Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-1 MODUL III

Praktikum Hidrogeologi Umum

Laboratorium Hidrogeologi III-1

MODUL III

PARAMETER HIDRAULIK AKIFER

SASARAN

1. Mengetahui arti peta isophreatik dan jaring aliran airtanah

2. Mampu membuat peta isophreatik dan jaring aliran airtanah (flow net)

3. Mengetahui kondisi batas hidrodinamika

4. Memahami batasan uji pompa dan akifer

5. Mengetahui teknologi pemboran airtanah

I. TEORI DASAR

Akifer merupakan suatu lapisan batuan yang mampu menyimpan dan mengalirkan air.

Secara hidrodinamik di alam ada 3 (tiga) tipe akifer, yaitu :

1. Confined Aquifer (akifer tertekan)

Merupakan suatu akifer yang bagian atas dan bawahnya dibatasi oleh lapisan bersifat akifug

atau akiklud (Gambar 1).

Gambar 1. Konfigurasi akifer tertekan dan muka airtanah pada sumur (Kruseman, 1994)

Gambar 2. Konfigurasi akifer tak tertekan dan muka airtanah (Kruseman, 1994)

2. Unconfined aquifer (akifer tidak tertekan)

Akifer yang dibatasi oleh 1 lapisan impermeabel di bagian bawahnya (dan pada bagian

atasnya tidak ada lapisan penutup/impermeabel layer)(Gambar2).

3. Leaky aquifer (semi confined atau akifer bocor)

Akifer yang dibatasi oleh lapisan semi permiabel / lapisan akitard (di atas dan atau di

bawahnya)(Gambar 3).



Gambar 3. Konfigurasi akifer bocoran dan muka airtanah pada sumur (Kruseman, 1994)

II. SIFAT HETEROGENITAS SUATU AKIFER DAN KEISOTROPIKANNYA

Suatu akifer dapat dikelompokkan pula berdasarkan karakteristik kehomogenan

batuan dan sifat isotropiknya ( Kruseman G.P & de Ridder, 1994 ).

Kondisi Akifer Homogen

Gambar 4a merupakan ilustrasi suatu akifer yang homogen dan isotropik yang

tersusun atas litologi yang sama. Masing-masing memiliki besar butir yang sama (homogen)

dan aliran airtanah memiliki kecepatan aliran yang sama ke segala arah. Besaran vektor

konduktifitas hirolik horizontal sama dengan vektor berarah vertikal (Kh=Kv) atau disebut

isotropik. Contoh : batupasir, dll.

Gambar 4a. Akifer Homogen & Isotropik Gambar 4b. Akifer Homogen & Anisotropik

Gambar 4b merupakan ilustrasi akifer yang homogen dan Anisotropik. Akifer

tersebut dicirikan dengan litologi yang sama dengan besar butir relatif sama (homogen).

Namun demikian aliran airtanah pada akifer tersebut mempunyai kecepatan aliran yang tidak

sama ke berbagai arah.



Kondisi Akifer Heterogen

Gambar 4c merupakan ilustrasi akifer yang bersifat heterogen/anisotropik dengan

litologi campuran serta memiliki besar butir yang tak seragam. Aliran airtanah pada akifer

tersebut memiliki kecepatan aliran yang tidak seragam dimana Kh tidak sama dengan Kv

(ansotropik). Contoh Batupasir dengan struktur sedimen graded bedding.

Gambar 4c. Akifer Heterogen & Anisotropik Gambar 4d. Akifer He terogen & Terkekarkan

Gambar 4d merupakan ilustrasi akifer dengan litologi yang terkekarkan dimana

perhitungan kecepatan aliran berbeda dengan kondisi aliran pada media pori (Porus Media).

Contoh batu gamping, lava, dll.

III. REKONSTRUKSI ALIRAN AIRTANAH

Kondisi airtanah di dalam akifer dapat digambarkan menjadi suatu peta isofreatik dan

suatu jaring aliran airtanah.

