PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN...

12
1 PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN KEBUTUHAN OKSIGEN BIOLOGIS (BOD) DALAM ALIRAN SUNGAI CIKAPUNDUNG MENGGUNAKAN SISTEM DINAMIK MODELING OF DISSOLVED OXYGEN (DO) AND BIOCHEMICAL OXYGEN DEMAND (BOD) IN CIKAPUNDUNG RIVER WATER USING SYSTEM DYNAMICS Karissa Mayangsunda Philomela 1 dan Arief Sudradjat 2 Program Studi Teknik Lingkungan Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha 10 Bandung, 40132 1 [email protected] dan 2 [email protected] Abstrak: Pembuangan limbah domestik dan penggelontoran kotoran ternak yang terjadi di sungai Cikapundung berkontribusi terhadap peningkatan kandungan organik dalam sungai. Di sisi lain pada salah satu ruas sungai merupakan intake PDAM (Perusahaan Daerah Air Minum) Tirtawening Kota Bandung. Kandungan organik ini menambah beban pengolahan PDAM terutama disebabkan oleh peningkatan kebutuhan bahan kimia untuk proses koagulasi. Hal ini memerlukan pengelolaan yang terencana disesuaikan dengan kondisi sungai. Kegiatan perencanaan dan pengelolaan memerlukan pertimbangan terhadap kondisi hidrolik dan kualitas air yang seringkali di luar kisaran data lapangan yang terlihat. Studi ini dilakukan dengan maksud mengembangkan model untuk menunjukkan hubungan antara DO dan BOD dalam segmen Sungai Cikapundung. Pemodelan sistem dinamik Sungai Cikapundung menggunakan STELLA 9.0.1 dengan persamaan Streeter-Phelps modifikasi dengan tahapan: (1) Artikulasi masalah; (2) Formulasi hipotesis dinamik; (3) Formulasi model simulasi; (4) Pengujian model; dan (5) Desain kebijakan dan evaluasi. Validasi terhadap data aktual mendapatkan nilai Mean Absolute Percentage Error sebesar 13,64 %. Nilai error >10% menunjukkan model tidak memiliki akurasi yang baik. Hasil simulasi terbaik ditunjukkan skenario 3, dengan konsentrasi DO dan BOD berturut-turut pada kompartemen 1, kompartemen 2, dan kompartemen 3 adalah sebagai berikut. Konsentrasi DO: 4,43 mg/L; 4,32 mg/L; 4,15 mg/L dan BOD: 1,2 mg/L; 1,09 mg/L; dan 1,01 mg/L. Untuk itu diperlukan kebijakan yang dapat melindungi kualitas air sungai di daerah dulu serta membatasi pembuangan limbah domestik di sepanjang aliran sungai. Kata kunci: DO, BOD, organik,.sistem dinamik, STELLA. Abstract: Disposal of domestic waste and manure flushing occuring in Cikapundung river contribute to the enhancement of organic in the stream. On the other hand, one of the sections of the river is where the intake of PDAM Tirtawening Kota Bandung has been placed. This increasing of organic content adds the load of water treatment due to the high need of chemical for coagulation process. Thus, planning and management of river based on the characteristic is needed. Planning and management activities require the assessment of hydraulic and water quality conditions often beyond the range of observed field data. This study is aiming to develop a model to show interdependent relationship between DO and BOD in Cikapundung River segment. System Dynamic modelling in Cikapundung River using STELLA 9.0.1 with equation of modified Streeter-Phelps consist of following steps: (1) problem articulation; (2) formulation of dynamic hypothesis; (3) formulation of simulation model; and (4) testing. Validation by Mean Absolute Percentage Error resulting 13,64% error. Error value >10% shows less-accuracy of the model. Best simulation result is shown by scenario 3 by the concentration of DO and BOD in compartment 1,2, and 3 respectively as follows. DO: 4,43 mg/L; 4,32 mg/L; 4,15 mg/L. and BOD: 1,2 mg/L; 1,09 mg/L; and 1,01 mg/L. Therefore, necessary policy is one which can protect the quality of upstream and limiting domestic waste disposal along the riverbank. Key words: DO, BOD, organic, system dynamic, STELLA.

