hujan) => Alami/ Buatan

Pengukuran curah hujan:

• Penakar curah hujan (standard); => BMKG (bisa yang lain,

tidak terstruktur)

• Satuan intensitas hujan: dalam mm => utk 1 mm kolom air

pada penakar = 1 m3 air hujan/ m2 (inggris: inchi)

Penyajian data:

• Tabel Curah Hujan (harian, bulanan, tahunan)

• Dalam bentuk grafik (harian, bulanan, tahunan)

• Peta kontur curah hujan (isohyet)

Presipitasi (curah hujan)


Cara rata-rata aritmatik:

P = Σ pi ; (i = 1 → n)

Titik pengukuran curah hujan dan

intensitas hujan

Isohyet curah hujan

Metode kontur:

Dibuat kontur cyrah hujan (interpolasi), dengan

jarak pengaruh = ½ jarak interval kontur

P = Σ nilai kontur-i x Ai daerah

pengaruh


Poligon Thiessen

P = Σ pi.Ai ; (i = 1 → n)

Ai = luas daerah pengaruh dapat dihitung (planimeter dll)



Perhitungan Intensitas Curah Hujan Dgn Methoda Poligon

Data Curah Hujan

Bisa didapat dari stasiun BMKG atau setasiun penakar

hujan lainnya

Dalam bentuk data mentah, lengkap dengan data

temperatur, kelembaban, arah dan kecepatan angin, dll;

atau

Bisa dalam bentuk hasil olahan: curah Hujan Rata-rata

harian, bulanan, tahunan


Evaporasi-Transpirasi dipengaruhi oleh:

Curah hujan (ketersediaan air permukaan)

Temperatur udara

Waktu penyinaran matahari (energi: panas)

Kelembaban udara relatif (+ tekanan udara dan kecepatan

angin)

Jenis vegetasi (luas permukaan daun)

Kepadatan pohon/ tumbuhan

Kemiringan lahan (waktu tinggal air)

dll. SN - Hidrogeologi => TA - UNP 24


Dari Fetter: Applied Hydrogeology

0.26”/day

Infiltrasi dan Perkolasi

Infiltrasi (mm/ inci) => banyaknya air hujan/ air permukaan

yang masuk ke dalam tanah (ke bawah permukaan tanah)

Perkolasi => infiltrasi yang (bisa) mencapai zona jenuh

membentuk airtanah

Jika air infiltrasi tidak cukup banyak => hanya akan mengisi

zona tidak jenuh air (tidak menjadi airtanah)


Infiltrasirasi (resapan) dipengaruhi oleh:

Curah hujan (ketersediaan air permukaan)

Waktu kontak air dengan tanah (dipengaruhi oleh:

evaporasi, run off, kemiringan lahan)

Karakteristik tanah (porositas & permeabilitas)

Tingkat kejenuhan tanah di permukaan

Evapo-transpirasi


fp= fc + (f0-fc)e-kt

Proses infiltrasi

Infiltrasi

Runoff


Simpanan depresi (genangan?)

Depresi: permukaan tanah (topografi) umumnya tidak rata

dan mempunyai cekungan/ cerukan dengan ukuran yang

bervariasi, mulai dari skala cm sampai km

Simpanan depresi: adalah air hujan yang sudah mencapai

permukaan tanah dan terperangkap pada cekungan/

cerukan permukaan tanah, dan hanya bisa menguap atau

masuk ke dalam tanah


Run off (Aliran permukaan/ limpasan)

Run off adalah aliran air permukaan (air hujan) yang yang

berasal dari suatu wilayah tertentu (DAS)

Daerah tangkapan hujan (catchment area) = DAS (Daerah

Aliran Sungai): suatu wilayah yang dibatasi oleh garis puncak

topografi, sehingga air hujan yang jatuh di dalam wilayah

tersebut mengalir kedalam lembah (cekungan DAS) tertentu

Pengukuran debit: dengan memakai/ membuat weir

(penampang pengukuran aliran) yang dipasang di sungai

yang merupakan outlet air permukaan dari DAS ybs. Bisa

juga dengan alat ukur lainnya (current meter dll) SN - Hidrogeologi => TA - UNP 30

Titik pada elevasi tertinggi

Titik pada elevasi terendah pada

penampang ybs

Batas Daerah Aliran Sungai (DAS)


Pengukuran limpasan (run off) pada suatu wilayah tertentu

Run off diukur untuk suatu daerah aliran tertentu (daerah aliran

sungai tertentu = DAS)

