M O D E L KUALITAS AIR PERMUKAAN

ALI MASDUQIMK PEMODELAN LINGKUNGAN

PROGRAM STUDI ILMU DAN TEKNOLOGI LINGKUNGAN UNIVERSITAS AIRLANGGA

2013

DASAR PERHITUNGAN MODEL KUALITAS BADAN AIR

PEMODELAN KUALITAS AIR

Trial-error Penentuan

koefisien model

Model mendekati

data?

Pembangunan model

Verifikasi model

Model mendekati

data?Model terverifikasi

Model siap digunakan untuk

simulasi

ya

yatidak

tidak

Beberapa Model Kualitas Badan Air

• Model Mass Balance / Neraca Masa• Model Streeter – Phelps• Model Komputasi

Neraca Massa/Mass Balance

Sistem Aliran

Input

V2;C2

Input

V1;C1

Input

Vn;Cn

Output

VT;CT

Rumus umum pengenceran:V1C1 + V2C2 + ...... + VnCn = VTCT

V = VolumeC = Konsentrasi

Model Mass Balance dalam sistem sungai

1

A

B2

Berdasarkan konsep mass balance, maka dapat dirumuskan sebagai berikut:Q1C1 + QACA + QBCB = Q2C2 ataudi mana:

Q2 = Q1 + QA + QB

2

112 Q

CQCQCQC BBAA

Model Perhitungan Streeter-Phelps

DissolveOksigen (DO)

Titik masuknya pencemar

DOsat

Titik masuknya pencemarJarak atau Waktu

Dasar Perhitungan Streeter-Phelps

Persamaan Oxygen Sag:

di mana:Dt = defisit oksigen = DOsaturasi – DO

Kd = koefisien deoksigenasi

Ka = koefisien reaerasi

Do = defisit oksigen mula-mula

Lo = BOD ultimate mula-mula

t = time travelKeterbatasan metoda Streeter-Phelps:

Hanya untuk sumber pencemar tunggalTerbatas pada parameter BOD dan DO

tko

tktk

da

odt

aad eDeeKK

LKD

)(

Prinsip dalam Penggunaan Model Komputasi Qual2KW

• Segmentasi Badan Air• Mass and Flow Balance• Karakteristik Hidraulik

– Weir, Waterfall, Manning Equation, Rating Curve– Time Travel– Longitudinal Dispersion

• Model Temperatur– Surface heat flux– Solar radiasi, wave radiasi, konduksi/konveksi

Segmentasi Badan Air

1

2

3

45

6

8

7

Non-pointabstraction

Non-pointsource

Point source

Point source

Point abstraction

Point abstraction

Headwater boundary

Downstream boundary

Point source

SegmentasiProses alamiah (Fisik/Kimia/Biologi) sangat dinamis dan

kompleks diperlukan pembagian segmen untuk mempermudah pendefinisian sifat-sifat proses

Satu segmen sebisa mungkin memiliki karakter yang mirip/hampir sama diasumsikan sama

Setiap segmen seharusnya cukup representatif diwakili oleh nilai rata-rata data segmen tersebut, misalnya kedalaman rata-rata, lebar rata-rata, slope rata-rata (beda elevasi), debit

Setiap segmen jelas point source dan point abstraction, non point source dapat didekati secara matematis dengan flow balance dan sampling kualitas

Mass Balance

iinflow outflow

dispersion dispersion

mass load mass abstraction

atmospherictransfer

sediments bottom algae

Flow Balance dalam segmentasi

• Point Source dan non point source

i i + 1i 1Qi 1 Qi

Qin,i Qab,i Qnpt

25%Qnpt 25%Qnpt 50%Qnpt

start endiabiinii QQQQ ,,1

Karakteristik Hidraulik - WEIR

Hi+1

HwHi

Bi

Hd

(a) Side (b) Cross-section

HwHi

Hh

elev2i

elev1i+1

elev2ielev1i+1

2/383.1 hii HBQ

iiic HBA ,ic

ii A

QU

,

Kecepatan aliran di Weir

Manning Equation

Q, UB0

1 1ss1 ss2

H

S0

3/2

3/52/10

P

A

n

SQ c

cA

QU

Q = flow [m3/s], S0 = Slope [m/m], n = koefisien kekasaran manning, Ac = luas penampang[m2], and P = keliling basah [m]