Transcript of PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN...

Page 1: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

1

PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN KEBUTUHAN

OKSIGEN BIOLOGIS (BOD) DALAM ALIRAN SUNGAI CIKAPUNDUNG

MENGGUNAKAN SISTEM DINAMIK

MODELING OF DISSOLVED OXYGEN (DO) AND BIOCHEMICAL

OXYGEN DEMAND (BOD) IN CIKAPUNDUNG RIVER WATER

USING SYSTEM DYNAMICS

Karissa Mayangsunda Philomela1 dan Arief Sudradjat

2

Program Studi Teknik Lingkungan

Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung

Jalan Ganesha 10 Bandung, 40132 [email protected] dan

[email protected]

Abstrak: Pembuangan limbah domestik dan penggelontoran kotoran ternak yang terjadi di sungai Cikapundung

berkontribusi terhadap peningkatan kandungan organik dalam sungai. Di sisi lain pada salah satu ruas sungai

merupakan intake PDAM (Perusahaan Daerah Air Minum) Tirtawening Kota Bandung. Kandungan organik ini

menambah beban pengolahan PDAM terutama disebabkan oleh peningkatan kebutuhan bahan kimia untuk proses

koagulasi. Hal ini memerlukan pengelolaan yang terencana disesuaikan dengan kondisi sungai. Kegiatan

perencanaan dan pengelolaan memerlukan pertimbangan terhadap kondisi hidrolik dan kualitas air yang seringkali

di luar kisaran data lapangan yang terlihat. Studi ini dilakukan dengan maksud mengembangkan model untuk

menunjukkan hubungan antara DO dan BOD dalam segmen Sungai Cikapundung. Pemodelan sistem dinamik

Sungai Cikapundung menggunakan STELLA 9.0.1 dengan persamaan Streeter-Phelps modifikasi dengan tahapan:

(1) Artikulasi masalah; (2) Formulasi hipotesis dinamik; (3) Formulasi model simulasi; (4) Pengujian model; dan (5)

Desain kebijakan dan evaluasi. Validasi terhadap data aktual mendapatkan nilai Mean Absolute Percentage Error

sebesar 13,64 %. Nilai error >10% menunjukkan model tidak memiliki akurasi yang baik. Hasil simulasi terbaik

ditunjukkan skenario 3, dengan konsentrasi DO dan BOD berturut-turut pada kompartemen 1, kompartemen 2, dan

kompartemen 3 adalah sebagai berikut. Konsentrasi DO: 4,43 mg/L; 4,32 mg/L; 4,15 mg/L dan BOD: 1,2 mg/L;

1,09 mg/L; dan 1,01 mg/L. Untuk itu diperlukan kebijakan yang dapat melindungi kualitas air sungai di daerah dulu

serta membatasi pembuangan limbah domestik di sepanjang aliran sungai.

Kata kunci: DO, BOD, organik,.sistem dinamik, STELLA.

Abstract: Disposal of domestic waste and manure flushing occuring in Cikapundung river contribute to the

enhancement of organic in the stream. On the other hand, one of the sections of the river is where the intake of

PDAM Tirtawening Kota Bandung has been placed. This increasing of organic content adds the load of water

treatment due to the high need of chemical for coagulation process. Thus, planning and management of river based

on the characteristic is needed. Planning and management activities require the assessment of hydraulic and water

quality conditions often beyond the range of observed field data. This study is aiming to develop a model to show

interdependent relationship between DO and BOD in Cikapundung River segment. System Dynamic modelling in

Cikapundung River using STELLA 9.0.1 with equation of modified Streeter-Phelps consist of following steps: (1)

problem articulation; (2) formulation of dynamic hypothesis; (3) formulation of simulation model; and (4) testing.

Validation by Mean Absolute Percentage Error resulting 13,64% error. Error value >10% shows less-accuracy of

the model. Best simulation result is shown by scenario 3 by the concentration of DO and BOD in compartment 1,2,

and 3 respectively as follows. DO: 4,43 mg/L; 4,32 mg/L; 4,15 mg/L. and BOD: 1,2 mg/L; 1,09 mg/L; and 1,01

mg/L. Therefore, necessary policy is one which can protect the quality of upstream and limiting domestic waste

disposal along the riverbank.