DAS dibatasi oleh bagian topografi tertinggi, kecuali pada

outletnya

DAS dapat dibagi dalam beberapa sub-DAS

Run off dikukur pada outlet DAS atau sub-DAS yang

bersangkutan


Pengukuran bisa dilakukan secara kontinu atau periodik

(yang baik adalah pengukuran yang kontinu)

Dari hasil pengukuran di atas didapatkan data:

• Besarnya curah hujan rata-rata di suatu wilayah (DAS) tertentu (= P)

per satuan waktu

• Evapo-transpirasi rata-rata di wilayah tersebut (= ET) per satuan

waktu

• Limpasan rata-rata di wilayah tersebut (= R) per satuan waktu

• Dari rumus P = R + ET + I , maka besarnya infilltrasi di wilayah

tersebut dapat diduga

Jika luas DAS dapat diketahui, maka jumlah masing-masing

besaran pada DAS ybs dapat dihitung SN - Hidrogeologi => TA - UNP 33

Qt = Q0e-αt

α = konstanta resesi cekungan

t = waktu

Hasil pengukuran debit sungai

(hidrograf)


Perbedaan Debit Sungai di Hulu dan Hilir

Q1-Q2 = < 0 lossing stream

Q1-Q2 = > 0 gaining stream

Q2

Q2


Pengukuran Debit

Penting: dalam pengukuran tsb => aliran air harus dalam

keadaan laminer

Q = v.A (L3/ t)

di mana v = kecepatan aliran

A = luas penampang kolom air sungai

Alat ukur debit:

• Weir trapesium

• Weir ½ lingkaran

• Weir V-notch

• Current meter SN - Hidrogeologi => TA - UNP 36

Base Flow:

Dari hasil pengukuran debit => bisa didapatkan juga besaran

base flow (aliran air sungai pada saat tidak ada hujan)

hanya berasal dari mata air yang terdapat di dalam DAS ybs


Debit (sungai) Q = V.A

Untuk pengukuran per segmen qi = vi.di.wi

sehingga debit total Q = Σqi, i dari 1 sampai n

Metode pengukuran:

• Weir

• V-notch

• Segmen (tali + current meter)

Syarat: kecepatan aliran laminer !


Weir siku-siku:

Q = 3 1/3 (L-0,2H).H3/2

atau

V = (1/n).R2/3.S1/2

Persamaan Manning:

V = (1,49 R2/3 S1/2)/n V = kec aliran rata-rata

R = luas penampang aliran/ panjang dinding basah

S = gradient (slope)

atau

V = (1/n) R2/3 S1/2 SN - Hidrogeologi => TA - UNP 39

Pengukuran debit sungai (run off) dengan metoda penampang &

current meter

Jika dasar sungai tidak teratur:

T = Σ ti /n ; L = Σ li A = L x T

Q = A x v Vi = dengan current meter pada tiap segmen

ti = tinggi air dari dasar tiap segmen

li = lebar segmen SN - Hidrogeologi => TA - UNP 40

Porositas (n) : perbandingan volume rongga dalam batuan

terhadap volume totalnya (satuan: %)

• Porositas absolut: porositas, di mana antara rongga-

rongganya tidak saling berhubungan

• Porositas efektif: porositas, yang rongga-rongganya saling

berhubungan

Konduktivitas/ Permeabilitas (intrinsic, k) : kemampuan suatu

benda untuk meluluskan fluida (satuan: panjang / waktu)

Konduktivitas hidraulik/ Permeabilitas (K) : kemampuan suatu

benda (akuifer) untuk meluluskan air (satuan: panjang/waktu)

Porositas dan Konduktivitas Hidraulik


Porositas

Pada saat pembentukannya ada batuan yang padat (solid) ada

yang berongga (porous)

Padat: batuan beku, batuan metamorf, batuan sedimen tua

(intact rocks)

Batuan berongga: sedimen muda (belum terkonsolidasi),

batuan padat terkekarkan (jointed => rockmass), tanah hasil

pelapukan

• Porositas: n = Vv / Vt x 100%

• Porositas total: n = (1- ρb / ρd) x 100 %

• Porositas efektif

• Porositas absolut SN - Hidrogeologi => TA - UNP 43


Porositas batuan/tanah

n = (Vv / Vt) x 100% .

