Upload
thenerugui
View
136
Download
9
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Metode Pemodelan Kualitas Air
Citation preview
UNIVERSITAS INDONESIA
PEMODELAN PERUBAHAN OKSIGEN TERLARUT DI
SALURAN TERBUKA AKIBAT BEBAN PENCEMAR
KEBUTUHAN OKSIGEN BIOLOGIS (BOD) DENGAN
SOFTWARE QUAL2K (Studi Kasus Kanal Tarum Barat)
SEMINAR SKRIPSI
ENGGAR KADYONGGO
0906636806
FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN
DEPOK
2013
UNIVERSITAS INDONESIA
PEMODELAN PERUBAHAN OKSIGEN TERLARUT DI
SALURAN TERBUKA AKIBAT BEBAN PENCEMAR
KEBUTUHAN OKSIGEN BIOLOGIS (BOD) DENGAN
SOFTWARE QUAL2K (Studi Kasus Kanal Tarum Barat)
SEMINAR SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
sarjana
ENGGAR KADYONGGO
0906636806
FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN
DEPOK
2013
i Universitas Indonesia
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT, karena atas berkat
dan rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan seminar skripsi ini. Selain itu,
berkat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, penulis berhasil melalui segala
bentuk tantangan dan rintangan yang muncul selama proses penyelesaian seminar
skripsi ini. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Dr. Ir. Djoko M. Hartono, SE, M.Eng, selaku dosen pembimbing 1
yang telah bersedia memberikan bantuan, bimbingan, dan nasihat
yang membangun selama penyusunan seminar skripsi ini.
2. R.M. Sandyanto Adityosulindro, S.T, M.T, M.Sc selaku dosen
pembimbing 2 yang telah bersedia memberikan bantuan, bimbingan,
dan nasihat yang membangun selama penyusunan seminar skripsi ini.
3. Orang tua saya, Bapak Suratno dan Ibu Sumarmi serta saudara-
saudara saya, yang selalu memberikan dukungan moral dan material
serta kasih sayang yang merupakan faktor pendukung utama dalam
penyusunan seminar skripsi ini.
4. Teman-teman Teknik Sipil dan Teknik Lingkungan angkatan 2009
yang senantiasa memberikan dukungan satu sama lain.
5. Semua pihak yang telah banyak membantu menyelesaikan seminar
skripsi ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu
Akhir wacana, penulis berharap Allah SWT berkenan membalas kebaikan
seluruh pihak yang telah membantu dalam penyusunan semoga seminar skripsi
ini.
Depok, April 2013
Penulis
ii Universitas Indonesia
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ............................................................................................ I
DAFTAR ISI ......................................................................................................... II
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... IV
DAFTAR TABEL ................................................................................................. V
BAB 1 PENDAHULUAN ..................................................................................... 1
1.1 LATAR BELAKANG .................................................................................... 1
1.2 RUMUSAN MASALAH ................................................................................ 3
1.3 TUJUAN PENELITIAN ................................................................................. 4
1.4 MANFAAT PENELITIAN .............................................................................. 5
1.5 BATASAN PENELITIAN ............................................................................... 6
1.6 SISTEMATIKA PENULISAN ......................................................................... 6
BAB 2 STUDI PUSTAKA .................................................................................... 8
2.1 UMUM ....................................................................................................... 8
2.1.1 State Of Art ........................................................................................... 8
2.2 PENCEMARAN AIR ................................................................................... 10
2.2.1 Sumber Pencemar ............................................................................... 10
2.2.2 Baku Mutu ........................................................................................... 11
2.3 KARAKTERISTIK KUALITAS AIR .............................................................. 11
2.3.1 Biochemical Oxygen Demand............................................................. 11
2.3.2 Dissolve Oxygen ................................................................................. 12
2.4 PEMODELAN KUALITAS AIR PERMUKAAN ............................................... 13
2.4.1 Tinjauan Umum .................................................................................. 13
2.4.2 Jenis Input Beban Pencemar .............................................................. 14
2.4.3 Mass Balance ...................................................................................... 15
2.4.4 Koefisien Laju Reaksi ......................................................................... 16
2.4.5 Metode Numerik.................................................................................. 18
2.4.6 Model Oksigen Terlarut ...................................................................... 21
2.4.6.1 Penurunan Oksigen Terlarut ........................................................ 21
2.4.6.2 Titik Jenuh Oksigen Terlarut ....................................................... 22
2.4.6.3 Persamaan Reaerasi ..................................................................... 23
2.5 SOFT WARE QUAL2K ............................................................................. 26
2.5.1 Karakteristik QUAL2K ....................................................................... 26
2.5.2 Segmentasi QUAL2K .......................................................................... 28
2.6 KERANGKA BERPIKIR .............................................................................. 29
BAB 3 METODE PENELITIAN ....................................................................... 34
3.1 UMUM ..................................................................................................... 34
3.2 DESAIN PENELITIAN ................................................................................ 34
3.3 PROSES PENELITIAN ................................................................................ 36
3.3.1 Variabel Peneitian .............................................................................. 36
3.3.2 Pengumpulan data .............................................................................. 36
3.3.2.1 Data Primer ................................................................................. 36
3.3.2.2 Data Sekunder ............................................................................. 37
iii Universitas Indonesia
3.3.3 Pengolahan dan Analisis Data ........................................................... 40
3.3.3.1 Penyusunan Model ...................................................................... 40
3.3.3.2 Perbedaan Hasil Model dengan Observasi .................................. 43
3.4 LOKASI DAN JADWAL PENELITIAN .......................................................... 44
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 49
LAMPIRAN A TABEL KUALITAS AIR PP. NO 82 TAHUN 2001 ............. 51
LAMPIRAN B SKEMA TAHAPAN PEMODELAN ..................................... 54
iv Universitas Indonesia
DAFTAR GAMBAR
GAMBAR 2.1 PROSES MANAJEMEN KUALITAS AIR ................................................ 14
GAMBAR 2.2 KONSENTRASI BOD DAN DO DI SALURAN TERBUKA ........................ 22
GAMBAR 2.3 KECEPATAN REAERASI VS KEDALAMAN DAN KECEPATAN .............. 26
GAMBAR 2.4 SOFTWARE QUAL2K ....................................................................... 28
GAMBAR 2.5 SKEMA SEGMENTASI QUAL2K UNTUK SUNGAI TANPA ANAK SUNGAI
....................................................................................................................... 29
GAMBAR 2.6. SKEMA SEGMENTASI QUAL2K UNTUK SUNGAI DENGAN ANAK
SUNGAI ........................................................................................................... 29
GAMBAR 2.7. KERANGKA KONSEPTUAL ................................................................ 30
GAMBAR 2.8. LINGKUP PENELITIAN ...................................................................... 31
GAMBAR 2.9. KERANGKA PENELITIAN .................................................................. 33
GAMBAR 3.1 TAHAPAN UMUM PENELITIAN ........................................................... 36
GAMBAR 3.2 ALGORITMA PEMODELAN ................................................................. 40
GAMBAR 3.3. SKEMA SEGMENTASI ........................................................................ 42
GAMBAR 3.4 LOKASI PENELITIAN .......................................................................... 45
GAMBAR 3.5. REACH 1 (JEMBATAN JL. CUT MEUTIA - TITIK CROSSING) .............. 45
GAMBAR 3.6. REACH 2 (TITIK CROSSING - JEMBATAN JL. JEND. A. YANI) ............ 46
GAMBAR 3.7. REACH 3 (JEMBATAN JL. JEND. A. YANI - JEMBATAN JL. CAMAN) .. 46
GAMBAR 3.8. REACH 4 (JEMBATAN JL. CAMAN – JEMBATAN JL. LAMPIRI RAYA) . 46
v Universitas Indonesia
DAFTAR TABEL
TABEL 2.1. PENELITIAN SEBELUMNYA .................................................................... 9
TABEL 2.2 KRITERIA MUTU AIR BERDASARKAN KELAS PP NO. 82 TAHUN 2001 . 11
TABEL 2.3 RANGE KEDALAMAN DAN KECEPATAN UNTUK PENGEMBANGAN
PERSAMAAN UNTUK REAERASI ALIRAN. .......................................................... 26
TABEL 3.1. DAFTAR DATA PRIMER DAN SEKUNDER .............................................. 39
TABEL 3.2. NILAI KONSTANTA YANG DIPAKAI ....................................................... 41
TABEL 3.3. KOORDINAT DAN ELEVASI REACH ....................................................... 43
TABEL 3.4. PERBANDINGAN DATA HASIL MODEL DAN OBSERVASI LAPANGAN .... 44
TABEL 3.5. TABEL WAKTU PENELITIAN................................................................. 48
1 Universitas Indonesia
PEMODELAN PERUBAHAN OKSIGEN TERLARUT DI SALURAN
TERBUKA AKIBAT BEBAN PENCEMAR KEBUTUHAN OKSIGEN
BIOLOGIS (BOD) DENGAN SOFTWARE QUAL2K (Studi Kasus Kanal
Tarum Barat)
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Air merupakan kebutuhan utama bagi manusia bahkan semua makhluk
hidup, terutama di daerah kota-kota besar seperti Jakarta yang merupakan kota
terbesar di Indonesia dengan jumlah penduduk mencapai 9.607.787 jiwa (Sensus
Badan Pusat Statistik 2010). Dengan penduduk sebanyak itu dalam satu kota
maka kebutuhan airnya pun juga akan sangat besar, sehingga diperlukan sumber
air baku yang mampu memenuhi kebutuhan yang sangat besar tersebut.
Air permukaan menjadi salah satu bagian yang tidak terpisahan dari
sumber air bersih yang digunakan oleh masyarakat karena merupakan salah satu
sumber air baku utama yang digunakan untuk penyediaan air bersih bagi sebagian
besar warga Jakarta dengan pengolahan air permukaan dari beberapa instalasi
pengolahan air bersih menggunakan air baku yang berasal dari Kanal Tarum Barat
atau biasa disebut Kalimalang yang merupakan saluran terbuka atau open
channel. Kanal Tarum Barat merupakan kanal atau saluran buatan untuk
mengalirkan air dari Sungai Citarum yang dibendung di Waduk Jatiluhur yang
kemudian dibuat kanal atau saluran buatan dengan tujuan untuk memenuhi
kebutuhan air bersih kota Jakarta. Kanal Tarum Barat merupakan saluran terbuka
yang kualitas air yang dialirkan harus dijaga dengan baik karena ini merupakan
salah satu sumber air baku terbesar bagi kota Jakarta. Beberapa perubahan telah
terjadi di sekitar daerah aliran Kanal Tarum Barat terutama tata guna lahan
disepanjang aliran saluran yang mulai banyak daerah-daerah industri dan
pemukiman yang dibangun disepanjang pinggiran aliran, karena kondisi ini maka
potensi untuk terjadinya pencemaran air di Kanal Tarum Barat akan semakin
besar, sehingga mempengaruhi kualitas air yang ada yang kemudian akan diolah
2
Universitas Indonesia
menjadi air bersih, sehingga beban dan biaya pengolahannya pun akan semakin
besar. Selain itu juga Kanal Tarum Barat dalam perjalanan alirannya menuju DKI
Jakarta berpotongan dengan 3 sungai yaitu Sungai Cibeet, Sungai Cikarang, dan
Sungai Bekasi, dari sungai-sungai yang dilewatinya salah satunya terjadi
pencampuran di titik pertemuannya dengan Sungai Bekasi.
