Pengembangan Model SWAT-MODFLOW UntukPendugaan Ketersediaan Airtanah di Kab. Nganjuk, Jawa Timur

Dietrich Gerry Pelikas Tarigan – F14120076

Dibimbing oleh : Dr. Liyantono, S.TP, M.Agr

Pendahuluan

• Pada musim kering (Maret – Oktober)

terjadi defisit air di Kabupaten Nganjuk

• Utilisasi surface water dan groundwater

untuk memenuhi kebutuhan air

• Penurunan muka air tanah

• Persaingan penggunaan air (kebutuhan

domestik dan industri)

Latar Belakang

Pendahuluan

• Bagaimana menduga ketersediaan air permukaan dengan model

simulasi SWAT dan SWAT modul padi ?

• Bagaimana korelasi data ketersediaan air permukaan antara pengukuran

aktual dan hasil model SWAT & SWAT modul padi ?

• Bagaimana integrasi model SWAT-MODFLOW dalam pendugaan

ketersediaan airtanah ?

• Bagaimana korelasi data ketersediaan airtanah antara pengukuran

aktual dan hasil model integrasi SWAT-MODFLOW ?

Perumusan Masalah

Pendahuluan

Penerapan integrasi model SWAT-MODLFOW untuk menduga

ketersediaan irigasi airtanah di Kabupaten Nganjuk, Jawa Timur

Tujuan Penelitian

Hasil dari penelitian ini merupakan sebuah integrasi model SWAT-

MODFLOW yang dapat digunakan sebagai sarana pendugaan ketersediaan

irigasi airtanah. Sehingga perencanaan dan pengelolaan irigasi dapat

dilakukan baik dan memadai.

Manfaat Penelitian

Tinjauan PustakaSiklus Hidrologi

Gambar 1 Siklus hidrologi“Gambar direproduksi dari Neitsch et al. (2009)”

Tinjauan Pustaka

Model SWAT

• Model fisik kontinyu untuk skala DAS yang beroperasi secara harian

dan dirancang untuk memprediksi dampak pengelolaan lahan

terhadap air, sedimen, dan kimia pertanian

• SWAT mensimulasikan proses akuifer dangkal dan permukaan

berdasarkan HRU (Hydrological Response Unit)

• Model SWAT hanya mensimulasikan dinamika air tanah dangkal di

atas batas bawah domain model SWAT. Perkolasi di bawah 6 m dari

permukaan tanah diasumsikan sudah di luar sistem.

𝑆𝑊𝑡 = 𝑆𝑊0 +

𝑡=𝑖

𝑡

𝑅𝑑𝑎𝑦 − 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 − 𝐸𝑎 −𝑊𝑠𝑒𝑒𝑝 − 𝑄𝑔𝑤 … . (1)

Keterangan :

• SWt : Kandungan akhir airtanah (mm)

• SW0 : Kandungan airtanah awal pada hari ke-i (mm)

• Rday : Jumlah presipitasi pada hari ke-i (mm)

• Qsurf : Jumlah surface runoff pada hari ke-i (mm)

• Ea : Jumlah evapotranspirasi pada hari ke-i (mm)

• Wseep : Jumlah air yang memasuki vadose zone pada profil

tanah hari ke-i (mm)

• Qgw : Jumlah air yang kembali pada hari ke-i (mm)

Tinjauan Pustaka

Model MODFLOW

• Modflow adalah model beda hingga tiga dimensi dari aliran air tanah

bawah permukaan dengan perhitungan aliran memenuhi Hukum

Darcy.

• Dimana Kxx, Kyy, an Kzz adalah hydraulic conductivities pada

sumbu koordinat x,y,z paralel dengan sumbu utama hydraulic

conductivities, h adalah potentiometric head, W adalah fluks

volumetrik per unit volume yang mengalir ke luar sistem (W bernilai

negatif) dan mengalir ke dalam sistem (W bernilai positif), Ss

adalah penyimpanan spesifik dari media poros dan t adalah waktu.

• Interaksi groundwater-surface water dimodelkan dalam river

package (.riv) dimana perhitungan aliran volumetrik air (Qleak)

dilakukan berdasarkan Hukum Darcy dengan persamaan berikut.