Koefisien Kekasaran ManningMATERIAL nMan-made channelsConcrete 0.012Gravel bottom with sides:

concrete 0.020mortared stone 0.023riprap 0.033

Natural stream channelsClean, straight 0.025-0.04Clean, winding and some weeds 0.03-0.05Weeds and pools, winding 0.05Mountain streams with boulders 0.04-0.10Heavy brush, timber 0.05-0.20

Reaerasi sebagai fungsi kedalaman dan kecepatan aliran

0.1

1

10

Dep

th (

m)

0.1 1

Velocity (mps)

OwensGibbs

10

100

O’ConnorDobbins

0.1

1

0.2

0.5

Ch

urc

hil

l

0.05

2

20

50

5

Model Temperatur

iinflow outflow

dispersion dispersion

heat load heat abstraction

atmospherictransfer

sediment-watertransfer

sediment

Surface Heat Flux

air-waterinterface

solarshortwaveradiation

atmosphericlongwaveradiation

waterlongwaveradiation

conductionand

convection

evaporationand

condensation

radiation terms non-radiation terms

net absorbed radiation water-dependent terms

Kinetika dan Transfer MassaKinetika Reaksi

Pelarutan/dissolution (ds)Reaksi hydrolysis (h)Rekasi oxidation (x)Reaksi nitrifikasi (n), denitrification (dn)Reaksi photosynthesis (p), death (d), and respiration/excretion (r).

Mass transfer processes reaeration (re), settling (s), sediment oxygen demand (SOD), sediment exchange (se), and sediment inorganic carbon flux (cf). Note that

the subscript x for the stoichiometric conversions stands for chlorophyll a (a) and dry weight (d) for phytoplankton and bottom algae, respectively

Model Kinetika dan Transfer Massa

rcn

rcp

cfh

d

r

rpx

rnx

dnhna

s

s

mi

hpi

cs

rnd

rpd

rcd

no

po s

apab

sodcf

cT o

s

Alks

x

nnn

p

cT o

x

cT o

s

s

mo

rdx

re

ds

s se

se

se se

Reaksi-reaksi kimia fundamental

• Fotosintesis dan Respirasi

• Nitrifikasi

• Denitrifikasi

• Reaksi degradasi organik aerobik dan anaerobik, hidrolisis,dll

H14O107PNOHCOH108HPONH16106CO 2116110263106

R

P

22442

2116110263106

R

P+

22432 O138PNOHC18H+OH122HPONO16106CO

2H OH NO 2O NH 2324

O7H 2N 5CO 4H 4NO O5CH 22232

CODoxidOxReaer BotAlgResp PhytoResp

NH4Nitr SlowCOxidFastCOxidoBotAlgPhot PhytoPhoto

odoa

onococdooao

rr

rrrrrS

Beberapa persamaan yang digunakan dalam perhitungan model (mass balance)

Dissolve Oxygen

SlowCOxid SlowCHydr DetrDiss odcs rS

ONSettlONHydr h BotAlgDeat PhytoDeath Nnano qrS

CBOD

Organic Nitrogen

OPSettl OPHydr h BotAlgDeat PhytoDeath Ppapo qrS

Organic Phospor

CO2Reaer oBotAlgPhotPhytoPhoto

BotAlgResp PhytoRespFastCOxid

ccdcca

ccdccaccocT

rr

rrrS

Total Inorganic Carbon

Reaksi pada sedimen (SOD)

CH4 NO3

NO3

NH4d PO4p PO4d

NH4p NH4d

PO4p PO4d

CO2 N2

N2

POC

cf o na nn pioJpom

NH4p

CH4(gas)

POP

DIAGENESIS METHANE AMMONIUM NITRATE PHOSPHATE

AE

RO

BIC

AN

AE

RO

BIC

WA

TE

R

PON

Perhitungan dalam ModelDari berbagai aspek prinsip (mass balance, flow balance,

karakteristik hidraulik, kinetika reaksi, dan transfer massa) maka akan diperoleh nilai perubahan konstituen (parameter/zat) kualitas badan air didapatkan nilai r (laju perubahan=dC/dt) dan k (konstanta laju reaksi)

