kolam tando

1

Mata Kuliah : Pengembangan Sumber Daya Air

Modul No. 7: Waduk ( Reservoir )

Tujuan Instruksional Umum (TIU):

Mahasiswa mengetahui dan memahami secara umum pengertian waduk, mulai dari perencanaan ketersediaan air, penentuan kapasitas waduk serta pola operasi pemanfaatan volume waduk sesuai dengan kaidah pengembangan sumber daya air.

Tujuan Instruksional khusus (TIK):

Mahasiswa mampu menjelaskan pengertian, tujuan serta merencanakan ketersediaan dan kapasitas waduk sesuai dengan kaidah pengembangan sumber daya air secara keseluruhan.

7

WADUK (RESERVOIR)

7.1 PENGERTIAN UMUM WADUKAda beberapa pengertian yang perlu diketahui terlebih dahulu, yaitu : Waduk (reservoir, storage) adalah kolam tando air buatan manusia sebagai akibat dibangunnya bendungan di sungai dengan ukuran volume yang besar. Telaga adalah kolam tando air yang terdapat di alam yang ukuran volumenya kecil. Apabila ukurannya besar maka disebut danau.

Active storage (useful strorage, usable storage, working storage, volume waduk aktif) adalah volume waduk yang dapat digunakan untuk memenuhi salah satu atau lebih tujuan pembangunannya (pengairan PLTA, pengendalian banjir dan lain-lain).

In active storage (volume waduk tidak aktif) adalah volume waduk antara bagian terbawah dari bangunan pengeluaran dengan permukaan air terendah untuk operasi.

Dead storage (volume waduk mati) adalah volume waduk yang terletak di bagian terbawah dari bangunan pengeluaran.

Flood storage (volume waduk banjir) adalah sebagian dari volume waduk aktif yang digunakan untuk mengontrol (meredam) banjir yang terjadi.

Reservoir capacity (gross storage, gross reservoir, storage capacity, kapasitas waduk, volume total waduk) adalah volume total waduk yang meliputi volume active storage, in active storage dan dead storage.

7.2 MENENTUKAN KAPASITAS VOLUME WADUK7.2.1. Berdasar Data TopografiSetelah lokasi dan as bendungan ditentukan maka perlu menghitung volume total waduk. Untuk keperluan ini diperlukan peta topografi dengan skala 1 : 10.000 dengan beda tinggi (kontur) 5 m atau 10 m. Harus dicari luas yang dibatasi oleh masing-masing kontur dengan planimeter. Kemudian dicari volume yang dibatasi oleh 2 garis kontur yang berurutan.

Akan diambil suatu contoh seperti terlihat pada gambar 7.1. Misalnya elevasi dasar sungai yang akan menjadi dasar waduk dalah + 100,00 sedangkan elevasi permukaan waduk penuh air adalah + 130,00.

Gambar 7.1. Penampang memanjang waduk

Gambar 7.2. Lay out dari waduk

Luas waduk pada masing-masing elevasi dicari, yaitu :

F100 untuk elevasi + 100,00.

F105 untuk elevasi + 105,00






Masing-masing beda tinggi antara 2 kontur yang berururtan adalah 5 meter, kecuali yang paling atas atau dasar waduk misalnya + 133,00 (berarti 3 m). Volume antara 2 kontur yang berurutan dapat dicari yaitu :

V105 = , sedang 5 adalah beda tinggi antara 2 kontur. Dengan rumus yang sama dapat dicari :

V110 =

V105 =

Demikian seterusnya dapat dicari V120, V125 dan V130.

Sesudah semua luas dan volume masing-masing diketahui lalu digambarkan pada sebuah grafik hubungan antara elevasi, luas dan volume waduk.

Garfik 7.1. Hubungan antara elevasi, luas dan volume waduk.

