BAHAN AJAR DAN EVALUASI MATERI I PENDAHULUAN

(Minggu ke 1-2)

MK. HIDROLOGI DASAR

Oleh:

Sudarmadji Suyono

Pramono Hadi Tjahyo Nugroho Adji

Kata kunci: potamologi, geohidrologi, limnologi, hidrometeorologi, kriologi, siklus hidrologi, infiltrasi, perkolasi, soil moisture, airtanah, run-off, evaporasi, transpirasi, simpanan air lengas tanah,

simpanan air intersepsi, simpanan air run-off, simpanan air airtanah

PROGRAM STUDI GEOGRAFI DAN ILMU LINGKUNGAN JURUSAN GEOGRAFI LINGKUNGAN

FAKULTAS GEOGRAFI UGM 2014

2

MATERI I

PENDAHULUAN

1.1. Pengantar Air merupakan salah satu sumberdaya alam yang sangat berharga. Tanpa

air tidak mungkin ada kehidupan di muka bumi ini. Disamping mempunyai manfaat secara biologis, air juga mempunyai energi berupa daya angkut dan daya pukul. Energi air dapat dimanfaatkan untuk menunjang kehidupan manusia, bahkan kadangkala air dapat juga menjadi tenaga perusak. Tetes air dan aliran air dapat menyebabkan kerusakan tanah melalui proses erosi, pencucian unsur hara dan sedimentasi tubuh perairan. Hujan dan aliran air yang berlebihan dapat menimbulkan banjir di suatu ruang tertentu (sepanjang alur sungai, dataran banjir/aluvial). Banjir merupakan proses alami yang dapat menimbulkan dampak negatif bagi kehidupan dan dilaporkan sudah terjadi sejak jaman dahulu. Dewasa ini, intensitas dan kerugian akibat banjir dirasakan makin meningkat. Mekanisme dan faktor penyebab banjir dapat dikaji dengan ilmu hidrologi secara keruangan dengan pendekatan geografis/spasial.

Air didefinisikan sebagai suatu sumberdaya karena mempunyai nilai kemanfaatan sesuai dengan keberadaannya untuk memenuhi kebutuhan yang ditentukan oleh pemanfaat. Air digunakan untuk memenuhi kebutuhan manusia seperti kebutuhan air untuk domestik, pertanian, industri, pembangkit tenaga listrik, transportasi dan keamanan. Air merupakan sumberdaya alam yang terbarukan namun keberadaannya terbatas karena keberadaan dan karakteristiknya sangat ditentukan oleh kondisi lingkungan. Air bergerak tanpa mengenal batas administrasi (batas kecamatan ,kabupaten, propinsi bahkan negara). Ilmu yang mempelajari air adalah hidrologi. Menurut Linsley et. al. (1975) hidrologi adalah cabang dari ilmu geografi fisik yang berurusan dengan air dimuka bumi yang sebatas pada lapisan kehidupan dengan sorotan khusus pada sifat, fenomena dan distribusi air di daratan. Hidrologi dikategorikan secara khusus mempelajari kejadian air di daratan/bumi, deskripsi pengaruh sifat daratan terhadap air, pengaruh fisik air terhadap daratan dan mempelajari hubungan air dengan kehidupan.

Ruang Lingkup kajian hidrologi : 1. Pengukuran, pencatatan dan publikasi data air 2. Deskripsi tantang sifat, fenomena dan distribusi air menurut ruang maupun

waktu 3. Analisis data air untuk membangun teori-teori yang ada dalam hidrologi 4. Aplikasi teori-teori hidrologi untuk memecahkan masalah-masalah praktis

yang berkaitan dengan air seperti banjir, kekeringan, dan penyediaan air.

Hidrologi bukanlah ilmu yang berdiri sendiri, tetapi berhubungan dengan bidang ilmu lain seperti meteorologi, klimatologi, geologi, geomorfologi, agronomi , kehutanan, ilmu tanah, hidraulika, statistik , matematika, kimia air, dan geografi fisik.

3

Seiring dengan pertumbuhan penduduk dan pembangunan, kebutuhan air semakin meningkat dan kondisi lingkungan dirasa semakin menurun sehingga keberadaan air semakin terancam, sehingga diperlukan ilmu pengelolaan sumberdaya air (water resources management) yang menekankan pada kajian tentang efisiensi dan optimalisasi penggunaan air serta cara-cara konservasi untuk kelestarian air melalui arahan pemanfaatan, penataan, pengawasan, pengendalian, pemulihan, dan pemantauan.

