Upload
lykhuong
View
237
Download
9
Embed Size (px)
Citation preview
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Kajian Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 1
BAB IV
PEMODELAN MATEMATIKA PERILAKU
SEDIMENTASI
4.1 UMUM
Untuk mengkaji perilaku sedimentasi di lokasi studi, maka dilakukanlah pemodelan
matematika dengan menggunakan bantuan perangkat lunak SMS versi 8.1. Pemodelan
matematika dilakukan pada dua kawasan pemodelan, yaitu kawasan besar dan kawasan
kecil. Kawasan besar mencakup perairan yang cukup luas dimana kawasan kecil berada
didalamnya. Cakupan kawasan besar adalah perairan sepanjang Selat Malaka, sedangkan
kawasan kecil hanya meliputi perairan di sekitar semenanjung Belawan. Kawasan pemodelan
diperlihatkan pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Kawasan Pemodelan
Pada kawasan besar akan dilakukan pemodelan pola arus secara global dan peramalan
elevasi muka air pasang surut pada titik-titik yang nantinya akan dijadikan daerah batas
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 2
pemodelan kawasan kecil. Kemudian, dengan menggunakan kondisi batas dari hasil
pemodelan pada kawasan besar, maka dilakukanlah simulasi hidrodinamika arus pada
kawasan kecil yang dilanjutkan dengan simulasi sedimentasi.
Adapun bagan alir pemodelan matematika pada kajian ini dapat dilihat pada Gambar 4.2.
Model Matematika(Evaluasi layout Pengembangan)
Pemodelan Arus Global ADCIRC Model
Pemodelan Hidrodinamika Arus
RMA2 Model
Model SedimenSED2D Model
Mulai
Output: > Pola dan besaran Arus > Muka Air
Output: > Pola Arus > Muka Air Pasang Surut
Output: > Konsentrasi Sedimen (Penyebaran Sedimen) > Erosi dan Sedimentasi
Parameter sebagai bahan untuk evaluasi layout
Gambar 4.2 Bagan Alir Pemodelan
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 3
4.2 PEMODELAN KAWASAN BESAR
Pemodelan kawasan besar yang dilakukan dengan menggunakan modul ADCIRD, bertujuan
untuk memodelkan pola arus secara global. Daerah yang akan dimodelkan adalah Selat
Malaka. Selain menghasilkan pola arus di sekitar perairan Belawan, pemodelan ini juga
menghasilkan elevasi muka air pada titik-titik yang diinginkan dalam domain yang
dibangkitkan dari database yang tersedia pada modul ADCIRC. Dengan input data peta
bathimetri, yang koordinatnya telah disesuaikan dengan koordinat geografis, dan
memasukkan konstituen-konstituen pasang surut, akan didapatkan elevasi muka air dalam
selang waktu tertentu sesuai dengan yang diinginkan. Output elevasi muka air ini akan
dikalibrasikan dengan data hasil pengukuran.
Simulasi model dilakukan sesuai dengan waktu pengukuran pasang surut, sehingga kalibrasi
bisa dilakukan dengan membandingkan output elevasi muka air yang dihasilkan dari model
arus global terhadap elevasi muka air hasil pengukuran di lapangan. Peramalan elevasi muka
air pasang surut dilakukan di tiga titik, yaitu muara Sungai Belawan, muara Sungai Percut
dan muara Sungai Koala Besar, pada tanggal 9-23 September 2007.
Hasil simulasi ini berupa pola arus, besaran arus, serta nilai elevasi muka air pasang surut
pada titik yang ditinjau. Pada Gambar 4.3 dan Gambar 4.4 ditampilkan pola arus di Selat
Malaka pada jam ke-206 dan 350. Gambar 4.5 memperlihatkan perbandingan elevasi muka
air hasil simulasi terhadap elevasi muka air hasil pengukuran pada muara sungai Belawan.
Dari hasil simulasi ini, diketahui bahwa arus maksimum yang terjadi di Selat Malaka yaitu
1.52 m/detik.
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 4
Gambar 4.3 Hasil Simulasi Arus Global pada jam ke-206
Gambar 4.4 Hasil Simulasi Arus Global pada jam ke-350
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 5
Grafik Pasang Surut
0
50
100
150
200
250
300
0 60 120 180 240 300 360Jam Ke-
Ket
ingg
ian
Muk
a A
ir (
PengukuranHasil Model
Gambar 4.5 Perbandingan Elevasi Muka Air
4.3 PEMODELAN KAWASAN KECIL
Tujuan pemodelan kawasan kecil adalah untuk mensimulasikan hidrodinamika arus dan
sedimentasi di perairan Belawan. Pemodelan arus dilakukan dengan menggunakan modul
RMA2, yang outputnya kemudian digunakan sebagai input untuk pemodelan sedimen
dengan modul SED2D.
