1

Dr.Eng Budi Kurniawan, M.EngKabid Prasarana Dan Jasa

Deputi IIKementerian Negara Lingkungan Hidup dan Kehutanan

DISAMPAIKAN PADA ACARA:RAPAT KOORDINASI PERHITUNGAN DAYA TAMPUNG BEBAN PENCEMARAN

SUNGAI SIAK PPE SUMATERA

Pekanbaru, 21 Mei 2015

Modeling Kualitas Air

Budi Kurniawan 2

Pengertian Pemodelan (modeling)

• Model adalah representasi suatu sistem yang komplek yang disedehanakan.

• Pemodelan dimaksudkan untuk menirukan kondisi nyata (real world) sehingga memungkinkan untuk mengukur dan berekperimen dengan cara yang mudah dan murah ketika ekperimen yang dilaboratorium tidak mungkin dilakukan, terlalu mahal, atau membutuhkan waktu yang lama (time-consuming)

Budi Kurniawan 3

Pembagian Model

1. Model Fisik atau Analog (mis.experimen di lab)

2. Model Matematik:- Analitik (mis. Neraca masa, Streeter and Phelps)- Numerik (mis.Qual2k, WASP, HSPF dll)

Budi Kurniawan 4

5

MODEL FISIK DAN MODEL MATEMATIK

Model Fisik• Similarity• Asumsi

Model Matematik• Governing Eqns.• Asumsi

Hybrid approach : kombinasi dari 2 model

KeterbatasanProblem dalam

•Skala•Waktu

Problem dalam•Data yang tidak mencukupi•Kualitas data yang rendah•Memahami proses

Keduanya dibutuhkan ketika sangat banyak penyederhanaan dalam perhitungannya

Budi Kurniawan

Gambar Model Fisik Sebaran Polutan di Muara Sungai

Arus sejajar pantai

Polutan dari sungai

6Budi Kurniawan

Model Matematik Analitik• Metoda Neraca Massa :

CR = Σ Ci Qi = Σ Mi Σ V i Σ Vi

CR : konsentrasi rata-rata konstituen untuk aliran gabunganCi : konsentrasi konstituen pada aliran ke-iQi : Debit alir aliran ke-iMi : massa konstituen pada aliran ke-I

• Metoda Streeter – Phelps:dL/dt = - K’.L

L : konsentrasi senyawa organik (mg/L)t : waktu (hari)K’ : konstanta reaksi orde satu (hari-1)

7Budi Kurniawan

Model Matematik AnalitikBasic Mass Balance Water Quality Equation:Qd.Cd + Qs.Cs = Qr.Cr

• Qd = waste discharge flow in million gallons per day (mgd) or cubic feet per second or m3/sec

• Cd = pollutant concentration in waste discharge in milligrams per liter (mg/l)

• Qs = background stream flow in mgd or cfs or m3/sec above point of discharge

• Cs = background in-stream pollutant concentration in mg/l• Qr = resultant in-stream flow, after discharge in mgd or cfs

or m3/sec• Cr = resultant in-stream pollutant concentration in mg/l in

the stream reach (after complete mixing occurs)

Example: Zinc

Assume a stream has a critical design flow of 1.2 cfs and a background zinc concentration of 0.80 mg/l.The State water quality criterion for zinc is 1.0 mg/l or less. The WLA for a discharge of zinc with a flow of 200,000 gpd is [Note: 200,000 gpd = 0.31 cfs]: Cd= Qr.Cr - Qs.Cs Cd = [(1.0)(0.31+1.2)−(0.8)(1.2)]/0.31

= (1.51−0.96)/0.31 = 0.55/0.31

= 1.77 mg/l

Metode Neraca Masa

Parameter Zn

(Qs)= 0,01 m3/det(Cs)= 0.80 mg/l

Debit air limbah (Qd)= 0,001 m3/detBerapa Konsentrasi Air Limbah (Zn)?

Cr

BMA (Cr)Zn= 1 mg/l)

(Qr)= Qs + Qd

Qr

Cd?Qd

Cr.Qr = Cs.Qs + Cd.Qd

Logam Berat: ZincDiketahui: Debit aliran sungai di hulu (Qs)= 0,01 m3/det Konsentrasi Zn sungai di hulu (Cs)= 0.80 mg/lKonsentrasi BMA (Cr)Zn= 1 mg/lDebit air limbah (Qd)= 0,001 m3Debit sungai di hilir (Qr) = Qs+QdDihitung:Berapa Konsentrasi Zn di air limbah (Cd) yang boleh dibuang?