Dari pertemuan antara Sungai Bekasi dan Kanal Tarum Barat terjadi
pencampuran air antara kedua aliran sehingga mempengaruhi kualitas air dari
Kanal Tarum Barat yang merupakan sumber air baku karena kualitas air di Sungai
Bekasi yang sudah tidak layak untuk dijadikan sumber air baku sehingga
dampaknya adalah penurunan kualitas air pada Kanal Tarum Barat setelah
melewati titik pertemuan dengan Sungai Bekasi.
Saluran terbuka (open channel) atau sungai biasanya memiliki proses
fluktuasi kenaikan kandungan oksigen secara alami setelah beban pencemar
masuk atau biasa disebut reaerasi yang berlangsung secara alami untuk menaikkan
konsentrasi oksigen terlarut yang ada di badan air. Selain itu juga ada mekanisme
pencampuran yang bisa mengurangi konsentrasi pencemar, namun hal ini butuh
waktu dan juga dipengaruhi oleh proses dilusi kontaminan yang tergantung pada
waktu dan jarak tertentu dari sumber pencemar. Berdasarkan perhitungan analitik,
konsentrasi pencemar di badan air penerima akan berkurang terhadap jarak dan
waktu jika limbah dibuang secara impuls (Chapra, 1997).
Penelitian mengenai pemodelan tentang perubahan kualitas air baku di
saluran terbuka untuk menyuplai kebutuhan air yang dibutuhkan menjadi penting
untuk dilakukan karena hingga saat ini saluran yang masih terbuka menjadi
rentan terhadap pencemaran yang ada karena aktivitas kegiatan manusia yang ada
di sepanjang daerah aliran, sehingga jika kualitas airnya memburuk beban
pengolahan juga akan semakin berat sehingga akan menambah biaya pengolahan.
Selain itu dalam proses pemurnian air secara alami yang tercemar untuk
mendegradasi bahan pencemar yang ada yang dilakukan oleh mikroba yang ada di
air membutuhkan oksigen untuk metabolisme mikroba sehingga perlu dilihat
proses reaerasi yang terjadi di sepanjang aliran yang ada. Sehingga dalam
penelitian ini parameter yang akan dimodelkan terfokus pada parameter DO, hal
3
Universitas Indonesia
ini karena dalam penerimaan beban pencemar parameter DO merupakan
parameter yang sangat mudah terpengaruh hal ini karena jumlah oksigen terlarut
yang ada di badan air akan langsung digunakan untuk berbagai macam reaksi
yang ada di air saat pencampuran dengan beban pencemar, selain itu juga
parameter DO merupakan parameter yang paling fluktuatif karena adanya
pengaruh reaerasi di badan air karena nilainya bisa langsung berubah karena
terjadinya reaerasi dari atmosfer, metabolisme organisme di badan air, diffusi
yang terjadi dan masih banyak faktor lainnya.
Sehingga parameter DO dipilih menjadi parameter yang akan
dimodelkan. Selain itu dari data-data sekunder yang didapat dari BPLH Kota
Bekasi Juli 2011, di Sungai Bekasi parameter DO menjadi salah satu parameter
kualitas air yang melebihi batas baku mutu badan air kelas 2 di PP No. 82 Tahun
2001. Dari data sekunder yang telah didapat dari juga menunjukkan bahwa di
Kanal Tarum Barat sebelum bertemu dengan Sungai Bekasi nilai DO masih diatas
6 yaitu sesuai standar kelas 1 di PP No.82 Tahun 2001, namun setelah melewati
pertemuan dengan Sungai Bekasi nilai DO turun menjadi 4 yang sesuai dengan
badan air kelas 2 yang sudah tidak bisa lagi digunakan sebagai air baku air
minum.
Sehingga perlu dilihat bagaimana penurunan konsentrasi DO yang terjadi
di badan air setelah pencampuran dan bagaimana konsentrasi DO yang terjadi di
sepanjang aliran setelah pencampuran terjadi hingga sebelum diolah menjadi air
bersih di IPAM, maka diperlukan pemodelan karena merupakan model
dikembangkan pada awalnya sebagai alat pemecahan masalah, sehingga dengan
pembuatan model ini bisa menjadi bahan pertimbangan dalam manajemen dan
perbaikan kualitas air sungai.
1.2 Rumusan Masalah
Konsentrasi oksigen terlarut di badan air akan berubah seiring dengan
beban pencemaran yang dilaluinya sepanjang aliran baik dari pencemaran limbah
cair, dan reaerasi yang terjadi di sepanjang aliran, sehingga parameter DO yang
nilainya akan selalu fluktuatif. Perubahan kualitas ini juga tidak terlepas dari luas
4
Universitas Indonesia
penampang dan debit yang ada di saluran, titik pencemaran yang ada dan juga
jenis pencemarnya. Selain itu juga jenis aliran juga mempengaruhi kondisi
pencampuran yang terjadi di sepanjang aliran, karena oksigen terlarut tidak selalu
sama di setiap titik di badan air.
Berdasarkan kondisi yang ada dilapangan dapat dilihat bahwa Kanal
Tarum Barat yang merupakan saluran terbuka dan berpotensi terjadinya
pencemaran dari Sungai Bekasi karena daerah-daerah sekitar DAS Sungai Bekasi
ini sangat berpotensi memberikan beban pencemar, terutama pencemar dalam
bentuk limbah domestik karena disepanjang alirannya terdapat banyak
pemukiman dan beban pencemar ataupun pencemaran yang terjadi di anak-anak
sungai dari Sungai Bekasi yang masuk kedalam badan air utama sehingga bisa
mempengaruhi kondisi kualitas air Sungai Bekasi sehingga saat terjadi
pencampuran dengan Kanal Tarum Barat maka akan mempengaruhi kualitas air
dari air baku yang dialirkan melalui Kanal Tarum Barat terutama parameter
oksigen terlarut.
Berdasarkan uraian masalah yang telah dijelaskan diatas, pada penelitian
ini dirumuskan beberapa pertanyaan penelitian yaitu sebagai berikut :
a. Bagaimana pengaruh beban pencemar BOD terhadap parameter oksigen
terlarut di badan air penerima ?
b. Seperti apa reaerasi yang terjadi di lokasi penelitian ?
c. Berapa besar perbedaan hasil yang diperoleh dari pemodelan dengan hasil
sampling langsung di lapangan ?
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah sebagai berikut :
Mengetahui pengaruh beban pencemar BOD dan reaerasi terhadap
parameter DO pada badan air.
Mengetahui seberapa besar tingkat reaerasi yang terjadi pada Kanal Tarum
Barat terutama dalam lokasi penelitian dalam bentuk koefisien reaerasi.
5
Universitas Indonesia
Mendapatkan nilai koefisien peluruhan BOD, dan mencari koefisien reaerasi
oksigen dengan kalibrasi otomatis dari model QUAL2K.
Mengkalibrasi dan membandingkan hasil yang didapat dari model
perubahan konsentrasi DO yang dihasilkan dari modeling dengan data dari
observasi lapangan
1.4 Manfaat Penelitian
Dengan adanya penelitian ini diharapkan ada beberapa manfaat yang
dapat diambil setelah penelitian dilakukan, antara lain :
Bagi Pemerintah
Memberikan pertimbangan untuk mencari solusi alternatif bagi pengelolaan
badan air terutama pada saluran open channel.
Memberikan referensi terhadap penanganan sumber-sumber pencemar yang
ada dan berpotensi menurunkan kualitas air baik minimalisasi pengaruh atau
pemanfaatan reaerasi alami yang optimal.
Bagi Peneliti
Mengembangkan diri dan meningkatkan wawasan serta pengetahuan
tentang perubahan yang terjadi pada kualitas air pada Kanal Tarum Barat,
serta cara pemodelan kualitas air permukaan.
Menambah keahlian peneliti, dalam hal ini adalah pemakaian software
dalam pemodelan kualitas air permukaan.
Bagi Masyarakat
Memberikan pengetahuan kepada masyarakat mengenai pengaruh
pencemaran dan bagaimana perubahan kualitas air terjadi
Memberikan pengetahuan kepada masyarakat mengenai pentingnya
menjaga lingkungan terutama pada badan air.
Bagi Ilmu Pengetahuan
6
Universitas Indonesia
Sebagai referensi bagi pendidikan dan ilmu dalam bidang pengelolaan
badan air terutama pada reaerasi saluran open channel di Indonesia sehingga
akan berkembang ke arah yang lebih baik.
Sebagai referensi salah satu cara dalam pemodelan kualitas air permukaan
pada saluran open channel dari beban pencemar yang ada.
1.5 Batasan Penelitian
Penelitian yang akan dilakukan nantinya akan memiliki ruang lingkup
sebagai batasannya, dengan batasan-batasan tersebut antara lain :
Proses pengamatan hanya dilakukan pada pagi hingga sore hari di Bulan
April.
Parameter kualitas air yang diperiksa dan dimodelkan dibatasi pada hanya
parameter DO dan BOD.
Sumber pencemar yang ditinjau berasal dari Sungai Bekasi.
Lokasi pengukuran dilakukan di Kanal Tarum Barat pada segmen
pertemuan dengan Sungai Bekasi hingga Intake PDAM Buaran dengan total
jarak 7 kilometer.
1.6 Sistematika Penulisan
Secara garis besar, sistematika penulisan untuk tugas akhir ini adalah
sebagai berikut :
BAB 1 PENDAHULUAN
Pada bab ini berisi mengenai latar belakang, rumusan masalah,
tujuan penelitian, manfaat penelitian, ruang lingkup, dan sistematika
penulisan.
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini dijelaskan mengenai teori-teori dasar yang mendukung
penelirian mengenai kualitas air baik analisis dan pembahasannya.
Teori-teori tersebut meliputi definisi, konsep, karakteristik, standar
kualitas air dan sumber pencemar serta parameter yang diteliti dari
topik penelitian.
7
Universitas Indonesia
BAB 3 METODE PENELITIAN
Pada bab ini berisi mengenai langkah-langkah yang dilakukan dalam
penelitian baik metode yang yang digunakan dalam penelitian yang
dilakukan, langkah-langkah pengambilan data, waktu dan lokasi
pengambilan, variabel penelitian cara pengolahan data, dan langkah-
langkah analisis serta pendekatan yang digunakan.
BAB 4 GAMBARAN UMUM OBJEK STUDI
Pada bab ini dijelaskan mengenai gambaran umum lokasi
pengambilan sampel serta lokasi penelitian berlangsung dari status
stakeholder yang terkait, daerah yang dilewati hingga kondisi
saluran.
BAB 5 HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada bab ini berisi mengenai hasil dari pemeriksaan yang telah
dilakukan serta analisis terhadap hasil tersebut. Perbandingan
terhadap beberapa standar dan peraturan juga dilakukan terhadap
hasil yang didapatkan.
BAB 6 PENUTUP DAN SARAN
Pada bab ini berisi kesimpulan yang didapatkan berdasarkan
penelitian yang telah dilakukan serta rekomendasi yang ada untuk
menjaga kualitas sumber air baku.
8 Universitas Indonesia
BAB 2
STUDI PUSTAKA
2.1 Umum
Pengukuran dan evaluasi dari dampak manusia pada kualitas dari air
permukaan telah menjadi tujuan utama dari manajemen daerah aliran sungai
(Barth, 1998). Permasalahan dari prediksi beban kimia dalam sistem sungai tetap
menjadi isu utama dalam penentuan dampak dari aktivitas manusia dalam
ekosistem lingkungan akuatik (Sokolov and Black, 1996). Model kualitas air bisa
digunakan untuk simuasi dari berbagi nutrient dan parameter biologis yang pada
awalnya tidak memungkinkan dari parameter hidrologis.