Menurut the International Association of Scientific Hydrology (Linsley et. al, 1975) hidrologi dapat dibagi menjadi lima cabang yaitu:

1. Potamologi (potamology), khusus mempelajari aliran air permukaan dalam alur/sungai (suface stream)

2. Linologi (limnology), khusus mempelajari air permukan yang relatif diam seperti air danau.

3. Geohidrologi (geohydrology), khusus mempelajari air dibawah permukaan tanah pada zone jenuh air

4. Kriologi (crylogy), khusus mempelajari es dan salju. 5. Hidrometeorologi (hydrometeorology), khusus mempelajari masalah-

masalah yang ada antara meteologi dan hidrologi. Mengingat kajian air tidak hanya dari aspek kuantitas dan distribusinya,

aspek kualitas air juga menentukan peruntukan air. Oleh karena itu ilmu kualitas air (water quality) diperlukan dalam kajian hidrologi. 1.2. Daur Hidrologi Air merupakan zat yang dapat berwujud padat, cair, dan gas dengan senyawa kimia H2O. Wujud air dapat berubah-ubah tergantung kondisi cuaca. Ada 3 wujud air, yaitu: 1) wujud padat (solid state) sebagai kristal es, 2) wujud cair (liquid state) sebagai air, dan 3) wujud gas (gaseous state) sebagai uap air. Dalam setiap proses perubahan bentuk, terjadi pelepasan panas atau penyerapan panas seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1.1.

Gambar 1.1. Tiga Wujud Air dan Prosesnya

4

Selanjutnya, daur hidrologi menjelaskan peredaran air di muka bumi. Peredaran air dan keberadaan air didaratan dijelaskan pada Gambar 1.2. Hujan dari atmosfer jatuh ke darat pada berbagai kondisi penutupan lahan, jatuh di hutan, lahan terbuka, sawah, daerah perdesaan dan perkotaan; jatuh di berbagai kondisi topografi dan tipe tanah yang berbeda. Kondisi lahan dimana air hujan jatuh akan menentukan besaran hujan yang terinfiltrasi dan bagian hujan yang akan menjadi limpasan (overlandflow). Air hujan yang terinfiltrasi akan menjadi simpanan/timbunan air dibawah permukaan tanah (subsurface water storage) sebagai lengas tanah (soil moisture) dan airtanah (groundwater).

Sebagian air hujan tersimpan di permukaan tanah sebagai simpanan air permukaan (surface storage) seperti air danau, air rawa, air waduk; ada sebagian air hujan tersimpan sementara ditajuk daun sebagai simpanan intersepsi (interception storage) yang segera kembali ke atmosfer melalui proses evaporasi. Air kembali ke atmosfer melalui evaporasi dan transpirasi. Air di daratan ini ada yang mengalir dalam alur-alur sungai sebagai runoff dan berakhir di laut. Sumber air runoff berasal dari overland flow dan aliran air yang berasal dari aliran dari bawah permukaan (subsurface flow) yang terdiri dari interflow dan baseflow.

Daur hidrologi oleh beberapa pakar dapat digambarkan dalam suatu diagram alir dengan versi yang berbeda-beda tergantung dari tujuan dan tekanan pembahasannya. Nagle dan Spencer (1997) menggambarkan daur hidrologi dari suatu daerah aliran sungai (DAS) (Gambar 1.3.). Daur hidrologi ditampilkan dengan model yang sederhana oleh van de Griend (1979) seperti ditunjukkan pada Gambar 1.4. Chorley (1969) juga mengilustrasikan daur hidrologi dari suatu DAS dengan penampilan yang agak berbeda (Gambar 1.5.).

Gambar 1.2. Blok diagram daur hidrologi (Todd,1980)

5

Memperhatikan Gambar 1.4., di daratan atau lebih khusus disuatu DAS, simpanan atau timbunan air dapat berupa:

a. Simpanan intersepsi, yaitu air yang menempel melekat ditajukan daun, batang pohon atau semak. Simpanan intersepsi dipengaruhi oleh: jenis dan kerapatan vegetasi, umur, dan kondisi cuaca. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada suatu tegakan hutan, intersepsi selama musim hujan sangat bervariasi tergantung dari karakteristik hujan dan angin. Intersepsi hutan pinus berkisar antara 24% sampai 32% dari total hujan (Fakultas Kehutanan UGM, 1976). Sementara itu, intersepsi hutan tropis mempunyai nilai kurang lebih 40% dari total hujan (Asdak, 1995.).

