Proses Fluvial

1.   Tugas GEOMORFOLOGI

 OOleh : Yuanita A. Rahayu

  

 Hidrologi Cekungan Drainase

Runoff  saluran sungai  adalah jumlah air yang masuk saluran sungai di daerah aliran sungai selama periode waktu tertentu, dan dapat ditentukan dengan persamaan keseimbangan air. Hal ini menunjukan runoff sebagai hasil presipitasi. Evapotranspirasi juga mengubah kelembapan tanah dan penyimpanan air tanah. Output lebih lanjut adalah aliran dalam tanah dari air tanah.  Dalam kebanyakan kasus, hal ini berlangsung secara lambat dan cenderung diabaikan, tapi tidak untuk batugamping. Ada sedikit hubungan antara perpindahan air tanah dalam dengan pola permukaan dan menghasilkan system hidrologi yang kompleks.

·         Debit Sungai

Perubahan debit direpresentasikan oleh sebuah hidrograf, yaitu grafik yang memplot perubahan volume discharge terhadap waktu. Namun  untuk pengukuran debit yang sering dilakukan akan memakan waktu, oleh karena itu digunakan  stage hydrograph. Dimana variasi stage ini menunjukan ketinggian permukaan sungai tiap waktu.

Variasi Spasial

Pada sebagian besar system sungai, discharge meningkatkan system hilir sebagai anak sungai yang secara progresif menambah lebih banyak runoff ke cabang sungai. Di daerah kering, adanya peningkatan evaporasi mengakibatkan penurunan runoff dan discharge terbesar terjadi di bawah iklim basah

Presipitasi cenderung meningkat mengikuti elevasi, dan discharge air bawah tanah terbesar terjadi di daerah pegunungan Asia Tenggara.

Jadi discharge dipengaruhi oleh spatial daerahnya.

Variasi Temporal

Aliran sungai cenderung berubah secara sistematis sepanjang tahun. Aliran sungai mencapai keadaan tertinggi saat musim hujan atau selama penurunan suhu. Namun tidak semua sungai memiliki system aliran yang konstan.

Perhatian terhadap geomorfologi fluvial telah menjadi focus pada factor yang dapat menentukan variasi discharge.

Hidrograf untuk cekungan di lingkungan basah menunjukan discharge yang relative constant, dengan kata lain disebut base flow. Namun ketika terjadi banjir, hidrograf akan menunjukan storm flow yang bergantung kepada intensitas, durasi, area presipitasi dan proses hidrologi di daerah cekungan drainase tersebut. Frekuensi rata-rata banjir dapat diestimasikan dengan cara menyusun atau me-rank­-ing debit terbesar tiap tahunnya, disebut juga annual series. Dengan menggunakan formula (n+1)/r, dengan n adalah jumlah tahun yang direkam, dan r adalah jarak barisan yang ingin diketahui frekuensi reratanya.

·         Runoff Generation

Sumber aliran air dibagi menjadi dua tipe yaitu delayed flow dan quick flow. Pada delayed flow,air yang ada dalam sungai berasal dari hujan dan air tanah. Sedangkan pada quick flow, suplai air berasal dari hujan badai dan dihasilkan dalam perbedaan topografi, vegetasi, dan tanah dalam cekungan.

Di lingkungan kering atau semi-kering yang kurang vegetasi dan permukaan yang kompak, mengakibatkan infiltrasi kurang. Akibatnya ada peningkatan aliran melalui permukaan yang menghasilkan kapasitas penyimpanan meningkat di permukaan.

Di lingkungan yang banyak vegetasinya, infiltrasi meningkat sejalan intensitas air hujan. Aliran di permukaan terjadi ketika infiltrasi menghasilkan zona jenuh. Ketika terjadi kejenuhan, storage dalam tanah sudah penuh, sehingga air yang tak tertampung mengalir di permukaan.

Macam-macam sifat system pengairan  dan karakteristik morfologi cekungan juga memengaruhi respon runoff terhadap storm.

Pembentukan Sungai

Sungai dapat terbentuk dari ekspose permukaan secara langsung ataupun berkembang melalui ekspansi jaringan sungai yang ada. Aliran air di lereng yang cukup terkonsentrasi dapat mengakibatkan irisan sungai terjadi.

Tekanan longsor () harus lebih besar dari resistensi shear (R) agar erosi dapat terjadi. Model yang dikembangkan oleh Horton, menunjukan bahwa daerah di atas lereng tidak terjadi erosi karena kedalaman aliran yang kurang cukup mengakibatkan erosi.

Di lingkungan lembap, perkembangan sungai disokong ketika ada pipa subsurface. Pipa tersebut dapat menghasilkan sungai ketika terjadi collapse pada atap pipa.

Sungai juga dapat terbentuk dari prose spring sapping, yaitu ketika aliran air tanah terkonsentrasi diantara zona permeable dalam bedrock.  Hal ini mendorong pelapukan kimia terjadi, sehingga bedrock larut dan konduktivitas hidraulik meningkat, terjadi peningkatan perpindahan air. Sehingga air yang berada dalam zona permeable lama kelamaan akan muncul ke permukaan pada bagian depan erosi. Spring sapping biasanya terjadi di daerah yang lithologinya permeable, seperti batugamping atau batupasir.