2.1.1 State Of Art
Degradasi aliran di perkotaan telah didokumentasikan dengan baik dan
telah disebut sebagai urban stream syndrome (Walsh et al., 2005; Paul dan Meyer,
2008). Aliran di daerah perkotaan berubah seiring dengan kota yang dilewatinya
dan perubahan strategi dari manajemen air. Sekarang ini ada kecenderungan untuk
mengembalikan sungai untuk kembali ke kondisi dan fungsi alaminya (Novotny et
al.,2010). Pemodelan matematis bisa digunakan untuk mengembangkan
pemahaman kuantitatif dari input dan proses yang mempengaruhi water quality
(Mathew et al., 2011)
Dampak dari konsentrasi DO yang rendah atau saat ekstrim, kondisi
anaerobik adalah ekosistem yang tidak seimbang dengan kematian ikan, masalah
bau dan gangguan estetika (Cox, 2003). Dari penelitian yang telah dilakukan
sebelumnya menyatakan bahwa oksigenasi lokal efektif dalam menaikkan tingkat
DO, dan kombinasi dari modifikasi air limbah, flow augmentation dan oksigenasi
lokal diperlukan untuk memastikan konsentrasi DO minimum (Prakash, 2007).
Pemodelan bukanlah alternatif untuk observasi tetapi dalam situasi
tertentu, bisa menjadi alat yang berguna dalam memahami observasi dan dalam
teori pengembangan dan pemeriksaan.
9
Universitas Indonesia
Tabel 2.1. Penelitian Sebelumnya
Judul Penelitian Hasil Penelitian Referensi
Kajian Kualitas Air Sungai Cipinang Bagian Hilir Ditinjau
dari Parameter BOD dan DO menggunakan Model
QUAL2E
Konstanta dekomposisi BOD nilainya bergantung pada ruas sungai antara 0.3-
0.6/hari yang didapat dari hasil pengukuran dan hasil dari simulasi model
Ada 3 proses kalibrasi yang dilakukan yaitu kalibrasi hidrolika, kalibrasi model
dan kalibrasi konstanta BOD-DO
Kalibrasi model dilakukan dengan membandingkan dari Simulasi QUAL2E,
perhitungan model streeter-phelps dan pengukuran lapangan
Damarany, P., Fachrul, M. F.,
Astono, W. (2009)
Pemulihan Kualitas Air Sungai Ciliwung Menggunakan
Model Kualitas Air
Ada 3 proses kalibrasi yang dilakukan yaitu kalibrasi debit, kalibrasi BOD dan
validasi model
Untuk strategi pengendalian kualitas air diperlukan pengolahan semua limbah
industri dengan efisiensi sekitar 80-86% dan 60-70% limbah domestik diolah
IPAL maka konsentrasi BOD ≤ 5mg/L dan Bakteri Coli turun menjadi ≤
2000/100ml
Yusuf, Iskandar A. (2009)
DO-BOD modeling of River Yamuna for national capital
territory, India using STREAM II, a 2D water quality model
SOD diasumsikan nol
Konsentrasi BOD turun secara berangsur-angsur di hilir karena fenomena self
purification alami
Tingkat BOD dan DO berada di bawah standar karena curah hujan yang tinggi
dan pembuangan yang sedikit ke Sungai Yamuna melalui saluran (drains)
DO bisa dijelaskan dengan proses lain yg terjadi di sistem air permukaan alami
seperti aktifitas fotosintesis, aktifitas sedimen, dan suhu sungai
Sharma, Deepshikha, dan Singh,
Rum Kara (2009)
Application of QUAL2Kw for water quality modeling and
dissolved oxygen control in the river Bagmati
Hasil kalibrasi model menunjukkan kualitas air Sungai Bagmati tidak memenuhi
standar 4mg/l diluar 8 km.
Koefisien Reaerasi 6-8,7/hari
Prakash, Seokcheon, Sushil, Lee, &
Kyu, (2007)
10
Universitas Indonesia
2.2 Pencemaran Air
Pencemaran air menurut Peraturan Pemerintah RI No 82 tahun 2001
adalah masuknya atau dimasukkannya makhluk hidup, zat, energi dan atau
komponen lain ke dalam air oleh kegiatan manusia, sehingga kualitas air turun
sampai ke tingkat tertentu yang menyebabkan air tidak dapat berfungsi sesuai
dengan peruntukkannya.
Dari definisi diatas maka badan air bisa dikatakan tercemar jika kualitas
airnya turun hingga tingkat tertentu hingga dianggap mencemari badan air
sehingga daya tampung beban pencemaran pada badan air terlampaui. Beban
pencemaran adalah jumlah suatu unsur pencemar yang terkandung dalam air atau
air limbah sedangkan daya tampung beban pencemaran adalah kemampuan air
pada suatu sumber air, untuk menerima masukan beban pencemaran tanpa
mengakibatkan air tersebut menjadi tercemar.
2.2.1 Sumber Pencemar
Sumber pencemar pada pencemaran air sendiri dapat dikategorikan pada
2 jenis sumber yaitu pencemaran dari point source dan non-point source. Menurut
Metcalf dan Eddy (2004) point source merupakan sumber limbah yang keluar dari
lokasi spesifik dari pipa, saluran buangan, sistem saluran dari municipal
wastewater plants atau fasilitas pengolahan industri, sedangkan non-point source
menurut The Foundation for Water Resouce (2010) adalah substan/kontaminan
yang masuk ke badan air yang berasal dari area tersebar sebagai hasil dari
aktivitas penggunaan lahan, seperti pembangunan, fasilitas umum, pertanian,
penebangan hutan. Selain itu berdasarkan kegiatannya sumber pencemar berupa
air limbah bisa dikategorikan menjadi dua bagian yaitu air limbah domestik dan
air limbah non domestik. Air limbah domestik merupakan air bekas pemakaian
dari aktivitas daerah pemukiman seperti kegiatan memasak, mandi, cuci dan
kegiatan lainnya yang umumnya kandungannya didominasi oleh bahan organic
dan dapat diolah secara biologis, sedangkan air limbah non domestik adalah air
bekas pemakaian yang berasal dari daerah non pemukiman seperti daerah industri,
komersial, perkantoran, dan sebagainya, kandungannya sendiri lebih bervariasi
11
Universitas Indonesia
bisa berupa bahan organik dan anorganik, tergantung dari kegiatannya sendiri dan
biasanya bersifat fisiko kimiawi.
2.2.2 Baku Mutu
Dalam penentuan suatu badan air dapat dikatakan tercemar atau tidak
diperlukan suatu batasan atau parameter dalam bentuk nilai sehingga jelas mana
yang dikatakan tercemar dan mana yang tidak. Maka dari itu diperlukan suatu
standar ukuran dari parameter-parameter kualitas air yang bisa dibandingkan
dengan kondisi kualitas air yang ada di badan air, dalam Peraturan Pemerintah 82
Tahun 2001 dalam bagian klasifikasi dan kriteria mutu air, tepatnya pada pasal 8
menetapkan klasifikasi mutu air dibagi menjadi 4 kelas yaitu
a. Kelas satu, yaitu air yang peruntukkannya dapat digunakan untuk air baku
air minum, dan atau peruntukan lain yang mempersyaratkan mutu air yang
sama dengan kegunaan tersebut.
b. Kelas dua, yaitu air yang peruntukkannya dapat digunakan untuk
prasarana/sarana rekreasi air, pembudidayaan air tawar, peternakan, air
untuk mengairi pertanaman, dan atau peruntukan lain yang
mempersyaratkan mutu air yang sama dengan kegunaan tersebut.
c. Kelas tiga, yaitu air yang peruntukkannya dapat digunakan untuk
pembudidayaan air tawar, peternakan, untuk mengairi pertanaman, dan atau
peruntukan lain yang mempersyaratkan mutu air yang sama dengan
kegunaan tersebut.
d. Kelas empat, yaitu air yang peruntukkannya dapat digunakan untuk
mengairi pertanaman, dan atau peruntukan lain yang mempersyaratkan mutu
air yang sama dengan kegunaan tersebut.
Tabel 2.2 Kriteria Mutu Air Berdasarkan Kelas PP No. 82 Tahun 2001
Parameter Satuan Kelas Keterangan
I II III IV
DO Mg/L 6 4 3 0 Angka minimum
Sumber : PP No. 82 Tahun 2001
2.3 Karakteristik Kualitas Air
2.3.1 Biochemical Oxygen Demand
12
Universitas Indonesia
Biochemical Oxygen Demand atau kebutuhan oksigen biologis
didefinisikan sebagai jumlah oksigen yang dibutuhkan oleh bakteri saat
menstabilkan material organik yang bisa didekomposisi saat kondisi aerobik
(Sawyer, Mc Carty, & Parkin, 2003). Nilai BOD menunjukkan jumlah oksigen
yang dibutuhkan untuk metabolisme bakteri yang mendekomposisi bahan organik
yang ada di badan air, BOD juga menjadi salah satu parameter kualitas air yang
dapat menunjukkan tingkat pencemaran yang ada di air. Jika nilai BOD tinggi
maka menandakan oksigen yang dibutuhkan bakteri banyak, sehingga dapat
diambil kesimpulan bahwa material organik yang didekomposisi berbanding lurus
sehingga dapat disimpulkan polutan yang masuk bertambah dan begitu juga
kondisi sebaliknya jika BOD rendah.
2.3.2 Dissolve Oxygen
Dissolve Oxygen atau oksigen terlarut didefinisikan sebagai jumlah
milligram oksigen yang terlarut dalam air atau air limbah yang dinyatakan dengan
mgO2/L (Sawyer, Mc Carty, & Parkin, 2003). DO dibutuhkan di dalam
kandungan air karena digunakan oleh semua jasad hidup untuk pernafasan,
metabolisme dan pertukaran zat dalam bentuk reaksi kimia. Oksigen juga
dibutuhkan dalam proses oksidasi bahan-bahan organik dan anorganik dalam
proses aerobik. Oksigen merupakan gas yang sulit larut, kelarutannya bervariasi
secara langsung dengan tekanan atmosfer dan merupakan pertimbangan penting
saat ketinggian tinggi. Hal ini karena kecepatan oksidasi secara biologis
meningkat dengan suhu dan kebutuhan oksigen meningkat sesuai dengan kondisi
suhu yang tinggi, dimana yang menjadi perhatian adalah oksigen yang terlarut
paling sedikit terlarut atau bisa dikatakan DO dalam kondisi rendah.
Sebagian besar dari kondisi kritis yang berhubungan dengan defisiensi
DO di badan air alami terjadi selama bulan di musim panas ketika suhu tinggi dan
kelarutan dari oksigen minimum. Untuk alasan ini maka biasanya kadar oksigen
terlarut maksimum sekitar 8 mg/l dalam kondisi ini (Sawyer, Mc Carty, & Parkin,
2003). Kelarutan oksigen yang rendah merupakan faktor utama yang membatasi
kapasitas pemulihan alami (purification capacity) dari badan air karena
merupakan faktor perubahan biologis yang dilakukan oleh organism aerobik atau
13
Universitas Indonesia
anaerobik. Sumber utama oksigen dalam suatu perairan berasal dari suatu proses
difusi dari udara bebas dan hasil fotosintesis organisme yang hidup dalam
perairan tersebut.