Untuk mengkaji perilaku sedimentasi di alur pelayaran pelabuhan Belawan , maka pada
pemodelan ini akan dilakukan simulasi hidrodinamika arus dan sedimentasi pada beberapa
skenario yang berbeda-beda. Skenario-skenario yang akan disimulasikan adalah sebagai
berikut:
1. Skenario kondisi eksisting
2. Skenario pengembangan dengan pelebaran alur eksisting
1. Lebar 140 meter pada kedalaman -14.0
2. Lebar 120 meter pada kedalaman -12.0
3. Lebar 120 meter pada kedalaman -10.5
3. Skenario pengembangan dengan pelebaran alur eksisting140 meter pada kedalaman
-14.0 dan breakwater di muara
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 6
4. Skenario pengembangan dengan adanya alur baru
1. Lebar 140 meter pada kedalaman -14.0
2. Lebar 120 meter pada kedalaman -12.0
3. Lebar 120 meter pada kedalaman -10.5
5. Skenario pengembangan dengan adanya alur baru dengan lebar 140 meter pada
kedalaman -14.0 dan adanya pengurangan sumber sedimen
1. Sumber sedimen menjadi 75%
2. Sumber sedimen menjadi 50%
3. Sumber sedimen menjadi 25%
4. Sumber sedimen menjadi 0% yang dilakukan dengan membuat sudetan
untuk mengalihkan aliran Sungai Belawan
6. Skenario Pengembangan Ultimate, dengan adanya alur baru dengan lebar 140 meter
pada kedalaman -14.0 dan adanya pengurangan sumber sedimen menjadi 0% yang
dilakukan dengan membuat sudetan untuk mengalihkan aliran Sungai Belawan
serta adanya breakwater di kiri dan kanan alur untuk mencegah sedimen dari laut.
Kondisi batas yang digunakan sebagai input pada pemodelan ini adalah debit sungai dan
elevasi muka air pasang surut. Input debit aliran dan sedimen layang untuk tiap skenario
adalah data output dari pemodelan DAS pada studi sebelumnya. Adapun input elevasi muka
air pasang surut hasil peramalan ADCIRC pada model kawasan besar.
4.3.1 Skenario 1 (Kondisi Eksisting)
Pada skenario kondisi eksisting, data-data yang digunakan adalah layout dan bathimetri
eksisting. Mesh dan bathimetri yang dibentuk dapat dilihat pada Gambar 4.6.
Sebelum melakukan simulasi untuk memodelkan kondisi daerah kajian, maka perlu
dilakukan kalibrasi. Kalibrasi adalah proses untuk mendapatkan model yang bisa mewakili
kondisi perairan yang dikaji. Kalibrasi dilakukan dengan cara menjalankan RMA2 dengan
parameter kawasan yang berbeda sehingga didapat hasil simulasi yang mendekati keadaan
lapangan. Dalam proses kalibrasi, program RMA2 dijalankan selama 15 hari dengan
mengubah-ubah parameter kawasan berupa koefisien Viskositas Eddy dan koefisien
kekasaran Manning. Berdasarkan hasil trial dan error, diperoleh nilai Viskositas Eddy 40.000
Pa-detik dan koefisien Manning sebesar 0.0235. Parameter kawasan ini akan digunakan pada
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 7
simulasi hidrodinamika pada semua skenario dalam kajian ini. Adapun perbandingan data
hasil simulasi dengan data lapangan ditunjukan pada Gambar 4.8, 4.9, dan 4.10.
