PAPER

Model ANSWERS (areal nonpoint source watershed environmental

response simulation ) Dalam Mensimulasikan Hubungan Hujan

Limpasan dan Memberikan Dugaan Hasil Sedimen

Disusun Guna Memenuhi Tugas Akhir Semester Mata Kuliah Hidrologi TerapanDosen Pengampu : Teguh Marhaendi, ST.,MT.

Disusun Oleh :

1. Muhamad Afif Arindra 1103010008

2. Pratama Chaerul Umam 1103010006

PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH PURWOKERTO

2013

KATA PENGANTAR

Syukur alhamdulilah kami panjatkan kehadirat allah SWT, yang telah

melimpahkan rahmat dan hidayahNya sehingga kami dapat menyelesaikan tugas

Paper Hidrologi Terapan yang telah kami laksanakan melalui bimbingan dan

pembelajaran dari pengampu bersangkutan.

Setelah kami melaksanakan dan menyelesaikan tugas Paper Hidrologi

Terapan yang membahas tentang model ANSWER (areal nonpoint source

watershed environmental response simulation) yang merupakan sebuah model

hidrologi dengan parameter terdistribusi yang digunakan untuk mensimulasikan

hubungan hujan-limpasan dan memberikan dugaan hasil sedimen.

Dalam penyusunan Paper ini, kami banyak mendapatkan bantuan, kerja

sama dan dukungan dari berbagai pihak, oleh karena itu kami sampaikan terima

kasih kepada :

1. Bapak TEGUH MARHAENDI, ST.,MT. selaku dosen pengampu dan

pengajar mata kuliah Hidrologi Terapan.

2. Semua pihak yang telah membantu dalam menyusun Paper ini, semoga allah

SWT memberikan taufik dan hidayahNya kepada kita semua. Dikarenakan

keterbatasan kami, mungkin Paper ini jauh dari sempurna dan masih banyak

kekurangannya. Untuk itu kami selaku penulis mohon maaf yang sebesar –

besarnya dan kami mohon kritik dan saran yang dapat membangun atau

memperbaikinya supaya lebih baik lagi kedepannya.

Purwokerto, 11 januari 2013

Penyusun

BAB 1

PENDAHULUAN

Model merupakan representasi atau gambaran tentang sistem (systems),

obyek atau benda (objects) dan kejadian (events). Representasi tersebut

dinyatakan dalam bentuk sederhana yang dapat dipergunakan untuk berbagai

macam tujuan penelitian. Penyederhanaan dilakukan secara representatif terhadap

perilaku proses yang relevan dari keadaan sebenarnya.

Pembentukan model dan menerapkan model dalam percobaan merupakan

bentukan dari simulasi (Dent and Anderson 1971). Menurut Hillel (1977), model

simulasi merupakan teknik numerik dari percobaan hipotetik dari suatu gejala atau

sistem dinamis dan dinyatakan secara kuantitatif.

Penggunaan model sebagai usaha untuk memahami suatu sistem yang rumit

merupakan teknik pengkajian yang lebih sederhana dibandingkan jika melalui

keadaan sebenarnya. Model ini dapat digunakan untuk menduga dan menerangkan

gejala- gejala dalam suatu sistem secara tepat (Nasution dan Barizi 1980). Model

yang dibentuk berdasarkan peramalan terhadap sistem belum dapat dipastikan

akan menghasilkan peamalan yang tepat terhadap perilaku sistem yang sejenis.

Model simulasi hidrologi dapat diklasifikasikan berdasarkan luas kisaran

karakteristiknya. Untuk analisis DAS, model hidrologi diklasifikasikan ke dalam

lumped parameter versus distributed parameter, event versus continous, dan

stochastic versus deterministic.

BAB II

PEMBAHASAN

A. MODEL HIDROLOGI DAS

Brooks et al. (1987), Model hidrologi merupakan gambaran sederhana

dari suatu sistem hidrologi yang aktual. Model hidrologi biasanya dibuat

untuk mempelajari fungsi dan respon suatu DAS dari berbagai masukan

DAS. Melalui model hidrologi dapat dipelajari kejadian-kejadian hidrologi

yang pada gilirannya dapat digunakan untuk memprediksi kejadian hidrologi

yang akan terjadi. Harto (1993), model hidrologi adalah sebuah sajian

sederhana (simple representation) dari sebuah sistem hidrologi yang

kompleks.