Key words: DO, BOD, organic, system dynamic, STELLA.

Page 2: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

2

PENDAHULUAN

Sungai Cikapundung merupakan salah satu anak sungai utama sungai Citarum. Sungai ini

sebagian besar diapit oleh pemukiman warga yang sebagian besar berada langsung di bantaran

sungai. Data BPLHD Kota Bandung menyebutkan sekitar 1.058 rumah yang berada dekat

dengan bantaran Sungai Cikapundung hampir seluruhnya membuang limbah langsung ke sungai.

Karenanya, sungai ini menerima limbah lebih dari 2,5 juta liter setiap harinya (Anonim, 2009).

Pembuangan limbah domestik dan penggelontoran kotoran ternak yang terjadi di sungai

Cikapundung berkontribusi terhadap peningkatan kandungan organik dalam sungai. Di sisi lain

pada salah satu ruas sungai merupakan intake PDAM (Perusahaan Daerah Air Minum)

Tirtawening Kota Bandung. Tingginya kandungan organik memerlukan oksigen terlarut yang

berdampak terhadap peningkatan BOD. Kandungan organik ini menambah beban pengolahan

PDAM terutama disebabkan oleh peningkatan kebutuhan kimia untuk proses koagulasi.

Mempertimbangkan kondisi tersebut, perlu dilakukan upaya pengelolaan yang baik bagi Sungai

Cikapundung.

Kegiatan perencanaan dan pengelolaan memerlukan pertimbangan terhadap kondisi

hidrolik dan kualitas air yang seringkali di luar kisaran data lapangan yang terlihat. Dalam

konteks ini model hidrolik dan kualitas air perlu diformulasikan seumum mungkin untuk (1)

mendeskripsikan kondisi terobservasi dan (2) memprediksikan skenario perencanaan yang

mungkin berbeda secara substansial dari kondisi yang terlihat (Radwan dkk, 2003). Simonovic

(1992; dalam Elshorbagy dan Ormsbee, 2006) menyarankan bahwa analisis sistem memiliki

tempat tersendiri dalam ruang lingkup pengelolaan sumber daya air dan simulasinya merupakan

alat yang esensial untuk pengembangan basis kuantitatif untuk pengambilan keputusan

pengelolaan air. Bagaimanapun juga, terdapat kebutuhan yang kuat untuk mengeksplor alat

simulasi yang dapat merepresentasikan sistem kompleks secara realistis dan dapat melibatkan

pengelola sumber daya air dan operatornya dalam pengembangan model tersebut. Kebutuhan ini

salah satunya dapat dipenuhi dengan pendekatan sistem dinamik. Adanya kebutuhan data untuk

pengelolaan Sungai Cikapundung terutama oleh Pemerintah Kota Bandung sebagai pengelola

dan sebagai input bagi PDAM Kota Bandung sendiri, maka salah satu pendekatannya ialah

melalui pemodelan DO dan BOD dalam sungai tersebut terutama pada ruas di mana intake

ditempatkan. Penelitian ini bertujuan untuk menguraikan sistem DO-BOD dalam segmen Sungai

Cikapundung, membuat model sistem dinamik pada segmen terpilih, serta membandingkan

kandungan DO dan BOD pada beberapa alternatif kebijakan.

METODOLOGI

Pelaksanaan pemodelan secara umum terdiri atas tahapan: (1) studi pustaka; (2)

pengumpulan data; (3) formulasi model; (4) kalibrasi dan validasi; dan (5) simulasi; sebagaimana

ditunjukkan oleh Gambar 1. Studi pustaka dilakukan untuk menentukan persamaan dasar

pemodelan dan variabel – variabel terkait. Data sekunder yang didapatkan adalah data fisik

sungai serta kualitas sungai pada tahun 2012 yang diperoleh dari WASPOLA (Water Supply and

Sanitation Policy Formula and Action Planning) facility. Sementara itu pengamatan secara

langsung dilakukan untuk mendapatkan data kondisi bantaran sungai sepanjang segmen serta

profil sungai sebagai perbandingan terhadap data sekunder yang telah didapatkan.