Dari grafik tersebut dengan mudah dapat dicari luas dan volume setiap elevasi tertentu dari waduk. Dengan demikian luas dan volume total waduk dapat ditentukan pula.7.2.2. Berdasar Data HidrologiData debit air, baik yang diukur secara langsung di sungai maupun yang diperoleh dari curah hujan yang dikonversikan ke debit air, disusun dalam sebuah tabel. Makin panjang data pengukuran, hasilnya semakin baik dan untuk itu diambil sekurang-kurangnya 30 tahun. Sebagai periode waktu diambil : bulanan, setiap 10 hari, setiap minggu (7 hari), setiap 6 hari, setiap 5 hari atau setiap 3 hari sekali. Makin pendek periode waktu hasilnya akan makin teliti tetapi akan makan waktu lama, oleh karena itu apabila diambil bulanan atau setiap 10 hari (1 bulan diambil 3 periode) hasilnya sudah cukup memadai.

Untuk jelasnya akan diambil contoh pengukuran selama 3 tahun dengan periode waktu bulanan (terdapat 36 periode data), yaitu pada table 7.1. Kolom (2) menunjukkan periode pengukuran. Debit rata-rata bulanan adalah jumlah kolom (3) dibagi 36 yaitu terdapat 610 m3/detik. Kolom (4) adalah nilai kumulatif dari kolom (3). Kolom (5) adalah perbedaan antara kolom (3) dengan debit rata-rata. Sedangkan kolom (6) adalah nilai kumulatif dari kolom (5).

Kemudian dapat digambarkan grafik hubungan antara waktu dan debit air kumulatif atau kolom (4). Grafik yang terjadi disebut garis massa debit (mass duration curve). Garis OA menunjukkan debit rata-rata = , sedang n adalah jumlah tahun data.

Dapat dibuat garis singgung atas yaitu garis a dan garis singgung b yang semuanya sejajar dengan garis OA. Perbedaan tinggi antara garis a dan b dikalikan sengan 1 bulan (periode waktu, sama dengan 30 x 24 x 60 x 60 detik) menunjukkan volume waktu yang direncanakan.

Apabila data waktu pengukuran cukup panjang, missal 30 tahun, cara ini akan mengalami kesukaran karena skalanya terpaksa disesuaikan dengan ukuran kertas yang dengan sendirinya menjadi kurang teliti. Oleh karena itu, supaya teliti garis debit rata-rata dibuat mendatar dengan cara menggunakan kolom (6) dan bukan kolom (4) dari table 7.1. Untuk jelasnya dapat dilihat di dalam grafik 7.2 (b).

(a). Debit rata-rata miring.

(b). Debit rata-rata mendatar.

Grafik 7.2. Garis massa debit.

Tabel 7.1 Debit air sungai selama 3 tahun

TahunPeriode pengukuranDebit rata-rata bulanan

m3/d

Debit kumulatif kolom (3) m3/dPerbeda

an dari mean m3/dKumulatif perbedaan dari mean m3/dKeterangan

(1)(2)(3)(4)(5)(6)

11600600- 10-10Yang diketahui kolom (1), (2) dan (3)

26501250+ 40+30

38002050+ 190+220

47502800+ 140+360

55903350- 40+300Debit rata-rata

66003950- 10+290=

75804530- 30+260

84004930- 210+50

94505380- 160-110

107006080+ 90-20

1110007080+ 390+370= 21960 m3/d

129007980+ 290+66036

215508530-60+600= 610 m3/d

27009230+90+690

37509980+140+830Kolom (4) adalah nilai kumulatif dari kolom (3).

Kolom (5) adalah kolom (3) debit

rata-rata.

Kolom (6) adalah nilai kumulatif

kolom (5).

465010630+40+870

550011130-110+760

645011580-160+600

735011930-260+340

833012260-280+60

925012510-360-300

1040012910-210-510

1150013410-110-620

1260014010-10-630

3155014560-60-690

265015210+40-650

380016010+190-460

490016910+290-170

570017610+90-80 Q =

21960 m3/d.

m3/d = m3/detik

660018210-10-90

745018660-160-250

830018960-310-560

920019160-410-970

1060019760-10-980

11100020760+390-590

12120021960+5900

Volume air yang dihitung dengan cara ini merupakan jumlah total volume air yang masuk ke dalam waduk (inflow).