1. Peta Isofreatik

Peta isofreatik adalah peta kesamaan muka airtanah yang dibuat berdasarkan

pengamatan ketinggian muka airtanah. Peta isofreatik ini dapat dibagi menjadi dua:

• Watertable map : Peta kesamaan muka airtanah untuk akifer bebas

• Piezometric map : Peta kesamaan muka airtanah untuk akifer tertekan

Guna peta isofreatik adalah:

• Untuk menentukan kedalaman sumur

• Untuk menentukan arah aliran airtanah

• Untuk menentukan gradien hidrolik

• Untuk memperkirakan debit suatu akifer

• Untuk eksplorasi airtanah lebih lanjut

Syarat batas pembuatan peta isofreatik adalah:

• Penentuan ketinggian muka airtanah harus pada lapisan akifer yang sama dan

menerus

• Akifer bersifat homogen isotropik (akifer ideal)



2. Cara pembuatan peta isofreatik

Secara umum pembuatan peta isofreatik hampir sama dengan pembuatan peta

topografi yaitu dengan membuat kontur (menghubungkan titik-titik ketinggian yang

sama). Namun di sini titik-titik itu adalah titik ketinggian muka airtanah yang didapat

dari sumur galian ataupun sumur bor pada akifer yang sama. Titik ikat yang lain adalah

mataair.

Contoh cara penentuan muka airtanah pada sumur galian:

t = tinggi pagar sumur

D = kedalaman muka airtanah dari bibir pagar)

d = D – t (kedalaman muka airtanah dari muka tanah)

T = topografi

s = T – d (ketinggian muka airtanah)

Gambar 5. Penentuan tinggi m.a.t

3. Penentuan gradien hidrolik dan arah aliran

Penentuan gradien hidrolik dapat dilakukan dengan metoda ‘Tiga Titik’ pada jenis titik

ikat yang sama yaitu:

- Tiga titik sumur bor/galian atau

- Tiga titik mataair

Dari metoda tiga titik ini akan didapat nilai gradien hidrolik (i) :

Contoh pada Gambar (6) i = Δh/L

i = (40-30)m/L

i = 10 m/L

Sedangkan L = panjang tegak lurus terukur garis head x skala peta



Gambar 6. Penentuan Gradien Hidraulik Metoda Tiga Titik.

Sedangkan arah aliran diambil dari gradien head yang tinggi ke rendah.

4. Jaring aliran airtanah

Jaring airtanah terdiri dari dua jenis garis. Garis pertama adalah garis ekipotensial

(equipotential lines) yang menghubungkan titik-titik dengan head (tekanan hidrostatik)

yang sama. Garis kedua adalah garis aliran (flow lines) yang menunjukkan pola aliran

ideal air di dalam akifer. Karena air akan selalu mengalir ke titik dengan selisih head

yang paling besar, maka garis aliran akan selalu membentuk sudut tegak lurus

dengan garis ekipotensial.

Gambar 7. Peta kontur aliran airtanah bebas dan jaring airtanah



Gambar 8. Penampang aliran airtanah bebas dan jaring airtanah

5. Kecepatan aliran airtanah

Kecepatan aliran airtanah dapat dihitung dengan menggunakan hukum Darcy dan

persamaan kecepatan hidrolik:

Q = KA (dh/dl) (hukum Darcy)

Q = Av (persamaan kecepatan)

Sehingga dihasilkan persamaan :

v = K.(dh/dl).1/n

dengan, v = kecepatan aliran dh/dl = gradien hdraulik K = konduktivitas hidraulik n = porositas

IV. ALIRAN TUNAK DAN TIDAK TUNAK

Jika suatu akifer di pompa, maka aliran air pada akifer itu dapat berupa aliran tunak

(steady flow) atau aliran tidak tunak (unsteady flow/transient)

Aliran Tunak (Steady-state Flow)

Pada aliran ini muka airtanah dalam sumur pompa dan piezometer (water level) tidak

berubah terhadap waktu.