Cr.Qr = Cs.Qs + Cd.Qd Cd=(Cr.Qr – Cs.Qs)/Qd

= [Cr.(Qs+Qd)-(Cs.Qs)]/QdCd = [(1.0)(0,01+0,001)−(0.8)(0,01)]/0.001

= 3 mg/l

Metode Streeter Phelp

– Metode ini didasarkan pada kebutuhan oksigen pada kehidupan air (BOD) untuk mengukur terjadinya pencemaran di badan air.

– Metode ini diperkenalkan oleh Streeter dan Phelps pada tahun 1925 menggunakan persamaan kurva penurunan oksigen (oxygen sag curve).

– Metode pengelolaan kualitas air ditentukan atas dasar defisit oksigen kritik (DC).

Metode Streeter Phelp

• Dua langkah penentuan daya dukung : – menentukan apakah beban yang diberikan

menyebabkan nilai defisit DO kritis melebihi defisit DO yang diijinkan atau tidak.

– apabila ya, maka diperlukan langkah kedua, yaitu menentukan beban BOD maksimum agar defisit DO kritis tidak melampaui defisit DO yang diijinkan.

Receiving Water Model (US-EPA)

• Dynamic One-Dimensional Model of Hydrodynamics and Water Quality (EPDRiv1)

• Stream Water Quality Model (QUAL2K), CE-QUAL-W2 dan CE-QUAL-ICM

• CONservational Channel Evolution and Pollutant Transport System (CONCEPTS)

• Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC)• Water Quality Analysis Simulation Program (WASP)

Budi Kurniawan 14

Watershed Models (US-EPA)

Budi Kurniawan

• Watershed Assessment Model (WAMView)• Storm Water Management Model (SWMM)• Hidrologycal Simulation Program Fotran (HSPF)• Loading Simulation Program in C++ (LSPC)• BASINS (HSPF, PLOAD, AQUATOX)• Storm Water Management Model (SWMM)• Loading Simulation Program in C++ (LSPC)• SWAT• Watershed Analysis Risk Managemnt Framework

(WARMF)15

Konsep Pemodelan

Konsep pemodelan (hipotesis) merupakan separangkat asumsi yang merupakan ide dasar atau bangunan dasar mengenai bagaimana suatu sistem atau proses bekerja yang disesuaikan dengan tujuan pemodelan.

Budi Kurniawan 16

Manfaat Pemodelan

• Para peneliti menggunakan model sebagai alat (tool) dalam memahami proses yang terjadi dan menemukan faktor yang berpengaruh terhadap suatu sistem.

• para praktisi menggunakan model untuk membantu dalam manajemen dan pengambilan keputusan.

• memahami secara lebih baik keberadaan polutan di lingkungan, persebaran dan perubahan fisik-kimia-bilogi polutan dan peran manusia dalam siklus polutan tersebut.

Budi Kurniawan 17

Tujuan Pemodelan

– Untuk aplikasi apa model dibangun, apakah untuk keperluan penelitian ilmiah, engineering atau manajemen ?

– Pelajaran atau pemahaman apa yang ingin diperoleh dari model ?

– Pertanyaan apa yang ingin dijawab oleh model ?– Apakah pemodelan merupakan cara terbaik untuk

menjawab pertanyaan tersebut ?– Apakah model numerik benar-benar dibutuhkan ?

Dapatkan model analitik digunakan? Untuk kasus-kasus sederhana dimana model analitik tersedia dan cukup memadai, maka penggunaan model numerik merupakan pekerjaan yang berlebihan (overkill).

Budi Kurniawan 18

Prosedur Pemodelan

• Konsep pemodelan• Identifikasi Model• Design Model • Simulasi (execution) dengan menggunakan beberapa

scenario • Kalibrasi (proses mencocokan hasil simulasi dengan

data lapangan untuk mendapatkan angka konstanta dan variabel yang sesuai)

• Verifikasi (menggunakan seri data yang berbeda)• Validasi (jika ada analytical dan analog models)• Sensitivity Analysis • Analisis hasil

19Budi Kurniawan

Variasi Model

1. Spasial (keruangan) - 1 Dimensi- 2 Dimensi- 3 Dimensi2. Temporal- Tunak (steady state)- Quasi Dynamic- Dinamik atau transient

20Budi Kurniawan

Variasi Model

• Konvensional Polutan (BOD, DO, Ph, TSS, Fecal coliform, minyak, oli)

• Non Konvensional polutan (ammonia, nitrogen, phosphorus, chemical oxygen demand (COD), and whole effluent toxicity)

• Simple toxic, heavy metal, organic toxic

21Budi Kurniawan

Variasi Model

• Model berbasis DAS (watershed based model)