𝑄𝑙𝑒𝑎𝑘 = 𝐾𝑏𝑒𝑑 (𝐿𝑠𝑡𝑟 𝑃𝑠𝑡𝑟)ℎ𝑠𝑡𝑟−ℎ𝑔𝑤

𝑧𝑏𝑒𝑑…..(3)

• Dimana Kbed adalah konduktivitas hidrolik sungai (m/s), Lstr adalah

panjang sungai (m), Pstr adalah wetted perimeter sungai (m), hstr

adalah elevasi muka sungai, hgw adalah hydraulic head dari airtanah

(m), dan zbed adalah ketebalan permukaan sungai (m)

• Modflow tidak mampu mensimulasikan proses di permukaan seperti

interaksi daratan dan atmosfir, infiltrasi dan limpasan permukaan,

dampak manajemen sistem pertanian (tutupan lahan), siklus dan

transpor nutrient serta pertumbuhan tanaman.

Tinjauan PustakaModel Padi Sawah

Gambar 2 Perbandingan keadaan irigasi padi aktual, modul pothole, dan modul padi(Sakaguchi et al. 2014)

Gambar 3 Tata letak sawah plot to plot(Sapei 2015)

Tinjauan Pustaka

Ketersediaan Air

• Air jatuh ke DAS

• Jumlah air selalu tetap

• Ketersediaan air yang merupakan bagian dari fenomena alam

mengandung unsur variabilitas ruang (spatial variability) dan

variabilitas waktu (temporal variability) yang sangat tinggi

• Air di suatu luasan tertentu di hamparan bumi dipengaruhi oleh

masukan (input) dan keluaran (output) yang terjadi

perkolasi & infiltrasi

menguap

mengalir

Tinjauan PustakaPenelitian Terdahulu

• Utilisasi model SWAT-MODFLOW :

Guzman et al. (2015)

A Model Integration Framework for Linking SWAT and MODFLOW

Bailey RT (2015)

SWAT-Modflow tutorial, documentation for preparing model simulations

• Modul padi sawah untuk analisis hasil air (water yield) menggunakan

SWAT : Sakaguchi et al. (2015)

Development and Evaluation of A Paddy Module for Improving

Hydrological Simulation in SWAT

Lokasi Penelitian

Metodologi

Kegiatan pembangunan model dan simulasi dilakukan di Laboratorium

Teknik Bioinformatika, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem,

Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Lokasi

permodelan adalah Kabupaten Nganjuk dengan luasan cakupan model

adalah 1390 km² seperti terlihat pada Gambar 4.

Gambar 4 Lokasi Permodelan

Bahan

Metodologi

Data masukan model SWAT :

o Data cuaca (suhu, curah hujan,

kecepatan angin, radiasi, dan

kelembaban)

o Data observasi lapang

o Peta DEM (Digital Elevation Model)

o Peta jenis tanah

o Peta penggunaan lahan

Modifikasi model padi SWAT :

o SWAT source code Rev.637

Data masukan model Modflow :

o Hasil delineasi SWAT

Alat

• ArcGIS 10.1 & ArcSWAT 2012

• SWATcup 2012

• MODFLOW 2005

• Ms. Visual Studio & Intel Visual

Fortran

• SWAT-Modflow executable

program

• Modelmuse

• Ms. Excel

Data Cuaca

• Data cuaca harian terdiri atas suhu, curah hujan, kecepatan angin,

radiasi, dan kelembaban

• Pengukuran curah hujan dilakukan pada 43 titik

• Data curah hujan ini telah disusun oleh Fajardo (2014) untuk tahun

2009 s.d 2012

• Data curah hujan yang digunakan pada penelitian ini rentang tahun

2010 s.d 2011

• Data suhu, kecepatan angin, radiasi, dan kelembaban Kab. Nganjuk

pada rentang tahun yang sama diperoleh dari data Globalweather

yang disediakan oleh SWAT di laman web resminya

(http://swat.tamu.edu/) untuk seluruh dunia sejak tahun 1979 hingga

2014

Data Observasi

• Data observasi lapang digunakan untuk:

o analisis dan validasi model SWAT

o analisis ketersediaan airtanah dengan melihat perubahan elevasi

muka airtanah hasil model SWAT-Modflow

• Data observasi lapang harian 2010-2011 yang digunakan adalah :

o data debit air permukaan titik pantau Bolowono

o Data fluktuasi muka airtanah di 4 titik observasi yaitu Tanjung Rejo,

Sumberkepuh, Ngadiboyo dan Banjardowo

• Data observasi debit dan pemantauan fluktuasi muka airtanah

merupakan data sekunder hasil pengukuran Liyantono et al. (2013)

Gambar 5 Peta Elevasi SubDAS (DEM)

Gambar 6 Peta penggunaan lahan subDAS

Peta penggunaan lahan

• Jenis penggunaan lahan pada suatu DAS sangat mempengaruhi

hidrologi kawasan tersebut

• Data penggunaan lahan diperoleh dari pengolahan citra satelit Landsat

tahun 2004 oleh Liyantono (2009).