Nilai r dan k digunakan untuk memodelkan perubahan kualitas badan air, berdasarkan travel time (waktu reaksi)

Perubahan polutan sangat dipengaruhi dengan perubahan oksigen terlarut (DO) dan kinetika reaksi seluruh konstituen yang berhubungan kompleks/saling terkait antar parameter pencemar

Beberapa nilai r dan k model (contoh)Parameter Value Units SymbolStoichiometry:      Carbon 49,726 gC gCNitrogen 7,2 gN gNPhosphorus 1 gP gPDry weight 100 gD gDChlorophyll 1 gA gAInorganic suspended solids:      

Settling velocity 0,31902 m/d vi

Oxygen:      

Reaeration model Internal    

Temp correction 1,024   qa

Reaeration wind effect None    

O2 for carbon oxidation 2,69 gO2/gC roc

O2 for NH4 nitrification 4,57 gO2/gN ron

Oxygen inhib model CBOD oxidation Half saturation    Oxygen inhib parameter CBOD oxidation 0,60 mgO2/L Ksocf

Oxygen inhib model nitrification Half saturation    

Parameter VALUE UNIT simbol

Oxygen enhance model denitrification Half saturation   

Oxygen enhance parameter denitrification 0,60mgO2/L Ksodn

Oxygen inhib model phyto resp Half saturation   

Oxygen inhib parameter phyto resp 0,60mgO2/L Ksop

Oxygen enhance model bot alg resp Half saturation   

Oxygen enhance parameter bot alg resp 0,60mgO2/L Ksob

Slow CBOD:      

Hydrolysis rate 0,3/d khc

Temp correction 1,047  qhc

Oxidation rate 0,2/d kdcs

Temp correction 1,047  qdcsFast CBOD:      

Oxidation rate 4/d kdc

Temp correction 1,047  qdc

Parameter Value  Unit SimbolOrganic N:      Hydrolysis 0/d khnTemp correction 1,07  qhnSettling velocity 0m/d vonAmmonium:      Nitrification 2/d knaTemp correction 1,07  qnaNitrate:      Denitrification 4/d kdnTemp correction 1,07  qdnSed denitrification transfer coeff 0,36422m/d vdiTemp correction 1,07  qdiOrganic P:      Hydrolysis 0/d khpTemp correction 1,07  qhpSettling velocity 0m/d vopInorganic P:      Settling velocity 6m/d vipSed P oxygen attenuation half sat constant 1,40878mgO2/L kspiPhytoplankton:      Max Growth rate 1,5/d kgpTemp correction 1,07  qgpRespiration rate 0,1/d krpTemp correction 1,07  qrpDeath rate 0/d kdpTemp correction 1  qdp

Dasar Perhitungan Model• Nilai – nilai r dan k, dapat diubah dan disesuaikan

sehingga model kualitas yang diperoleh menghasilkan nilai kualitas dan kuantitas air yang mirip (simpangan kecil) dengan kualitas dan kuantitas di titik-titik pemantauan pada masing-masing segmen (dari pemodelan data 4 atau 5 tahun)

• Jika nilai r dan k telah sesuai dilakukan validasi dengan data 1 tahun terakhir, pada head water, dan setiap segment, akan dilihat seberapa besar simpangan yang terjadi.– Jika hasil validasi sangat baik model bisa digunakan untuk

menghitung daya tampung badan air– Jika hasil validasi tidak baik model perlu di evaluasi kembali

ENTRI DATA YANG DIPERLUKAN DALAM MODEL PERHITUNGAN DAYA TAMPUNG (QUAL2KW)