• Model berbasis sumber air (receiving based model)

22Budi Kurniawan

Data dan Informasi untuk Model Kualitas Air

• Peta Topografi• Peta Penggunaan Lahan• Peta Administrasi• Meteorologi dan klimatologi• Elevasi dan posisi geografis sumber air• Hidrologi (hidrolika) dan morfologi sumber air • Lokasi titik pantau dan Kualitas air hasil pemantauan• Jumlah beban, jenis dan lokasi sumber pencemar serta

karakteristik zat pencemar• Segmentasi sumber air• Kelas air atau baku mutu sumber air• Pemanfaatan sumber air

23Budi Kurniawan

Aplikasi Pemodelan Kualitas Air• Analisis kuantitatif hubungan antara beban pencemar yang

dikeluarkan sumber pencemar dengan kualitas air (air permukaan/air tanah).

• Analisis perubahan penggunaan lahan terhadap banjir dan kualitas air

• Analisis kuantitatif dampak perubahan iklim terhadap kualitas air sungai/air tanah.

• Analisis persebaran polutan (air lindi) di landfill, tumpahan minyak, kebocoran storage B3 sebagai bagian dari Environmental Risk Assessment serta analisis cause-effect dalam kasus lingkungan

• Menentukan total maximum daily load (TMDLs) segment sungai ,yang diperlukan untuk penyusunan kebijakan: izin pembuangan air limbah, penyusunan program, perdagangan alokasi limbah, mutu air sasaran, evaluasi tata ruang.

• Membantu dalam AMDAL• Water reuse dan Conjunctive use air permukaan dan airtanah

Budi Kurniawan 24

Metode Perhitungan DTBP AirTotal Maximum Daily Loads (DTBPs) yaitu

jumlah maksimum beban pencemar yang diperbolehkan dibuang ke sumber air tanpa menyebabkan sumber air tersebut tercemar

DTBP = Waste Load Allocation + Load Allocation + Background water quality + Margin of safety (MoE)DTBP = Sumber Tertentu+ Sumber Tak tentu +Kualitas air + Faktor Pengaman

Budi Kurniawan 25

Receiving Water Model (US-EPA)

• Dynamic One-Dimensional Model of Hydrodynamics and Water Quality (EPDRiv1)

• Stream Water Quality Model (QUAL2K), CE-QUAL-W2 dan CE-QUAL-ICM

• CONservational Channel Evolution and Pollutant Transport System (CONCEPTS)

• Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC)• Water Quality Analysis Simulation Program (WASP)

Budi Kurniawan 26

Budi Kurniawan 27

QUAL2K:A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality(Version 2.11)

Documentation

The Mystic River at Medford, MA

Steve Chapra, Greg Pelletier and Hua TaoDecember 16, 2008Chapra, S.C., Pelletier, G.J. and Tao, H. 2008. QUAL2K: A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality, Version 2.11: Documentation and Users Manual. Civil and Environmental Engineering Dept., Tufts University, Medford, MA., Steven.Chapra@tufts.edu

The Mystic River at Medford, MA

Steve Chapra, Greg Pelletier and Hua TaoDecember 16, 2008Chapra, S.C., Pelletier, G.J. and Tao, H. 2008. QUAL2K: A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality, Version 2.11: Documentation and Users Manual. Civil and Environmental Engineering Dept., Tufts University, Medford, MA., Steven.Chapra@tufts.edu

QUAL2K & QUAL2Kw• Model satu dimensi, dimana secara lateral dan vertikal

diasumsikan tercampur secara sempurna (the channel is well-mixed vertically and laterally)

• Kondisi hidrolik tunak (Steady state hydraulics) • Mensimulasi beban sumber Point dan Non-Point serta

pengambilan air (Abstractions) • Mensimulasi ruas saluran yang tidak sama dan beban

pencemar yang masuk dari berbagai sumber dan pengambilan air (Unequal reaches, Multiple loads/Abstractions)

28Budi Kurniawan

Budi Kurniawan 29

Budi Kurniawan 30

Budi Kurniawan 31

19

18

17

16

19

18

17

16

1

5

4

3

2

1

5

4

3

2

20

28

27

26

21

29

20

28

27

26

21

29

12

1514

1312

1514

13

87

6

87

6

9

1110

9

1110

2423

22

25

HW#1

HW#2

HW#3

HW#4

(a) A river with tributaries (b) Q2K reach representation

Mai

n s

tem

Trib 1

Trib2

Trib 3

QUAL2K segmentation scheme for (a) a river with tributaries. The Q2K reach representation in (b) illustrates the reach, headwater and tributary numbering schemes.