2.      Aliran sungai terbuka

Ada dua gaya yang terlibat dalam aliran air sungai terbuka. Pertama adalah gaya pengangkut, yaitu gaya gravitasi yang dipengaruhi oleh percepatan gravitasi dan gradient sungai. Kedua adalah gaya tahanan, yaitu gesekan diantara air dan gesekan antar air dan permukaan sungai. Kemampuan air membawa material untuk ditransport menunjukan hubungan kedua gaya tersebut.

·         Resistensi untuk mengalir

Air adalah fluida yang bentuknya  berubah sesuai dengan gaya yang diberikan. Daya tahan fluida terhadap perubahan bentuk disebut sebagai viskositas. Viskositas adalah gesekan internal dari kohesi fluida, dan tumbukan diantara molekul-molekulnya. Sekitar 97% energy sungai dikeluarkan sebagai energy panas gesekan akibat impact molecular, dan 3% digunakan untuk mentransport sedimen. Walau bagaimanapun juga, perhatian ditujukan tidak hanya pada fluida murni, namun juga opada fluida yang membawa sedimen.

·         Aliran Laminar dan Turbulen

Aliran laminar adalah aliran fluida yang cenderung bergerak membentuk perlapisan tipis dan pergerakan sliding, dan terjadi pada fluida dengan viskositas tinggi seperti lava. Jarang sekali terjadi pada air. Air cenderung bergerak turbulen, yaitu aliran yang kecepatannya naik turun pada semua arah dalam fluida.

Keadaan laminar atau turbulen ditentukan oleh kecepatan rata-rata aliran, viscositas molekuler, densitas fluida, dan dimensi aliran. Dimensi aliran direpresentasikan oleh radius hidraulik atau kedalaman aliran (Radius hidraulik = cross-sectional area x wetted perimeter). Reynold number (Re) mendefinisikan kondisi laminar atau turbulen dengan menghitung perkalian kecepatan rata-rata aliran  dengan radius hidraulik, dibagi dengan viskositas kinematik (). Viskositas kinematic yaitu perbantingan antara viskositas molekuler dan densitas fluida.

Untuk Re  500, aliran laminar. , aliran laminar dan turbulen. , aliran turbulen.

·         Aturan Aliran

Variasi kedalaman aliaran sungai diakibatkan oleh ketidakteraturan bed sungai yang menghasilkan gelombang yang dapat mendesak berat atau gaya gravitasi. Perbandingan antara kecepatan rata-rata aliran terhadap kecepatan gelombang gravitasi disebut Froude number (). Nilai F<1, mengindikasikan kecepatan gelombang yang lebih besar dari kecepatan rata-rata aliran, disebut aliran subcritical. Untuk F=1, kecepatan gelombang sama dengan kecepatan rata-rata aliran, disebut aliran critical. Dan untuk F>1, mengindikasikan bahwa kecepatan rata-rata aliran lebih besar dari kecepatan gelombang, disebut aliran supercritical.

Tipe aliran ini dipengaruhi oleh perubahan debit yang dipengaruhi oleh perubahan kedalaman dan kecepatan aliran. Dengan kata lain, debit dapat ditransmisikan sebagai sungai yang dalam, slow-moving, dan aliran subcritical atau dangkal, acak, dan aliran supercritical.

Transisi antara subcritical dan supercritical dipengaruhi oleh kecepatan aliran. Transisi yang terjadi secara tiba-tiba disebut hydraulic jump, yang terjadi akibat peningkatan gelombang stasioner dan kedalaman air. Ketika transisi melibatkan penurunan kedalaman, situasi ini disebut hydraulic drop.

·         Kecepatan Aliran

Kecepatan aliran sungai dipengaruhi oleh gradient, kekasaran, dan bentuk cross-sectional sungai. Kebanyakan sungai tanpa terkecuali memiliki permukaan kasar yang mana mengakibatkan kehilangan energy friksi dan mengakibatkan pengurangan kecepatan aliran air di sekitar batas sungai. Chezy equation mengestimasikan kecepatan aliran dipengaruhi oleh radius hidraulik dan gradient sungai, dan koefisien gravitasi dan friksi. Manning equation menggunakan koefisien Manning roughness (n) sebagai fakta daya tahan aliran dengan debit dan kedalaman aliran.

The Cezy Equation :                                  The Manning Equation :

3.      Erosi Fluvial dan Entrainment

·         Erosi bedrock sungai

Erosi bedrock yang berarti terjadi di daerah pegunungan. Walaupun mekanisme yang terjadi sulit untuk dimengerti, namun secara umum ada 3 proses yang terlibat.