Review Model Qual2kw

Data-data yang diperlukanPeta Sungai, koordinat posisi, elevasi sungai, profil hidrolisData kedalaman dan lebar sungaiDebit head water /input (5 tahun)Data pemantauan kualitas head water (5 tahun)Data weir, waterfall, koeffisien manning, slopeKoefisien laju reaksi tiap reachData meteorologi: dew point, temperatur, solar radiasi, wind

speedPoint source; posisi, debit, kualitasDiffuse source/non point source; range posisi, debit, kualitasData-data monitoring; data hidrolik (debit, kedalaman,

kecepatan, waktu alir), data temperatur (rata-rata, min, max), data kualitas (rata-rata, min, max), diel data

DATA DAN ANALISIS

• Orientasi Lapangan: penyusuran sungai, penentuan koordinat, elevasi, pointsource, non point source, pengambilan data primer (debit dan kualitas) dsb

• Kondisi Hidrolis Sungai: data pengukuran penampang sungai

• Debit dan Kualitas Air Sungai: data dari monitoring rutin selama 5 tahun

• Debit dan Kualitas Air Sumber Pencemar: data limbah industri hasil pemantauan 5 tahun, data anak sungai, data kualitas limbah domestik, pertanian, dsb

• Penggunaan Air Sungai: data dari instansi terkait, ijin pemakaian air, intake PDAM, irigasi (anak sungai), dsb

• Klimatologi: data dari BMG• Peta Sungai: Bakosurtanal dan Google earth

Peta Sungai dan Pembagian Reach/Segmen

KMKedalaman

Sungai Rata-rata (m)

Lebar Sungai Rata-rata (m)

Kecepatan aliran Rata-rata (m/detik)

42,3 - 36,9 3,54 32,22 0,3636,9 - 31,6 3,05 43,82 0,3931,6 - 21,7 3,19 39,32 0,4121,7 – 11,9 2,96 42,22 0,4111,9 – 5,6 4,31 47,14 0,225,6 - 2,6 3,95 51,18 0,182,6 - 0 3,66 52,73 0,20

Lokasi pengukuran

Debit air pada musim

hujan (m3/det)

Debit air Rata-rata(m3/det)

Debit air pada musim

kemarau (m3/det)

Dam 1 29,2 24,18 21,2Jemb 1 63,2 48.34 33,5Dam 2 50,2 32,69 16,2

DATA HIDROLIK SEGMEN / REACH

Data-data Profil Sungai

• Peta Sungai dan Pembagian Reach/Segmen• Koordinat Posisi dan elevasi• Data debit dan kualitas headwater• Koordinat point-source atau letak point source

(dalam km)• Range letak non-point source (koordinat atau km)• Data posisi titik pemantauan/monitoring

(koordinat atau km)• Data dam, weir, waterfall, dll

Stasiun PemantauanStasiun Pemantauan Kualitas Air

Kode KM Lokasi

A KM 41,2 Pemantauan 1

B KM 35,3 Pemantauan 2

C KM 24,15 Pemantauan 3

D KM 16,65 Pemantauan 4

E KM 11,75 Pemantauan 5

F KM 9,25 Pemantauan 6

G KM 8,1 Pemantauan 7

H KM 2,65 Pemantauan 8

I KM 0,0 Pemantauan 9

Point Source, Industri

No Nama PerusahaanLokasi Outlet

Debit Izin Pembuangan

Limbah (m3/hr)

1 ASX, PT Km 40 180002 KSX, PT Km 35 453 KD, PT Km 30 1504 MX, PT Km 28 100005 XX, PT Km 15 506 SAX, PT Km 10 307 ASX, PT Km 5 85008 YYY, PT Km 4 15000

Data Meteorologi

• Angin rata-rata (arah dan kecepatan)• Kelembaban udara• Lama penyinaran dan intensitas matahari• Dewpoint temperature (temperatur

pengembunan)• Prosentase mendung (clode cover)• Zona waktu (GMT)

Data-data kinetika kimia (opsional)

• Data laju reaksi dan koefisien reaksi tiap segmen– sLaju aerasi dan reaerasi– Laju nitrifikasi dan denitrifikasi– Laju oksidasi organik– Laju hidrolisis– Respirasi dan fotosintesis, dll

• Data nilai parameter kualitas badan air– pH, warna, SS, organik (COD/BOD), N-org, N-anorg,

P-org, DO

Sheet Excel untuk Entri Data (Qual2kw)