Pendekatan sistem dalam dalam analisis hidrologi merupakan suatu

teknik penyederhanaan dari sistem prototipe ke dalam suatu sistem model,

sehingga perilaku sistem yang kompleks dapat ditelusuri secara kuantitatif.

Hal ini menyangkut sistem dengan mengidentifikasikan adanya aliran

massa/energi berupa masukan dan keluaran serta suatu sistem simpanan

(Pawitan 1995).

Harto (1993) mengemukakan bahwa konsep dasar yang digunakan

dalam setiap sistem hidrologi adalah siklus hidrologi. Persamaan dasar yang

menjadi landasan bagi semua analisis hidrologi adalah persamaan neraca air

(water balanced equation). Persamaan neraca air dari suatu DAS untuk suatu

periode dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :

∆S = Input – Output

Di mana :

∆ S = perubahan tampungan (storage change),

Input = masukan (inflow), dan

Output = keluaran (outflow).

Harto (1993) mengemukakan bahwa tujuan penggunaan suatu model

dalam hidrologi, antara lain sebagai berikut :

a) peramalan (forecasting) menunjukkan besaran maupun waktu kejadian

yang dianalisis berdasar cara probabilistik;

b) perkiraan (predicting) yang mengandung pengertian besaran kejadian dan

waktu hipotetik (hipotetical future time);

c) sebagai alat deteksi dalam masalah pengendalian;

d) sebagai alat pengenal (identification) dalam masalah perencanaan;

e) ekstrapolasi data/informasi;

f) perkiraan lingkungan akibat tingkat perilaku manusia yang

berubah/meningkat; dan

g) penelitian dasar dalam proses hidrologi.

B. Klasifikasi Model Hidrologi

Harto (1993) mengemukakan bahwa secara umum model dapat dibagi

dalam tiga kategori, yaitu :

1) model fisik yang menerangkan model dengan skala tertentu untuk

menirukan prototipenya;

2) model analog yang disusun dengan menggunakan rangkaian resistor-

kapasitor untuk memecah persamaan-persamaan diferensial yang mewakili

proses hidrologi;

3) model matematik yang menyajikan sistem dalam rangkaian persamaan dan

kadang-kadang dengan ungkapan-ungkapan yang menyajikan hubungan

antar variabel dan parameter.

Model juga dapat diklasifikasikan menjadi:

1) model stokastik, di mana hubungan antara masukan dan keluarannya

didasarkan atas kesempatan kejadian dan probabilitas;

2) model deterministik, di mana setiap masukan dengan sifat-sifat tertentu,

selalu akan menghasilkan keluaran yang tertentu pula.

Di samping itu, model dapat digolongkan menjadi :

1) model empirik, yaitu model yang semata-mata mendasarkan pada

percobaan dan pengamatan;

2) model konseptual, yaitu model yang menyajikan proses-proses

hidrologi dalam persamaan matematik dan membedakan antara fungsi

produksi (production) dan fungsi penelusuran (routing).

C. Jenis Model

Sinukaban (1995) mengemukakan bahwa sebagai suatu sistem

hidrologi, DAS meliputi jasad hidup, lingkungan fisik dan kimia yang

berinteraksi secara dinamik, yang di dalamnya terjadi kesetimbangan dinamik

antara energi dan material yang masuk dengan energi dan material yang

keluar. Dalam keadaan alami, energi matahari, iklim di atas DAS dan unsur-

unsur endogenik di bawah permukaan DAS merupakan masukan (input).

Sedangkan air dan sedimen yang keluar dari muara DAS serta air yang

kembali ke udara melalui evapotranspirasi adalah keluaran (output) DAS.

