Model Hujan-Aliran Menggunakan HEC-HMS

Pemodelan respon DAS dalam mengalihragamkan hujan menjadi aliran

(rainfall-runoff model) menggunakan HEC-HMS dapat dijelaskan menggunakan

contoh yang telah disediakan dalam dokumen Quick Start Guide bawaan program

HEC-HMS. Untuk pembahasan ini, penulis mengadopsi contoh tersebut secara

langsung, namun melakukan perubahan pada satuan parameter-parameter model

ke dalam satuan SI (metric). Program HEC-HMS yang digunakan adalah versi

terbaru yaitu versi 3.50

Permasalahan

Contoh pemodelan hujan-aliran yang dibahas berdasarkan data DAS Castro

Valley seluas 14,27 km2 yang terletak di Carolina Utara. DAS tersebut terdiri dari

empat subDAS seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1. Data hujan untuk hujan

deras yang terjadi pada tanggal 16 Januari 1973 tersedia pada tiga buah stasiun

hujan yang ditempatkan terpisah, yaitu : Proctor School, Sidney School, dan Fire

Department. Tujuan dari contoh model ini adalah untuk memperkirakan pengaruh

urbanisasi di masa depan terhadap respon hidrologi.

Penerapan program HEC-HMS

membutuhkan tahapan mulai dari pembuatan

project baru sampai dengan pemasukan data

yang diperlukan. Model DAS menggunakan

metode kehilangan air konstan (initial loss

constant), hidrograf satuan Snyder, dan aliran

dasar resesi yang diterapkan berdasarkan data

yang ditunjukkan dalam Tabel 1 4.

.

Model meteorologi digunakan untuk masukan data hujan. Koefisien poligon

Thiessen (Tabel 5) akan digunakan sebagai metode perhitungan hujan rata-rata

(kawasan). Hujan total terukur di stasiun Proctor School dan Sidney School

masing-masing adalah 48.77 mm dan 34.80 mm. Hujan di kedua stasiun tersebut

didistribusikan terhadap waktu menggunakan pola distribusi hujan dari stasiun

Fire Department. Data hujan di stasiun Fire Department ditunjukkan dalam Tabel

6 (pada contoh aslinya diberikan sebagai file DSS).

Tabel 7. Data hidrograf terukur 10 menitan pada Outlet DAS Castro Valley

Simulasi terhadap model DAS kondisi eksisting akan dilakukan dan

dihitung untuk menentukan respon hujan-aliran dari model tersebut. Selanjutnya,

dilakukan juga simulasi untuk kondisi terhadap model DAS kondisi setelah

urbanisasi (berkembang) yang hasilnya kemudian dibandingkan dengan kondisi

eksisting.

Membuat Project

Pembangunan model dimulai dengan membuat project baru. Pilih menu File

==> New Masukkan Castro Valley pada Name dan Castro Valley Urban

Study pada Description seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.

Menggunakan isian tersebut, maka file project akan tersimpan dalam folder

Castro_Valley. Atur Default Unit System menjadi Metric dan klik tombol

Create untuk membuat project.

Atur pilihan project sebelum membuat

komponen-komponen model (Gambar 3).

Pilih menu Tools ==> Program Settings

Atur Loss menjadi Initial and Constant,

Transform menjadi Snyder Unit

Hydrograph, Baseflow menjadi Recession,

Routing menjadi Muskingum, Gain Loss

menjadi None, Precipitation menjadi Gage

Weights, Evaporation menjadi None, dan

Snowmelt menjadi None. Klik tombol OK

untuk menyimpan dan menutup jendela

Program Settings.

Input Data

Buat stasiun hujan untuk data Fire Department. Pilih menu Components

==> Time-Series Data Manager. Pastikan Data Type diatur pada Precipitation

Gages. Klik tombol New di jendela Time-Series Data Manager. Dalam jendela

Create A New Precipitation Gage masukkan Fire Dept untuk Name dan Castro

Valley Fire Department untuk Description. Klik tombol Create untuk

menambahkan stasiun hujan tersebut ke dalam project. Stasiun hujan tersebut

secara otomatis akan ditambahkan dala suatu folder Precipitation Gages di

bawah folder Time-Series Data dalam jendela Watershed Explorer. Klik tanda +

untuk melihat nama stasiun hujan yang telah dibuat. Pilih jendela waktu (time)

dalam jendela Watershed Explorer untuk membuka Component Editor untuk

stasiun hujan tersebut. Jendela Component Editor terdiri dari 4 halaman, yaitu:

Time-Series Gage, Time Window, Table, dan Graph. Pilih halaman

Time-Series Gage dan pilih Manual Entry untuk Data Source. Pilih

Incremental Millimeters untuk Units, dan 10 Minutes untuk Time Interval

seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4

Pilih halaman Time Window dan kemudian masukkan 16Jan1973 untuk Start

Date dan End Date. Masukkan 03:10 untuk Start Time dan 09:50 untuk End

Time. Pilih halaman Table dan kemudian masukkan data pada Tabel 6 untuk

stasiun hujan Fire Department (Gambar 5. Pilih halaman Graph untuk melihat

grafik/ histogram hujan (Gambar 6).