Gambar 1.3. Diagram alir daur hidrologi DAS (Nagle, 1997)

b. Simpanan permukaan, yaitu air yang tersimpanan dipermukaan tanah dalam

ledok-ledok (surface depression), berupa air danau, air rawa, dan air waduk. Besar kecilnya simpanan air ini tergantung pada karakteristik bentang lahan (landscape) dan topografi daerahnya. Bentang lahan dataran aluvial sering dijumpai rawa-rawa, oxbow lake dan laguna di daerah pantai. Pada daerah gunung api sering terjadi danau kawah, dan pada daerah perbukitan dan pegunungan sering dijumpai waduk buatan atau danau alam yang terbentuk karena aliran sungai terbendung oleh longsoran.

c. Simpanan lengas tanah, yaitu air yang tersimpan dalam pori-pori tanah pada zona tidak jenuh air. Besar kecilnya simpanan air ini tergantung dari tekstur dan struktur tanah, tebal lapisan tanah dan topografi. Lengas tanah ini tersimpan pada zone aerasi yaitu zone yang tidak 100% jenuh air.

6

d. Simpanan airtanah (groundwater storage), yaitu air yang tersimpan di zone jenuh air dibawah permukaan tanah. Besar kecilnya simpanan airtanah tergantung dari karaktersitik geologi, geomorfologi dan hujan. Lapisan batuan yang mampu menyimpan dan melepas air dalam jumlah besar dan ekonomis dikenal sebagai akuifer (aquifer).

Gambar 1.4. Diagram alir daur hidrologi

1.3. Neraca Air Neraca air merupakan penaksiran secara kuantitatif dari komponen-komponen daur hidrologi dalam format persamaan neraca air yaitu berupa neraca masukan (input) air dengan keluran air (output). Prinsip dalam neraca air adalah selama periode waktu tertentu, masukan air total pada suatu ruang tertentu harus sama dengan keluaran total ditambah perubahan simpanan atau cadangan air. Neraca air dari berbagai ruang menurut Seyhan (1977) adalah sebagai berikut:

a) Neraca air bumi b) Neraca air DAS c) Neraca air dalam akuifer d) Neraca air dalam tanah e) Neraca air danau

7

Gambar 1.5. Diagram alir daur hidrologi DAS (Chorley, 1969)

1.3.1 Neraca Air Bumi Gambar 1.6. menunjukkan komponen neraca air bumi, arah aliran air serta

jumlah air dalam satuan tebal/panjang.

8

Gambar 1.6. Neraca Air Bumi

Keterangan : - Presipitasi jatuh dilaut dan daratan - Presipitasi yang jatuh didaratan menjadi runoff masuk kelaut - Air kembali ke atmosfer sebagai evaporasi di laut dan evapotranspirasi

di daratan.

1.3.2 Neraca Air Daerah Aliran Sungai (DAS) Daratan hampir seluruhnya terbagi dalam satuan DAS. Neraca air pada DAS disajikan pada Gambar 1.7.

Gambar 1.7. Neraca Air Daerah Aliran Sungai (DAS)

Dengan anggapan bahwa DAS tidak menerima atau mengeluarkan air ke DAS di sebelahnya (stream piracy = 0), masukan air berupa air hujan, keluaran

9

air berupa runoff ke laut serta evapotranspirasi dan simpanan air dalam DAS berupa simpanan air permukaan, simpanan air bawah permukaan, maka neraca airnya dapat didefinisikan sebagai:

P = Ro + Eta S

Keterangan: P = presipitasi jatuh di DAS Ea = evapotranspirasi aktual Q = runoff keluar DAS di outlet = Ro S = perubahan simpanan air.

Dalam kurun waktu lama , perubahan simpanan air di DAS dapat dianggap nol, sehingga persamaan neraca airnya adalah sebagai berikut:

P = Ro + Ea

Pada perhitungan kurun waktu panjang, perubahan simpanan air = nol,

sehingga total runoff rata-rata adalah :

Ro = P - Ea Contoh: Luas DAS= 500 km2, presipitasi rata-rata = 2500 mm/th dan

evapotranspirasi = 1500 mm/th, runoff terhitung sebasar 1000 mm/th atau total volume runoff sebesar = (2500 mm - 1000 mm) x 500 juta meter persegi = 500 juta meter kubik per tahun.

1.3.3. Neraca Air Akuifer Gambar 1.8. menunjukan profil vertikal dari suatu lapisan tanah dan batuan, zone aerasi dan zone jenuh air serta arah aliran air. Memperhatikan gambar tersebut ada masukan air ke dalam kolom penyimpan airtanah (akuifer), aliran keluar dari akuifer dan air tersimpan dalam kolom akuifer.

