Siklus Hidrologi dan Keseimbangan Lingkungan
Siklus hidrologi merupakan salah satu aspek penting yang diperlukan pada proses analisis hidrologi. Siklus hidrologi menurut Suyono (2006) adalah air yang menguap ke udara dari permukaan tanah dan laut, berubah menjadi awan sesudah melalui beberapa proses dan kemudian jatuh sebagai hujan atau salju ke permukaan laut atau daratan. Sedangkan siklus hidrologi menurut Soemarto (1987) adalah gerakan air laut ke udara, yang kemudian jatuh ke permukaan tanah lagi sebagai hujan atau bentuk presipitasi lain, dan akhirnya mengalir ke laut kembali. Dalam siklus hidrologi ini terdapat beberapa proses yang saling terkait, yaitu antara proses hujan (presipitation), penguapan (evaporation), transpirasi, infiltrasi, perkolasi, aliran limpasan (runoff), dan aliran bawah tanah.
Hujan merupakan komponen masukan yang paling penting dalam proses analisis hidrologi, karena kedalaman curah hujan (rainfall depth) yang turun dalam suatu DAS akan dialihragamkan menjadi aliran di sungai, baik melalui limpasan permukaan (surface runoff), aliran antara (interflow, sub-surface runoff), maupun sebagai aliran air tanah (groundwater flow) (Sri Harto, 1993). Proses pembentukan hujan terjadi karena tersedianya udara lembab yang biasanya terjadi karena adanya gerakan udara mendatar, terutama sekali yang berasal dari atas lautan, yang dapat mencapai ribuan kilometer. Terangkatnya udara keatas dapat terjadi dengan 3 cara yaitu hujan konvektif, hujan siklon (cyclonic) dan hujan orografik (orographic rainfall).
DAS Banjaran sebagai daerah penelitian analisis ketersediaan air berada di lereng gunung slamet. Secara geografis termasuk dalam daerah beriklim tropik, sehingga jenis hujan yang terjadi kemungkinan besar adalah hujan tipe siklon dan orografik (Suroso dan Hery, 2005).
Untuk memperoleh besaran hujan yang dapat dianggap sebagai kedalaman hujan, diperlukan sejumlah stasiun hujan dengan pola penyebaran yang telah diatur oleh WMO (World Meteorological Organisation). Alat pengukur hujan terdiri dari dua jenis, yaitu alat ukur hujan biasa (manual raingauge) dan alat ukur hujan otomatik (automatic raingauge) (Sri Harto, 1993). Pengukuran hujan di stasiun-stasiun hujan merupakan hujan titik (point rainfall), sedangkan informasi yang dibutuhkan dalam analisis adalah hujan yang terjadi dalam suatu DAS tertentu (catchment rainfall). Untuk memperkirakan hujan rata-rata DAS dapat dilakukan dengan beberapa metode sebagai berikut ini (Chow dan Maidment, 1988; Sri Harto, 2000).
Menurut Soemarto (1987) debit diartikan sebagai volume air yang mengalir per satuan waktu melewati suatu penampang melintang palung sungai, pipa, pelimpah, akuifer dan sebagainya. Data debit diperlukan untuk menentukan volume atau perubahan-perubahannya dalam suatu sistim DAS. Data debit diperoleh dengan cara pengukuran debit langsung dan pengukuran tidak langsung (Sri Harto, 2000). Berdasarkan keterangan dari Balai Perencanaan Sumber Daya Air Purwokerto pengukuran debit di sungai Banjaran menggunakan pengukuran tidak langsung, yaitu dengan menggunakan liku kalibrasi. Liku kalibrasi (ratting curve) menurut Sri Harto (2000) adalah hubungan grafis antara tinggi muka air dengan debit. Liku kalibrasi diperoleh dengan sejumlah pengukuran yang terencana dan mengkorelasikan dua variabel yaitu tinggi muka air dan debit di suatu stasiun hidrometri. Hubungan grafis antara variabel tinggi muka air dan debit dapat dilakukan dengan menghubungkan titik-titik pengukuran dengan garis lengkung di atas kertas logaritmik.
Evaporasi dan Transpirasi
Evaporasi merupakan faktor penting dalam studi tentang pengembangan sumber daya air. Evaporasi sangat mempengaruhi debit sungai, besarnya kapasitas waduk, besarnya kapasitas pompa untuk irigasi, penggunaan konsumtif untuk tanaman, analisis ketersediaan air dan lain sebagainya. Air akan menguap dari tanah, baik tanah gundul atau yang tertutup oleh tanaman dan pepohonan, permukaan tidak tembus air seperti atap dan jalan raya dan air bebas dari air yang mengalir. Laju evaporasi atau penguapan akan berubah-ubah menurut warna dan sifat pemantulan permukaan dan hal ini juga akan berbeda untuk permukaan yang langsung tersinari oleh matahari dan yang terlindung dari sinar matahari (Soemarto, 1987).