Buat stasiun debit untuk hidrograf terukur (observed hydrograph) pada

outlet DAS menggunakan prosedur yang sama untuk membuat stasiun hujan. Pilih

menu Components ===> Time Series Data Manager. Pastikan Data Type

diatur pada Discharge Gage. Klik tombol New dalam jendela Time-Series Data

Manager. Pada jendela yang terbuka, masukkan Outlet sebagai Name dan

Castro Valley Outlet Gage untuk Description. Klik tombol Create untuk

menambahkan stasiun debit ke dalam project. Buka Component Editor untuk

stasiun debit tersebut dan pilih Manual Entry untuk pilihan Data Source.

Menggunakan cara yang sama seperti yang telah dijelaskan sebelumnya untuk

stasiun hujan, buat kontrol waktu pada Time Window untuk stasiun debit di

outlet dari tanggal 16Jan1973 jam 03:00 ke 13:00. Masukkan data Tabel 7 ke

dalam halaman Table dan lihat grafiknya pada halaman Graph.

Buat juga tabel pasangan data untuk metode penelusuran aliran Modified

Puls. Pilih menu Components ===> Paired Data Manager. Pastikan Data

Type diatur pada Storage-Discharge Functions dan klik tombol New dalam

jendela Paired Data Manager. Biarkan Name diatur sebagai Table 1 dan

masukkan Description sebagai Reach-2 dalam jendela Create A New Storage-

Discharge Function. Klik tombol Create untuk menambahkan fungsi tampungan-

debit ke dalam project. Dalam Component Editor pastikan Data Source diatur

pada Manual Entry dan Units pada 1000 M3 : M3/S. Klik halaman Table dan

masukkan data dari Tabel 4 (Gambar 7).

Membuat Model DAS

Mulai membuat model DAS dengan memilih menu Components ==>

Basin Model Manager. Buat model DAS baru dengan Castro 1 untuk Name

dan Existing Conditions untuk Description.

Membuat Jaringan Elemen

DAS Castro Valley akan dimodelkan dengan empat subDAS, dua reach

penelusuran, dan tiga junction. Buka jendela Basin Model yang baru dibuat

dengan memilih Castro 1 dalam Watershed Explorer. Peta/gambar latar dapat

ditambahkan untuk memudahkan dalam merepresentasikan model DAS yang akan

dibangun. Pilih menu View ==> Background Maps (catatan: menu ini akan

tersedia hanya jika jendela Basin Model Map sedang terbuka di desktop). Klik

tombo Add dalam jendela Background Maps. Cari file map bernama

CASTRO.MAP yang merupakan contoh project Castro yang diinstall terlebih

dahulu (catatan: pada saat mencari file tersebut, pastikan File Type diatur

menjadi *.map). Pilih file tersebut dan klik tombol Select. File tersebut akan

ditambahkan pada daftar Current background maps dalam jendela Background

Maps. Klik OK.

Lakukan tahapan-tahapan berikut dan gunakan Gambar 8 untuk membuat jaringan

elemen dari DAS yang dimodelkan:

1. Tambahkan empat elemen subbasin. Pilih/klik icon Subbasin pada

toolbar. Tempatkan elemen tersebut dengan klik kiri di jendela Basin

Model Map sesuai dengan Gambar 8 (jika penempatan elemen kurang

sesuai, user dapat memperbaikinya nanti).

2. Tambahkan dua elemen Reach . Klik pertama dimana ujung hulu akan

ditempatkan, kemudian klik kedua dimana ujung hilir akan ditempatkan.

3. Tambahkan tiga elemen Junction .

4. Hubungkan hilir Subbasin-2 kepada Junction-1. Tempatkan kursor di atas

icon elemen dalam jendela Basin Model Map dan klik kanan mouse. Pilih

menu Connect Downstream. Tempatkan kursor pada icon elemen

junction dan klik kiri pada mouse. Sebuah garis hubung akan muncul yang

menunjukkan bahwa kedua elemen sudah terhubung.

5. Hubungkan elemen-elemen lainnya dengan cara yang sama pada tahapan

no. 4. Elemen yang dihubungkan disusun sebagai elemen >

downstream, yaitu: Subbasin-1 > Reach-2, Subbasin-2 > Junction-1,

Subbasin-3 > Reach-1, Subbasin-4 > Junction-3, Reach-1 >

Junction-3, Reach-2 > Junction-1, Junction-1 > Junction-2, Junction-3

> Junction-2.