Head water sheetReach sheetReach rates sheetDew point temperatur sheetAir temperature sheetWind speedCloude coverShadeLight and heatPoint sourceDiffuse Source

Digunakan untuk

membangun Model

Sheet Excel untuk Entri Data (Qual2kw)

Data 5 tahun di titik-titik pemantauan

• Data hidrolik• Data temperatur• Water Quality (WQ)

Data• WQ Data min• WQ Data max• Diel Data

Digunakan untuk

mencocokkan Model dengan

hasil monitoring

Contoh Entri DataPada Sheet Excel

ENTRI DATA (QUAL2KW)System ID:    River name Kali Simulasi Saved file name Sim-simulasi-1 

Directory where the input/output files are saved G:\PROJECT\Pelatihan\Simulasi Month 6 Day 23 Year 2010 Time zone Pacific Daylight savings time No Simulation and output options:    Calculation step 6minutesNumber of days 2daysSolution method (integration) Runge-Kutta Solution method (pH) Newton-Raphson Simulate hyporheic exchange and pore water quality Level 1 Display dynamic diel output No State variables for simulation All Simulate sediment diagenesis No Program determined calc step 5,625minutesTime elapsed during last model run 1,25minutesTime of sunrise 5:24 AM Time of solar noon 11:26 AM Time of sunset 5:28 PM Photoperiod 12,06hours

ENTRI DATA (KUALITAS HEADWATER)Headwater Flow 21,880m3/s

Prescribed downstream boundary? No 

Headwater Water Quality Units 12:00 AM 1:00 AM

Temperature C 28,95 28,95

Conductivity umhos 400,00 400,00

Inorganic Solids mgD/L 0,00 0,00

Dissolved Oxygen mg/L 6,22 6,22

CBODslow mgO2/L 1,00 1,00

CBODfast mgO2/L 2,00 2,00

Organic Nitrogen ugN/L 0,00 0,00

NH4-Nitrogen ugN/L 100,00 100,00

NO3-Nitrogen ugN/L 0,00 0,00

Organic Phosphorus ugP/L 0,00 0,00

Inorganic Phosphorus (SRP) ugP/L 50,00 50,00

Phytoplankton ugA/L 0,00 0,00

Detritus (POM) mgD/L 0,00 0,00

Pathogen cfu/100 mL 10,00 10,00

Generic constituent user defined 4,00 4,00

Alkalinity mgCaCO3/L 100,00 100,00

pH s.u. 7,85 7,85

REACH

Reach for diel plot: 5

   

Reach Downstream

Label end of reach label

  Headwater

Reach 1 RC1

Reach 2 RC2

Reach 3 RC3

Reach 4 RC4

Reach 5 RC5

Reach 6 RC6

Reach 7 RC7

                 Downstrea

m Elevation Downstream

locationUpstrea

mDownstrea

m Latitude Longitude

(km) (m) (m)Degrees

Minutes

Seconds

Degrees

Minutes

Seconds

42,300  19,738 -7,00 -26 -43 112,00 27 25

36,900 19,738 12,212 -7,00 -24 -42 112,00 28 59

31,600 12,212 9,416 -7,00 -23 -50 112,00 31 33

21,700 9,416 6,512 -7,00 -22 -20 112,00 35 18

12,000 6,512 4,474 -7,00 -21 -6 112,00 39 44

5,600 4,474 4,375 -7,00 -19 -40 112,00 42 38

2,600 4,375 3,882 -7,00 -18 -29 112,00 43 12

0,000 3,882 1,798 -7,00 -18 -2 112,00 44 27

Interpretasi Hasil Pemodelan Daya Tampung

Gambar apakah ini?

Simulasi

• Simulasi dilakukan menggunakan model kualitas air dengan software Qual2Kw ver 5.1 untuk mengestimasi kualitas air dengan skenario yang dikehendaki.

• Parameter kualitas air yang disimulasi disesuaikan dengan kemampuan Qual2Kw dan ketersediaan data, misal: temperatur, pH, DO, BOD, COD, TSS, N-organik, NO3-N, NH4-N, P-organik, dan PO4-P.