Page 3: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

3

Model merupakan representasi dari realita yang kompleks. Model digunakan untuk

menguji teori, untuk mengeksplor implikasi dan kontradiksinya (Winz dan Brierly, 2007). Sistem

dinamik (Forester, 1961; dalam Teegavarapu dkk., 2005) adalah konsep berdasarkan system

thinking dimana interaksi dinamik antara elemen dalam sebuah sistem keseluruhan. Gagasan

utama pemodelan sistem dinamik ialah untuk memahami perilaku sebuah sistem melalui

penggunaan struktur matematika sederhana secara konseptual. Tahapan dalam pemodelan

dinamik ialah (Sterman, 2000): (1) Artikulasi masalah; (2) Formulasi hipotesis dinamik; (3)

Formulasi model simulasi; (4) Pengujian model; dan (5) Desain kebijakan dan evaluasi.

mulaimulai

STUDI LITERATUR STUDI LITERATUR

FORMULASI MODEL

SISTEM DINAMIS

FORMULASI MODEL

SISTEM DINAMIS

SIMULASISIMULASI

selesaiselesai

Kalibrasi dan

validasi

Kalibrasi dan

validasi

valid

Tidak

PENGUMPULAN DATA

SEKUNDER

PENGUMPULAN DATA

SEKUNDER

PENGUMPULAN DATA

PRIMER

PENGUMPULAN DATA

PRIMER

Pembuatan laporan tugas

akhir

Pembuatan laporan tugas

akhir

Gambar 1. Metode pengembangan model

Formulasi model menggunakan perangkat lunak STELLA 9.0.1 dengan persamaan

Streeter-Phelps (1925) modifikasi. STELLA (Structural Thinking, Experiental Learning

Laboratory with Animation) merupakan alat yang ideal untuk memodelkan sistem dinamik

(Teegavarapu et al, 2005) salah satunya pemodelan sumber daya air. STELLA memiliki empat

objek yang digunakan untuk memformulasikan struktur model, yaitu stock, flow, converter, dan

connector. Keempat objek tersebut merepresentasikan elemen fisik dan proses yang

mempengaruhi kualitas air sebagaimana ditunjukkan oleh Tabel 1.

Page 4: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

4

Tabel 1. Elemen fisik dan proses yang memengaruhi kualitas air dan objek terkait

dalam STELLA (Teegavarapu, R. S. V., A. K. Tangirala, dan L. Ormsbee 2005)

Komponen Objek

Danau, aliran sungai, deposisi, beban polutan Stocks

Aliran masuk (sungai), berbagai beban Flows

Hubungan matematis (contoh: aliran beban polutan,

hubungan peluluhan

Converters

Batas sistem: alur sungai, outlet, dan DAS. Sources and sinks

Transfer hubungan dan penghubung tautan Connectors

Kalibrasi menggunakan data DO dan BOD pada November 2012. Dalam studi ini validasi

dilakukan dengan behavior test, yakni pengujian terhadap keluaran model yang dicocokkan

dengan data yang tersedia. Metode yang digunakan adalah Mean Absolute Percentage Error

(MAPE) berdasarkan konsentrasi DO dan BOD yang telah diobservasi dan yang diprediksikan

model.

MAPE merupakan rata-rata absolut dari kesalahan terhadap prediksi model, dihitung

berdasarkan Persamaan (1). Nilai optimal parameter pada model dipilih berdasarkan nilai

MAPE terendah dan hasil model yang dapat diterima. Uji ini juga digunakan untuk mengetahui

kesesuaian data hasil prakiraan dengan data aktual. Kriteria ketepatan model dengan uji MAPE

(Lomauro dan Bakshi, 1985; dalam Somantri, 2005; dalam Somantri dan Thahir, 2007) adalah:

MAPE < 5% : sangat tepat

5% < MAPE < 10% : tepat

MAPE > 10% : tidak tepat

(1)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam proses pengembangan model, terdapat beberapa hal yang perlu dipersiapkan untuk

melengkapi formulasi model sebagaimana tahapan pemodelan yang dikemukakan oleh Sterman

(2000).