QUAL2K segmentation scheme for (a) a river with tributaries. The Q2K reach representation in (b) illustrates the reach, headwater and tributary numbering schemes.

Budi Kurniawan 32

Budi Kurniawan 33

Budi Kurniawan 34

Budi Kurniawan 35

Budi Kurniawan

Introduction to the Water Quality Analysis Modeling System

WASPVersion 7.0April, 2005

36

Budi Kurniawan

WASPWASPInputInput

BMDBMDEutrophicationEutrophication

Conservative Conservative ToxicantToxicant

MOVEMMOVEM

StoredStoredDataData

Hydro Hydro

Model Preprocessor/Data Server

MercuryMercury

Binary Model Output

Graphical Post Processor

ModelsHydrodynamicInterface

Expor

ted

Mod

el R

esul

ts

Messages

WASP Modeling FrameworkWASP Modeling Framework

CSV, ASCII Output

Organic Organic ToxicantsToxicants

HeatHeat

Binary Wasp Input File (wif)

37

Surface Water Flow Options – WASP Screen

38Budi Kurniawan

Transport Fields – WASP Screen

39Budi Kurniawan

Budi Kurniawan

Applicable Module for Various Model Constituents

ModuleModule ConstituentConstituent

Simple ToxicantSimple Toxicant Non-reactive metals: Non-reactive metals: Copper, Lead, Zinc, CadmiumCopper, Lead, Zinc, Cadmium

Simple Organics: Simple Organics: MTBE, PCB HomologsMTBE, PCB Homologs

Non-Ionizing Organic ToxicantNon-Ionizing Organic Toxicant Reactive Metals: Reactive Metals: Arsenic, Tin, Selenium, ChromiumArsenic, Tin, Selenium, Chromium

Transformable Organics: Transformable Organics: Gasoline, Petroleum, BTEX, Gasoline, Petroleum, BTEX, PAHs, Chlorinated Solvents, PAHs, Chlorinated Solvents, PCBs, VOCsPCBs, VOCs

Organic ToxicantOrganic Toxicant Ionizable Organics: Ionizable Organics: Pesticides, Organic AcidsPesticides, Organic Acids

MercuryMercury Elemental Mercury, Divalent Elemental Mercury, Divalent Mercury, MethylmercuryMercury, Methylmercury

40

Segmentationof Brandywine River

3

1

4

2

5

8

7

6

12

10

11

9

Reaches:1. Annuminas2. Upper Plains3. Hobbiton4. Old Forest (monitoring)5. South Downs6. Tharbad Ferry7. Middle Brandywine8. The Crescent (monitoring)9. Minhiriath10. Lake Evendim epilimnion11. Lake Evendim hypolimnion12. Shirebourne Marsh 41Budi Kurniawan

Brandywine WASP Network

7. Middle Brandywine8. The Crescent (monitoring)9. Minhiriath10. Lake Evendim epilimnion11. Lake Evendim hypolimnion12. Shirebourne Marsh

1.1. AnnuminasAnnuminas2.2. Upper PlainsUpper Plains3.3. HobbitonHobbiton4.4. Old Forest (monitoring)Old Forest (monitoring)5.5. South DownsSouth Downs6.6. Tharbad FerryTharbad Ferry

42Budi Kurniawan

Brandywine Physical Geometry

43Budi Kurniawan

Brandywine Simulation Control

44Budi Kurniawan

Brandywine Network (4)

• Copy segment names from the spreadsheet

• Highlight first row.

• Paste segment names in the Description field, and segment depths in the Depth Multiplier field.

45Budi Kurniawan

Budi Kurniawan 46

Budi Kurniawan 47

WASPWASP

Loading ModelsSWMMHSPFLSPCNPSMPRZMGBMM

Hydrodynamic ModelsEFDC

DYNHYDEPD-RIV1

SWMM

BioaccumulationBASSFCM-2

External Spreadsheets

ASCII FilesWindows Clipboard

WASP External Linkages

48Budi Kurniawan

TAM/WASP Model Segmentation

The TAM/WASP Modeling Framework for Development of Nutrient and BOD TMDLs in the Tidal Anacostia River, 2008

49Budi Kurniawan

The Anacostia River Watershed

50Budi Kurniawan

DO Criteria for Designated Uses in the Tidal Anacostia River

51Budi Kurniawan

Maximum Permitted Concentrations and Flows for Calculation ofMunicipal and Industrial Waste Load Allocations