Aliran Tidak Tunak (Unsteady-state Flow /Transient)

Dimana muka airtanah dalam sumur pompa dan sekeliling pieozometer (Water Level)

berubah terhadap waktu



V. METODA PEMBORAN UNTUK PENGUJIAN DAN EKSPLOITASI AIRTANAH

Jenis metoda pemboran dibedakan berdasarkan

Mekanisme Pemboran

Sirkulasi fluida Bor

Jenis Fluida bor yang digunakan

Berdasarkan mekanisme pemboran, metode pemboran dapat dibagi lagi, yaitu :

1. Pemboran Tumbuk (Percussive Drilling)

Dioperasikan dengan cara mengangkat dan menjatuhkan alat bor berat secara berulang-

ulang kedalam lubang bor sehingga lubang bor terbentuk akibat mekanisme tumbukan

dan beban rangkaian bor (Gambar 9).

2. Pemboran Putar (Rotary Drlling)

Lubang bor dibentuk dari pemboran dengan mekanisme putar dan disertai pembebanan

(Gambar 10).

3. Bor putar Hidraulik (Hidraulik Rotary)

Dimana lubang bor dibentuk dari kombinasi antara mekanisme putar, tekanan hidraulik,

dan beban setang bor (Gambar 11).

Kelebihan atau kekurangan mesin bor tumbuk dibandingkan mesin bor putar antara lain

seperti pada Tabel 1 berikut :

Tabel 1. Kelebihan dan kekurangan mesin bor tumbuk

Kelebihan Kekurangan

♦ Ekonomis (murah, biaya operasi rendah, biaya transportasi murah, persiapan rig cepat)

♦ Menghasilkan contoh pemboran yang lebih baik ♦ Lebih mempermudah pengenalan lokasi ♦ Tanpa sistem sirkulasi ♦ Kemungkinan kontaminasi karena pemboran relatif kecil

♦ Kecepatan laju pemboran rendah

♦ Sering terjadi putusnya sling

Berdasarkan sirkulasi fluida, metode pemboran dapat dibagi lagi, yaitu :

1. Sirkulasi Langsung (Direct Circulation)

Fluida bor dipompakan dari mudpit ke mata bor melalui bagian dalam stang bor

kemudian kembali lagi ke permukaan akibat tekanan pompa melalui rongga anulus.

2. Sirkulasi Terbalik (Reverse Circulation)

Fluida bor dari mudpit bergerak melalui rongga anulus, kemudian kembali lagi

kepermukaan akibat gaya hisap pompa melalui bagian dalam stang bor.

Berdasarkan jenis fluida yang digunakan, metode pemboran dapat dibagi lagi, yaitu :

1. Pemboran menggunakan cairan / lumpur (Mud Flush).

2. Pemboran menggunakan udara Jika menggunakan udara sebagai fluida bor (Air Flush)



Gambar 9. Bor Tumbuk Gambar 10. Bor Putar

Gambar 11. Bor Hidraulik



Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam pembuatan suatu sumur bor.

a. Diameter Sumur

Besaran diameter casing pipa yang digunakan sesuai dengan keperluan

Jenis casing yang digunakan biasanya PVC atau Low Carbon yang disesuaikan

dengan kualitas airtanah.

b. Kedalaman Sumur

Tergantung pada berapa lapisan akifer yang akan digunakan dan jenis akifernya

Penentuan Jenis Akifer (Tertekan atau tidak) berdasarkan data log bor

c. Screen

Merupakan tempat masuknya air pada lubang bor berfungsi juga sebagai filter

supaya material dari formasi tidak ikut terbawa oleh pompa

d. Gravel Pack

Material kasar buatan yang ditempatkan disekitar screen yang berguna untuk

mempermudah air dipompa karena material-material pada akifer akan tertahan pada

gravel pack tidak menutupi lubang-lubang screen (sand Bridge)

Mencegah agar lubang bor stabil atau tidak mudah runtuh

Berfungsi sebagai filter alami

e. Pompa

Alat untuk menghisap air dari lubang bor ke atas permukaan tanah. Pada pemboran

airtanah dalam pompa yang lazim digunakan adalah pompa selam (submersible

pump)

Gambar 12. Konstruksi Sumur Bor (Kruseman G.P & de Ridder, 1994)



Gambar 13. Skema Pompa Submersible

f. Piezometer

Adalah sebuah alat pengukur muka airtanah yang ditempatkan di dalam sumur

pantau. Sumur pantau ditempatkan disekitar sumur pemompaan.