Oksigen memegang peranan penting sebagai indikator kualitas perairan,
karena oksigen terlarut berperan dalam proses oksidasi dan reduksi bahan organik
dan anorganik, selain itu, oksigen juga menentukan proses biologis yang
dilakukan oleh organisme aerobik dan anaerobik. Dalam kondisi aerobik, peranan
oksigen adalah untuk mengoksidasi bahan organik dan anorganik dengan hasil
akhirnya adalah nutrien yang ada pada akhirnya dapat memberikan kesuburan
perairan. Dalam kondisi anaerobik oksigen yang dihasilkan akan mereduksi
senyawa – senyawa kimia menjadi lebih sederhana dalam bentuk nutrien dan gas.
Karena proses oksidasi dan reduksi inilah maka peranan oksigen terlarut sangat
penting untuk membantu mengurangi beban pencemaran pada perairan secara
alami maupun secara perlakuan aerobik yang ditujukan untuk memurnikan air
buangan industri dan rumah tangga secara alami sehingga proses purification
terjadi. Namun semakin tinggi nilai DO juga tidak baik karena akan membuat air
menjadi lebih bersifat korosif jika bertemu dengan logam terutama dalam saluran
perpipaan.
2.4 Pemodelan Kualitas Air Permukaan
2.4.1 Tinjauan Umum
Model kualitas air sungai pada biasanya digunakan untuk menganalisis,
mengekstrapolasi, dan memprediksi kualitas air sungai tersebut dalam periode
waktu tertentu. Kualitas air yang ada di badan air akan selalu berbeda dan relatif
fluktuatif pada tiap lokasi yang berbeda. Saat melakukan pemodelan ada beberapa
faktor dalam perbedaan proses dan hubungan antar kualitas parameter di air
tersebut yang kemudian akan diubah ke suatu bentuk formula menjadi sebuah
persamaan.
Hal ini dilakukan karena diperlukan untuk membuat suatu asumsi
tertentu tentang proses reaksi dan parameter yang diperlukan. Akan tetapi,
validasi akan sebuah model tetap dibutuhkan dengan cara hasil perhitungan
14
Universitas Indonesia
dibandingkan dengan pengukuran langsung dengan tujuan untuk memperbaiki
struktur model dan menganalisis faktor-faktor lain yang bisa mempengaruhi
kualitas air yang ada sehingga semakin bisa menyempurnakan model yang akan
dibuat.
2.4.2 Jenis Input Beban Pencemar
Ada beberapa jenis input beban pencemar atau loading yang dapat
ditemukan dalam berbagai model, yaitu sebagai berikut :
Beban Impuls (Impulse Loading/Spill), yaitu berupa beban pencemar yang
masuk ke badan air dalam waktu singkat
Beban Kontinu (Step Loading), yaitu beban pencemar yang masuk ke badan
air secara terus menerus dengan beban yang konstan dan biasanya
konsentrasinya tidak dipengaruhi oleh waktu.
Beban Linear (Linear Loading), yaitu beban pencemar yang masuk ke
badan air dengan konsentrasi yang semakin besar seiring dengan perubahan
waktu dengan perubahan yang konstan dan bersifat linear
Beban Eksponensial (Exponential Loading), yaitu beban pencemar yang
masuk jumlah akan bersifat eksponential jadi beban pencemar akan naik
seiring dengan perubahan waktu dan ketika mencapai titik tertingginya
beban yang masuk akan turun seiring dengan peubahan waktu
Beban Sinusoidal (Sinusoidal Loading), yaitu beban pencemar yang masuk
jumlahnya akan selalu fluktuatif naik dan turun seiring perubahan waktu
LIMBAH PEMODELAN
KUALITAS AIR
C < Cbaku mutu
KONTROL
Gambar 2.1 Proses Manajemen Kualitas Air
Sumber : Chapra, 1997
15
Universitas Indonesia
sehingga jenis loading ini akan mempunyai beban pencemar saat titik
tertinggi dan terendah.
2.4.3 Mass Balance
Model biasanya digunakan dalam sistem badan air, sistem yang paling
sederhana adalah sistem pencampuran yang sempurna atau continous stirred tank
reactor (CSTR). Untuk pemodelan konsentrasi di sungai untuk bentuk
pencampurannya sendiri bisa dimodelkan dengan memecah sistem yang ada
menjadi beberapa set dari CSTR karena mekanisme adveksi dan difusi, untuk
jenis reaktornya sendiri pada pencampuran pada aliran yang memanjang dan
persegi panjang yang diasumsikan pencampuran yang sempurna baik dalam arah
vertikal dan horizontal, jadi yang harus diperhatikan hanya pada variasi dimensi
longitudinal. Untuk persamaan mass balancenya untuk elemen panjang yang
berbeda-beda (Chapra, 1997) :
(2.1)
dimana :
: Volume dari elemen (L3) =
: Luas penampang reaktor (L2) =
: Lebar saluran (L)
: Kedalaman (L)
: flux massa yang masuk dan keluar di elemen selama
transport (ML-2
T-1
)
: massa hilang dan masuk ke dalam elemen selama reaksi
(MT-1
)
Ada 2 macam jenis aliran pada reaktor yaitu plug flow reactor dan mixed
flow reactor. Namun jenis aliran yang terjadi dalam pemodelan ini diasumsikan
adalah mixed flow reactor sehingga mekanisme adveksi dan difusi menjadi
penting. Untuk mixed flow reactor, flux yang masuk didefinisikan sebagai
16
Universitas Indonesia
(2.2)
Dengan E adalah difusi turbulen, dengan persamaan sebagai berikut
(McQuivey dan Keefer, 1974) :
(2.3)
dimana :
: Debit sungai (m3/hari)
: Kemiringsn sungai (slope)
: Lebar saluran (L)
Maka flux yg keluar didapatkan dari Hukum Fick yaitu sebagai berikut :
(2.4)
Dari persamaan (2.2) dan (2.4) kemudian disubstitusikan ke persamaan
(2.1) sehingga dihasilkan persamaan :
(2.5)
2.4.4 Koefisien Laju Reaksi
Kinetik atau kecepatan dari suatu reaksi dapat diekspresikan secara
kualitatif dengan hukum aksi massa, dimana keadaan lajunya proporsional dengan
konsentrasi dari reaktan. Laju reaksinya bisa direpresentasikan secara umum yaitu
(2.6)
Hubungan ini biasa disebut hukum laju (rate law), yang laju reaksi
dipengaruhi oleh suhu dan fungsi konsentrasi reaktan. Untuk pemodelan dengan
yang fokus dengan single reaktan bisa menggunakan persamaan yang
disederhanakan menjadi :
17
Universitas Indonesia
(2.7)
Dengan c adalah konsentrasi dari reactant tunggal dan n adalah tingkat
orde. Bentuk umum dari fungsi konsentrasi reaktan adalah
(2.8)
Meskipun ada jumlah tak terbatas untuk karakterisasi reaksi, yang biasa
digunakan didalam air alami untuk n = 0, 1, dan 2.
Orde Nol
Reaksi berlangsung konstan terhadap waktu sehingga persamaan yang
digunakan adalah :
(2.9)
Sehingga satuan k adalah ML-3
T-1
. Jika c adalah c0 saat t=0, persamaan
dapat diintegrasikan sebagai berikut :
(2.10)
Grafikyang diperoleh dari reaksi yang berlangsung konstan adalah linear.
Orde 1
Persamaan yang berlaku adalah :
(2.11)
Jika c=c0 saat t=0 maka persamaan dapat diintegrasikan sebagai berikut :
(2.12)
Kemudian jika diubah menjadi eksponensial didapat persamaan berikut :
(2.13)
18
Universitas Indonesia
Pada orde ini model dispesifikasikan sebagai penurunan eksponensial,
yaitu konsentrasi turun setengahnya untuk tiap unit waktu. Persamaan 2.8
dapat juga disebut dengan decay rate karena digunakan dalam konjungsi
dengan fungsi eksponensial untuk mendefinisikan penurunan dari
konsentrasi terhadap waktu.
Orde 2
Persamaan yang berlaku adalah :
(2.14)
Jika c=c0 saat t=0 maka persamaan dapat diintegrasikan sebagai berikut :
(2.15)
Jika reaksi orde kedua, maka plot dari 1/c dan waktu (t) akan
menghasilkan grafik garis lurus, persamaan diatas juga bisa diekspresikan
dalam bentuk dari konsentrasi sebagai fungsi dari waktu :
(2.16)
2.4.5 Metode Numerik
Metode numerik adalah suatu teknik yang membuat formulasi persamaan
matematika untuk menyelesaikan suatu masalah dan kemudian persamaan
tersebut akan diselesaikan dengan operasi aritmatika biasa. Metode ini biasanya
digunakan ketika persoalan yang dihadapi tidak dapt diselesaikan dengan metode
matematika (analitik), namun metode ini hanya dapat memberikan solusi yang ada
hanya mendekati hasil yang sebenarnya sehingga masih memiliki nilai error.
Metode numerik ini diperlukan karena metode analitis memiliki batasa-batasan,
yaitu :
Fungsi loading yang sulit ideal saat di kondisi lapangan, namun saat
perhitungan dianggap ideal seperti memenuhi bentuk seperti impuls, linear,
eksponensial ataupun sinusoidal.
19
Universitas Indonesia
Variasi parameter seperti Q, V, k, dan v yang dianggap konstan, sedangkan
pada kenyataanya sulit sekali hal tersebut terjadi.
Sistem dengan lebih dari dua segmen akan lebih rumit sehingga
membutuhkan perhitungan numerik agar lebih efisien.
Ada berbagai variasi dari masalah kualitas air yang membutuhkan reaksi
non-linear yang tidak akan bisa didapatkan dari metode analitis.
Dari metode numerik ada beberapa jenis metode numerik yang bisa
digunakan untuk menyelesaikan persoalan yang ada seperti metode Euler, metode
Runge-Kutta, dan metode Heun. Metode Euler adalah metode yang paling
sederhana dengan pendekatan orde pertama dan akurasinya bisa ditingkatkan
dengan menggunakan langkah waktu yang lebih kecil. Metoden Heun adalah
pengembangan dari metode Euler yaitu dengan meminimalisasi error dengan
merata-ratakan dua turunan yang berbeda untuk meningkatkan perkiraan dari
slope untuk seluruh interval, metode ini disebut juga metode predictor-corrector
dan merupakan pendekatan orde kedua. Metode Runge-Kutta adalah metode
numerik dengan derajat ketelitian yang lebih tinggi yang disebut increment
function dan yang biasa digunakan adalah metode klasik orde keempat.
Metode Euler secara umum dapat digambarkan dengan persamaan sebagai
berikut :
(2.17)
dimana :
: nilai dari persamaan diferensial =
: perubahan waktu
: waktu awal
: konsentrasi awal
Metode Heun disebut sebagai metode predictor-corrector secara umum
dapat diekspresikan secara ringkas dengan persamaan sebagai berikut :
Predictor :
20
Universitas Indonesia
(2.18)
Predictor :
(2.19)
Metode Runge-Kutta metode yang paling umum digunakan, persamaan
umumnya sebagai berikut :
(2.20)
dimana adalah estmasi nilai slope atau biasa disebut increment function. Metode
Euler merupakan metode Runge-Kutta orde 1 dan metode Heun tanpa persamaan
corrector juga merupakan metode Runge-Kutta dengan orde 2. Pada umumnya
metode Runge-Kutta yang biasa digunakan adalah metode klasik orde 4 yang
berbentuk :
(2.21)
dimana :
(2.22)
(2.23)
(2.24)
(2.25)
21
Universitas Indonesia
Metode Runge-Kutta orde 4 ini memiliki kesamaan dengan pendekatan
metode Heun dalam hal estimasi perkalian dari slope yang dikembangkan yang
akan meningkatkan rata-rata slope untuk interval.