52Budi Kurniawan

The Port Tobacco River is approximately 8.5 miles long and drains a predominantly forested watershed in Charles County. Land use within the watershed consists of 60 percent forest, 21 percent mixed agriculture and 19 percent urban land. According to water quality surveys, the Port Tobacco River was not supporting the following uses, inpart because of nuisance algal growths and low dissolved oxygen: water contact recreation and protection of aquatic life, and shellfish harvesting

53Budi Kurniawan

54Budi Kurniawan

Watershed Models (US-EPA)

Budi Kurniawan

• Watershed Assessment Model (WAMView)• Storm Water Management Model (SWMM)• Hidrologycal Simulation Program Fotran (HSPF)• Loading Simulation Program in C++ (LSPC)• BASINS (HSPF, PLOAD, AQUATOX)• Storm Water Management Model (SWMM)• Loading Simulation Program in C++ (LSPC)• SWAT• Watershed Analysis Risk Managemnt Framework

(WARMF)55

Manfaat Watershed Models

• Integrasi rainfall –runoff dan stream model dengan menggunakan DAS sebagai batas pemodelan

• Memberitahukan kita respon kualitas air atas berbagai aktivitas manusia (mis:landuse) serta respon terhadap pilihan kegiatan perlindungan sumber air

• Alat untuk mensinergiskan program atau kegiatan pengendalian kerusakan DAS dengan pengelolaan dan pengendalian pencemaran air

Budi Kurniawan 56

(Oki and Kanae 2006, Science)

But, what do we know now?

Budi Kurniawan 57

Pelepasan air tanahPelepasan air tanah

Arus antaraArus antara

Aliran Permukaan

PeresapanPeresapanPermukaan Air Tanah

evapotranspirasi

Siklus Hidrologi

58Budi Kurniawan

Indikator kinerja (rasio debit max-min sungai, tingkat

erosi /sedimentasi, tinggi muka airtanah dan kualitas air

permukaan dan airtanah)

Outcome:Ekosistem DAS menjadi sehat,peningkatan income dan revenue, penyelesaian konflik, penurunan water-borne desease dan peningkatan kapasitas adaptasi perubahan iklim

Mapping•Identifikasi kondisi fisik (hidro-morfologi, iklim, land-use dan kualitas air) DAS•Identifikasi sumber pencemar •Identifikasi karakteristik zat pencemar•Identifikasi permasalahan dan stakeholders•Identifikasi peraturan dan lembaga formal dan informal perlindungan dan pengelolaan DAS • Identifikasi ekisting program/proyek

Tool:Izin Lingkungan,tata ruang,infrastruktur, pedoman,standar, peningkatan kapasitas, insentif-disinsentif, manajemen data base/spasial dan pemberdayaan masyarakat

Program dan kegiatan perlindungan dan Pengelolaan DAS:•Penurunan beban pencemaran dari sumbernya (point dan non-point source)•Pengelolaan kualitas air•Pengendalian kerusakan lahan dan tata air

Analysis datadan informasi

Aplikasi model Kualitas Air

DTBP/TMDL

Budi Kurniawan 59

Budi Kurniawan 60

Hidrologycal Simulation Program Fotran (HSPF)

• The HSPF Model mensimulasi perjalanan polutan dan perubahan fisik-kimia-biologi (fate) polutan yang terjadi di seluruh sklus hidrologi.

• Terdapat dua proses berbeda yang dimodelkan, yaitu: (1) Proses yang menentukan perjalanan polutan dan perubahan fisik-kimia-biologi polutan pada permukaan dan dibawah permukaan DAS (the surface or in the subsurface of a watershed), and (2) proses di saluran air (in-stream processes).

• Proses pertama disebut dengan proses lahan atau DAS (land or watershed processes), proses kedua dinamakan dengan proses pada stream atau ruas sungai (in-stream or river reach processes).

61Budi Kurniawan

Budi Kurniawan 62

Watershed Analysis Risk Management Framework (WARMF)

Model WARMF dapat mengajari stakeholders dalam hal:1) Bagaimana input meteorologi memberikan dampak terhadap

kondisi hidrologi dan beban pencemar non-point ,2) Bagaimana land use mempengaruhi beban pencemar non-

point , 3) Bagaimana beban pencemar point and non-point tersebar

secara spasial,4) Bagaimana beban pencemar point and non-point

diterjemahkan menjadi kualitas air di sungai dan danau 5) Apakah kualitas air sesuai untuk peruntukan tertentu atau

tidak.