Evapotranspirasi merupakan proses evaporasi dan transpirasi yang berkaitan dengan apa yang terjadi pada tanah yang tertutup oleh tumbuh-tumbuhan. Proses transpirasi berjalan terus hampir sepanjang hari di bawah pengaruh sinar matahari. Pada malam hari pori-pori daun yang disebut stomata menutup yang menyebabkan terhentinya proses transpirasi dengan drastis. Proses evaporasi dapat berjalan terus selama ada input panas, karenanya bagian terbesar jumlah evaporasi diperoleh siang hari. Faktor lain yang penting adalah adanya air yang cukup banyak, jika jumlah air selalu tersedia secara berlebihan dari yang dibutuhkan oleh tanaman selama proses transpirasi ini maka jumlah air yang di transpirasikan akan lebih besar dibandingkan dengan apabila tersedianya air di bawah kebutuhan (Soemarto, 1987).
Menurut Undang-undang Republik Indonesia nomor 7 tahun 2004 tentang Sumber Daya Air, daerah aliran sungai (catchment, basin, watershed) adalah suatu wilayah daratan yang merupakan satu kesatuan dengan sungai dan anak-anak sungainya, yang berfungsi menampung, menyimpan dan mengalirkan air yang berasal dari curah hujan ke danau atau ke laut secara alami, yang batas di darat merupakan pemisah topografis dan batas di laut sampai dengan daerah perairan yang masih terpengaruh aktifitas daratan.
Sistem adalah kumpulan bagian-bagian yang terdiri dari benda/konsep yang disatukan dengan keteraturan saling berhubungan atau saling ketergantungan (Chow dalam Muliawan, 2001). Pendekatan sistem mempunyai tujuan spesifik yaitu membangun hubungan masukan dan keluaran yang selanjutnya dapat dimanfaatkan untuk rekonstruksi kejadian masa lalu atau untuk prakiraan kejadiaan yang akan datang, dengan masalah pokok yang diperhatikan adalah operasi sistem yang digunakan (Sudjarwadi, 1995). Memahami masalah pendekatan sistem DAS, tidak dapat terlepas dari pendekatan fisik seperti sistem masukan, sistem struktur/geometri, hukum-hukum fisika, dan kondisi awal serta kondisi batas. Pendekatan secara fisik pada suatu DAS sangat sulit dilaksanakan karena mempunyai beberapa persoalan yang kompleks (rumit), sehingga untuk menyelesaikan persoalan tersebut dilakukan pendekatan sistim DAS (Sudjarwadi, 1995).
Pengalihragaman Hujan-Aliran
Menurut Sri Harto (2000) pengalihragaman hujan-aliran adalah suatu proses transformasi air hujan menjadi aliran yang sebenarnya, air hujan mengalir dari hulu ke hilir sampai titik kontrol sebagai aliran permukaan yang akhirnya menjadi limpasan. Dalam proses transformasi untuk mengetahui perubahan air hujan menjadi aliran dibutuhkan suatu aturan (ketetapan) yang mencerminkan karakter DAS dalam memproses pengalihragaman hujan-aliran. Dalam hal ini aturan (ketetapan) dapat diartikan sebagai sebuah model.
Model dalam hidrologi mengandung pengertian bermacam-macam, dalam Sri Harto (2000), Clarke (1973) menyebutkan bahwa model sebagai simplifikasi dari satu sistem yang kompleks, baik berupa fisik, analog atau matematik. Sedangkan Dooge (1979), menambahkan bahwa model hidrologi selain sebagai struktur, alat, skema atau prosedur nyata atau abstrak, model hidrologi adalah sebuah hubungan antara masukan atau rangsangan, tenaga atau informasi, keluaran, dan pengaruh atau tanggapan dalam referensi waktu tertentu. Kemudian, Ponce (1989), menyatakan bahwa model hidrologi adalah satu set pernyataan-pernyataan matematika yang menyatakan hubungan antara fase-fase dari siklus hidrologi dengan tujuan mensimulasikan transformasi hujan menjadi limpasan. Salah satu model dalam pengalihragaman hujan menjadi aliran khususnya untuk aliran rendah (lowflow) adalah model HEC-HMS. Dalam model HEC-HMS pengalihragaman hujan menjadi aliran terdiri dari beberapa model dimana setiap model yang dipilih mempunyai input yang berbeda-beda. Model yang terdapat dalam HEC-HMS dapat digunakan untuk menghitung volume runoff, direct runoff, baseflow dan channel flow. Perhitungan dan penyelesaian masing-masing model mempunyai komponen berupa variabel tetap, parameter, kondisi batas dan kondisi awal.