Gambar 4.6 Deskripsi Model Skenario 1
Gambar 4.7 Daerah Lingkungan Kerja dan Alur Pelayaran Belawan
Pasang Surut
Debit dan Sedimen Sungai Belawan
Pasang Surut Debit dan Sedimen Sungai Deli
Pasang Surut
Debit dan Sedimen Sungai Belawan
Lokasi Kalibrasi Arus dan Sedimen
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 8
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Waktu (jam)
Elev
asi M
uka
Air (
m)
Data LapanganHasil Simulasi
Gambar 4.8 Perbandingan Elevasi Muka Air
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Waktu (jam)
Kece
pata
n Ar
us (m
/det
ik)
Data LapanganHasil Simulasi
Gambar 4.9 Perbandingan Kecepatan Arus
0
50
100
150
200
250
300
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Waktu (jam)
Ara
h A
rus
(der
ajat
)
Data LapanganHasil Simulasi
Gambar 4.10 Perbandingan Arah Arus
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 9
Pemodelan Arus
Gambar 4.11 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase A
Gambar 4.12 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase B
A
B
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 10
Gambar 4.13 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase C
Gambar 4.14 Pola Arus Skenario 1 Pada Fase D
D
C
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 11
Gambar 4.15 Pola Arus Skenario 1 pada Fase E
Pola arus saat pasang hasil pemodelan menunjukkan bahwa besar arus di kolam citra adalah
0.1 m/detik sedangkan pola arus di alur pelayaran berkisar antara 0.1-1 m/detik. Hasil
pemodelan arus pada saat surut menunjukkan bahwa kecepatan arus di sekitar kolam
pelabuhan eksisting adalah 0.1 m/detik sedangkan di alur pelayaran, kecepatan arus berkisar
antara 0.1-0.55 m/detik.
Pemodelan Sedimentasi Setelah melakukan simulasi hidrodinamika arus dengan RMA2, selanjutnya ialah simulasi
sedimentasi dengan SED2D. Simulasi dilakukan dengan cara memberikan input konsentrasi
sedimen serta menetapkan parameter-parameter pemodelan SED2D. Pada kajian ini simulasi
dilakukan dengan menganggap material dasarnya sebagai pasir. Konsentrasi awal yang
digunakan ialah sebesar 0.03 kg/m3 yang ditentukan berdasarkan data lapangan. Parameter
pemodelan ditentukan dengan cara trial and error, yaitu dengan mengubah-ubah nilai
koefisien difusi dan kecepatan jatuh, sehingga diperoleh model yang mendekati kondisi
lapangan. Dari hasil trial and error tersebut diperoleh koefisien difusi sebesar 50.000 m2/detik
dan kecepatan jatuh sebesar 0.0014 m/detik. Proses kalibrasi pada simulasi sedimentasi ini
dilakukan dengan cara membandingkan konsentrasi sedimen di suatu titik tinjau, dan
membandingkan volume sedimen yang mengendap dengan data volume pengerukan di
E
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 12
kolam citra dan alur pelayaran. (Lokasi kolam citra dan alur pelayaran ditunjukan pada
Gambar 4.7). Perbandingan konsentrasi sedimen pada lokasi 12 antara hasil simulasi dan
data lapangan ditampilkan pada Gambar 4.16. Gambar 4.17 menunjukan hasil simulasi
sedimentasi, berupa ketebalan sedimen yang mengendap setelah satu tahun.
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0 100 200 300 400 500 600 700Time step (jam)
Kon
sent
rasi
Sed
imen
kg/
m3 Hasil Simulasi
PasutKonsentrasi SpringKonsentrasi NeapSedimen BelawanSedimen Deli
Gambar 4.16 Konsentrasi Sedimen di Lokasi 12
Gambar 4.17 Sedimentasi setelah 1 Tahun
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 13
Berdasarkan Gambar 4.16, konsentrasi sedimen pada lokasi 12 baik pada kondisi pasang
surut spring maupun neap telah mendekati kondisi lapangan. Selain itu diperlihatkan pula
adanya pengaruh yang cukup besar dari sungai Belawan dan Deli, yaitu dari fluktuasi
konsentrasi sedimen di lokasi tersebut yang cenderung mengikuti pola fluktuasi konsentrasi
sedimen dari aliran sungai Belawan dan Deli.
Hasil pemodelan sedimentasi menunjukkan penumpukan sedimen 0.1-2 meter di sekitar
kolam citra dan 0.5-2 meter di alur pelayaran. Total volume sedimentasi yang terjadi di alur
pelayaran adalah sebesar 2,632,301 m3 sedangkan volume sedimentasi yang terjadi di kolam
citra 237,549 m3. Hasil pemodelan tersebut memberikan komparasi yang baik dengan data
pengerukan berkala rata-rata alur sebesar 2,303,971 m3/tahun dan untuk kolam citra sebesar
212,722 m3/tahun, sehingga model sedimentasi ini dianggap cukup mewakili kondisi yang
sebenarnya.
4.3.2 Skenario 2a (Pengembangan dengan Pelebaran Alur Eksisting dengan Lebar 140
meter pada Kedalaman -14.0)
Pada skenario ini, lay out pelabuhan telah disesuaikan dengan rencana pengembangan.
Adapun kondisi alur eksisting dilebarkan menjadi 140 meter dengan kedalaman alur pada -
14.0 dan kemiringan talud 1:6. Mesh dan bathimetri yang dibentuk dapat dilihat pada
gambar berikut ini.