Gambar 14. Skema Alat Piezometer (Kruseman G.P & de Ridder, 1994)



TES PEMOMPAAN

UJI AKIFER AQUIFER TEST

Time draw-down test

UJI SUMUR BOR WELL TEST/PUMPING TEST

Recovery test

g. Grouting

Suatu lapisan buatan (berupa lapisan semen) yang berfungsi untuk menahan

konstruksi lubang bor.

Gambar 15. Konstruksi Sumur Bor Airtanah

VI. PUMPING TEST

Uji pemompaan merupakan suatu tahapan untuk menguji kapasitas debit dan

parameter-parameter fisik akifer sebelum dilakukan tahapan ekspolitasi pada sumur bor

tersebut. Secara umum uji pemompaan atau Pumping Test terdiri dari dua metoda yaitu uji

akfer dan uji pompa.

Diagram suatu test pemompaan



a. Uji Akifer

Merupakan suatu test pemompaan yang dilakukan hanya pada 1 akifer dengan

pengamatan pada beberapa sumur pantau (Observation Well) atau piezometer

disekitar sumur uji.

b. Uji Pompa

Merupakan suatu uji pemompaan yang dilakukan pada beberapa akifer dalam satu

sumur bor dengan pengamatan pada beberapa sumur pantau (observasi well) atau

piezometer disekitar sumur uji.

Dari kedua tahapan tersebut akan dicari besaran dari parameter hidrolik akifer atau sumur

bor.

Gambar 16. Uji Akifer

Gambar 17. Uji Pompa.



VII. PARAMETER HIDROLIK AKIFER

Ada beberapa parameter hidrolik yang penting yaitu Debit air (Q), Koefisien

Transimifitas (T), Konduktifitas Hidrolik (K), dan Koefisien Isian (S).

a. Q (Debit Air) dengan satuan m3/s.

Q = (V).A

= (K.i).A

= K(i).A

= K(dh/dl).A

Q ini dapat merupakan volume air yang dikeluarkan per satuan waktu.

b. T (Koefisien Transimissivitas) dengan satuan m2/s.

Satuan yang menunjukan kecepatan aliran dibawah satu unit gradien hidrolik melalui

sebuah penampang pada seluruh tebal jenuh suatu akifer.

c. K (Konduktifitas Hidraulik) dengan satuan m/s.

Dapat didefinisikan sebagai sebuah koefisien yang secara proporsional mengambarkan

kecepatan air yang dapat melaju melalui media permeable dalam unit waktu dan unit

gradien hidrolik. Densitas dan Viskositas air harus diperhatikan dalam mendeterminasi

Hydraulic Conductivity (dapat dilihat pada modul II).

K = T/b (b sebagai ketebalan kumulatif dari akifer)

d. S (Koefisien Isian) tanpa satuan

Merupakan nilai yang menyatakan volume air yang dapat dikeluarkan/dimasukan dari/ke

akifer pada unit luas dan per unit perubahan paras muka air

VIII. METODA-METODA DALAM UJI POMPA

Dalam tahapan uji pompa / akifer, maka pertama-tama harus dipahami jenis akifer

yang akan diuji. Dengan memahami jenis akifer, maka dapat digunakan metoda yang akurat

dalam tahapan pumping test. Jenis jenis metoda yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 2

di bawah ini (Kruseman G.P & de Ridder, 1994).

Tabel 2. Metoda-metoda dalam uji pompa

Tipe Akifer Unconfined Aquifer Confined aquifer Leaky Aquifer

Jenis Aliran Steady Unsteady Steady Unsteady Steady Unsteady

Metoda Thiems-dupuit

Neuman`s Wive-fitling Thiems 1. Theis

2. Jacob

1. De-Glees 2. Hantus-

Jacob

1. Walton 2.Hantus`Wir

ve-Fitling

Dalam praktikum ini hanya akan dibahas mengenai uji pompa untuk confined akifer yang

memiliki sifat aliran Unsteady atau Transient.