Vg

Vw

Vv

Vs

Gas

Water

Solid

Vt

Cubic packing

Rombhohedral

packing

Sorting baik

Sorting tidak baik

(beragam ukuran)


Porositas dan permeabilitas

batuan tergantung pada:

• Ukuran butir

• Pilahan (sorting)

• % semen

• Rekahan (fracturing)

Batuan => rekahan

Tanah/soil (endapan

volkanik) => ruang

antar butir (pori)

Endapan sedimen

Batuan sedimen

(terkonsolidasi =>

kompak

Endapan aluvial

sungai => lepas


Sayatan tipis batuan beku (mikroskopis)

=> kompak => impermeable

Batuan terkekarkan sangat kuat =>

massa batuan => permeabel

Pori-pori asli => K > Pori-pori mulai

tersemen => K <

Pori-pori tersemen

kuat => K << SN - Hidrogeologi => TA - UNP 47


Klasifikasi Material Lepas berdasarkan Tekstur

Kontur “Sy” sama


Konduktivitas Hidraulik (Permeabilitas)

Q ~ (hA-hB)

Q ~ 1/ L Hukum Darcy: Q = - KA {(hA-hB) / L}

Q = - KA (dh/ dL) atau

K = - Q/ A(dh/dL)

K = -(L3/T)/ (L2)(L/ L = L/ T Konduktivitas hidraulik =>

Percobaan Darcy


Debit air yang lewat tabung

sebanding dengan ukuran butir

– densitas air – dan viskositas

air:

Q ~ d2

Q ~ γ

Q ~ μ


Hukum Darcy: Q = - KA {(hA-hB) / L}

Q = - KA (dh/ dL)

Konduktivitas Hiraulik:

K = - Q/ A(dh/dL)

K = -(L3/T)/ (L2)(L/ L) = L/ T

atau

Debit (Q) alira air tergantung pada:

Diameter butiran (Ǿ)

Berat jenis (γ) dan

Viskositas (μ)

Q ~ d2

Q ~ γ

Q ~ μ


Kurva Distribusi Ukuran Butir Pasir Halus

Cu = d60-d10

Cu = uniformity coefficient

Persamaan Darcy juga dapat ditulis:

Q = - (Cd2γA)/ μ (dh/ dL)

Konduktivitas intrinsic:

Ki = Cd2 (L2)

Konduktivitas hidraulik:

K = Ki (γ/ μ)

K = Ki (ρg/ μ)



Darcy’s Law


Sebaran Harga Permeabilitas Intrinsic (k) dan

Konduktivitas Hidraulik (K)

Permeabilitas Sedimen (lepas):

Metode Hazen:

K = C(d10)2

K (cm/det)

d10 (cm)

C = koefisien : pasir sangat halus, terpilah buruk 40-80 pasir halus + material halus 40-80 pasir sedang, terpilah baik 80-120 pasir kasar, terpilah buruk 80-120 pasir kasar, terpilah baik, bersih 120-150


Nilai konduktivitas hidraulik batuan dapat diperoleh dari:

Test laboratorium:

• Contoh tergangggu => metoda Hazen => hasil tidak

akurat

• Contoh tak terganggu => permeameter => lebih akurat

Falling head

Constant head

Test lapangan (pada lubang bor):

• Slug test

Falling head

Constant head

• Pumping test SN - Hidrogeologi => TA - UNP 59

Permeameter (constant head)

Qt = - Kat(hA-hB)/ L

K = VL/ Ath

V = volume air mengalir pada saat t

L = panjang contoh

A = luas penampang contoh

h = head


Permeameter (falling head)

K = (dt2L/ dc

2t) ln (h0/ h)

L = panjang contoh

ho = tinggi kolom air awal

h = tinggi kolom air saat t

t = waktu dari h0 ke h

dt = diameter dalam tabung

dc = diameter contoh


Isotropi dan Anisotropi

Konduktivitas Hidraulik

Disebabkan oleh:

Diskontinuitas sebaran dan dimensi akuifer

(perbedaan) dimensi dan bentuk butiran

Orientasi rekahan

(perbedaan) bentuk, sebaran, dan dimensi rekahan)


Sebaran dan dimensi Brntuk dan dimensi butiran

Orientasi rekahan Bentuk, sebaran, dan dimensi rekahan


Kalau masing2 lapisan isotrop:

Kv = Σ (Ki bi) / Σ bi

Kh tetap masing-masing =

K1, K2, dan K3

Kalau masing2 lapisan an-isotrop:

Kh # Kv

ada 3 harga Kh

ada 3 harga Kv

Kh av = Σ (Khi bi) / b

Kv av = b / (Σ bi / Kvi)

Variasi harga ‘K’ jika terdapat perbedaan litologi


Tidak semua airtanah dapat mengalir, ada yang tertinggal (pendular

water)

Sy = Yield spesifik (mengalir)

Sr = Retensi spesifik (tertahan)

n = Sy + Sr

a) b)

a) Akuifer jenuh air

b) Akuifer tidak jenuh air

Specific Yield (Sy)


Hidrogeologi 01

Documents

Transcript of Hidrogeologi 01