6. Untuk memperbaiki penempatan posisi setiap elemen, user dapat

melakukannya dengan menggeser elemen tersebut ke tempat baru yang

sesuai. Pilih icon Arrow Tool , lalu tempatkan kursor pada elemen yang

akan dipindahkan dan lakukan klik-tahan pada mouse dan geser dimana

elemen tersebut akan ditempatkan kemudian lepas.

Semua elemen yang dibuat pada jendela Basin Model Map di atas secara

otomatis akan juga ditambahkan pada jendela Watershed Explorer. Elemen-

elemen tersebut disusun secara hierarki mulai dari hulu sampai hilir. Susunan

tersebut akan diperbarui setiap kali user menambahkan elemen baru, mengubah

luasan subbasin, atau mengubah hubungan aliran hulu.

Memasukan Data Elemen

Masukkan parameter luasan untuk setiap elemen subbasin. Pilih elemen

subbasin dalam Watershed Explorer, kemudian dalam Component Editor pilih

halaman Subbasin dan masukkan nilai luasan subbasin (Gambar 9). Lakukan

hal yang sama untuk subbasin lainnya dengan memasukkan nilai luasan pada

Area (KM2).

Gambar 9 juga menunjukkan halaman untuk Loss, Transform, dan

Baseflow, dimana parameter-parameter yang sesuai perlu dimasukkan (lihat

Tabel 1-5). HEC-HMS menyediakan fasilitas/tool yang memudahkan user dalam

memasukkan parameter DAS secara cepat dan efisien. Fasilitas tersebut disebut

sebagai Global Editor, yaitu cara yang paling efisien untuk memasukkan data

beberapa elemen subbasin dan reach yang menggunakan metode yang sama.

Parameter luasan subbasin juga dapat dimasukkan menggunakan Global Editor

dengan memilih menu Parameters ===> Subbasin Area. Pilih menu

Parameters ===> Loss ===> Initial and Constant (Gambar 10) untuk

membuka jendela Global Editor dari Initial Constant Loss. Masukkan data

kehilangan air dari Tabel 1 (Gambar 11) dan klik tombol Apply untuk menutup

jendela Global Editor. Pilih menu Parameters ===> Transform ===> Snyder

Unit Hydrograph dan masukkan data dari Tabel 1 (Gambar 12). Pilih menu

Parameters ===> Baseflow ===> Recession dan masukkan data dari Tabel 2

(Gambar 13).

Ganti nama dari tiga elemen junction. Klik kanan mouse pada elemen

Junction-1 dalam Watershed Explorer dan pilih Rename pada jendela popup

yang muncul. Ganti nama Junction-1 menjadi East Branch kemudian tekan

tombol Enter pada keyboard. Dengan cara yang sama, ganti elemen Junction-2

dan Junction-3 masing-masing dengan nama Outlet dan West Branch.

Masukkan data parameter untuk elemen reach. Buka jendela Component

Editor untuk Reach-1. Ganti Method dari Muskingum menjadi Modified Puls.

Muncul jendela yang menyatakan bahwa data sebelumnya akan dihapus/hilang.

Klik tombol Yes. Klik halaman Routing dan atur Stor-Dis Function menjadi

Table 1, Subreaches menjadi 4, dan Initial menjadi Inflow = Outflow

(Gambar 14). Selanjutnya buka Component Editor untuk Reach-2 dan masukkan

data dari Tabel 3 ke dalam halaman Routing (Gambar 15)

Tambahkan data hidrograf terukur pada elemen Outlet. Pilih elemen Outlet

pada Watershed Explorer dan buka Component Editornya. Klik halaman

Options dan atur Observed Flow menjadi Outlet dari menu dropdown.

(Gambar 16).

Membuat Model Meteorologi

Mulai membuat model meteorologi dengan memilih menu Components

===> Meteorologic Model Manager. Klik tombol New dalam jendela

Meteorologic Model Manager. Dalam jendela Create A New Meteorologic Model

yang muncul, masukkan Gage Wts untuk Name dan Thiessen weights, 10-min

data untuk Description. Buka Component Editor untuk model meteorologi ini

dengan memilihnya dalam Watershed Explorer. Dalam jendela Component

Editor, pastikan Precipitation terpilih sebagai Gage Weights (Gambar 17).

Dengan demikian, jendela Watershed Explorer akan terlihat seperti Gambar 18.