Model USLE (universal soil loss equation), MUSLE (modified USLE),

RUSLE  (revised USLE), CREAMS (chemical runoff and erosion from

agricultural management system) dan GLEAMS (groundwater loading effect

of agricultural management system), tergolong dalam lumped parameter,

yaitu model yang mentransformasi curah hujan (input) ke dalam aliran

permukaan (output) dengan konsep bahwa semua proses dalam DAS terjadi

pada satu titik spasial. WEPP (water erosion predicting project), KINEROS

(kinematic erosion simulation), EUROSEM (european soils erosion model),

TOP MODEL (topografically and physically based, variable contributing area

model of basin hidrology) dan ANSWERS (areal nonpoint source watershed

environmental response simulation) tergolong distributed parameter, yaitu

model yang berusaha menggambarkan proses dan mekanisme fisik dan

keruangan, memperlakukan masing komponen DAS atau proses sebagai

komponen mandiri dengan sifatnya masing- masing. Model tersebut secara

teori sangat memuaskan, tetapi data lapangan sering terbatas untuk

mengkalibrasi dan memverifikasi hasil simulasi.

Model HEC-1 adalah event model yang mensimulasikan respon hujan

tunggal sebagai input data. Sedangkan SWM-IV (stanford watershed model)

dan SWMM (storm water management model) merupakan continous model

yang didasarkan pada persamaan kesetimbangan air dalam jangka yang lebih

panjang. Model tersebut cocok untuk digunakan pada DAS yang memiliki

ukuran yang lebih luas.

Model AGNPS (agricultural non point source pollution model)

merupakan gabungan antara model distribusi dan model sekuensial. Sebagai

model distribusi, penyelesaian persamaan keseimbangan massa dilakukan

serempak untuk semua sel. Sedangkan sebagai model sekuensial, air dan

cemaran ditelusuri dalam rangkaian aliran dipermukaan lahan dan di saluran

secara berurutan (Pawitan 1999).

Model SWAT (soil and water assessment toll) adalah model yang

dikembangkan untuk memprediksi dampak pengelolaan lahan (land

management practices) terhadap air, sedimen dan bahan kimia pertanian yang

masuk ke sungai atau badan air pada suatu DAS yang kompleks, dengan

tanah, penggunaan tanah dan pengelolaannya yang bermacam-macam

sepanjang waktu yang lama (Arsyad 2006).

C. MODEL EROSI

1. Model ANSWERS

Model ANSWERS (areal nonpoint source watershed

environmental response simulation) merupakan sebuah model hidrologi

dengan parameter terdistribusi yang mensimulasikan hubungan hujan-

limpasan dan memberikan dugaan hasil sedimen. Model hidrologi

ANSWERS dikembangkan dari US-EPA (United States Environment

Protection Agency)oleh Purdue Agricultural Enviroment Station (Beasley

and Huggins 1991).

Salah satu sifat mendasar dari model ANSWERS adalah termasuk kategori

model deterministik dengan pendekatan parameter distribusi. Model

distribusi parameter DAS dipengaruhi oleh variabel keruangan (spatial),

sedangkan parameter- parameter pengendalinya, antara lain : topografi,

tanah, penggunaan lahan dan sifat hujan.

Struktur Model ANSWERS

Model ANSWERS adalah model deterministik yang didasarkan

pada hipotesis bahwa setiap titik di dalam DAS mempunyai hubungan

fungsional antara laju aliran permukaan dan beberapa parameter hidrologi

yang mempengaruhi aliran, seperti intensitas hujan, infiltrasi, topografi,

jenis tanah dan beberapa faktor lainnya. Laju aliran yang terjadi dapat

digunakan untuk memodelkan fenomena pindah massa, seperti erosi dan

polusi dalam wilayah DAS.