1. Artikulasi masalah dan batasan

Permasalahan yang diselesaikan dengan pemodelan ini adalah masalah kualitas sungai

Cikapundung di mana terdapat kandungan organik yang tinggi. Kandungan organik tersebut

menambah beban Instalasi Pengolahan Air milik PDAM Tirtawening. Pemodelan ini diharapkan

dapat membuat model yang merepresentasikan perilaku sistem dinamis sungai sehingga dapat

memberikan rekomendasi kebijakan pengelolaan sungai Cikapundung di segmen terpilih.

Batasan yang digunakan dalam pemodelan adalah sebagai berikut.

a. Segmen sungai terpilih ialah segmen sungai Cikapundung dimulai dari jembatan Dago

Bengkok sampai dengan intake PDAM Dago Pojok PDAM Tirtawening (Gambar 2).

Page 5: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

5

Dilakukan pembagian menjadi tiga segmen lebih kecil yang diasumsikan sebagai

kompartemenyang konsentrasinya tercampur sempurna.

b. Parameter yang digunakan dalam pemodelan adalah DO sebagai indikator kesehatan perairan

dan BOD sebagai indikator pencemaran organik.

c. Persamaan dasar yang digunakan adalah persamaan Streeter-Phelps modifikasi.

d. Model hanya dapat diaplikasikan secara spesifik pada segmen terpilih.

Gambar 2. Segmen Sungai Cikapundung terpilih

2. Formulasi hipotetik dinamik

Hipotetik dinamik dibangun dalam suatu bentuk model konseptual berupa Diagram sebab

akibat “Causal Loop Diagram”. Diagram ini berguna untuk menunjukkan hubungan sebab-

akibat antar variabel dalam model. Dalam pemodelan ini digunakan diagram sebab akibat pada

Gambar 3.

DODOdeoksigenasideoksigenasiBODBOD

debitdebit

reoksigenasireoksigenasi

++

+

+

-

-

- -

Gambar 3. Causal Loop Diagram model DO-BOD

3. Formulasi struktur model

Segmen sungai sepanjang 1.470 m dibagi menjadi tiga segmen. Segmen pertama dimulai

dari jembatan Dago Bengkok sampai dengan setelah masuknya Kali Cibojong (titik 1 – titik 2

pada Gambar 2) dengan panjang segmen 110 m. Segmen kedua sepanjang 690 m berakhir

setelah masuknya saluran pembuangan domestik dari RW 08 Kelurahan Ciumbuleuit (titik 3

Page 6: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

6

pada Gambar 2). Setiap segmen dimisalkan sebagai suatu kompartemen berpenampang persegi

panjang dengan properti tertentu sebagaimana ditunjukkan oleh Tabel 2.

Tabel 2. Data fisik tiap kompartemen sungai

Properti Kompartemen 1 Kompartemen 2 Kompartemen 3

Temperatur (oC) 28,1 23,5 27,7

DO jenuh (mg/L) 7 7,6 6,9

Panjang segmen

(m) 110 690 670

Kedalaman 0,25 0,5 0,8

lebar (m) 5,5 3 7,5

kecepatan (m/s) 1,1 0,4 0,9

debit (m3/s) 4,11061 4,39861 4,4

DO dan BOD dalam air sungai merupakan suatu sistem dinamik. konsentrasi DO dalam

badan air bervariasi terhadap waktu dan dipengaruhi oleh faktor fisik, biologis, dan kimiawi

seperti pH, temperatur, tekanan udara, dan salinitas (Mwegoha et al, 2010). Dalam pemodelan

ini, sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti persamaan Streeter-Phelps modifikasi

pada Persamaan (2).

(2)

Keterangan:

D = Defisit oksigen, mg/L

L = BOD, mg/L

N = NH3-N, mg/L

R-P = selisih oksigen dari fotosintesis dengan penggunaan respirasi, mg/L

S = laju kebutuhan oksigen terkait organik tersedimentasi, mg/L

H = kedalaman rata – rata, m

kd = konstanta penguraian CBOD, /hari

kn = konstanta penguraian NBOD, /hari

Laju reoksigenasi dipengaruhi oleh selisih DO jenuh dengan DO pada segmen tersebut

serta koefisien reaerasi (ka) mengikuti Persamaan (3).