Tabel 1 Kelas penggunaan lahan pada subDAS

Gambar 7 Peta Tanah SubDAS

Tahapan Penelitian

Metodologi

o Pembangunan Model SWAT

o Pembuatan dan Simulasi SWAT Modul Padi

o Integrasi Model SWAT-Modflow

Prosedur Analisa Hasil

o Perhitungan Koefisien Korelasi dan Kalibrasi

o Analisis Sensitivitas

o Analisis Ketersediaan Airtanah

Pembangunan model SWAT

o Deliniasi daerah observasi dengan menggunakan data citra DEM

o Pembentukan HRU (Hydrological Response Unit) menggunakan hasil

delineasi dan peta jenis tanah serta peta tutupan lahan

o Penggabungan dengan data iklim dalam selang waktu simulasi

permodelan

o Proses simulasi kemudian dilakukan dengan metode SCS curve number

untuk melakukan prediksi aliran permukaan

o Dilakukan uji parameter pada program SWATcup

o Setelah didapat nilai NS ≥0.6 dan R2 >0.65 maka model SWAT sudah

layak untuk dianalisa

Pembuatan dan Simulasi SWAT Modul Padi

oSWAT menyediakan source code Fortran untuk

pengembangan lanjutan model SWAT

oDigunakan source code SWAT2012 rev.637 dengan

304 modul dalamnya termasuk pothole (permodelan

water balance budidaya padi di Amerika)

oModul pothole pada SWAT dimodifikasi menjadi

SWAT paddy module sesuai Sakaguchi et al. (2014)

oModifikasi dilakukan dengan perangkat lunak Intel

Visual Fortran sebagai plug-in pada Ms. Visual Studio

oDikompilasi dengan seluruh 304 modul untuk

dijalankan di ArcSWAT

oKalibrasi dan Validasi dengan data observasi

(Sakaguchi et al. 2014)

Integrasi Model SWAT-Modflow

oUsaha memodelkan interaksi airtanah dengan air permukaan

oPada laman resmi SWAT telah disediakan tahapan pembangunan model

SWAT-Modflow, contoh model dan executable files

Gambar 9 Proses KerjaSWAT-MODFLOW

Wible (2014), Bailey (2015)

Perhitungan Koefisien Korelasi dan Kalibrasi

o Metode statistik yang digunakan dalam melakukan kalibrasi dan validasi

adalah model koefisien determinasi (R²) dan model efisiensi Nash-Sutcliffe

(NSE) yang direkomendasikan oleh The American of Civil Engineers (Ahl et

al. 2008)

𝑅2 =σ𝑖=1𝑛 (𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖− ത𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖)(𝑄𝑐𝑎𝑙,𝑖− ത𝑄𝑐𝑎𝑙,𝑖)

σ𝑖=1𝑛 (𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖− ത𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖)

2 σ𝑖=1𝑛 (𝑄𝑐𝑎𝑙,𝑖− ത𝑄𝑐𝑎𝑙,𝑖)

2

2

.... (4)

𝑁𝑆𝐸 = 1 −σ𝑖=1𝑛 (𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖− 𝑄𝑐𝑎𝑙,𝑖)

2

σ𝑖=1𝑛 (𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖− ത𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖)

2 .... (5)

o Qobs,i adalah debit observasi (m3/dt), Qcal,i adalah debit hasil simulasi

(m3/dt), sedangkan Q ̅obs,i adalah debit observasi rata-rata (m3/dt).

o Dalam kriterianya, simulasi dianggap baik jika nilai NS > 0.75, memuaskan

jika 0.36 < NS < 0.75, serta kurang baik jika NS < 0.36

Analisis Sensitivitas

o Respon dari semua parameter diidentifikasi melalui analisis sensitivitas

o Tahapan untuk menentukan tingkatan parameter-parameter hidrologi,

serta memberikan nilai terhadap parameter tersebut agar model dapat

merepresentasikan kondisi aktual

oProses ini dilakukan program SWATcup dengan algoritma pengolahan SUFI2

oHasil analisis keluaran model terpilih kemudian menjadi patokan dalam

menentukan parameter yang akan dimodifikasi dalam proses kalibrasi

Tabel 2 Parameter analisis sensitivitas pada subDAS Kuncir (Fajardo 2014)