10

Gambar 1.8. Parameter Neraca Air Akuifer

Keterangan: Masukan:

Fr = perkolasi Qi = aliran airtanah dari hulu

Simpanan airtanah:

Sg = perubahan simpanan airtanah

Keluaran: Qo = aliran airtanah keluar dari kolom akuifer Eta = evapotranspirasi aktual Qex = debit pompa sumur C = air kapiler

Persamaan neraca airtanahnya adalah sebagai berikut:

Fr + Qi = Qo + Eta + C Sg

Masukan air dari permukaan tanah , berupa air yang mengalami infiltrasi adalah hujan bersih (net rainfall) minus infiltrasi. Bila masukan air lebih kecil dari keluaran air, simpanan airtanah akan berkurang yang ditandai dengan penurunan muka airtanah dan sebaliknya. Untuk menjaga kuantitas airtanah, maka perlu dilakukan pengawasan dan perlindungan daerah resapan air dan pengawasan pengambilan airtanah melalui sumur-sumur untuk industri dan irigasi lahan sawah.

11

1.3.4. Neraca Air Pada Kolom Tanah Neraca air ini penting untuk ahli-ahli dibidang pertanian. Hal yang dianggap penting dari neraca ini adalah berapa besar air yang ada dalam kolom tanah (berapa besar lengas tanah yang tersedia dalam tanah pada berbagai kedalaman), karena ada kaitannya dengan konsumsi air oleh tanaman pertanian. Model neraca air pada kolom tanah ditunjukkan ini pada Gambar 1.9.

Gambar 1.9. Model Neraca Air dalam Kolom Tanah

Keterangan: Masukan :

Fr = infiltrasi. Fr = (P + Qsi) Qso) Qsi = overlandflow masuk ke petak tanah

P = hujan jatuh di petak tanah Qi = aliran bawah permukaan masuk ke kolom tanah C = air kapiler dari airtanah, masuk ke kolom tanah

Keluaran: Ea = evapotranspirasi Fr = perkolasi

Qo = aliran bawah permukaan keluar dari kolom tanah Qso = overlandflow keluar dari petak tanah

Simpanan air: S = perubahan simpanan air dalam kolom tanah (perubahan soil

moisture)

Persamaan neraca air :

12

Fr + Qsi + C = Qso + Qo + Eta S

Pada waktu musim kemarau, masukan air lebih kecil dari keluaran, menyebabkan simpanan air dalam kolom tanah terus berkurang, bila kandungan air sampai pada wilting point suatu tanaman, tanaman tersebut akan segera layu. Dalam kondisi ini, tambahan air perlu dilakukan, sebagai contoh adalah melalui irigasi atau penyiraman. 1.4. Soal Untuk Evaluasi Materi Pendahuluan

a. Sebutkan hubungan antara ilmu bantu hidrologi (potamologi, hidrometeorologi,geohidrogeologi, limnologi) dengan dengan ilmu-ilmu lain

b. Berikan contoh-contoh pengukuran, pencatatan dan bentuk publikasi data air ( data air (carilah dari buku-buku hidrologi atau atau publikasi data)

c. Berikan contoh pengembangan teori-teori hidrologi (model atau rumus rumus hidrologi)

d. Berikan contoh masalah praktis yang bekaitan dengan air dan peran hidrologi dalam menyelesaikan masalah praktis yang saudara ambil sebagai sebagai contoh!

e. Menurut siklus hidrologi, sebutkan sumber air di daratan. Faktor apa yang mempengaruhinya.

f. Wujud air dapat berupa gas, cair, padat; jelaskan proses perubahan ujud air.

g. Apakah ada perbedaan siklus air di daerah gunung api dengan daerah pegunungan karst? Jelaskan perbedaannya.!!

h. Apa yang mempengaruhi jumlah air di daratan? i. Apa yang mempengaruhi kualitas air di daratan? j. Sebutkan macam-macam proses hidrologi yang ada dalam siklus dan

jelaskan!

k. Sebutkan jenis-jenis simpanan air (water storage) yang ada di daratan dan jelaskan faktor yang mempengaruhinya!

l. Sebutkan konponen runoff (limpasan atau aliran permukaan) m. Jelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi limpasan. n. Sebutkan jenis-jenis simpanan air yang ada di bawah permukaan tanah,

gambarkan digram distribusi air di bawah permukaan tanah!

o. Airtanah ada dimana? Dipengaruhi oleh faktor apa?

13

p. Sebutkan sumber air yang dapat dipakai untuk bahan baku air domestik, industri, dan pengairan. Jelaskan untung ruginya!

q. Buatlah rumus neraca airtanah airtanah dan lengkapi dengan secara 3 dimensi!

r. Coba bandingkan porositas dan specific yield dari, gravel pasir, dan lempung?

s. Sebutkan jenis-jenis simpanan air di daratan t. Jelaskan pengaruh geomorfologi (jenis tanah atau batuan) terhadap

simpanan airtanah (groundwater storage), kecepatan aliran airtanah dan jumlah air yang yang dapat dapat dilepas dari akuifer.

u. Kondisi yang bagaimana dapat menyebabkan muka airtanah (watertable/phreatic surface) surface) turun atau naik?