Siklus hidrologi merupakan salah satu aspek penting yang diperlukan pada proses analisis hidrologi. Siklus hidrologi menurut Suyono (2006) adalah air yang menguap ke udara dari permukaan tanah dan laut, berubah menjadi awan sesudah melalui beberapa proses dan kemudian jatuh sebagai hujan atau salju ke permukaan laut atau daratan. Sedangkan siklus hidrologi menurut Soemarto (1987) adalah gerakan air laut ke udara, yang kemudian jatuh ke permukaan tanah lagi sebagai hujan atau bentuk presipitasi lain, dan akhirnya mengalir ke laut kembali. Dalam siklus hidrologi ini terdapat beberapa proses yang saling terkait, yaitu antara proses hujan (presipitation), penguapan (evaporation), transpirasi, infiltrasi, perkolasi, aliran limpasan (runoff), dan aliran bawah tanah.
Hujan merupakan komponen masukan yang paling penting dalam proses analisis hidrologi, karena kedalaman curah hujan (rainfall depth) yang turun dalam suatu DAS akan dialihragamkan menjadi aliran di sungai, baik melalui limpasan permukaan (surface runoff), aliran antara (interflow, sub-surface runoff), maupun sebagai aliran air tanah (groundwater flow) (Sri Harto, 1993). Proses pembentukan hujan terjadi karena tersedianya udara lembab yang biasanya terjadi karena adanya gerakan udara mendatar, terutama sekali yang berasal dari atas lautan, yang dapat mencapai ribuan kilometer. Terangkatnya udara keatas dapat terjadi dengan 3 cara yaitu hujan konvektif, hujan siklon (cyclonic) dan hujan orografik (orographic rainfall).
DAS Banjaran sebagai daerah penelitian analisis ketersediaan air berada di lereng gunung slamet. Secara geografis termasuk dalam daerah beriklim tropik, sehingga jenis hujan yang terjadi kemungkinan besar adalah hujan tipe siklon dan orografik (Suroso dan Hery, 2005).
Untuk memperoleh besaran hujan yang dapat dianggap sebagai kedalaman hujan, diperlukan sejumlah stasiun hujan dengan pola penyebaran yang telah diatur oleh WMO (World Meteorological Organisation). Alat pengukur hujan terdiri dari dua jenis, yaitu alat ukur hujan biasa (manual raingauge) dan alat ukur hujan otomatik (automatic raingauge) (Sri Harto, 1993). Pengukuran hujan di stasiun-stasiun hujan merupakan hujan titik (point rainfall), sedangkan informasi yang dibutuhkan dalam analisis adalah hujan yang terjadi dalam suatu DAS tertentu (catchment rainfall). Untuk memperkirakan hujan rata-rata DAS dapat dilakukan dengan beberapa metode sebagai berikut ini (Chow dan Maidment, 1988; Sri Harto, 2000).
- Metode Aritmatik : Metode ini merupakan perhitungan curah hujan wilayah dengan rata-rata aljabar curah hujan di dalam dan sekitar wilayah yang bersangkutan.
- Metode Poligon Thiesen: Metode ini digunakan apabila dalam suatu wilayah stasiun pengamatan curah hujannya tidak tersebar merata. Curah hujan rata-rata dihitung dengan mempertimbangkan pengaruh tiap-tiap stasiun pengamatan, yaitu dengan cara menggambar garis tegak lurus dan membagi dua sama panjang garis penghubung dari dua stasiun pengamatan.
- Metode Garis Isohyet: Metode ini dipandang lebih baik tetapi bersifat subyektif dan tergantung pada keahlian, pengalaman dan pengetahuan pemakai terhadap sifat curah hujan di wilayah setempat. Perhitungan dilakukan dengan menghitung luas wilayah yang garis isohyet dengan planimeter. Curah hujan wilayah dihitung berdasarkan jumlah perkalian antara luas masing-masing bagian isohyet dengan curah hujan dari setiap wilayah yang bersangkutan kemudian dibagi luas total daerah tangkapan air.
Evaporasi dan Transpirasi
Evaporasi merupakan faktor penting dalam studi tentang pengembangan sumber daya air. Evaporasi sangat mempengaruhi debit sungai, besarnya kapasitas waduk, besarnya kapasitas pompa untuk irigasi, penggunaan konsumtif untuk tanaman, analisis ketersediaan air dan lain sebagainya. Air akan menguap dari tanah, baik tanah gundul atau yang tertutup oleh tanaman dan pepohonan, permukaan tidak tembus air seperti atap dan jalan raya dan air bebas dari air yang mengalir. Laju evaporasi atau penguapan akan berubah-ubah menurut warna dan sifat pemantulan permukaan dan hal ini juga akan berbeda untuk permukaan yang langsung tersinari oleh matahari dan yang terlindung dari sinar matahari (Soemarto, 1987).