Pertama, korosi, yaitu pelapukan kimia pada mineral yang kontak dengan air sungai dan pemindahan produknya ke hilir. Faktor yang mengontrol antara lain, mineralogy bedrock, konsentrasi larutan pada air sungai, debit sungai, dan kecepatan aliran. Korosi maksimum dapat dicapai ketika alirannya cepat, dan lithologi dengan mineral reaktif. Contoh : daerah pegunungan batugamping di lingkungan lembap.

Kedua, abrasi, yaitu pelepasan partikel bedrock oleh aliran air. Prose ini dikontrol oleh konsentrasi, kekerasan, energy kinetic tumbukan partikel, dan daya tahan bedrock. Energi kinetic mengindikasikan peningkatan abrasi ketika kecepatan meningkat.

Ketiga, hidraulik, yaitu perpindahan air. Percepatan aliran dalam fluida mengakibatkan penurunan tekanan, jika besarnya cukup, akan menhasilkan gelembung udara. Peronggaan terjadi ketika gelembung udara memancarkan pancaran air pada kecepatan secepeat 130 m/s. Kecepetan ini akan cukup untuk menekan fracture pada batuan solid.

·         Pengangkutan sedimen

Setting awal pergerakan partikel padat dalam fluida disebut entrainment, yang terjadi ketika ada tekanan pada partikel yang melebihi gaya resisting. Gaya driving adalah komponen downslope yang membenamkan partikel dan gaya fluida menjadi dua tipe yaitu drag force dan lift force.

Drag atau tractive force dipengaruhi oleh perbedaan tekanan antara hulu dan hilir, yang mengakibatkan peningkatan kecepatan. Partikel kecil mengalami gaya tarik yang rendah karena berada pada sublayer laminar. Ketika kecepatan meningkat, maka lapisan semakin menipis, akibatnya partikel kecil menonjol keluar dan terekspose ke kecepatan aliran turbulen yang lebih tinggi dan berputar.

Lift force tejadi ketika gaya cukup untuk mengatasi daya tahan butir untuk diangkat dari bed sungai. Adanya energetic yang lebih besar mengakibatkan pergerakan butir yang meloncat-loncat membentuk sudut yang rendah, disebut juga saltasi.

4.      Transport dan Deposisi Fluvial

·         Model Transport Fluvial

Material dapat diangkut baik dalam bentuk partikel padat atau larutan. Partikel padat terdiri dari dua tipe yaitu bed load atau traksi load dan suspendeb load. Bed load terdiri dari semua material rolling, sliding, atau saltating di bed sungai. Sedangkan Suspended load terdiri dari semua partikel yang tidak jatuh ke bed karena momentum yang diberikan oleh pusaran diantara aliran turbulen.

·         Transport Sedimen

Untuk transport sedimen, ada konsep penting yang harus ada, yaitu stream power (Daya Sungai) yang digunakan untuk melakukan kerja. Kerja adalah hasil atau produk gayadan jarak (W = F x s), sedangkan daya  adalah kecepatan kerja atau kerja tiap satuan waktu (P = W/t). Maka stream power merupakan daya tiap satuan panjang sungai. Dengan kata lain merupakan energy pada bed yang mampu mengatasi gaya friksi dan digunakan untuk transport sedimen. Nilai stream power akan mencapai maksimum ketika debit tinggi, gradient tinggi, dan radius hidraulik yang besar.

Konsep stream power dapat diterapkan untuk menunjukan kondisi erosi atau deposisi yang paling menonjol. Konsep ini dijelaskan melalui ambang daya kritis (trsehold of critical power). Ketersediaan daya adalah kecukupan untuk mentransport sedimen. Ketika daya yang tersedia cukup besar, maka erosi dan transport yang akan lebih mendominasi. Namun ketika daya yang tersedia kurang, maka sungai akan cenderung untuk mendeposisikan sedimen.

Hjulstrm telah melakukan percobaan dan membuat grafik kecepatan rata-rata aliran terhadap ukuran butir. Dimana ada kondisi tertentu atau fasies saat sedimen mengalami erosi, transport atau deposisi. Artinya prose yang menonjol bergantung pada kecepatan dan ukuran butir.

Alternatif lain untuk menentukan kondisi paling menonjol saat transport sedimen adalah dengan tekanan rata-rata bed shear. Tekanan tersebut tidak hanya tergantung pada ukuran butir, tapi juga pada kekasaran bed sungai. Tekanan rata-rata bed shear dapat ditunjukan dengan diagram Shield, yaitu diagram tekanan kritis bed shear versus Angka Boundary Reynold (menunjukan kekasaran bed).

Karena beberapa hal, diagram Shield jarang atau sulit untuk diaplikasikan terhadap sungai alami, walaupun mampu mengindikasikan beberapa control dasar pada transport sedimen.

·         Deposisi fluvial

Kecepatan saat material terdepositkan disebut fall velocity, yang merupakan baik fungsi densitas, ukuran, dan bentuk materialnya, maupun fungsi viskositas dan densitas fluida yang mentransportnya.

Penurunan kecepatan aliran akan mengendapkan butir yang berukuran kasar, sedangkan yang halus masih tertransport, hal ini yang akan menghasilkan pemilahan sedimen.