Dalam model ini suatu DAS yang akan dianalisis responnya dibagi

menjadi satuan elemen yang berukuran bujursangkar, sehingga derajat

variabilitas spasial dalam DAS dapat terakomodasi. Konsep distribusi

disefinisikan melalui hubungan matematika untuk semua proses simulasi,

model ini mengasumsikan bahwa suatu DAS merupakan gabungan dari

banyak elemen yang diartikan sebagai suatu areal yang memiliki

paramater hidrologi yang sama. Setiap elemen akan memberikan

kontribusi sesuai dengan karakteristik yang dimiliki. Model ini juga

mengikut sertakan semua parameter kontrol secara spasial. Oleh karena itu

model ANSWERS melakukan analisis pada setiap satuan elemen.

Parameter Masukan Model ANSWERS

Data masukan model ANSWERS dikelompokkan dalam lima

bagian (de Roo 1993), yaitu :

1. Data curah hujan, yaitu : jumlah dan intensitas hujan pada suatu kejadian

hujan.

2. Data tanah, yaitu : porositas total (TP), kapasitas lapang (FP), laju infiltrasi

konstan (FC) selisih laju infiltrasi maksimum dengan laju infiltrasi konstan

(A), eksponen infiltrasi (P), kedalaman zona kontrol iniltrasi (DF),

kandungan air tanah awal (ASM), dan erodibilitas tanah (K).

3. Data penggunaan dan kondisi permukaan lahan, meliputi : volume

intersepsi potensial (PIT), persentase penutupan lahan (PER), koefisien

kekasaran permukaan (RC), tinggi kekasaran maksimum (HU), nilai

koefisien manning untuk permukaan lahan (N), faktor tanaman dan

pengelolaannya (C).

4. Data karakteristik saluran, yaitu lebar saluran (CW) dan koefisien manning

(N).

5. Data satuan individu elemen, yaitu : kemiringan lereng, arah lereng, jenis

tanah, jenis penggunaan lahan, liputan penakar hujan, kemiringan saluran,

dan elevasi elemen rata-rata.

Mekanisme model ANSWERS

Mekanisme model ANSWERS dapat dijelaskan sebagai berikut (de Roo 1993) :

1. Hujan yang jatuh pada suatu DAS dengan vegetasi tertentu, sebagian akan

diintersepsi oleh tajuk vegetasi (PER) sampai potensial simpanan

intersepsi (PIT) tercapai.

2. Apabila laju hujan lebih kecil dari laju intersepsi, maka air hujan tidak

akan mencapai permukaan tanah. Sebaliknya jika laju hujan lebih besar

dari laju intersepsi, maka terjadi infiltrasi.

3. Laju infiltrasi awal tersebut dipengaruhi oleh kandungan air tanah awal

(ASM = anticedent soil moisture), porositas tanah total (TP), kandungan

air tanah pada kapasitas lapang (FP), laju infiltrasi pada saat konstan (FC),

laju infiltrasi maksimum (FC+A), dan kedalaman zona kontrol infiltrasi

(DF). Laju infiltrasi akan menurun secara eksponensial dengan

bertambahnya kelembaban tanah.

4. Jika hujan terus berlanjut, maka laju hujan menjadi lebih besar dari laju

infiltrasi dan intersepsi. Pada kondisi ini air mulai mengumpul

dipermukaan tanah dalam depresi mikro (retention storage) yang

dipengaruhi oleh kekasaran permukaan tanah, yaitu RC dan HU.

5. Jika retensi permukaan melebihi kapasitas depresi mikro, maka akan

terjadi limpasan permukaan, di mana besarnya limpasan permukaan

tersebut dipengaruhi oleh kekasaran permukaan (N), kelerengan dan arah

aliran.

6. Bila hujan terus berlanjut, maka akan tercapai laju infiltrasi konstan (FC).

7. Pada saat hujan reda, proses infiltrasi masih terus berlangsung sampai

simpanan depresi sudah tidak tersedia lagi.

Parameter Keluaran Model ANSWERS

Keluaran model berupa hasil prediksi, yaitu : ketebalan aliran permukaan,

debit puncak, waktu puncak, rata-rata kehilangan tanah, laju erosi maksimum tiap

elemen, laju deposisi maksimum tiap elemen dan pengurangan jumlah sedimen

akibat tindakan konservasi tanah.