2.4.6 Model Oksigen Terlarut
2.4.6.1 Penurunan Oksigen Terlarut
Jika suatu aliran awalnya tidak terpolusi, tingkat oksigen terlarut diatas
aliran akan mendekati titik jenuhnya. Populasi yang besar dari organisme
dekomposer memecah material organik didalam air dan dalam prosesnya
menghabiskan oksigen. Saat jumlah oksigen menurun oksigen di atmosfer
memasuki air untuk menaikkan oksigen yang berkurang dan proses ini disebut
reaerasi. Namun pada saat material organik terasimilasi dan tingkat oksigen turun,
maka akan ada titik dimana penurunan dan reareasi akan mencapai keseimbangan.
Pada titik ini tingkat terendah atau kritis dari oksigen akan tercapai dan setelah
titik ini reaerasi akan mendominasi dan tingkat oksigen akan mulai naik.
Tahap pertama dalam pemodelan penurunan DO adalah melihat sifat dan
kondisi dari air limbah, yaitu dengan fokus pada bagian respirasi dan dekomposisi
dari siklus hidup dengan persamaan umum kimia yang representatif
C6H12O6 + 6O2 respirasi
6CO2 + 6H2O
Asumsikan bahwa proses dekomposisi pada reaksi order pertama,
keseimbangan massa untuk glukosa adalah
(2.26)
Dengan adalah konsentrasi glukosa (mg-glukosa/L) dan adalah
kecepatan dekomposisi (hari-1
) selanjutnya persamaan keseimbangan massa untuk
oksigen adalah
(2.27)
Dengan adalah konsentrasi oksigen (mgO/L) dan adalah rasio
stokiometri dari oksigen yang dikonsumsi untuk dekomposisi glukosa. Sehingga
22
Universitas Indonesia
jika memperhatikan kondisi awal glukosa yang ada maka persamaannya akan
menjadi
Dan jika kondisi awal oksigen adalah maka persamaan ini bisa
diselesaikan dengan
Dalam model ini glukosa bisa digantikan dengan BOD dengan
mensubstitusikannya karena pembentukan persamaan untuk BOD identik dengan
persamaan untuk glukosa sehingga persamaan bisa dimodelkan dalam hal BOD
dengan mensubtitusikan konsentrasi glukosa dengan konsentasi BOD.
Gambar 2.2 Konsentrasi BOD dan DO di saluran terbuka
Sumber : B. A. Cox, 2003
2.4.6.2 Titik Jenuh Oksigen Terlarut
Konsentrasi titik jenuh dari oksigen di air alami adalah pada 10 mg/L
(Chapra, 1997). Secara umum ada beberapa hal yg bisa mempengaruhi nilai
tersebut tapi dari sudut pandang pemodelan kualitas air yang paling penting
adalah
Temperatur, dengan persamaan yang bisa digunakan untuk menentukan
pengaruhnya pada saturasi oksigen (APHA, 1992) :
23
Universitas Indonesia
(2.28)
Dimana adalah konsentrasi dari oksigen terlarut di air saat 1 atm (mg/L)
dan adalah temperatur absolute (K), sehingga berdasarkan persamaan ini
saturasi akan menurun seiring dengan peningkatan temperatur.
Salinitas, dengan persamaan yang bisa digunakan untuk menentukan
pengaruhnya pada saturasi oksigen (APHA, 1992) :
(2.29)
Dimana adalah konsentrasi dari oksigen terlarut di air asin saat 1 atm
(mg/L) dan adalah salinitas (g/L atau ppt biasanya dalam ‰) yang
berhubungan dengan konsentrasi klorin dengan pendekatan
(2.30)
Dimana dalam bentuk konsentrasinya (ppt), sehingga berdasarkan
persamaan ini saturasi akan menurun seiring dengan peningkatan salinitas.
Variasi Tekanan Parsial, dengan persamaan yang bisa digunakan untuk
menentukan pengaruhnya pada saturasi oksigen (APHA, 1992) :
(2.31)
2.4.6.3 Persamaan Reaerasi
Koefisien reaerasi dihitung sebagai fungsi dari hidrolika sungai dan
kecepatan angin, dan biasanya koefisien ini pada suhu 200C. Ada beberapa
persamaan telah diajukan untuk model reaerasi aliran, diantaranya adalah
persamaan berdasarkan kondisi hidrolik yaitu :
24
Universitas Indonesia
O’Connor-Dobbins
O’Connor dan Dobbings (1956) menyatakan hipotesis bahwa dalam model
oksigen tingkat pembentukan pemukaan model (surface renewal rate) bisa
dilakukan pendekatan dengan rasiot dari kecepatan rata-rata aliran ( dalam
m/s) dan kedalaman ( dalam m) dan hipotesis ini telah didukung dengan
pengukuran eksperimental dan hubungan ini biasa dinyatakan sebagai
kecepatan reaerasi sehingga persamaannya adalah
(2.32)
Churchill
Churchill menggunakan pendekatan yang lebih empiris daripada yang
digunakan O’Connor dan Dobbins, karena berdasarkan percobaan pada
tingkat oksigen di dalam dam dan menghitung kecepatan reaerasi yang telah
dilakukan pada reservoir di lembah sungai Tennessee, yang hasilnya
berkorelasi dengan kedalaman dan kecepatan dan persamaannya adalah
(2.33)
Owen dan Gibbs
Owen dan Gibbs (1964) juga menggunakan pendekatan empiris, tapi
mereka juga menginduksikan penurunan oksigen dengan menambahkan
sulfit pada beberapa aliran di Britania Raya. Persamaannya adalah
(2.34)
Tsivoglou-Neal (Tsivoglou and Neal 1976):
Aliran lambat, Q = 0.0283 - 0.4247 cms (1 to 15 cfs):
(2.35)
Aliran Cepat, Q = 0.4247 - 84.938 cms (15 to 3000 cfs):
25
Universitas Indonesia
(2.36)
Dimana S = slope saluran (m/m).
Thackston-Dawson (Thackston and Dawson 2001):
(2.37)
dimana = shear velocity (m/s), dan F = angka Froude yang didefinisikan
sebagai berikut :
(2.38)
(2.39)
dimana g = 9.81 m/s2, Rh = hydraulic radius (m), dan Hd = the hydraulic
depth (m) yang didefinisi sebagai
(2.40)
dimana Bt = lebar atas saluran (m).
USGS (Pool-riffle) (Melching dan Flores 1999):
Aliran lambat, Q <.0,556 cms (< 19,64 cfs):
(2.41)
Aliran Cepat, Q >.0,556 cms (> 19,64 cfs):
(2.42)
USGS (Channel-control) (Melching dan Flores 1999):
Aliran lambat, Q <.0,556 cms (< 19,64 cfs):
(2.43)
Aliran Cepat, Q >.0,556 cms (> 19,64 cfs):
26
Universitas Indonesia
(2.44)
Perbandingan diantara persamaan tersebut dikarenakan dikembangkan di
jenis aliran yang berbeda. Covar (1976) menemukan bahwa mereka bisa
digunakan bersama untuk memprediksi reaerasi untuk beberapa kombinasi dari
kecepatan dan kedalaman yang ditunjukkan dalam tabel berikut
Tabel 2.3 Range kedalaman dan kecepatan untuk pengembangan
persamaan untuk reaerasi aliran.
Parameter O’Connor-Dobbins Churchill Owen-Gibbs
Kedalaman (m) 0,30-9,14 0,61-3,35 0,12-0,73
Kecepatan (m/s) 0,5-1,6 0,55-1,52 0,1-1,8
Sumber : Chapra, 1997
Gambar 2.3 Kecepatan Reaerasi Vs Kedalaman dan Kecepatan
Sumber : Covar, 1976
2.5 Soft ware QUAL2K
2.5.1 Karakteristik QUAL2K
Software QUAL2K adalah perangkat lunak untuk pemodelan kualitas air
di aliran dan sungai yang merupakan versi modern dari model perangkat lunak
QUAL2E (atau Q2E) yang diciptakan Brown dan Barnwell tahun 1987. QUAL2K
0.1
1
10
Dep
th (
m)
0.1 1
Velocity (mps)
Owens
Gibbs
10
100
O’Connor
Dobbins
0.1
1
0.2
0.5
Ch
urc
hill
0.05
2
20
50
5
27
Universitas Indonesia
sekarang dikembangkan oleh United State Environmental Protection (US-EPA).
QUAL2K adalah aplikasi untuk mensimulasikan kualitas air sungai, perhitungan
dalam QUAL2K ditulis dalam bahasa Visual Basic dan Fotran dengan
menggunakan Microsoft Excel sebagai interface. Untuk versi QUAL2K yang
digunakan untuk pemodelan ini adalah QUAL2Kw versi 5.1 software ini adalah
perangkat lunak untuk pemodelan satu dimensi dan juga diasumsikan
pencampurannya well-mixed baik dalam arah vertikal atau horizontal, ini juga
model dengan asumsi hidroliknya stedy state, jadi aliran dan kualitas air tidak bisa
berubah dalam satu waktu, tidak seragam dan aliran steady disimulasikan. Variasi
harian dalam kualitas air (dalam hal suhu dan cahaya matahari) juga bisa
disimulasikan dalam fungsi meteorologist dalam skala variasi waktu.) Input massa
dan panas dari beban titik dan non titik serta abstraksinya juga disimulasikan
dalam software ini.
Aplikasi QUAL2K menggunakan sederet worksheet sebagai tempat
untuk memasukkan data parameter yang dibutuhkan. Terdapat 3 jenis parameter
utama yang digunakan pada aplikasi ini. Ketiga parameter tersebut adalah :
Parameter Meteorologi
a. Temperatur Udara (Air Temperature)
b. Temperatur Titik Embun (Dew Point Temperature)
c. Kecepatan Angin (Wind Speed)
d. Tutupan Awan (Cloud Cover)
e. Tutupan Vegetasi (Shade)
f. Radiasi Matahari (Solar Radiation)
g. Pencahayaan dan Penghantar Panas (Light and Heat)
Parameter Kualitas Air
a. Dissolved Oxygen (DO)
b. Slow CBOD
c. Fast CBOD
d. pH
Parameter Hidrolik
a. Kecepatan Aliran
28
Universitas Indonesia
b. Koefisien Manning
Gambar 2.4 Software QUAL2K
Sumber : US-EPA, 2008
2.5.2 Segmentasi QUAL2K
Segmentasi model dari aplikasi QUAL2K juga memisahkan sistem ke
dalam reach atau elemen, dengan ukuran elemen bisa divariasikan dari reach ke
reach dan sebagai tambahannya beberapa beban dan pengeluaran bisa dimasukkan
ke beberapa elemen. QUAL2K juga mengizinkan untuk menspesifikasi banyak
dari parameter kinetik pada tiap basis reach yang spesifik. Perlu diperhatikan juga
bahwa baik sumber beban titik atau non titik dan pengeluaran titik atau non titik
bisa ditempatkan dimana saja di sepanjang saluran jika sistem tanpa anak sungai.