Metoda Theis



Metoda ini dapat dipakai jika memenuhi syarat-syarat

Akifer tertekan dan tidak tunak

Akifer Homogen dan Isotropik

Debit Pemompaan (Q) konstan

Digunakan kertas grafik log-log

Digunakan bila μ > 0,01

Cara Kerja

Gambarkan grafik hubungan antara s atau nilai penurunan (drawing down)

terhadap nilai t pada kertas grafik log-log . Grafik hubungan penurunan muka air

(s) dengan t ini akan sama dengan hubungan W(u) dengan 1/u grafik baku

(telampir)

Tempatkan data uji pemompaan diatas grafik baku . atau hingga kedua grafik

(data uji pemompaan dan grafik baku) saling sejajar dan berimpit

Pilhlah sembarang titik temu (match point) A pada kedua grafik yang saling

berimpit dan tentukan nilai W(u) , 1/u, s. dan t untuk titik A tersebut

Masukan nilai-nilai tersebut kedalam persamaan

T= Q W(u)/4πs ……………………………..(1)

Hitunglah nilai koefisien Isian (S) dengan mengunakan rumus

S = 4Tμt/r2 ………………………………..(2)

Ket : T = Koefisien Transimibilitas S = koefisien Isian T = Waktu pemompaan r = Jarak sumur uji dengan sumur obsevasi μ = 1/(1/μ)

Gambar 18. Grafik Uji Coba Metoda Theis



Metoda Jacob

Metoda ini dapat dipakai jika memenuhi syarat-syarat

Akifer tertekan dan tidak tunak

Akifer homogen dan isotropik

Debit pemompaan (Q) konstan

Digunakan kertas grafik semi log

Digunakan bila μ < 0,01

Cara kerja

Gambarkan grafik hubungan antara s atau nilai penurunan (drawing down) terhadap

nilai t pada kertas garfik semi log .

- t pada skala logaritma

- s pada skala linier

Tarik garis lurus yang merupakan regresi linier dari titik pengukuran tersebut

Perpanjang garis lurus tersebut hingga memotong sumbu horizontal t pada s = 0 dan

baca nilai t

Tentukan harga selisih draw down (s) pada 1 (satu) log cycle ( misal 100-101 atau 101-

102) atau disebut Δs untuk nilai regresi tersebut

Hitung T dan S dengan persamaan berikut

T = 2,3 Q/(4πΔs).................................(3)

S = 2,246T to/(r2)................................(4)

Harga μ

μ = r2S/(4Tt) ……………..................(5)

Gambar 19. Grafik Uji Pompa (Metoda Jacob)



Keterangan : pada tahap perhitungan sebaiknya dilakukan metoda Jacob terlebih dahulu,

jika μ > 0,01 maka digunakan metoda Theiss.

Catatan

Pada tahapan interpretasi :

• Jika harga koefisien Transmibilitas (T) lebih kecil dari 12,4 m2/hari maka kemampuan

sumur yang diuji tersebut hanya untuk keperluan rumah tangga, sebaliknya jika harga T

lebih besar dari 12,4 m2/hari maka cukup untuk keperluan industri, perkampungan dll.

Untuk akifer tidak tertekan harga S bervariasi antara 0,02-0,35 dan untuk tertekan 10-5 –

10-3

• Jika pada data hasil uji pompa terdapat beberapa nilai Q yang debitnya berbeda-beda

(Q1,Q2,..Qn) maka perhitungan dilakukan pada tiap debit yang konstan. Kemudian

berdasarkan hasil perhitungan tsb dibuat rata-rata parameter hidraulik sumur tersebut

Contoh suatu pengujian mempunyai nilai Q Terdiri dari Q1, Q2, Q3 ….Qn maka

a. Pada metoda Theiss

s = (s1 + s2 +s3 + …..+ sn)/n

T = (t1 + t2 +t3 + ……..+ tn)/n

W(u)r = (W(u)1 + W(u)2 + W(u)3 + …….+ W(u)n)/n

μ = (μ1 + μ2 + μ3 + …….+ μn)/n

Q = (Q1 + Q2 + Q3 + …….+ Qn)/n

T = QW(u)/4πs

S = 4Tut/R2

b. Pada metoda Jacob

Δs = (Δs1 + Δs 2 + Δs 3 + …….+ Δs n)/n

to = (to 1 + to 2 + to 3 + …….+ to n)/n

Q = (Q1 + Q2 + Q3 + …….+ Qn)/n

T = 2,3Q/4πΔs

S= 2,246Tto/r2

Uji Sumur Tunggal (Single Well Test)

Kenyataan di lapangan menunjukkan seringkali tidak terdapat suatu sumur pantau.