Model ANSWERS juga menampilkan grafik yang berisi hyetograf hujan

terpilih, hidrograf aliran permukaan, dan sedimentasi. Dari setiap kajadian hujan

dapat dianalisis debit puncak dan waktu puncak. Debit puncak adalah nilai puncak

(tertinggi) dari suatu hidrograf aliran, dan waktu puncak adalah selang waktu

mulai dari awal terjadinya aliran permukaan sampai terjadinya debit puncak

(Beasley and Huggin 1991).

Asumsi yang digunakan untuk memprediksi erosi dengan model ini adalah

: 1) erosi tidak terjadi di lapisan bawah permukaan; 2) sedimen dari suatu elemen

ke elemen lain akan meningkatkan lapisan permukaan elemen tempat

pengendapan; dan 3) pada segmen saluran tidak terjadi erosi akibat hempasan

butir hujan (Beasley and Huggin 1991).

Penghancuran dan pengangkutan partikel tanah disebabkan oleh pukulan

butir hujan (DTR) dan energi limpasan permukaan. Jumlah partikel tanah yang

dapat dipindahkan tergantung dari besarnya sedimen yang dihasilkan dan

kapasitas transpornya (TC). Air limpasan dan sedimen yang dapat mencapai

elemen yang memiliki saluran, akan bergerak menuju outlet DAS, di mana

sedimentasi yang terjadi dalam saluran akan terjadi ketika besarnya kapasitas

transpor telah terlewati (de Roo 1993).

Kelebihan dan Kelemahan Model ANSWERS

Beasley dan Huggins (1991) menyebutkan bahwa model ANSWERS

dapat digunakan untuk DAS yang luasnya kurang dari 10.0000 ha. Kelebihan dan

model ANSWERS adalah : a) analisis parameter distribusi yang dipergunakan

dapat memberikan hasil simulasi yang akurat terhadap sifat daerah tangkapan; b)

dapat mensimulasi secara bersamaan dari berbagai kondisi dalam DAS; c)

memberikan keluaran berupa limpasan dan sedimen dari suatu DAS yang

dianalisis.

Beasley dan Huggins (1991), mengemukakan bahwa model ANSWERS

sebagai sebuah model hidrologi mempunyai kelebihan, antara lain :

1. Dapat mendeteksi sumber-sumber erosi di dalam DAS serta memiliki

kemampuan sebagai alat untuk strategi perencanaan dan evaluasi kegiatan

RLKT DAS.

2. Dapat mengetahui tanggapan DAS terhadap mekanisme pengangkutan

sedimen ke jaringan aliran yang ditimbulkan oleh kejadian hujan

3. Sebagai suatu paket program komputer yang ditulis dalam bahasafortran,

mempunyai kemampuan untuk melakukan simulasi hujan-limpasan dari

berbagai perubahan kondisi penggunaan lahan dalam DAS.

4. Untuk melakukan inputing data base (topografi, tanah, penggunaan lahan,

sistem saluran) ke dalam model dapat diintegrasikan dengan data dari

remote sensing maupun SIG.

5. Adanya variasi pemilihan parameterinput danoutput dari model

disesuaikan dengan kebutuhan pengguna.

6. Sesuai untuk diterapkan pada lahan pertanian, hutan, maupun perkotaan.

7. Satuan pengukuran dapat berupa metrik ataupun British unit.

8. Dapat diterapkan pada DAS dengan ukuran lebih kecil dari 10.000 ha.

Sedangkan kekurangan model ANSWERS antara lain :

1) Semakin kompleks, terutama pada data perlukan dan waktu penghitungan,

dimana besarnya tergantung dari berbagai faktor, seperti luas DAS dan

jumlah grid.

2) Model terdistribusi relatif masih bari dibanding lumped parameter,

sehingga masih perlu pengembangan dan penyesuaian.

3) Karena hanya untuk tiap kejadian hujan (individual event), maka model ini

tidak memiliki sub model untuk evapotranspirasi.

4) Erosi dari saluran belum diperhitungkan ke dalam model.

5) Batas grid kemugkinan tidak menggambarkan batas yang sebenarnya.