63Budi Kurniawan

Budi Kurniawan 64

Budi Kurniawan 65

Representation of Catawba River Basin by a Network of Land Catchments, RiverSegments, and Reservoirs

66Budi Kurniawan

Dialog Box for Land Use Data67Budi Kurniawan

Meteorological Data for Charlotte-Douglas Airport 68Budi Kurniawan

69Budi Kurniawan

70Budi Kurniawan

71Budi Kurniawan

Specifying Designated Use 72Budi Kurniawan

Specifying Water Quality Criterion for Designated Use. 73Budi Kurniawan

Spreadsheet Table for Observed Water Quality 74Budi Kurniawan

Simulated and Observed Flow of Catawba River at Calvin

75Budi Kurniawan

76Budi Kurniawan

Summary Table for the Hypothetical Risk of Failure Analysis

Based on this hypothetical example, the risk of failure for the three control options are summarized in Table . The alternative with a low level control of 0.7 (30% reduction of load) has a lower cost, relatively speaking. But it has a 70% chance of not meeting the water quality objective. The medium cost alternative has a 34% chance of failure. The most expepensive alternative has a control level of 0.3 (70% reduction of load). But, the chance of falure is decreased to 2%.

77Budi Kurniawan

78Budi Kurniawan

79Budi Kurniawan

8080

POTENSI SUMBER DAYA DAN ANCAMAN BENCANADI WILAYAH PESISIR DAN PULAU-PULAU KECIL

POTENSI SUMBER DAYA DAN ANCAMAN BENCANADI WILAYAH PESISIR DAN PULAU-PULAU KECIL

80Budi Kurniawan

81

Pemilihan TEKNIK SIMULASI/PEMODELAN

• Sebaran Polutan di badan sungai atau estuaria

• Sebaran Nutrisi di badan sungai atau estuaria

• Kualitas air di estuaria• Intrusi garam untuk

pertambakan• Dinamika lidah pasir (sand

spit)• Layout struktur/bangunan

hidraulika• Pengerukan (dredging) and

pembuangan (dumping)• Masalah Erosi and Akresi• Analisis risiko banjir, tsunami,

dll

MemerlukanPemodelan Hidrodinamika,

Sedimen, kualitas air dll

a. Dilihat dari Tujuan simulasi :

Budi Kurniawan

Kerangka fikir simulasi estuari

Energi pembangkit

AnginPasut

Debit sungai

Energi pembangkit

Konsentrasi dasarSumber aktif

Model hidrodinamika

•Aliran air•Suhu/salinitas•Kekekalan materi•Trajektori partikel

Model Transport•Adveksi•Dispersi

Hasil•Tinggi muka air•Arus, •Percampuran•Suhu, salinitas

Model gelombang•Pembentukan gel.•Penjalaran gel.•Disipasi energi

Model Sedimen

•Erosi•Aggregasi•Deposisi

Model Kualitas Air

•Transport•Transformasi

Energi Pembangkit

Angin

Hasil•Tinggi gelombang•Perioda gel. •Arah gelombang

Energi Pembangkit•Properti sedimen dasar•Solid loading

Hasil•Konsentrasi di kolom air•Konsentrasi di dasar

Hasil•Konsentrasi Sed.•Massa tersedimentasi, •Massa tererosi•Perubahan dasar 82Budi Kurniawan

Contoh Model Matematik• Gelombang

– TUNAMI, TSUNAWI, ANUGA, COMCOT

– RCPWAVE (komersial),

– Mike 21-SW, Mike21-BW

– CGWAVE (komersial)

– Dll

• Sedimen pantai (pasir)

– Genesis US Army CERC

– Litpack (DHI)

• Arus (2 dimensi)

– Mike21-HD, Mike3D-HD(komersial)

– SMS – RMA2 (komersial)

– TELEMAC (komersial)

– 3DD

– Delft 3D

– Trisula

– POM

– Dll.

Polutan (2 dimensi) SMS-RMA4 (komersial) Mike21-ECO, Mike 3D-EQ Dll. (oil spill problem)

Sedimen suspensi perairan SMS-SED2D (komersial) Mike21-ST, Mike21-MT, Mike

3D-MT 3DD Delft 3D Ecomsed Dll

83Budi Kurniawan

MODEL HIDRODINAMIKA

• Pemodelan hidrodinamika didasarkan kepada deskripsi proses-proses yang mempengaruhi sirkulasi dan percampuran masa air yang menggunakan hukum konservasi masa dan momentum

• Parameter yang digunakan dalam pemodelan hidrodinamik meliputi: pasang surut, kemiringan hidrolika, suhu, friksi, turbulensi, angin dan tekanan atmosfir, dan pengaruh rotasi bumi (coriolis force)

• Output: Pola arus (kecepatan,arah) dan tinggi muka air (elevasi)