Mengatasi hal ini maka dilakukan uji sumurbor tunggal. Uji ini memiliki kelemahan.

Pengujian sumur ini, seperti juga pada uji pompa dapat diketahui koefisien well loss,

faktor development sumurbor, efisiensi pemompaan dan perkiraan debit aman

pemompaan. Tahapan pengujian sumur tunggal dapat dilihat pada Tabel 3 berikut :



Tabel 3. Tabel perhitungan uji sumur tunggal

Uji Bertahap Parameter Simbol

I II, ….. n

Uji

Menerus Kambuh

Penurunan (m) Ds

Debit pemompaan Q

Waktu pemompaan T

Penurunan maksimal (m) sw

(m/day) Q/sw

(d/m2) sw/Q

Koefisien loss linier (d/m2) B

Δ sw/Q a

Δ Q b

Koefisien loss linier (d2/m5) C = a/b

Koefisien loss linier (min2/m5) C = a/b

Akifer loss (m) BQ

Well loss (m) CQ2

% %CQ2

Pada posisi pompa tertentu

Penurunan, Sw = BQ + CQ2 (m) Sw

Penurunan maks = B2/4C (m) Sw maks

Q pompa maks = B/2C (m3/d) Qp maks

Debit aman pompa tersebut Qps

Penurunan aman yang terjadi Swp

Keterusan (transmisibility) T

Keterusan rata-rata Tr

Efisiensi pemompaan = %Pe

Pe = (BQ/(BQ+CQ2))x100%

%Pe

Faktor development = %Fd

%Fd = C/B x 100%

%Fd

Spesific Capacity = Sc = Q/Sw

(debit jenis) = m3/d/m

Sc

Catatan :

< 0,5 Sumur telah didesain dan didevelopment dengan baik dan

benar

Koefisien well loss

(min2/m5) =

0,5 – 1,0 Sumur agak buruk atau mengalami sedikit penyumbatan

1,0 – 4,0 Sumur buruk atau mengalami penyumbatan di beberapa



tempat

> 4 Sumur sulit diperbaiki menjadi semestinya

Transmisibility = > 12,4 Sumur dapat dikembangkan untuk kebutuhan industri

< 12,4 Sumur hanya dapat dikembangkan untuk kebutuhan rumah

tangga

Faktor development = < 5 Sumur tidak mengalami penyumbatan

5 – 10 Sumur mengalami sedikit penyumbatan dan mudah

diperbaiki

10 – 15 Sumur mengalami banyak penyumbatan namun masih

dapat diperbaiki

> 15 Sumur mengalami penyumbatan yang sulit diperbaiki

100 – 95 % Sumur telah didevelopment dengan baik Efisiensi pemompaan

(%) = 95 – 80 % Sumur kurang baik didevelopment

80 – 65 % Sumur harus didevelopment kembali

< 65 % Sumur harus didevelopment kembali namun sulit mencapai

hasil sempurna

Daftar Pustaka

1. Australian Drilling Industry, 1997, Drilling The Manual of Methods, Application

and Management, Lewis Publisher New York.

2. Fetter, C.W, 1980, Applied Hidrogeologi, 3rd Edition, Merrill Pubs.co. Colombus

Ohio Uniterd States of America.

3. Freeze R.A. & Cherry, 1979, Groundwater, Prentice Hall, Inc. United State of

America.

4. Karen J. Dawson & Jonathan D. Istok, Aquifer Testing, Design, and Analysis of

Pumping and Slug Tests, 1991, Lewis Publishers New York.

5. Kruseman, G.P. , & M.A de Ridder, 1994, Analysis & Evaluation of Pumping Test

Data, Publication 47, Wegeningen, The Netherlands

Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-1 MODUL III

Documents

Transcript of Praktikum Hidrogeologi Umum Laboratorium Hidrogeologi III-1 MODUL III