Gambar 4.18 Deskripsi Model Skenario 2a
Pasang Surut
Pasang Surut Debit dan Sedimen Sungai Deli
Debit dan Sedimen Sungai Belawan
Pengembangan Pelabuhan
Alur dilebarkan
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 14
Pemodelan Arus
Gambar 4.19 Pola Arus Skenario 2a (Pasang)
Gambar 4.20 Pola Arus Skenario 2a Surut)
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 15
Hasil pemodelan menunjukkan besarnya arus pada saat pasang di sekitar kolam citra adalah
0.01 m/detik sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.01-
0.13 m/detik. Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.1-1 m/detik. Hasil pemodelan
menunjukkan besarnya arus pada saat surut di sekitar kolam citra adalah 0.1 m/detik
sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.13 m/detik.
Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.1-1.2 m/detik.
Pemodelan Sedimentasi
Hasil pemodelan sedimentasi menunjukkan penumpukan sedimen 0.5-2 meter di sekitar alur
pelayaran. Total volume sedimentasi di alur pelayaran adalah 4.432.282 m3. Volume tersebut
lebih besar dibandingkan dengan volume eksisting dengan asumsi bahwa pengerukan
berkala dilakukan untuk menjaga elevasi alur berada pada elevasi -14. Volume sedimentasi di
kolam pelabuhan adalah sebesar 470.211 m3.
Gambar 4.21 Sedimentasi Skenario 2a Setelah 1 Tahun
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 16
4.3.3 Skenario 2b (Pengembangan dengan Pelebaran Alur Eksisting dengan Lebar 120
meter pada Kedalaman -12.0)
Gambar 4.22 Deskripsi Model Skenario 2b
Pada skenario dimodelkan rencana pengembangan alur eksisting dengan kedalaman -12 m
LWS, lebar alur 120 m, dan kemiringan alur 1:6. Syarat batas (boundary condition) pada
pemodelan berupa pasang surut dan debit untuk pemodelan arus dan konsentrasi
sedimentuntuk pemodelan sedimen.
Pasang Surut
Pasang Surut Debit dan Sedimen Sungai Deli
Debit dan Sedimen Sungai Belawan
Pengembangan Pelabuhan
Alur dilebarkan
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 17
Pemodelan Arus
Gambar 4.23 Pola Skenario 2b (Pasang)
Gambar 4.24 Pola Arus Skenario 2b (Surut)
Hasil pemodelan menunjukkan besarnya arus pada di sekitar kolam citra adalah 0.01 m/detik
sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.01-0.17 m/detik.
Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.2-1 m/detik.
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 18
Pemodelan Sedimentasi
Gambar 4.25 Sedimentasi Selama 1 Tahun
Hasil pemodelan sedimentasi menunjukkan akumulasi sedimen yang yang terjadi di alur
pelayaran dan kolam pelabuhan selama satu tahun berkisar antara 0.5 -2.1 meter. Total
volume sedimentasi yang terjadi di alur pelayaran adalah sebesar 3.831.902 m3. Volume
sedimentasi yang terjadi di kolam pelabuhan adalah sebesar 527.831 m3.
4.3.4 Skenario 2c (Pengembangan dengan Pelebaran Alur Eksisting dengan Lebar 120
meter pada Kedalaman -10.5)
Pada skenario dimodelkan rencana pengembangan alur eksisting dengan kedalaman -10.5 m
LWS, lebar alur 120 m, dan kemiringan alur 1:6. Syarat batas (boundary condition) pada
pemodelan berupa pasang surut dan debit untuk pemodelan arus dan konsentrasi sediment
untuk pemodelan sedimen.
Bab IV Pemodelan Matematika Perilaku Sedimentasi
Laporan Tugas Akhir Studi Sedimentasi Alur Pelayaran Pelabuhan Belawan 4- 19
Gambar 4.26 Deskripsi Model Skenario 2c
Pemodelan Arus
Hasil pemodelan menunjukkan besarnya arus pada di sekitar kolam citra adalah 0.01 m/detik
sedangkan besarnya arus di sekitar areal pengembangan berkisar antara 0.01-0.17 m/detik.
Adapun arus di sekitar alur berkisar antara 0.17-0.65 m/detik.
Gambar 4.27 Pola Arus Skenario 2c (Pasang)
Pasang Surut
Pasang Surut Debit dan Sedimen Sungai Deli
Debit dan Sedimen Sungai Belawan
Pengembangan Pelabuhan
Alur dilebarkan