Dengan sendirinya volume waduk total yang dihitung berdasarkan keadaan topografi belum tentu sama dengan volume total waduk berdasarkan inflow. Keadaan yang paling baik dicapai, apabila volume total waduk berdasarkan kapasitas atau daya tampung waduknya lebih besar. Ini berarti bahwa air yang harus dibuang lewat bangunan pelimpah relatif sedikit.

Demikian pula umur waduk lebih panjang karena dapat menampung lumpur lebih banyak. Sebaliknya apabila volume total waduk berdasarkan keadaan topografi lebih kecil dari inflow maka debit air yang dibuang lewat bangunan pelimpah relatif besar. Dalam hal ini perlu diteliti apakah ada kemungkinan menambah volume total waduk dengan cara menaikkan tinggi bendungan, biarpun misalnya harus membangun tanggul sisi. Dengan sendirinya harus diperiksa nilai ekonomisnya, apabila masih ekonomis dapat dipertimbangkan.

Apabila volume waduk berdasar topografi terpaksa lebih kecil dibandingkan dengan inflow maka perhitungan kapasitas bangunan pelimpah harus dilakukan dengan periode ulang yang cukup besar.

7.2.3. Berdasar Garis Masa Waktu (Duration Mass Curve)Untuk menentukan karakteristik suatu sungai dapat diperhatikan susunan garis massa debit yang waktunya dinyatakan dengan persentase. Untuk keperluan itu data debit disusun mulai dari yang terendah sampai dengan yang tertinggi. Kemudian dicari berapa kali debit yang bersangkutan terjadi di sungai, seperti pada table 7.2.

Tabel 7.2.

Debit rat-rata bulanan per Km2Debit rata-rata bulanan

m3/d

Bulan yang dilalui1 s/d 3% waktuKeterangan

123

(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)

220012121236100Daerah aliran sungai = 100 km2

2,502501212113597,22

3,003001211113494,44

3,303301211103391,67

3,503501210103288,89

4,00400129103186,11

4,50450118102980,56

5,0050010792672,22

5,5055010592466,67

5,805809482158,33

6,006008482055,56

6,506506361541,67

7,007004251130,56

7,50750414925,00

8,008003-4719,44

9,009002-3513,89

10,0010001-2308,33

12,001200--1102,78

Kalau kolom (1) dan (7) digambarkan dalam 1 grafik akan terlihat karakteristik dari sungai tersebut, artinya kalau pun ada perbedaan tetapi relatif kecil saja. Grafik yang terjadi inilah yang disebut garis massa waktu (duration mass curve).

Garis massa waktu dapat dipakai untuk menghitung penggunaan air pada PLTA.

Grafik 7.3. Grafik Massa waktu suatu sungai

Untuk perhitungan penggunaan air apabila diambil debit rata-rata penuh, pda tahun kering akan mengalami kekurangan air. Sebaliknya apabila diambil di bawah debit rata-rata, pada musim penghujan akan banyak air yang melimpah melewati bangunan pelimpah. Oleh karena itu, untuk keamanan, didalam perhitungan biasanya diambil kira-kira 95% x debit rata-rata. Untuk perhitungan PLTA. Energi yang dihasilkan dengan pengambilan 95% x debit rata-rata ini disebut energi pasti (firm energi).

Pada waktu musim hujan ada energi tambahan yang dapat dimanfaatkan (daripada dilewatkan bangunan pelimpah) yang disebut energi kedua (secondary energy). Jadi energi ini hanya timbul pada waktu musim hujan, sebaliknya pada waktu musim kering tidak ada energi ini.

7.3 BATASAN TINGGI AIR UNTUK OPERASI WADUKMerupakan beda tinggi antara permukaan air tertinggi pada waktu waduk penuh air dengan permukaan air terendah waduk untuk operasi.

FSL atau Full Supply Level adalah permukaan air tertinggi pada waktu waduk penuh untuk operasi.