29
Universitas Indonesia
Gambar 2.5 Skema segmentasi QUAL2K untuk sungai tanpa anak sungai
Sumber : US-EPA, 2008
Untuk sistem dengan anak sungai, reach yang dinomorkan dari reach 1
saat di hulu sistem utama, jika ada percabangan dengan anak sungai yang lewati,
penomoran berlanjut pada hulu anak sungai.
Gambar 2.6. Skema segmentasi QUAL2K untuk sungai dengan anak sungai
Sumber : US-EPA, 2008
2.6 Kerangka Berpikir
Air permukaan merupakan salah satu komponen penting dalam
penyediaan air bersih di Kota Jakarta. Fungsi air permukaan adalah sebagai
1
2
3
4
5
6
8
7
Non-point
withdrawal
Non-point
source
Point source
Point source
Point withdrawal
Point withdrawal
Headwater boundary
Downstream boundary
Point source
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
13
12
1514
13
87
6
87
6
9
11
109
11
10
24
2322
25
HW#1
HW#2
HW#3
HW#4
(a) A river with tributaries (b) Q2K reach representation
Ma
in s
tem
Trib1
Trib2
Trib3
30
Universitas Indonesia
sumber bahan air baku yang akan digunakan kembali. Pada sistem manajemen
kualitas air menjaga kualitas air permukaan merupakan kunci penting dalam
menjaga kondisi kualitas air baku yang dibutuhkan untuk pasokan air bersih kota
Jakarta.
Gambar 2.7. Kerangka Konseptual
Sumber : Hasil Olahan Penulis, 2013
Dalam proses pengaliran sumber air baku yang ditinjau yaitu Kanal
Tarum Barat yang berasal dari Waduk Jatiluhur bentuk pengalirannya adalah
dengan melalui kanal buatan dengan saluran terbuka. Selama proses
pengalirannya karena saluran yang terbuka maka potensi masuknya beban
pencemar dari daerah-daerah sekitarnya berpotensi menurunkan kualitas air cukup
signifikan terlebih lagi di lokasi yang ditinjau Kanal Tarum Barat berpotongan
dengan Sungai Bekasi, sehingga potensi beban pencemar yang masuk akan lebih
besar, namun badan air sendiri memiliki kemampuan self purification yaitu
kemampuan untuk menghilangkan zat-zat pencemar secara alami, sehingga
diperlukan penelitian tentang perubahan kualitas air yang ada untuk melihat
31
Universitas Indonesia
seberapa besar pengaruhnya terhadap kualitas air baku yang ada. Untuk melihat
bagaimana proses yang terjadi maka diperlukan suatu pemodelan untuk
memeriksa bagaimana proses perubahan kualitas air akibat beban pencemar yang
ada. Kondisi saat mekanisme pemasukan beban pencemar sendiri ada
pencampuran yang terjadi antara zat pencemar dan air baku yang ada sehingga
proses tersebut dipengaruhi oleh waktu dan jarak pencampuran sehingga
pemodelan yang ada dibuat untuk melihat sejauh mana perubahan itu terjadi
akibat beban pencemar.
Dari kerangka konseptual maka bisa dikerucutkan lagi lingkup penelitian
yang akan diteliti berupa :
Gambar 2.8. Lingkup Penelitian
Sumber : Hasil Olahan Penulis, 2013
Kemudian setelah dilakukan studi literatur maka dari studi literatur yang
telah dipelajari maka dapat disimpulkan sebuah hipotesis yaitu :
32
Universitas Indonesia
“Koefisien Peluruhan BOD di Kanal Tarum Barat bernilai lebih dari
0,3/hari, sedangkan untuk Koefisien Reaerasi nilainya akan fluktuatif
disepanjang segmen.
Hipotesis ini disimpulkan karena koefisien peluruhan BOD berkisar pada
0.05/hari - 0.5/hari (Chapra, 1997). Selain itu juga dari beberapa penelitian
sebelumnya menunjukkan bahwa biasanya disungai-sungai di Indonesia koefisien
peluruhan BOD berkisar pada nilai 0,2/hari – 0,6/hari. Untuk koefisien reaerasi
sendiri sangat sulit menentukan seberapa besar nilainya karena berdasarkan kasus
di sungai-sungai lain koefisien reaerasi nilainya sangat fluktuatif disepanjang
aliran sungai bahkan bisa perbedaan nilainya bisa mencapai ribuan.
Kemudian untuk mempermudah proses penelitian maka dari kerangka
konseptual dan lingkup penelitian yang telah dijabarkan di atas, maka kemudian
dibuatlah alur kerangka penelitian untuk melihat seperti apa penelitian akan
berlangsung sehingga dapat mempermudah jalannya penelitian.
33
Universitas Indonesia
Gambar 2.9. Kerangka Penelitian
Sumber : Hasil Olahan Penulis, 2013
34 Universitas Indonesia
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 Umum
Penelitian adalah suatu metode studi melalui penyelidikan yang hati-hati
dan sempurna terhadap masalah tersebut (Hilway, 1956). Penelitian yang
dilakukan adalah menentukan konsentrasi oksigen terlarut di Kanal Tarum Barat
akibat pengaruh beban pencemar yang ada dengan pemodelan secara numeric
dengan bantuan software QUAL2K.
Dengan mengetahui konsentrasi oksigen terlarut yang ada di badan air
dengan pemodelan, maka dapat diperkirakan jarak aman pada badan air dalam hal
ini saluran open channel baik karena peluruhan pencemarnya atau reaerasi yang
terjadi di badan air itu sendiri, lalu juga merupakan bahan evaluasi apakah Kanal
Tarum Barat masih layak menjadi sumber air baku menurut Peraturan Pemerintah
No. 82 Tahun 2001
Metode penelitian ini berupa langkah-langkah sistematis dari penelitian
yang akan dilakukan yang telah ditulis secara ringkas pada diagram alir
penelitian. Data yang dibutuhkan adalah data primer yang didapat dilapangan,
serta data pendukung tambahan serta data sekunder yang dibutuhkan untuk
melengkapi pemodelan yang dilakukan dengan software QUAL2K. Kemudian
hasil yang didapatkan dari pemodelan dan pengukuran langsung dilapangan
dibandingkan dan apabila ada perbedaan hasil antara model dengan observasi di
lapangan akan diperoleh nilai error dan validasi terhadap model itu sendiri.
3.2 Desain Penelitian
Metode penelitian yang digunakan adalah penelitian eksperimental dan
komparatif serta verifikatif, dengan pendekatan studi kasus. Penelitian
eksperimental merupakan metode penelitian bagian dari metode kuantitatif, dan
memiliki ciri khas tersendiri terutama dengan adanya kelompok kontrol.
Dalam bidang sains, penelitian-penelitian dapat menggunakan desain
eksperimen karena variabel-variabel dapat dipilih dan variabel-variabel lain yang
dapat mempengaruhi proses eksperimen itu dapat dikontrol secara ketat. Sehingga
35
Universitas Indonesia
dalam metode ini, peneliti memanipulasi paling sedikit satu variabel, mengontrol
variabel lain yang relevan, dan mengobservasi pengaruhnya terhadap variabel
terikat. Eksperimen adalah suatu cara untuk mencari hubungan sebab akibat
(hubungan kausal) antara dua faktor yang sengaja ditimbulkan oleh peneliti
dengan mengeliminasi atau mengurangi atau menyisihkan faktor-faktor lain yang
mengganggu (Arikunto, 2006)
Selain itu, penelitian ini juga menggunakan metode komparatif yang
dilakukan dengan membandingkan hasil pemodelan yang telah dilakukan dengan
data observasi yang dilakukan di lapangan, kemudian menarik kesimpulan dari
keadaan yang ada. Langkah terakhir yang digunakan dalam pembuktian hipotesis
yang telah dibuat dan menganalisis perbandingan data yang didapat serta memberi
saran dari hasil perbandingan yang telah dilakukan. Penelitian ini juga
menggunakan metode verifikatif untuk memverifikasi data yang didapat baik dari
hasil pemodelan atau pengukuran di lapangan apakah memenuhi peraturan yang
berlaku.
Untuk mempermudah dalam melakukan penelitian yang berhubungan
dengan masalah yang akan diteliti, maka perlu dilakukan penelitian dengan
pendekatan studi kasus. Dengan menggunakan pendekatan ini, hipotesis serta
hasil pemodelan dapat disesuaikan dan dibandingkan dengan keadaan yang
sebenarnya serta diuji dengan teori yang menunjang. Dengan demikian, dapat
memberikan gambaran yang cukup jelas serta dapat menarik kesimpulan dari
objek yang diteliti.
36
Universitas Indonesia
3.3 Proses Penelitian
3.3.1 Variabel Peneitian
Variabel bebas dalam penelitian ini adalah koefisien reaerasi dan
koefisien peluruhan pencemar. Variabel ini dipilih karena koefisien ini digunakan
untuk melihat bagaimana peluruhan pencemar terjadi di badan air serta perubahan
konsentrasi DO yang berubah karena reaerasi di sepanjang aliran setelah beban
pencemar masuk dan mempengaruhi konsentrasi DO awal, sehingga dapat dilihat
proses peluruhan yang terjadi, perubahan konsentrasi DO saat peluruhan dan juga
bisa meninjau apakah terjadi self purification pada parameter DO disegmen yang
ditinjau.
3.3.2 Pengumpulan data
3.3.2.1 Data Primer
Untuk pengumpulan data primer ada beberapa data primer yang
dibutuhkan untuk penelitian ini yaitu data debit sungai dan data konsentrasi
oksigen terlarut (DO) dan data beban pencemar berupa data konsentrasi BOD
yang diperlukan untuk pemodelan. Data ini merupakan data awal yang dibutuhkan
PENCEMARAN AIR PENURUNAN KUALITAS
AIR
OBSERVASI
LAPANGAN
HIPOTESIS
STUDI LITERATUR PELURUHAN
PENCEMAR
RUMUSAN MASALAH
PENCARIAN DATA
PENGEMBANGAN
MODEL
VALIDASI
DATA PP No 82 Tahun 2001
PENGUJIAN
HIPOTESIS
ANALISIS DAN
KESIMPULAN
Gambar 3.1 Tahapan Umum Penelitian
Sumber : Hasil Olahan Penulis, 2013
37
Universitas Indonesia
untuk penyelesaian model yang akan dibuat. Data-data tersebut antara lain debit
yang melewati outlet, debit di hulu outlet dan data debit di reach.
Untuk metode pengukuran debit ini berdasarkan SNI 03-2820-1992
tentang metode pengukuran debit sungai dan saluran terbuka dengan pelampung
permukaan. Untuk prosedurnya pertama-tama tentukan panjang sungai yang akan
diukur kecepatan arusnya (v), lalu ukur waktu yang dibutuhkan untuk menempuh
jarak yang telah ditempuh pelampung, kemudian ukur dimensi sungai kedalaman
dan lebar untuk kemudian digunakan untuk menghitung area keliling basah sungai
(A) dan masukkan data-data yang diperoleh ke dalam rumus v = s/t dan Q = v/A.
Untuk pengukuran debit ini hanya dilakukan di titik upstream saja di titik
Jembatan Jl. Cut Meutia sedangkan debit dari Sungai Bekasi dan Saluran Irigasi
serta debit Kanal Tarum Barat setelah titik crossing menggunakan data debit yang
diukur di pintu air Bekasi.