(3)

Page 7: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

7

DO jenuh dihitung berdasarkan tekanan, temperatur, dan konduktivitas air sungai

sehingga didapatkan data pada Tabel 2. Nilai ka secara teoritis dapat dihitung berdasarkan

persamaan Negulescu & Rojanski (1969) pada Persamaan (4).

(4)

Keterangan:

U = Kecepatan aliran, ft/s

H = Kedalaman, ft

Laju deoksigenasi dipengaruhi langsung oleh BOD (CBOD dan NBOD) serta materi

organik yang tersedimentasi mengikuti Persamaan (5). Nilai kd untuk materi organik di sungai

Cikapundung ialah rata – rata 0,207606 dengan standar deviasi (Sd) 0,29531/hari (Harsono dan

Nomosatryo, 2010). Kebutuhan oksigen untuk sedimen ditentukan pada rentang 0,079 g

O2/m2.jam – 0,116 O2/m

2.jam (USEPA, 1997). Sementara itu, nilai k laju penggunaan BOD

untuk nitrogen berkisar antara 0,1 dan 0,5 /hari dan N = 4,57 x NH3-N (Van & Loc, 2012).

Peningkatan BOD diakibatkan oleh input BOD dari aliran hulu, kali yang masuk, atau

limbah domestik yang dialirkan ke sungai. Penurunan BOD berkaitan erat dengan laju

deoksigenasi (kd). Selain dengan proses biokimiawi, BOD juga dapat turun akibat proses

sedimentasi materi organik yang tersuspensi (Schnoor, 1996). Nilai k sedimentasi yang pernah

dilaporkan adalah sekitar 0,5-5/hari (Schnoor, 1996). Akan tetapi nilai tersebut sangat tergantung

pada kondisi aliran, termasuk kualitas airnya, dan badan sungai yang mendukung terjadinya

proses sedimentasi (WASPOLA facility, 2013).

(5)

Dalam setiap kompartemen dihitung berat DO dan BOD sehingga data dikonversi ke

dalam satuan gram/detik. Pemodelan dimulai dengan kondisi setiap DO kompartemen = 0.

Transfer massa antar kompartemen digambarkan sebagai flow mengikuti Persamaan (6),

demikian pula untuk BOD.

(6)

Dari persamaan – persamaan tersebut di atas dibentuk struktur model sebagaimana

ditunjukkan oleh Gambar 4.

Page 8: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

8

DO1 DO2 DO3

reaeration1

f low 1 to 2 f low 2 to 3

reaeration2

deoxy genation1 deoxy genation2 deoxy genation3

reaeration3

BOD1 BOD2 BOD3

f low 0:1

BOD dec1

input BOD 2

BOD dec2

ksed1

BOD dec3

ka1 ka2 ka3

kd1kd2 kd3

DOsat1 DOsat2

f low 1:2 f low 2:3

f low 3 to 4

dV1

ksed2

SOD1

DOsat3

f low 3:4

ksed3

dV2

conv ertion

convertion

convertion

dV3

convertion convertionconvertion

f low to 1

dV1 dV2 dV3

C0

Q0

input BOD 1

Q0 Co

Limbah RW08

Q1

Q1

Q2

Q2

Q3

Q3

domestic load

cibojong

SOD2

NBOD

NBOD

NBOD

SOD3

input BOD3

Q0

Q1Q2

BOD cibojong

BOD dom1

Gambar 4. Struktur model pada segmen terpilih

4. Kalibrasi dan validasi

Parameter yang perlu dikalibrasi dalam pemodelan ini adalah koefisien reaerasi, SOD,

koefisien laju sedimentasi, serta input BOD di setiap segmen. Kalibrasi dengan metode trial and

error untuk mendapatkan nilai terdekat yang dapat diperoleh oleh model. Setelah kalibrasi, maka

didapatkan data DO dan BOD pada tiap segmen sebagai berikut pada Tabel 3.