84Budi Kurniawan

Model Transpor Polutan

• Dipergunakan dalam memprediksi persebaran serta transformasi (perubahan fisik-kimia-biologi) polutan di perairan

• Proses yang dimodelkan: perjalanan dan konsentrasi dari zat pencemar setelah mengalami dispersi, ionisasi, sorpsi, dan mengalami degradasi melalui proses seperti; volatilisasi, biodegradasi, hidrolisis serta fotolisis

• Output: Persebaran konsentrasi polutan secara spasial dan temporal

85Budi Kurniawan

OUTPUT MODELING

• Prediksi kondisi kualitas air laut dan persebaran konsentrasi zat pencemar secara spasial dan temporal menggunakan lokasi outfall eksisting dan beban zat pencemar eksisting.

• Prediksi kondisi kualitas air laut dan persebaran konsentrasi zat pencemar sebagai respon dari penerapan berbagai skenario manajemen

• Beban polutan maksimum yang diperbolehkan untuk dibuang ke badan air laut dimasa sekarang dan masa yang akan datang agar baku mutu air laut yang ditetapkan tidak terlampaui.

• Lokasi outfall yang paling tepat agar zat pencemar mendapatkan dilusi yang optimal

86Budi Kurniawan

Kawasan ???

• Aktivitas: Industri, pariwisata, pelabuhan, transportasi, pemukiman

• Ekosistem sensitif: Terumbu karang, padang lamun, mangrove

• Kondisi hidro-geo-morfologi pesisir laut• Peraturan perundang-undangan• Sosial-ekonomi-budaya masyarakat

87Budi Kurniawan

PolutanPolutan

• SumberSumber– dari sungaidari sungai– buangan / buangan / effluenteffluent industri industri– Aktivitas transportasi lautAktivitas transportasi laut– dari dasar / timbunandari dasar / timbunan

• Mekanisme angkutan atau sebaranMekanisme angkutan atau sebaran– mengapung di permukaanmengapung di permukaan– melayang bersama aliranmelayang bersama aliran– terseret di atas dasar perairanterseret di atas dasar perairan

88Budi Kurniawan

Pertanyaan ????

• Berapa besar Beban Pencemaran yang masuk ke kawasan estuari atau laut di masa sekarang dan yang akan datang?

• Berapa kontribusi beban pencemar masing-masing sumber pencemar?

• Berapa besar beban pencemar maksimum yang dapat diasimilasi kawasan estuari atau laut ?

• Berapa kuota beban pencemar masing-masing sumber pencemar?

89Budi Kurniawan

TAHAPAN KAJIAN DIKAWASANInformasi peruntukan:

kawasan suaka alam laut, kawasan konservasi laut,

taman nasional laut, industri, pariwisata,

pelabuhan dll

Baku mutu kualitas air

Data dan informasi:Jenis sumber pencemar, beban dan karakteristik

air limbah, Iklim, hidro-oceanografi, kualitas air laut,komunitas biologi, penggunaan lahan dll

Pemodelan hidrodinamika, polutan tranpor dan ekosistem

•Total beban pencemar eksisting saat ini dan prediksi beban pencemar dimasa yang akan datang•Kontribusi beban pencemar dari berbagai sumber •Total beban pencemar yang diperbolehkan masuk kawasan (Daya Tampung Beban Pencemar)

Alokasi beban pencemarper industri di kawasan

Beban pencemareksisting per industri

di kawasanmemenuhi

Izin dikeluarkan

dibandingkan

•Izin ditunda•Pembinaan - Produksi bersih - Pengolahan limbah - Eco-industrial park

Tidak memenuhi

90Budi Kurniawan

Industri I

II III

91Budi Kurniawan

92Budi Kurniawan

93Budi Kurniawan

94Budi Kurniawan

No Properti Keterangan

1 Jumlah grid arah x 375

2 Jumlah grid arah y 350

3 Resolusi grid arah x dan arah y 10 m

4 Luas tiap grid 100 m2

5 Langkah waktu perhitungan 5 detik

5 Kedalaman maksimum 15 m

4 Kedalaman minimum 1 m

5 Tipe elemen Elemen beda hingga

6 Luas area 13 km2

95Budi Kurniawan

96Budi Kurniawan

97Budi Kurniawan

98Budi Kurniawan

99Budi Kurniawan

100Budi Kurniawan

101Budi Kurniawan

Arus di Perairan Ujung Pangkah,Arus di Perairan Ujung Pangkah,Musim Angin Timur (Kecepatan Angin 5 m/s)Musim Angin Timur (Kecepatan Angin 5 m/s)