Analisis Ketersediaan Airtanah

o Airtanah dan air permukaan merupakan sumber

air yang saling tergantung satu sama lain

o Salah satu cara untuk memantau ketersediaan

airtanah adalah melihat muka airtanah (water

table)

oMuka airtanah merupakan pemisah antara zona

airtanah (soil water zone) dengan pipa kapiler

(capillary fringe) & perkiraan elevasi permukaan

air pada sumur yang hanya merembes pada

jarak pendek ke zona jenuh air

oPergerakan airtanah sangat dipengaruhi oleh

gaya adhesi dan kohesi tanah dan air yang

didefinisikan sebagai 2 sifat air yang tersimpan

dalam tanah yaitu specific yield & specific

retention

Gambar 10 Fluktuasi muka airtanah(water table) – USGS 2016

Analisis Ketersediaan Airtanah

Neraca air yang disusun adalah khusus pada airtanah seperti pada persamaan

(6) dengan penyetaraan basis pada data pengamatan menjadi basis volume

pada persamaan (7).

𝐺𝑊 𝑡 = 𝐺𝑊 𝑡−1 + 𝑃 + 𝐵𝐹 . . . (6)

𝐺𝑊 𝑜𝑏𝑠 = 𝑆𝑦 ×𝑊𝑡 . . .(7)

Keterangan :

GW(t) : Elevasi muka airtanah pada hari t (m)

GW(obs) : Elevasi muka airtanah hasil konversi data pengamatan pada hari t (m)

GW(t-1) : Elevasi muka airtanah hari sebelumnya (m)

BF : Pergerakan airtanah hasil SWAT-MODFLOW pada hari t (m)

P : Perkolasi (m)

Wt : Elevasi aliran air dalam tanah/water table (m)

Sy : Specific yield diambil 20% sebagai nilai yang cukup mewakili kondisi tanah

• Hasil Simulasi Awal SWAT

• Sensitivitas Parameter dan Kalibrasi Model SWAT

• Simulasi SWAT Modul Padi

• Simulasi SWAT-Modflow

o Debit SWAT-Modflow

o Ketersediaan Airtanah

Hasil & Pembahasan

Hasil Simulasi Awal SWAT

Fluktuasi debit sungai model sudah mengikuti pola naik-turun debit observasi dengan debit rata-rata harian model sebesar 59.43 m³/s dandebit rata-rata harian observasi adalah 46.68 m³/s.

Sensitivitas Parameter dan Kalibrasi Model SWAT

• Uji sensitivitas memperlihatkan parameter-parameter yang sensitif

terhadap perubahan nilai debit air hasil keluaran model

• Nilai parameter tersebut diurutkan berdasarkan tingkatan pengaruhnya

terhadap simulasi dan diubah untuk kemudian dimasukkan ke dalam

proses SWAT hingga dihasilkan debit terkalibrasi

Sensitivitas Parameter dan Kalibrasi Model SWAT

• Nilai debit rata-rata observasi lapang adalah sebesar 46.68 m3/s, sedangkan nilai debit rata-rata model adalah sebesar 41.152 m3/s.

• NSE>0.65 sehingga model dapat diterima untuk merepresentasikankondisi sebenarnya

Simulasi SWAT Modul Padi

• Debit rataan SWAT modul padi 41.145 m³/s sementara model SWAT 41.152 m3/s.

• Penurunan debit pada SWAT padi menunjukkan bahwa modifikasi yang dilakukan untuk melihat pengaruh perkolasi di lahan padi sawah telahberhasil

Simulasi SWAT-Modflow

Debit SWAT-Modflow

• Pengecekan awal kesesuaian model maka dilakukan perhitungan nilai

efisiesiensi Nash-Sutcliffe (NSE) dan R2 terhadap debit simulasi harian

SWAT-Modlfow

• Diperoleh nilai NSE 0.67094 dan R2 0.69027 dengan rataan debit harian

38.9 m3/s.