Tabel 3. Variabel sistem yang telah dikalibrasi

Variabel Kompartemen 1 Kompartemen 2 Kompartemen 3

ka (/hari) 8,2 1,73 2,54

SOD (g/m2.jam) 0,079 0,1043 0,116

ksed (/hari) 0 9 5

input BOD (g/s) 107,52 0 0

kn (/hari) 0,5 0,5 0,5

Page 9: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

9

Validasi perilaku model dilakukan dengan membandingkan estimasi model terhadap nilai

sebenarnya, yang didekati dengan nilai Mean Absolute Percentage Error (MAPE). Nilai

estimasi model dan perbandingannya ditunjukkan oleh Tabel 4. Grafik masing – masing

kompartemen ditunjukkan oleh Gambar 4 dan Gambar 5. Berdasarkan nilai MAPE keluaran

model tidak memiliki akurasi yang baik. Namun demikian, nilai yang ditunjukkan model sudah

merupakan estimasi terbaik yang dapat dicapai oleh model ini dengan data yang tersedia. Oleh

karena itu model masih dapat digunakan dengan beberapa penyesuaian.

Tabel 4. Nilai estimasi model dan nilai aktual

DO terukur (mg/L) 2,880 2,750 3,360

DO model (mg/L) 2,334 2,279 2,183

BOD terukur (mg/L) 35,000 28,000 26,000

BOD model (mg/L) 31,405 28,099 26,034

MAPE 13,64%

Gambar 4. Grafik estimasi DO pada setiap kompartemen

Gambar 5. Grafik estimasi BOD pada setiap kompartemen

Model yang sudah dibuat merupakan representasi dari perilaku sistem sungai pada

segmen terpilih sehingga selanjutnya dapat disimulasikan pada kondisi – kondisi yang telah

Page 10: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

10

ditetapkan untuk mengambil kebijakan pengelolaan sungai yang terbaik pada segmen tersebut.

Model ini juga dapat dikembangkan oleh end-user sesuai dengan kondisi sungai.

5. Simulasi

Simulasi diperlukan untuk melihat pengaruh suatu kebijakan terhadap DO dan BOD

dalam segmen terpilih. Pada pengembangan model ini akan dilakukan simulasi terhadap empat

skenario, sebagai berikut.

Skenario 1 : Tidak ada input limbah domestik di kompartemen 1 dan kompartemen 2

Skenario 2 : Aliran dari hulu telah memenuhi baku mutu, konsentrasi DO = 7 mg/L dan

BOD = 2 mg/L

Skenario 3 : Skenario 1 dan skenario 2 bersamaan.

Skenario 4 : Skenario 1 dan 2 bersamaan terjadi pada debit minimum.

Skenario 1 dibuat untuk melihat dampak ketiadaan masukan limbah domestik yang

merupakan representasi dari kebijakan untuk membatasi pembuangan limbah ke sungai. Hasil

simulasi dapat dilihat pada Gambar 6 dan Gambar 7. Skenario 2 dilakukan untuk mengetahui

kemampuan segmen terpilih dalam mempertahankan DO dan BOD nya. Baku mutu yang

digunakan adalah Peraturan Pemerintah No. 82 Tahun 2001 tentang Pengelolaan Kualitas Air

dan Pengendalian Pencemaran Air berdasarkan kriteria mutu kelas I. Hasil simulasinya dapat

dilihat pada Gambar 8 dan Gambar 9. Skenario 3 meninjau kombinasi dari kedua skenario

sebelumnya, dengan hasil simulasi ditunjukkan oleh Gambar 10 dan Gambar 11. Sementara

dalam skenario 4 akan ditinjau DO dan BOD dalam kondisi ekstrim. Hasil simulasinya

ditunjukkan oleh Gambar 12 dan Gambar 13.

Gambar 6. Simulasi DO skenario 1 Gambar 7. Simulasi BOD skenario 1

Gambar 8. Simulasi DO skenario 2 Gambar 9. Simulasi BOD skenario 2

Page 11: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

11

Gambar 10. Simulasi DO skenario 3 Gambar 11. Simulasi BOD skenario 3

Gambar 12. Simulasi DO skenario 4 Gambar 13. Simulasi BOD skenario 4

KESIMPULAN

Dalam sistem DO-BOD di segmen terpilih, terdapat beberapa mekanisme dan konstanta

yang terlibat. Mekanisme dalam sub-sistem DO terdiri atas reoksigenasi, deoksigenasi CBOD,

NBOD, dan SOD. Mekanisme dalam sub-sistem BOD terdiri atas input BOD, penguraian, dan

sedimentasi. Model sistem dinamis pada segmen terpilih dapat dibuat menggunakan STELLA

9.0.1 dengan MAPE 13,64%. Nilai validasi >10% menunjukkan model tidak memiliki akurasi

yang baik. Hasil simulasi terbaik ditunjukkan skenario 3, dengan konsentrasi DO dan BOD

berturut-turut pada kompartemen 1, kompartemen 2, dan kompartemen 3 adalah sebagai berikut.