Subbasin yang telah dibuat sebelumnya perlu ditentukan model

meteorologinya. Klik halaman Basin dalam Component Editor untuk model

meteorologi Gage Wts. Atur pilihan Include Subbasins menjadi Yes untuk

model DAS Castro 1. (Gambar 19). Setelah tahapan ini, semua subbasin dalam

model DAS Castro 1 telah ditambahkan dalam model meteorologi (Gambar 20)

Gunakan tahapan-tahapan berikut dan Gambar 20 untuk melengkapi model

meteorologi Gage Wts:

1. Tambahkan stasiun Proctor School dan Sidney School. Pilih Precipitation

Gages (Gambar 20) dalam Watershed Explorer untuk membuka Total

Storm Gages editor. Masukkan Proctor untuk Gage Name dan 1.92

untuk Total Depth. Tambahkan stasiun Sidney School dengan cara yang

sama (Gambar 21).

2. Dalam Watershed Explorer, klik tanda + pada elemen Subbasin-1 dan

pilih Gage Weights (Gambar 22). Sebuah Component Editor akan terbuka

yang terdiri dari dua halaman, yaitu Gage Selections dan Gage

Weights. Bobot kedalaman hujan dan waktu dibutuhkan untuk semua

stasiun hujan dengan mengatur pilihan Use Gage menjadi Yes.

Sebagai contoh, stasiun Fire Dept akan digunakan untuk semua elemen

subbasin karena merupakan stasiun yang memiliki pola/distribusi hujan,

sedangkan stasiun lainnya (Proctor dan Sidney) hanya berupa kedalaman

hujan total. Dalam halaman Gage Selection untuk Subbasin-1, atur

Use Gage menjadi Yes untuk Fire Dept dan Proctor, dan No untuk

Sidney (Gambar 23). Klik halaman Gage Weights dan masukkan bobot

kedalaman hujan pada Depth Weight dari Tabel 5. Time Weight untuk

menjadi 1.0 untuk stasiun Fire Dept dalam semua subbasin (Gambar 24).

Lakukan hal yang sama untuk subbasin lainnya (Gambar 25 30).

Mendefinisikan Control Specification

Buat control specification dengan memilih menu Components ===> Control

Specification Manager. Dalam jendela Control Specification Manager, klik

tombol New dan masukkan Jan73 untuk Name dan 16 January 1973 untuk

Description. Dalam Component Editor, masukkan 16Jan1973 baik untuk Start

Date maupun End Date (Gambar 31). Masukkan 03:00 untuk Start Time dan

12:55 untuk End Time. Pilih interval waktu 5 minutes dari menu dropdown

Time Interval

Membuat dan Menghitung Simulation Run

Membuat suatu simulation run dengan memilih menu Compute ===> Create

Simulation Run. Biarkan namanya sebagai Run 1. Pilih model DAS Catro 1,

model meteorologi Gage Wts, dan Control Specification Jan73 dalam jendela

pilihan yang muncul. Kemudian tutup jendela tersebut. Pilih halaman Compute

pada Watershed Explorer. Pilih folder Simulation Runs sehingga ditunjukkan

subkomponen Run 1. Klik Run 1 untuk membuka Component Editor-nya. Ubah

deksripsi untuk simulation run tersebut dengan memasukkan Kondisi Eksisting,

Hujan Deras 16 Januari 1973 (Gambar 32).

Klik kanan pada mouse untuk Run 1 dan pilih Compute dalam menu popup yang

muncul. Sebuah jendela akan muncul yang menunjukkan proses perhitungan.

Tutup jendela tersebut ketika perhitungan telah selesai dilakukan (Gambar 33).

Melihat Hasil Simulasi

Mulai melihat hasil simulasi dengan membuka Basin Model Map. Buka

model DAS Catro 1 dengan memilihnya pada Watershed Explorer dalam

halaman Components. Pilih Global Summary Table dari toolbar untuk

melihat rangkuman hasil simulasi, yaitu debit puncak (peak flow) dari setiap

subbasin (Gambar 34). Klik kanan mouse pada elemen Subbasin-1 dalam Basin

Model Map, kemudian pilih menu View Results [Run 1] ===> Graph (Gambar

35) untuk menampilkan hidrograf aliran dan hujan efektif dari Subbasin-1. Pilih

View Results [Run 1] ===> Summary Table untuk melihat tabel ringkasan

elemen Subbasin-1 (Gambar 36). Pilih View Results [Run 1] ===> Time-Series

Table untuk melihat tabel seri data Subbasin-1 (Gambar 37). Lakukan hal yang

sama untuk menampilkan hasil simulasi subbasin lainnya. Klik kanan juga pada

Outlet, kemudian pilih View Results [Run 1] ===> Graph untuk menampilkan

hidrograf aliran di Outlet (Gambar 38). Pada gambar tersebut ditunjukkan

perbandingan antara hidrograf hasil simulasi dengan yang terukur.