• Menurunnya nilai rataan debit harian terhadap simulasi SWAT asli dan

SWAT modul padi menunjukkan telah terjadi interaksi antara surface

water dengan groundwater pada model SWAT-Modflow

Simulasi SWAT-Modflow

Ketersediaan Airtanah

Proses yang dilakukan di SWAT-Modflow :

• Menyalurkan hasil perhitungan perkolasi dari SWAT pada setiap HRU ke grid cell

Modflow

• Dihitung fluks interaksi groundwater-surface water di Modflow river package

(.riv) -> SWAT stream channel (sungai)

• SWAT menghitung volume aliran permukaan dan aliran lateral air tanah

permukaan ke sungai

• Modflow menghitung volume pengisian airtanah ke sungai dan SWAT kemudian

menelusurkan (routing) volume air hasil perhitungan gabungan melalui jaringan

sungai subDAS

• Perhitungan aliran volumetrik air pada modul river package (.riv) dilakukan

sesuai persamaan (3).

• Hasil Qleak(m3) yang telah dipetakan kembali ke SWAT sesuai subDAS digunakan

sebagai nilai BF (m) pada persamaan (6) setelah sebelumnya dibagi terhadap

luasan subDAS (m2).

Simulasi SWAT-Modflow

Ketersediaan Airtanah

Tabel 5 Analisa Elevasi Muka Airtanah Tahun 2010 s.d 2011

Simulasi SWAT-Modflow

Ketersediaan Airtanah

• Uji Statistik NSE dan koefisien determinasi menunjukkan model masih belum

mampu menggambarkan fluktuasi muka airtanah dengan baik.

• Pada model SWAT-Modflow belum mampu menggambarkan hidrograf yang

menyerupai hidrograf hasil pengukuran meskipun dengan pendekatan grafik

terekstrapolasi berdasarkan recession curve hasil pengukuran

Titik Pantau NSE R²

Tanjung rejo -4.1772 0.06418

Sumber kepuh -13.88 0.10049

Banjar dowo -2.9613 0.01085

Ngadiboyo 0.75774 0.25558

Simulasi SWAT-Modflow

Ketersediaan Airtanah

Beberapa faktor yang menyebabkan model SWAT-Modflow belum mampu

menggambarkan fluktuasi muka air tanah dengan baik antara lain :

• Proses penggabungan dan transfer data SWAT & Modflow belum baik

• Pendefinisian beda elevasi muka airtanah dan muka air sungai pada setiap

grid cell di Modflow masih terbatas

• Nilai konduktivitas hidrolik pada modul sungai (river module - .riv) yang

digunakan adalah slope kemiringan sungai yang diperoleh melalui delineasi

SWAT

Simpulan

• Pendugaan ketersediaan air permukaan (surface water) telah dapat

dilakukan dengan baik pada model SWAT asli maupun SWAT modul padi

• Efisiensi Nash-Sutcliffe (NSE) pada SWAT modul padi juga relatif lebih baik

dibandingkan SWAT asli

• Permodelan SWAT-Modflow juga telah berhasil dilakukan untuk simulasi air

permukaan dengan nilai efisiensi Nash-Sutcliffe (NSE) sebesar 0.670 dan R2

sebesar 0.690 yang cukup representatif pada subDAS Kabupaten Nganjuk

• Analisa fluktuasi muka airtanah belum mampu dilakukan oleh model SWAT-

Modflow sesuai karakteristik yang spesifik pada setiap titik pengukuran.

Saran

• Analisa sensitivitas pada modul SWAT asli perlu dilakukan atas 10-15

parameter lagi sehingga mampu meningkatkan akurasi model SWAT

• Perlu dilakukan pengukuran perkolasi dan tingkat evapotranspirasi sehingga

SWAT modul padi mampu mensimulasikan aliran soilwater pada budidaya

padi sawah.

• Model SWAT-Modflow masih memerlukan penelitian lanjutan dan penjelasan

detail interaksi algoritma yang stabil antara model SWAT dan Modflow

sehingga dapat disesuaikan spesifik wilayah.

• Perlu dilakukan pengukuran terhadap parameter hidrologis setiap sungai

baik distribusi konduktivitas hidrolik, batas dasar sungai, batas maksimum

permukaan sungai dan muka air sungai pada beberapa titik sepanjang

sungai selama selang waktu tertentu atau menggunakan river bathymetry

toolkit (RBT)

Saran

• Penggabungan modul padi dengan SWAT-Modflow juga telah dapat

dilakukan. Hal ini memungkinkan karena pada awal Juli 2016 di laman resmi

SWAT (http://swat.tamu.edu/) telah disediakan source code gabungan

model SWAT-Modflow dan penjelasan singkat kerangka program tersebut

Terima kasih