Konsentrasi DO: 4,43 mg/L; 4,32 mg/L; 4,15 mg/L. Konsentrasi BOD: 1,2 mg/L; 1,09 mg/L;

dan 1,01 mg/L. Mempertimbangkan hasil simulasi maka diperlukan kebijakan yang dapat

melindungi kualitas air sungai di daerah dulu serta membatasi pembuangan limbah domestik di

sepanjang aliran sungai.

Page 12: PEMODELAN OKSIGEN TERLARUT (DO) DAN …publikasi.ftsl.itb.ac.id/assets/repositori/2013_10_19/2/1_2... · ditunjukkan skenario 3, ... sistem dinamik DO dan BOD dalam sungai mengikuti

12

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. (2009). Gambaran Umum Sungai Cikapundung. Diakses tangal 27 Maret 2013 dari:

www.citarum.org

Elshorbagy, Amin & Ormsbee, Lindell. (2006). Object Oriented Modeling Approach to Surface

Water Quality Management. Environmental Modeling & Software 21, 689 – 698.

Harsono, E., & S. Nomosatryo. (2010). Pencirian karbon organik air Sungai Citarum Hulu dari

masukan air limbah penduduk dan industri. J. Biologi Indonesia., 6, 277-288.

Mwegoha, W. J. S., Kaseva, M. E., & Sabai, S. M. M. (2010). Mathematical Modeling of

Dissolved Oxygen in Fish Ponds. African Journal of Environmental Science and

Technology Vol. 4(9), pp. 625-638

Negulescu, M. & V., Rojanski. 1969. Recent Research to Determine Reaeration Coefficient.

Water Res. 3 (3):189.

Radwan, M., Willems, P., El-Sadek, A., & Berlamont, J. (2003). Modeling of Dissolved Oxygen

and Biochemical Oxygen Demand in River Water Using a Detailed and a Simplified

Model. Intl Journal of River Basin Management Vol. 1, No. 2, pp. 97-103.

Schnoor, J. (1996). Environmental Modeling, Fate and Transport of Pollutants in Water, Air and

Soil. Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-12436-8.

Somantri, Agus Supriatna & Thahir, Ridwan. (2007). Analisis Sistem Dinamik Ketersediaan

Beras di Merauke Dalam Rangka Menuju Lumbung Padi Bagi Kawasan Timur

Indonesia. Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian.

Sterman, John D. (2000). Business Dynamics: System Thinking and Modeling for a Complex

World. McGraw-Hill: New York.

Streeter, H., & E. Phelps. 1925. A study of the purification of the Ohio River. U.S. Public Health

Service Bulletin No. 146, Washington, D.C., USA.

Teegavarapu, R. S. V., Tangirala , A. K., & Ormsbee, L. (2005). Modeling Water Quality

Management Alternatives for a Nutrient Impaired Stream using System Dynamics

Simulation. Journal of Environmental Informatics 5 (2) 73-81.

Van, Hoang Ngoc Tuong & Loc, Tran Quang. (2012). Assessment of Assimilative Capacity of

Dong Ba and Bach Yen River Branches, Hue City. Journal of Science, Vol. 70, No. 1, pp.

275-288

WASPOLA facility. (2013). Pemodelan Kualitas Air RPAM-Sumber Sungai Cikapundung.

Bandung

Winz, Ines & Brierley, Gary. (2007). The Use of System Dynamics Simulation in Integrated

Water Resources Management. Proceedings of the 25th International Conference of the

System Dynamics Society and 50th Anniversary Celebration. System Dynamics Society.

[Available at http://www.systemdynamics.org/conferences/2007/proceed/index.htm]