MOL atau Minimum Operating Level adalah permukaan air terendah waduk untuk dapat dioperasikan, jadi di bawah permukaan air ini waduk tidak boleh dioperasikan. Hal ini untuk mencegah hanyutnya Lumpur dan pasir halus yang dapat merusak saluran air dan atau turbin air di gedung sentral.

Untuk menghitung nilai ekonomis proyek didasarkan pada kedua angka FSL dan MOL ini. MOL ditentukan berdasar tinggi Lumpur yang diperkirakan akan terjadi di dalam waduk dan harus terletak di atas bagian atas dari saluran pengambilan untuk jelasnya dapat dilihat pada contoh gambar 7.4.

a. bendungan beton

b. pintu air

c. saluran pengambilan

d. menara bangunan pengambilan

Gambar 7.3. Contoh potongan melintang bendungan

Untuk mencari FSL diambil 3 @ 4 keadaan yang terletak di bawah permukaan puncak bendungan misalnya FSL1, FSL2, FSL3 dan FSL4. Dari gambar perencanaan dan data lainnya dapat dihitung volume pekerjaan utama dan biayanya. Kemudian dapat dihitung pula Benefit Cost Ratio untuk keempat keadaan. Dari FSL1 dan MOL1 dapat dihitung BCR1. Dari FSL2 dan MOL2 dapat dihitung BCR2. Dari FSL3 dan dapat MOL3 dihitung BCR3. Dari FSL4 dan MOL4 dapat dihitung BCR4. Kemudian dari keempat BCR tersebut digambarkan di dalam gambar, seperti contoh pada gambar 6.4. Kemudian ditarik garis melalui titik-titik BCR1, BCR2, BCR3, BCR4, yang pada umumnya berbentuk garis lengkung.

Gambar 6.3. Cara mencari FSL

Kemudian ditarik garis singgung yang sejajar dengan sumbu horizontal dari titik singgung ini ditarik garis yang sejajar dengan sumbu BCR maka terdapat garis AB. Dengan memperhatikan skala dapat diukur jaraj antara MOL dan FSL yang dinyatakan dalam meter dan inilah yang dicari.

7.4 TINGGI RUANG BEBAS WADUK (TINGGI JAGAAN, FREE BOARD)Sampai dengan tahun 1988, belum ada standar tentang tinggi ruang bebas, sehingga masih terdapat 2 pendapat yang tidak sama.

Pendapat pertama mengatakan bahwa : tinggi ruang bebas adalah jarak vertikal antara puncak bendungan dengan permukaan waduk pada waduk banjir tertinggi (Top Water Level). Pendapat ini dipakai di Inggris, Swedia dan beberapa negara Eropa lainnya.

Pendapat kedua mengatakan bahwa : tinggi ruang bebas adalah jarak vertikal antara puncak bendungan dengan permukaan waduk pada waktu air (Full Supply Level), pada waktu air mulai melimpah melewati ambang bangunan pelimpah. Pendapat ini dipakai di Jepang dan sekarang ICOLD memakainya juga. Meskipun ICOLD telah memakai pendapat ini, tetapi ternyata masih banyak yang belum memakainya. Didalam uraian ini akan dipakai pendapat yang kedua disesuaikan dengan ICOLD.

Faktor-faktor yang perlu mendapat perhatian di dalam perhitungan adalah sebgai berikut :

a. Untuk bendungan urugan, besar tingginya ruang bebas harus diambil 1 meter lebih tinggi dibanding dengan bendungan beton karena air sama sekali tidak boleh melimpah melewati puncak bentungan.

b. Penggian puncak bengungan urugan selama pembangunan (camber), tidak boleh dihitung sebagi bagian dari tinggi ruang bebas.

c. Apabila di sebelah hilir bendungan terdapat daerah yang padat penduduknyua atau terdapat bangunan yang sangat vital maka tinggi ruang bebas harus diambil lebih besar.

d. Demikian pula, tinggi ruang bebas harus diambil lebih besar apabila terdapat keadaan-keadaan sebagai berikut :

terdapat resiko macetnya pembukaan pintu air bangunan pelimpah.

terdapat resiko longsornya tebing waduk dan masuk ke dalam waduk.

data hidrologi yang tersedia kurang lengkap.