Sedangkan untuk pengukuran DO dan BOD dilakukan dengan
pengambilan sampel air dilapangan yang kemudian dilakukan pemeriksaan
tersebut dilaboratorium dalam waktu 24 jam setelah pengambilan, namun saat
diambil sampel harus langsung diawetkan agar sampel representatif. Pengambilan
sampel dibuat duplo (2 buah) untuk tiap titik pengambilan sampel dan dilakukan
pada waktu yang sesuai dengan saat pemodelan di QUAL2K.
Selain itu data primer lain yang bisa diukur dilapangan adalah data
temperatur air dengan termometer portabel serta kecepatan angin dan temperature
udara dengan anemometer yang ada di tiap reach, namun data ini dibutuhkan
dalam selang tiap jam, namun nilainya bisa menggunakan interpolasi linear, jadi
pengukuran ketiga data ini bisa diambil pada jam tertentu dalam hal ini yaitu pada
pukul 06.00, 12.00, dan 18.00.
Untuk koefisien peluruhan BOD didapatkan berdasarkan perhitungan
hasil analisis dari pengukuran BOD2, BOD4, BOD6, dan BOD8 disalah satu titik
pengambilan sampel dalam hal ini dilakukan pada titik upstream/hulu Kanal
Tarum Barat.
3.3.2.2 Data Sekunder
Data sekunder yang dibutuhkan berkaitan dengan data-data pelengkap
yang digunakan untuk melengkapi pengembangan model dengan software
38
Universitas Indonesia
QUAL2K, data-data ini diambil dari data yang sudah disediakan berdasarkan
sumber tertentu data tersebut antara lain data meteorologi yang dibutuhkan seperti
posisi GPS lokasi penelitian, waktu matahari terbit dan terbenam, tutupan lahan,
tutupan vegetasi, dan temperature titik embun. Semua data yang dibutuhkan ini
adalah yang diambil pada hari saat pemodelan dilakukan.
Untuk data temperatur titik embun didapat dari data sounding yang
merupakan data radiosonde yang dicatat dalam bentuk plot vertikal. Pengamatan
radiosonde ini didapat dari Departemen Sains Atmosfer, University of Wyoming
yang dapat diunduh secara bebas di website, yaitu pada situs
http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html yang mengambil data dari stasiun
meteorologi yang ada di daerah Halim.
Sedangkan untuk data tutupan awan dan tutupan vegetasi menggunakan
citra satelit, ada dua citra satelit yang bisa digunakan yaitu citra satelit MTSAT-
1R dan Real-Time Google Earth Satellite Imagery. Sehingga harus dipahami
bahwa tutupan awan yang diidentifikasi berdasarkan citra satelit berbeda
ketepatannya dengan tutupan awan yang diidentifikasi oleh pengamatan
permukaan. Citra satelit MTSAT-1R merupakan satelit milik NASA. Data yang
digunakan merupakan database Kochi University yang dapat diunduh secara
bebas di website yaitu pada situs http://weather.is.kochi-u.ac.jp/sat/gms.sea/
Sedangkan untuk data Real-Time Google Earth Satellite Imagery digunakan untuk
menentukan variabel shade yang merupakan tutupan oleh bayangan yang
disebabkan oleh tutupan vegetasi dan tropogafi yang ada di lokasi penelitian.
Apabila sungai tidak tertutup vegetasi pada bagian kanan dan kirinya,
maka nilai tutupan vegetasinya adalah 0%, sebaliknya apabila terdapat vegetasi
yang rimbun, maka nilai tutupan vegetasinya adalah 100%.
39
Universitas Indonesia
Tabel 3.1. Daftar Data Primer dan Sekunder
Data Data Primer Bentuk Pencarian Data Fungsi Data
Data
Primer
DO Sampel diambil lalu diawetkan
dan diuji di lab
Data Pembanding untuk Hasil
Pemodelan
BOD Sampel diambil lalu diawetkan
dan diuji di lab Sebagai Data untuk Pemodelan
Temperatur Udara Pengukuran langsung dilapangan Sebagai Data untuk Pemodelan
Debit Pengukuran langsung dilapangan Sebagai Data untuk Pemodelan
Kecepatan Angin Pengukuran langsung dilapangan Sebagai Data untuk Pemodelan
Data
Sekunder
Tutupan Lahan Dari Citra Satelit Sebagai Data untuk Pemodelan
Temperatur Titik
Embun
(Kelembaban
Udara)
Dari data sounding Sebagai Data untuk Pemodelan
Tutupan Awan Dari Citra satelit Sebagai Data untuk Pemodelan
Konstanta Dari Jurnal atau dari nilai random
QUAL2K Sebagai Data untuk Pemodelan
Koordinat Reach Dari Pembacaan GPS Sebagai Data untuk Pemodelan
40
Universitas Indonesia
3.3.3 Pengolahan dan Analisis Data
3.3.3.1 Penyusunan Model
Penyusunan model yang dilakukan dengan QUAL2K dengan
menggunakan metode runge-kutta dengan penentuan kondisi awal menggunakan
pendekatan kontrol volume sehingga diibaratkan ke dalam beberapa segmen.
Penentuan reach yang telah dilakukan ditetapkan reach yang ditinjau sebanyak 4
buah. Kemudian dilakukan perhitungan konsentrasi dengan QUAL2K dengan
data konsentrasi awal dengan pendekatan estimasi gradien hingga orde ke empat
sehingga diperoleh perubahan konsentrasi DO. Untuk proses fisik, kimia dan
biologi yang disimulasi oleh QUAL2K direpresentasikan dengan pengaturan yang
memakai banyak parameter, kisaran konstanta yang diperlukan untuk pemodelan
dengan QUAL2K diambil dari dokumen petunjuk US-EPA, QUAL2K user
manual (Pelletier dan Chapra, 2005) yang ditunjukkan dalam Tabel 3.2.
Menentukan
segmen yang akan
ditinjau
Grafik Perubahan
Kualitas DO dari
QUAL2K
Melengkapi
Data Geografi
Melengkapi
Data Hidrolik
Melengkapi
Data Klimatologi
Melengkapi Data
Kualitas Air yang
disimulasi
Input Data ke QUAL2K
dan pengembangan
model
Gambar 3.2 Algoritma Pemodelan
Sumber : Hasil Olahan Penulis, 2013
41
Universitas Indonesia
Tabel 3.2. Nilai Konstanta yang dipakai
Parameter Nilai yang
digunakan Satuan
Nilai
Minimum
Nilai
Maksimum
Carbon 40 gC 40 40
Nitrogen 7.2 gN 7.2 7.2
Phosphorus 1 gP 1 1
Detritus Dry Weight 100 gD 100 100
Chlorophyll-a 1 gA 1 1
Slow CBOD hydrolysis rate 3.83 /day 0 5
Slow CBOD oxidation rate 2.48 /day 0.04 4.2
Fast CBOD oxidation rate 3.20 /day 0.02 4.2
Organic-N hydrolysis 0.4 /day 0.02 0.4
Organic-N settling velocity 0.1 m/day 0.001 0.1
Ammonium nitrification 9.53 /day 0 10
Nitrate de-nitrification 1.48 /day 0 2
Sediment de-nitrification transfer coefficient 0.94 m/day 0 1
Organic P hydrolysis 0.7 /day 0.01 0.7
Organic P settling velocity 0.003 m/day 0.001 0.1
Inorganic P settling velocity 0.13 m/day 0 2
Sediment P oxygen attenuation half saturation constant 1.88 mgO2/L 0 2
Bottom Algae :
Max growth rate 106.1 mgA/m2/day atau
/day 0 500
Respiration rate 0.31 /day 0.5 0.5
Excretion rate 0.43 /day 0 0.5
Death rate 0.008 /day 0 0.5
External nitrogen half sat constant 33.83 μgN/L 10 300
External phosphorus half sat constant 30.12 μgP/L 1 50
Light constant 40.76 langleys/day 1 100
Ammonia preference 71.81 μgN/L 1 100
Subsistence quota for nitrogen 6.06 mgN/mgA 0.0072 7.2
Subsistence quota for phosphorus 0.30 mgP/mgA 0.001 1
Maximum uptake rate for nitrogen 80.59 mgN/mgA/day 1 500
Maximum uptake rate for phosphorus 490.42 mgP/mgA/day 1 500
Internal nitrogen half sat ratio 2.06 Dimensionless 1.05 5
Internal phosphorus half sat ratio 1.88 Dimensionless 1.05 5
42
Universitas Indonesia
Untuk nilai konstanta lain untuk pemodelan selain nilai pada Tabel 3.2
menggunakan nilai random dari QUA2K. Untuk perhitungan tingkat reaerasi
QUAL2K memiliki delapan pilihan perhitungan yang merupakan fungsi dari
hidrolik sungai untuk proses pemodelannya sendiri akan dicoba perhitungan yang
dipakai akan disesuaikan dengan kecepatan sungai yang didapat saat pengambilan
data debit.
Langkah kalkulasi di QUAL2K diatur pada 5.625 menit untuk mencegah
ketidakstabilan dalam model (Prakash, Seokcheon, Sushil, Lee, & Kyu, 2007) dan
solusi integrasinya dilakukan dengan metode Runge-Kutta karena walaupun
sedikit lebih lama namun tingkat akurasinya akan lebih baik. Untuk data waktu
matahari terbit dan terbenam diambil dari timeanddate.com dan proses diagenesis
sedimen dilewati karena nilai SOD diabaikan dan dianggap nol karena proses
settling hanya sedikit mengurangi total BOD tanpa menganggu profil DO di
sungai (Paliwall et al., 2007). Kemudian mengisi data headwater dan data tiap
reach serta data meteorologi, lalu juga mengisi nilai-nilai konstanta yang
dibutuhkan dan menggunakan nilai default untuk kalibrasi otomatis. Untuk skema
tahapan pemodelan sendiri terlampir.
Sedangkan untuk segmentasinya dengan panjang totalnya adalah 8,26 km
yang akan dibagi menjadi 4 reach dengan panjang tiap reach berbeda-beda.
Berikut ini adalah skema segmentasinya :
Gambar 3.3. Skema Segmentasi
Sumber : Hasil Olahan Penulis, 2013
Jadi untuk segmentasi pemodelannya sendiri di QUAL2K Kanal Tarum
Barat diasumsikan sebagai sungai tanpa anak sungai namun memiliki satu titik
yang dianggap sebagai beban pencemar dan yaitu kali bekasi sebagai pencemar
43
Universitas Indonesia
jenis point source dan sebelum tercampur ada pengeluaran di intake PDAM
Poncol Bekasi dengan debit 480 L/s dan setelah tercampur ada pengeluaran yaitu
kali bekasi dan saluran irigasi sebagai point withdrawal.
Tabel 3.3. Koordinat dan Elevasi Reach
Downstream
Reach Lokasi
Koordinat Elevasi
(dpl) Lintang
Selatan
Bujur
Timur
1 Titik Crossing 6015’07” 106
059’48” 21 m
2 Jembatan Jl. Jend. A. Yani 6014’50” 106
059’32” 24 m
3 Jembatan Jl. Caman 6014’59” 106
057’11” 22 m
4 Jembatan Jl. Lampiri 6014’57” 106
056’08” 20 m
3.3.3.2 Perbedaan Hasil Model dengan Observasi
Untuk pengukuran konsentrasi DO pada beberapa titik di Kanal Tarum
Barat dilakukan untuk menentukan seberapa besar penyimpangan hasil dari
konsentrasi oksigen terlarut yang diperoleh dari model dengan kondisi yang ada di
lapangan terhadap jarak dan waktu. Tahap ini dilakukan hanya sebagai
pendekatan untuk mengetahui penyimpangan hasil model.