Evapotranspirasi merupakan proses evaporasi dan transpirasi yang berkaitan dengan apa yang terjadi pada tanah yang tertutup oleh tumbuh-tumbuhan. Proses transpirasi berjalan terus hampir sepanjang hari di bawah pengaruh sinar matahari. Pada malam hari pori-pori daun yang disebut stomata menutup yang menyebabkan terhentinya proses transpirasi dengan drastis. Proses evaporasi dapat berjalan terus selama ada input panas, karenanya bagian terbesar jumlah evaporasi diperoleh siang hari. Faktor lain yang penting adalah adanya air yang cukup banyak, jika jumlah air selalu tersedia secara berlebihan dari yang dibutuhkan oleh tanaman selama proses transpirasi ini maka jumlah air yang di transpirasikan akan lebih besar dibandingkan dengan apabila tersedianya air di bawah kebutuhan (Soemarto, 1987).
Menurut Undang-undang Republik Indonesia nomor 7 tahun 2004 tentang Sumber Daya Air, daerah aliran sungai (catchment, basin, watershed) adalah suatu wilayah daratan yang merupakan satu kesatuan dengan sungai dan anak-anak sungainya, yang berfungsi menampung, menyimpan dan mengalirkan air yang berasal dari curah hujan ke danau atau ke laut secara alami, yang batas di darat merupakan pemisah topografis dan batas di laut sampai dengan daerah perairan yang masih terpengaruh aktifitas daratan.
Sistem adalah kumpulan bagian-bagian yang terdiri dari benda/konsep yang disatukan dengan keteraturan saling berhubungan atau saling ketergantungan (Chow dalam Muliawan, 2001). Pendekatan sistem mempunyai tujuan spesifik yaitu membangun hubungan masukan dan keluaran yang selanjutnya dapat dimanfaatkan untuk rekonstruksi kejadian masa lalu atau untuk prakiraan kejadiaan yang akan datang, dengan masalah pokok yang diperhatikan adalah operasi sistem yang digunakan (Sudjarwadi, 1995). Memahami masalah pendekatan sistem DAS, tidak dapat terlepas dari pendekatan fisik seperti sistem masukan, sistem struktur/geometri, hukum-hukum fisika, dan kondisi awal serta kondisi batas. Pendekatan secara fisik pada suatu DAS sangat sulit dilaksanakan karena mempunyai beberapa persoalan yang kompleks (rumit), sehingga untuk menyelesaikan persoalan tersebut dilakukan pendekatan sistim DAS (Sudjarwadi, 1995).
Pengalihragaman Hujan-Aliran
Menurut Sri Harto (2000) pengalihragaman hujan-aliran adalah suatu proses transformasi air hujan menjadi aliran yang sebenarnya, air hujan mengalir dari hulu ke hilir sampai titik kontrol sebagai aliran permukaan yang akhirnya menjadi limpasan. Dalam proses transformasi untuk mengetahui perubahan air hujan menjadi aliran dibutuhkan suatu aturan (ketetapan) yang mencerminkan karakter DAS dalam memproses pengalihragaman hujan-aliran. Dalam hal ini aturan (ketetapan) dapat diartikan sebagai sebuah model.
Model dalam hidrologi mengandung pengertian bermacam-macam, dalam Sri Harto (2000), Clarke (1973) menyebutkan bahwa model sebagai simplifikasi dari satu sistem yang kompleks, baik berupa fisik, analog atau matematik. Sedangkan Dooge (1979), menambahkan bahwa model hidrologi selain sebagai struktur, alat, skema atau prosedur nyata atau abstrak, model hidrologi adalah sebuah hubungan antara masukan atau rangsangan, tenaga atau informasi, keluaran, dan pengaruh atau tanggapan dalam referensi waktu tertentu. Kemudian, Ponce (1989), menyatakan bahwa model hidrologi adalah satu set pernyataan-pernyataan matematika yang menyatakan hubungan antara fase-fase dari siklus hidrologi dengan tujuan mensimulasikan transformasi hujan menjadi limpasan. Salah satu model dalam pengalihragaman hujan menjadi aliran khususnya untuk aliran rendah (lowflow) adalah model HEC-HMS. Dalam model HEC-HMS pengalihragaman hujan menjadi aliran terdiri dari beberapa model dimana setiap model yang dipilih mempunyai input yang berbeda-beda. Model yang terdapat dalam HEC-HMS dapat digunakan untuk menghitung volume runoff, direct runoff, baseflow dan channel flow. Perhitungan dan penyelesaian masing-masing model mempunyai komponen berupa variabel tetap, parameter, kondisi batas dan kondisi awal.