Terdapat 3 cara yang dapat dipakai untuk menentukan tinggi ruang bebas dan diambil angka yang terbesar.

[1] Permukaan air tertinggi pada waktu banjir (TWL)

Pada waktu terjadi banjir, permukaan air waduk akan naik sedikit demi sedikit sampai air mencapai permukaan waduk (FSL). Pada saat itu air waduk mulai melimpah melewati ambang bangunan pelimpah karena permukaannya dibuat sama dengan FSL. Sehingga sebagian air akan melimpah dan sebagian lagi akan menyebabkan naiknya permukaan air waduk. Permukaan air waduk ini akan terus naik sampai mencapai permukaan air tertinggi yaitu TWL. Sesudah itu permukaan air waduk akan turun kembali bersamaan dengan redanya banjir. Permukaan air tertinggi TWL inilah yang harus dicari dengan perhitungan ruting banjir (flood routing). Di dalam perhitungan ruting banjir, termasuk menentukan volume efektif dari waduk dan debit banjir maksimal yang akan dilewatkan bangunan pelimpah.

Tinggi ruang bebas adalah sama dengan TWL dikurangi FSL ditambah dengan tinggi tambahan sebagai angka keamanan.

Tinggi ruang bebas tr = H1+Ha(7.1)

Keterangan :tr=tinggi ruang bebas

H1=selisih antara TWL dengan FSL

Ha=angka keamanan

TWL

Gambar 7.5. Tinggi ruang bebas

[2] Permukaan air tertinggi sebagai akibat tinggi gelombang angin dan lain-lain

Angin dapat menimbulkan gelombang yang menyebabkan permukaan air waduk naik. Ada 3 macam gelombang akibat angin yaitu :

a. tinggi gelombang angin (hw1)

1. Menurut rumus Zuiderzee (Belanda).

Apabila terjadi angin yang bertiup secara terus menerus dan teratur ke arah bendungan maka akan timbul gelombang angin (wind set up) yang tingginya dapat dihitung melalui rumusu Zuidenzee :

S = .. (7.2)

Keterangan :S=tinggi gelombang angin (m)

V=kecepatan angin di atas air (Km/jam)

F=fech yaitu jarak normal dari tepi waduk di depan bendungan dengan bendungannya sendiri (Km), makin jauh nilainya makin besar

d=dalamnya waduk rata-rata (m)

A=sudut antara angin dengan fetch (derajat)

k=angka koefisien biasanya diambil 62

2. Menurut slope protection methods.

Menurut laporan tentang slope protection methods yang disusun oleh sub committee on slope protection, Soil Mechanics and Foundation Division, Proceedings, The Society of Civil Engineers (Amerika Serikat) terdapat table sebagai berikut :

Tabel 7.3. Hubungan antara fetch, kecepatan angina dan tinggi gelombang

No.Fetch

(mile)

Kecepatan Angin (mph)Tinggi gelombang (feet)

1.1502,70

2.1753,00

3.2,50503,20

4.2,50753,60

5.2,501003,90

6.5503,70

7.5754,30

8.51004,80

9.10504,50

10.10755,40

11.

101006,10

Mph = mile per hour, mill per jam

1 mph = 1,609 Km/jam

Dari kedua cara yaitu (1) dan (2) dimabil yang terbesar, maka terdapat hw1.

b. Tinggi gelombang di atas angin (hw2)

Stevenson telah menemukan rumus yang kalau dijadikan system matrik menjadi :

Hw = 0,34 ( F + 0,74 - 4( F (7.3)

Keterangan :hw=tinggi gelombang di atsa gelombang angin (m).

F=fetch (Km).

Untuk F yang panjangnya lebih dari 20 Km, rumusnya dapat disederhanakan sehingga menjdi hw = 0,34. ( F

Gelombang angin merupakan garis lengkung, demikian pula gelombang di atasnya maka tingginya tidak perlu diperhitungkan penuh, tetapi cukup diambil antara 65% - 75%, yang untuk amannya diambil 75%. Maka hw2 = 0,75 . hw

c. Tinggi gelombang yang merambat ke sebelah hulu bendungan (hw).