102Budi Kurniawan

Sebaran Sedimen dari 5 Muara SungaiSebaran Sedimen dari 5 Muara Sungai(Musim Angin Timur)(Musim Angin Timur)

103Budi Kurniawan

104104

Hasil Simulasi Sebaran Panas (Kondisi Eksisting, Angin Barat)

104Budi Kurniawan

TERIMAKASIHbudkurni2003@yahoo.com

105Budi Kurniawan

DAFTAR PUSTAKAAbbot, M.B and W.A. Price, Coastal, Estuarial and Harbour Engineers, Reference

Book, 1994, E & FN Spon, LondonAmbrose, R. B., J. L. Martin, and T. A. Wool, 2009. WASP7, Streams Transport—

Model Theory, User's Manual, and Programmer's Guide. EPA/600/R-09/100, U.S. Environmental Protection Agency, Athens, GA. 29

Budi Kurniawan, Kenji Jinno. Memoirs of the Faculty of Engineering, Kyushu University, Vol.66, No.2, June 2006. “Numerical Transport model of chlorinated organic carbon compounds in saturated porous media”.

Budi Kurniawan, Kenji Jinno. Annual Journal of Hydraulic Engineering, JSCE, Vol.51, 2007, February. “Numerical modeling for assessment of contaminant vertical distribution under parameter uncertainties”.

Budi Kurniawan, Kenji Jinno. Journal of Environmental Hydrology, Vol.15, paper 1, March 2007. “Numerical modeling for risk assessment of groundwater contamination under river and pumping effect”.

Brown, L.C., and Barnwell, T.O. 1987. The Enhanced Stream Water Quality Models QUAL2E and QUAL2E-UNCAS, EPA/600/3-87-007, U.S. Environmental Protection Agency, Athens, GA, 189 pp.

106Budi Kurniawan

Chapra, S.C. and G.J. Pelletier. 2003. QUAL2K: A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality (Beta Version): Documentation and Users Manual. Civil and Environmental Engineering Dept., Tufts University, Medford, MA.Churchill, M.A., Elmore, H.L., and Buckingham, R.A. 1962. The prediction of stream reaeration rates. J. Sanit. Engrg. Div. , ASCE, 88{4),1-46.

Cole, T.M. and S. Wells. 2000.CE-QUAL-W2: A Two-Dimensional, Laterally Averaged, Hydrodynamic and Water Quality Model, Version 3.0, US Army Corps of Engineers,Washington, DC: Instruction Report EL-00-1, August 2000

Diposaptono ,S.2009.. Simulasi Penyebaran Pencemar Untuk Prakiraan Dampak Kualitas Estuaria.

Essink Oude., G.H.P. 2000. Groundwater Modeling. Lecture Note L 4018/GWM I. Departement of Geophysics, Institute of Earth Sciences. Interfaculty of Hydrology Utrecht. Utrecht University, the Netherlands.

HydroQual, Inc.2002. A Primer for ECOMSED Version 1.3, User’s Manual.Schnoor, J.L., et al. 1987. Processes, Coefficients, and Models for Simulating

Toxic Organics and Heavy Metals in Surface Waters. U.S. EPA, Athens, GA. EPA/600/3-87-015.

Budi Kurniawan 107

Schnoor, J.L.. 1996. Environmental Modeling.; Fate and Transport Pollutants in Water, Air and Soil, John Wiley and Sons, Inc.

USEPA. 1997. Technical Guidance Manual for Performing Waste load Allocations, Book II: Streams and Rivers – Part 1: Biochemical Oxygen Demand/Dissolved Oxygen and Nutriens/Eutrophications (EPA-823-B-97-002). (U.S.ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY) 401 M Street, S.W. Washington, DC 20460.

U.S. EPA Estuarine Waste Load Allocation Modeling (Center for Exposure Assessment Modeling, Environmental Research Laboratory, U.S. EPA, Athens, GA AScI Corp., at the Environmental Research Laboratory, U.S. EPA, Athens, GA, Environmental Research Laboratory, U.S. EPA, Narragansett, RI, 1992)

U.S. EPA NPDES Permit Writers' Manual; U.S. Environmental Protection Agency, Office of Water, December, 1996

U.S. EPA. 1999. Protocol for Developing Nutrient TMDLs. EPA 841-B-99-007. Office of Water (4503F), United States Environmental Protection Agency, Washington D.C. 135 pp

WARMF. 2001 Watershed Analysis Risk Management Framework: Update One: A Decision Support System for Watershed Analysis and Total Maximum Daily Load Calculation, Allocation and Implementation, EPRI, Palo Alto, CA.

108Budi Kurniawan