Contoh skenario simulasi

• Skenario 1: Kondisi sumber pencemar sesuai kondisi eksisting pada debit minimum

• Skenario 2: Kondisi sumber pencemar memenuhi baku mutu pada debit minimum

• Skenario 3: Kondisi tidak ada sumber pencemaran pada debit minimum

• Skenario 4: Kondisi sumber pencemar di-trial-error hingga kualitas air sepanjang sungai memenuhi baku mutu sungai

Contoh Hasil Simulasi

Hasil Simulasi skenario 1

April 18, 2023 52

Hasil Simulasi skenario 2

April 18, 2023 53

Hasil Simulasi skenario 3

April 18, 2023 54

Hasil Simulasi skenario 4

April 18, 2023 55

Penentuan Daya Tampung

• Penentuan daya tampung ini memanfaatkan hasil simulasi tanpa ada sumber pencemar (misal skenario 3) dan simulasi air sungai memenuhi baku mutu (misal skenario 4) dari worksheet ‘Sources Summary’.

• Besarnya daya tampung dihitung dari selisih inflow beban pencemaran hasil simulasi tanpa ada sumber pencemar dan hasil simulasi air sungai memenuhi baku mutu (Tabel 1).

April 18, 2023 56

Tabel 1:Contoh Hasil Penentuan Daya Tampung

Reach KM BODkg/hari

CODkg/hari

Reach 1 (Mlirip) 42,3-36,9 -972,86 -4993,92Reach 2 36,9-31,6 -3284,93 -16467,84Reach 3 31,6-21,7 197,86 660,96Reach 4 21,7-12,0 1477,44 4665,60Reach 5 12,0-5,6 1280,88 3548,88Reach 6 5-6-2,6 548,64 483,84Reach 7 (Jagir) 2,6-0,0 6480,00 9590,40

Jumlah 5727,02 -2512,08

Contoh pembagian reach

Pemanfaatan Hasil Penentuan Daya Tampung (1)

Nilai daya tampung (Tabel 1) setiap reach dibandingkan dengan nilai beban existing (Tabel 2) .

Bila nilai daya tampung lebih besar daripada beban existing, maka sungai masih bisa menerima beban pencemaran tambahan masih boleh membuang limbah ke sungai

Bila nilai daya tampung lebih kecil daripada beban existing, maka sungai tidak bisa menerima beban pencemaran tambahan tidak boleh membuang limbah ke sungai dan beban pencemaran harus diturunkan.

Pemanfaatan Hasil Penentuan Daya Tampung (2)

• Besarnya persen penurunan beban pencemaran dapat dihitung dari persentase selisih inflow beban pencemaran hasil simulasi skenario 1 dan hasil simulasi skenario 4. Simulasi skenario 4 adalah kondisi air Surabaya tidak tercemar. Contoh hasil perhitungan besarnya persen penurunan beban pencemaran yang harus diturunkan agar air sungai tidak tercemar dapat dilihat pada Tabel 3.

Tabel 2: Contoh Beban Existing

Reach KMBOD

kg/hariCOD

kg/hariReach 1 (Mlirip) 42,3-

36,9 4371,93 12301,80Reach 2 36,9-

31,6 58299,28 145228,51Reach 3 31,6-

21,7 536,16 1994,90Reach 4 21,7-

12,0 1017,79 2905,25Reach 5 12,0-5,6 14096,14 45267,43Reach 6 5-6-2,6 1662,18 3192,08Reach 7 (Jagir) 2,6-0,0 10849,75 20205,21

Jumlah 90833,24 231095,18

Tabel 3:Contoh Besarnya Penurunan Beban Pencemaran

Reach KM BOD COD

Reach 1 (Mlirip) 42,3-36,9 66,5% 41,6%Reach 2 36,9-31,6 99,9% 99,8%Reach 3 31,6-21,7 60,0% 62,7%Reach 4 21,7-12,0 - -Reach 5 12,0-5,6 82,7% 81,8%Reach 6 5-6-2,6 63,9% 76,7%Reach 7 (Jagir) 2,6-0,0 35,3% 39,3%

Apr 18, 2023 63

TERIMA KASIH