Jumlah titik yang akan dibandingkan konsentrasi DO hasil model dengan
konsentrasi dilapangan ada 5 titik yang telah ditentukan sebelumnya. Besarnya
perbedaan hasil model dengan obseravsi dapat dihitung dengan persamaan
sebagai berikut :
(3.1)
Sehingga dapat dibuat tabel perbandingan perbedaaan hasil konsentrasi
DO antara keduanya yang seperti berikut ini :
44
Universitas Indonesia
Tabel 3.4. Perbandingan Data Hasil Model dan Observasi Lapangan
i Waktu (detik) Model (mg/L) Observasi
(mg/L)
Perbedaan
Hasil (%)
1
2
n
Setelah itu bisa dilakukan kalibrasi secara otomatis dengan memakai
QUAL2K. yang menggunakan algoritma genetik yang menggunakan fungsi dari
resiprok RMSE (Root Mean Square Error) dengan rumus :
(3.2)
Dengan Oij= nilai observasi, Pij= nilai prediksi, m = jumlah bagian yang
diprediksi dan diobservasi nilainya, wi = faktor berat, dan q = jumlah dari variabel
yang meliputi di dalam resiprok dari normalisasi berat RMSE. Hal ini untuk
menyesuaikan prediksi dari hasil pemodelan dengan data yang diambi di
lapangan.
3.4 Lokasi dan Jadwal Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan studi kasus yang dilakukan di sepanjang
Kanal Tarum Barat di sekitar crossing dengan Sungai Bekasi. Lokasi ini dipilih
karena ditempat ini Kanal Tarum Barat yang merupakan air baku air minum bagi
kota Jakarta dan di lokasi ini terjadi pencampuran dengan Sungai Bekasi yang
disimpulkan dari data-data yang didapat sudah melebihi baku mutu dan akan
mempengaruhi jika ingin digunakan sebagai air baku air minum.
45
Universitas Indonesia
Gambar 3.4 Lokasi Penelitian
Waktu penelitian ini dilakukan mulai dari bulan November sampai Juni.
Pada bulan November sampai Maret merupakan masa awal penelitian dengan
mencari literatur yang berkaitan dengan tema penelitian dan pembentukan
hipotesis. Pada bulan April sampai Mei adalah pencarian data yang dibutuhkan
untuk pemodelan dan pengukuran dan observasi lapangan lalu setelah itu
dilakukan pengembangan model dan perbandingan dengan hasil pengukuran dan
kalibrasi model. Bulan Mei sampai Juni akan dilakukan kalibrasi model,
perbandingan dengan hasil pengukuran lapangan dan verifikasi penelitian yang
telah dilakukan dengan data lapangan serta analisa dan kesimpulan.
Berikut ini adalah tampilan 4 segmen (reach) Kanal Tarum Barat yang
dijadikan objek penelitian :
Gambar 3.5. Reach 1 (Jembatan Jl. Cut Meutia - Titik Crossing)
46
Universitas Indonesia
Gambar 3.6. Reach 2 (Titik Crossing - Jembatan Jl. Jend. A. Yani)
Gambar 3.7. Reach 3 (Jembatan Jl. Jend. A. Yani - Jembatan Jl. Caman)
Gambar 3.8. Reach 4 (Jembatan Jl. Caman – Jembatan Jl. Lampiri Raya)
Untuk pengukuran data yang akan dilakukan lapangan dalam hal ini
pengukuran debit, pengukuran kecepatan angin dan temperatur serta pengukuran
konsentrasi DO dan BOD, untuk lokasi pengukuran data yang dibutuhkan untuk
pemodelan adalah
Data di hulu (headwater) di Jembatan Jl. Cut Meutia yaitu data BOD, DO,
dan debit sungai
47
Universitas Indonesia
Data dari beban pencemar dan saluran keluaran yaitu data BOD dan DO di
Kali Bekasi baik yang masuk dan keluar, data BOD dan DO di Saluran
Irigasi serta data BOD dan DO di intake PDAM Poncol Bekasi
Data yang dibutuhkan untuk pemodelan yaitu data kecepatan angin dan
temperatur udara untuk setiap reach yang diambil pada tiap downstream
reach.
Data untuk perbandingan dan kalibrasi model, data yang diambil hanya
berupa data DO yang diambil di akhir tiap reach (downstream reach)
48
Universitas Indonesia
Tabel 3.5. Tabel Waktu Penelitian
Kegiatan November Desember Januari Februari Maret April Mei Juni
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Studi Literatur
Pengambilan Data Primer
Pengambilan Data
Sekunder
Penyusunan Model
Pengolahan Data
Penyusunan Skripsi
Sumber : Hasil Olahan Penulis, 2013
49
Universitas Indonesia
DAFTAR PUSTAKA
Chapra, S. C. (1997). Surface Water Quality Modelling International Edition.
Singapore: Mc Graw-Hill.
Chaudhury, R. R., Sobrinho, J. A., Wright, R. M., & Sreenivas, M. (1998).
Dissolved Oxygen Modeling of The Blackstone River (Northeast United States).
Water Resources , 2400-2412.
Cox, B. (2003). A Review of Dissolve Oxygen Modelling Techniques for
Lowland Rivers. The Science of Total Environment , 303-334.
Damarany, P., Fachrul, M. F., & Astono, W. (2009). Kajian Kualitas Air Sungai
Cipinang Bagian Hilir Ditinjau Dari Parameter BOD dan DO Menggunakan
Model QUAL2E. Jurnal Teknologi Lingkungan , 62-74.
Pelletier, G. J., Chapra, S. C., & Tao, H. (2006). QUAL2Kw - A framework for
modeling water quality in streams and rivers using a genetic algorithm for
calibration. Environmental Modelling and Software 21 , 419-425.
Prakash, Seokcheon, Sushil, Lee, & Kyu. (2007). Application of QUAL2Kw for
water quality modeling and dissolve oxygen control in the river Bagmati.
Environmental Monitoring Assessment , 201-217.
Sawyer, C. N., Mc Carty, P. L., & Parkin, G. F. (2003). Chemistry for
Environmental Engineering and Science 5th Editon. Singapore: Mc Graw-Hill.
Sharma, D., & Singh, R. K. (2009). DO-BOD Modeling of River Yamuna for
national capital territory, India using STREAM II, a 2D water quality model.
Environmental Monitoring Assessment , 231-240.
Turner, D. F., Pelletier, G. J., & Kasper, B. (2009). Dissolved Oxygen and pH
Modeling of a Periphyton Dominated, Nutrient Enriched River. Journal of
Environmental Engineering Vol. 135 .
50
Universitas Indonesia
Yusuf, I. A. (2009). Pemulihan Kualitas Air Sungai Ciliwung Menggunakan
Model Kualitas Air. Jurnal Sumber Daya Air .
51
Universitas Indonesia
LAMPIRAN A
TABEL KUALITAS AIR PP. NO 82 TAHUN 2001
Parameter Satuan Kelas
Keterangan I II III IV
FISIKA
Temperatur 0C
Deviasi
3
Deviasi
3
Deviasi
3
Deviasi
5 Deviasi temperatur dari alamiahnya
Residu Terlarut mg/L 1000 1000 1000 2000
Residu Tersuspensi mg/L 50 50 400 400 Bagi pengolahan air minum secara konvensional Residu tersuspensi ≤ 5000
mg/L
KIMIA ORGANIK
pH 5-9 6-9 6-9 5-9 Apabila secara alamiah di luar rentang tersebut maka ditentukan berdasarkan
kondisi alamiah
BOD mg/L 2 3 6 12
COD mg/L 10 25 50 100
DO mg/L 6 4 3 0 Angka minimum
Total Fosfat sebagai P mg/L 0,2 0,2 1 5
NO3 sebagai N mg/L 10 10 20 20
NH3N mg/L 0,5 (-) (-) (-) Bagi perikanan, kandungan ammonia berbas untuk ikan yang peka 0,02 mg/L
sebagai NH3
Arsen mg/L 0,05 1 1 1
Kobalt mg/L 0,2 0,2 0,2 0,2
52
Universitas Indonesia
Barium mg/L 1 (-) (-) (-)
Boron mg/L 1 1 1 1
Selenium mg/L 0,01 0,05 0,05 0,05
Kadmium mg/L 0,01 0,01 0,01 0,01
Khrom (VI) mg/L 0,05 0,05 0,05 1
Tembaga mg/L 0,02 0,02 0,02 0,2 Bagi pengolahan air minum secara konvensional Cu ≤ 1 mg/L
Besi mg/L 0,3 (-) (-) (-) Bagi pengolahan air minum secara konvensional Fe ≤ 5 mg/L
Timbal mg/L 0,03 0,03 0,03 1 Bagi pengolahan air minum secara konvensional Pb ≤ 0,1 mg/L
FISIKA
Mangan mg/L 0,1 (-) (-) (-)
Air Raksa mg/L 0,001 0,002 0,002 0,005
Seng mg/L 0,05 0,05 0,05 2 Bagi pengolahan air minum secara konvensional Zn ≤ 5 mg/L
Khlorida mg/L 600 (-) (-) (-)
Sianida mg/L 0,02 0,02 0,02 (-)
Fluorida mg/L 0,5 1,5 1,5 (-)
Nitrit sebagai N mg/L 0,06 0,06 0,06 (-) Bagi pengolahan air minum secara konvensional NO2-N ≤ 1mg/L
Sulfat mg/L 400 (-) (-) (-)
Khlorin bebas mg/L 0,03 0,03 0,03 (-) Bagi Air Baku Air Minum tidak dipersyaratkan
Belerang sebagai H2S mg/L 0,002 0,002 0,002 (-) Bagi pengolahan air minum secara konvensional S sebagai H2S ≤ 0,1 mg/L
MIKROBIOLOGI
- Fecal Coliform Jml/100
ml 100 1000 2000 2000
Bagi pengolahan air minum secara konvensional fecal coliform ≤ 2000 jml/
100 mL dan Total coliform ≤ 10000 jml/ 100 mL
53
Universitas Indonesia
- Total Coliform Jml/100
ml 1000 5000 10000 10000
RADIOAKTIVITAS
- Gross-A Bq/L 0,1 0,1 0,1 0,1
- Gross-B Bq/L 1 1 1 1
KIMIA ORGANIK
Minyak dan lemak ug/L 1000 1000 1000 (-)
Detergen sebagai MBAS ug/L 200 200 200 (-)
Senyawa Fenol sebagai
fenol ug/L 1 1 1 (-)
BHC ug/L 210 210 210 (-)
Aldrin/Dieldrin ug/L 17 (-) (-) (-)
Chlordane ug/L 3 (-) (-) (-)
DDT ug/L 2 2 2 2
FISIKA
Heptachlor dan heptachlor
epoxide ug/L 18 (-) (-) (-)
Lindane ug/L 56 (-) (-) (-)
Methoxychlor ug/L 35 (-) (-) (-)
Endrin ug/L 1 4 4 (-)
Toxaphan ug/L 5 (-) (-) (-)
54
Universitas Indonesia
LAMPIRAN B
SKEMA TAHAPAN PEMODELAN