6) Untuk sebuah grid dalam kenyataan dapat lebih besar dari luas sub-sub

DAS.

PENUTUP

Penggunaan model erosi skala DAS dengan parameter terdistribusi masih

terbatas pada skala penelitian. Disamping memerlukan input parameter yang

relatif banyak dan kompleks, input parameter model tersebut juga sering tidak

tersedia di lapangan. Model ANSWERS (areal non-point source watershed

environmental response simulation) merupakan model penduga erosi skala DAS

yang telah mulai banyak digunakan di Indonesia.

Walaupun masih mempunyai beberapa kelemahan, model tersebut

memberikan hasil pendugaan erosi yang cukup baik. Sinukaban (1997) telah

menggunakan model AGNPS untuk memprediksi aliran permukaan, erosi,

kehilangan nitrogen dan fosfor dan COD dari DAS seluas 10,4 hektar di wilayah

perbukitan. Hasilnya menunjukkan bahwa hasil prediksi model tidak berbeda

secara stastistik dengan hasil pengukuran. Sedangkan Ginting dan Ilyas (1997)

yang melakukan simulasi berbagai penggunaan lahan dengan menggunakan

model ANSWERS di DAS Siluak, menyimpulkan bahwa model ANSWERS

memerlukan validasi lebih lanjut.

Disamping disebabkan adanya perbedaan ukuran raster sel dan DAS yang

digunakan, bervariasinya hasil dugaan model ANSWERS diduga terkait dengan

dinamika proses erosi pada suatu bentang lahan. Dinamika erosi terjadi akibat

bervariasinya jumlah dan intensitas hujan serta karakteristik permukaan lahan

yang mempengaruhi proses deposisi sedimen (barrier/filter). Sinukaban et al.

(2000) dan Susswein et al. (2001) menunjukkan bahwa jenis dan konfigurasibar

ier /fi lter sangat mempengaruhi jumlah erosi dan volume aliran permukaan yang

dihasilkan dari suatu bentang lahan dan wilayah DAS.

DAFTAR PUSTAKA

Arsyad S. 2006. Konservasi Tanah dan Air. Bogor : IPB Press.

Asdak C. 2004. Hidrologi dan Pengelolaan Daerah Aliran Sungai.

Yogyakarta : Gadjah Mada University Press.

Aswandi. 1996. Aplikasi Model ANSWERS Dalam Perencanaan

Pengelolaan Daerah Aliran Sungai Cikapundung Jawa Barat. Tesis Magister.

Program Pascasarjana, IPB. Bogor.

Harto SBr. 1993. Analisis Hidrologi. Jakarta : PT. Gramedia Pustaka

Utama.

Hidayat Y. 2002. Aplikasi Model ANSWERS dalam Mempredikasi Erosi

dan Aliran Permukaan di DTA Bodong Jaya dan DAS Way Besay Hulu,

Lampung Barat. Tesis Magister. Program Pascasarjana, IPB. Bogor.

       Irianto G. 1993. Prediksi Aliran Permukaan, Laju Erosi dan Kualitasnya

Dengan Model ANWERS Untuk Mendukung Usaha Pemanfaatan Sumberdaya

Air dan Tanah pada Areal Waduk Batujai, NTB. Tesis Magister. Program

Pascasarjana, IPB. Bogor.

       Pawitan H. 1995. Metode Analisis Sistem Hidrologi Dalam Pendugaan Erosi

dan Sedimen Daerah Aliran Sungai. Diskusi Penelitian Erosi dan Sedimentasi Di

Puslitbang PU Di Bandung.

       Ramdan H. 1999. Aplikasi Model ANSWERS Dalam Pendugaan Erosi dan

Aliran Permukaan Di DTA Cikumutuk Sub DAS Cimanuk Hulu. Tesis Magister.

Program Pascasarjana, IPB. Bogor.

       Rauf A. 1994. Aplikasi Model ANSWERS Untuk Analisis Respon Hidrologi

Sub DAS Palu Timur Sulwesi Tengah. Tesis Magister. Program Pascasarjana,

IPB. Bogor.