Biasanya dipakai rumus :

V

hw3 = -------------- ( 7.4 )

2 g

Keterangan :hw3 =tinggi gelombang yang merambat ke hulu (m).

V=kecepatan angin (m/detik)

g=percepatan gravitasi bumi = 9,78 m/detik

Tinggi gelombang sebagai akibat tinggi gelombang angin = hw1 + hw2 + hw3.

d. Tinggi gelombang sebagai akibat gempa bumi (he)

Seichi Sato telah menemukan rumus sebagai berikut :

____

Keterangan :he=tinggi gelombang sebagai akibat gempa bumi (m).

k=koefisiensi gempa bumi (0,10-0,30)

t=waktu terjadinya gelombang gempa bumi (detik)

Ho=dalamnya waduk rata-rata.

e. Tinggi keamanan sebagai akibat tipe bendungan (hi)

Bendungan urugan kurang stabil terhadap bahaya limpahan air yang melewati puncak bendungan, oleh karena itu tinggi ruang bebasnya dibuat lebih tinggi yaitu 1 m di atas untuk bendungan beton. Jadi apabila bendungan beton perlu 2 m maka untuk bendungan urugan perlu 3 m.

f. Tinggi keamanan terhdapa macetnya pembukaan pintu air bangunan pelimpah (ha)

Membuat anggapan anggapan tentang lama dan kapan pintu air bangunan pelimpah macet tentunya tidak mudah, oleh karena itu biasanya diambil berdasar pengalaman yaitu ha dimabil = 0,50 m.

g. Tinggi gelombang sebagai akibat risiko longsor tebing ke dalam waduk (hs)

Inipun tidak mudah memperkirakan volume tanah yang diperkirakan akan longsor dan masuk ke dalam waduk, jadi di sini pun hanya berdasar anggapan saja. Diperkirakan tanah di sekitar waduk yang tidak stabil dan kemungkinan longsor dan valume ini dianggap masuk ke dalam waduk. Karena luas waduk diketahui maka kenaikan airnya sama dengan :

Keterangan :hs=tinggi gelombang sebagai akibat longsornya tanah (m)

V=volume tanah yang tidak stabil (m3)

A=luas waduk (m2)

Dengan demikian tinggi permukaan waduk yang tertinggi sebagai akibat tinggi gelombang angin, di atas gelombang angin akibat gempa bumi, gelombang yang merambat ke hulu, macetnya pembukaan aintu air bangunan pelimpah dan longsornya tanah ke dalam waduk adalah :

Hw = hw1 + hw2 + hw3 + he + hi + ha + hs.

[3] Standar minimal tinggi ruang bebas

The Japanese National Committee on Large Dams (JANCOLD) telah menyusun standar minimal tinggi ruang bebas seperti table 7.4. Di dalam standar ini maka yang diambil sebagai permukaan air tertinggi adfalah FSL dan bukan TWL.

Tabel 7.4. Standar ruang bebas menurut JANCOLD.

NomorTinggi bendungan (m)

Bendungan betonBendungan urugan

1.< 501 m2 m

2.50 1002 m3 m

3.> 1002,50 m3,50 m

Dari ketiga cara tersebut di atas yaitu sub bab 7.4.[1}, 7.4.[2] dan 7.4.[3]. lalu diambil salah satu nilai yang terbesar sebagai tinggi ruang bebas.

3

2

1

FSL

MOL

lumpur

MOL FSL1 FSL2 FSL3 FSL4

Tinggi m

BCR

BCR3

BCR1

BCR2 BCR4

BCR %

FSL

he = g. Ho . ... ( 7.5 ).

k . t

2

hs = ... ... ( 7.6 ).

V

A

4

FSL

MOL

tr

Ha

H1

_1221565777.unknown

_1221566068.unknown

_1221566585.unknown

_1221638816.unknown

_1221565827.unknown

_1221565606.unknown

Documents

kolam tando