Pengembangan Simulasi Aliran Air Pada

1
Pengembangan Simulasi Aliran Air Pada
Saluran Drainase Kota Menggunakan Pemodelan
Network Flow
Evi Septiana Pane, S.Kom Dr. Ketut Eddy P, ST, MT
(1)
(2)
1) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri ITS Surabaya Indonesia 60111,
email: [email protected]
2) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri ITS Surabaya Indonesia 60111, email: [email protected]
Abstrak— Musim hujan seringkali membawa masalah bagi
penduduk khususnya di yang tinggal di Kota-kota besar.
Kondisi lingkungan yang sangat tidak mendukung
menyebabkan timbulnya genangan di beberapa wilayah.
Genangan dan banjir ini sangat erat kaitannya dengan
aliran air bawah tanah. Dengan mengetahui distribusi
aliran air di saluran air bawah tanah pada saat terjadinya
hujan, maka potensi terjadinya genangan dan banjir
dapat diprediksi sehingga memungkinkan pengambilan
langkah antisipasi.
Sistem ini menggunakan data kontur tanah, data
curah hujan, data jaringan sungai serta saluran/selokan.
Metode prediksi arah aliran air yang akan digunakan
berbasis algoritma push relabel maximum flow. Model
simulasi akan divisualisasikan dengan menggunakan
program berbasis GUI, yaitu bahasa pemrograman Java
Applet.
digunakan algoritma ford fulkerson dan push relabel yang
memperhitungkan faktor ketinggian dari source dan sink
untuk menentukan jalannya aliran antar node [4].
Pada paper ini, yang dijelaskan pertama kali adalah
analisis hidrologis dari sebuah sistem jaringan drainase.
Analisis hidrologis untuk memperoleh nilai debit rencana dan
kapasits saluran. Kapasitas saluran selanjutnya akan
digunakan sebagai nilai kapasitas dalam network flow saluran
drainase, sedangkan debit rencana digunakan sebagai faktor
pembanding dengan kapasitas saluran untuk menyatakan
apakah terjadi genangan (banjir) atau tidak di wilayah
tersebut. Kemudian disusun sebuah network flow dari sistem
jaringan drainase yang digunakan. Selanjutnya dilakukan
routing aliran air berdasarkan algoritma ford fulkerson dan
push relabel.
Kata Kunci— Simulasi Aliran Air, Saluran Drainase, network
flow.
Pengembangan model simulasi aliran air saluran drainase
kota dengan menggunakan network flow mencakup lima
komponen, yaitu : (1) persiapan data jaringan saluran drainase;
(2) analisis hidrologi jaringan saluran drainase; (3) rancangan
network flow jaringan drainase; (4) routing aliran air dengan
algoritma Ford Fulkerson dan push relabel; (5) visualisasi
routing aliran dengan java applet.
I. PENDAHULUAN
Banjir merupakan fenomena alam dimana terjadi kelebihan air
yang tidak tertampung oleh jaringan drainase di suatu daerah
sehingga menimbulkan genangan yang merugikan. Genangan
dan banjir ini sangat erat kaitannya dengan aliran air pada
saluran drainase. Dengan mengetahui distribusi aliran air di
saluran drainase saat terjadinya hujan, maka potensi terjadinya
genangan dan banjir dapat diprediksi sehingga memungkinkan
pengambilan langkah antisipasi. Untuk mengetahui distribusi
aliran air pada saluran drainase dibangun sebuah simulasi
yang menunjukkan distribusi aliran air saat terjadi hujan pada
saluran drainase kota.
Metode simulasi yang digunakan pada penelitian ini
yaitu network flow, yang mengumpamakan saluran drainase
sebagai sebuah graf berarah dimana setiap sisinya memiliki
kapasitas atau bobot dan pada tiap sisi tersebut terdapat arus
(flow) yang mengalir antara 2 simpul yang mengapitnya.
Jumlah arus yang mengalir pada tiap sisi harus lebih kecil atau
sama dengan kapasitas sisi tersebut. Pada metode ini terdapat
permasalahan maximum flow problem. Secara sederhana,
maximum flow problem dideskripsikan sebagai masalah
pencarian untuk mencari arus maksimum yang dapat mengalir
pada sebuah network yang hanya memiliki sebuah source dan
sebuah sink. Permasalahan maximum flow dapat diselesaikan
dengan beberapa algoritma penyelesaian. Pada penelitian ini
II. METODOLOGI
A. Persiapan data jaringan saluran drainase
Data yang disiapkan untuk mendukung penelitian ini, adalah
sebagai berikut :
1) Peta jaringan saluran drainase beserta klasifikasi saluran
2) Data kapasitas masing-masing saluran, yang meliputi :
lebar, panjang, kemiringan, tinggi, dan bentuk penampang
saluran.
3) Data curah hujan di wilayah jaringan drainase
4) Data penggunaan tanah
Data nomor (1), (2) dan (3) diperoleh dari Dinas Bina Marga
dan Pematusan Bagian Pengendalian dan Penanganan Banjir
Kota Surabaya, sedangkan data nomor (4) diperoleh dari
stasiun pencatat hujan Perak. Mekanisme memperoleh data
dilakukan secara langsung dengan menghubungi pegawai
yang berwenang/memiliki data-data tersebut diatas.
B. Analisis hidrologi saluran jaringan drainase
Tahapan analisis hidrologi saluran jaringan drainase dilakukan
untuk memperoleh nilai debit yang terjadi pada sepanjang
saluran dalam jaringan drainase. Untuk menghitung debit itu
2
sendiri dengan menggunakan rumus rasional. Untuk itu
ditentukan terlebih dahulu intensitas hujan yang terjadi pada
Menghitung waktu
konsentrasi
pengaliran lahan dan
saluran
sistem pematusan untuk wilayah tersebut. Secara umum
tahapan pada analisis hidrologi dapat dilihat pada Gbr. 1.
Mendapat nilai
intensitas hujan dgn
rumus talbot & input
waktu konsetrasi
Menghitung debit
rencana dengan
rumus rasional
Menghitung kapasitas primer
dan sekunder dengan asumsi
Menghitung kapasitas
saluranprimer
dalam kondisi penuh
dan sekunder dengan
air (fullasumsi
bank capacity)
saluran dalam kondisi penuh
air (full bank capacity)
Gbr. 1. Tahapan proses dalam Analisis Hidrologis pada saluran drainase
Dari hasil analisis hidrologi diperoleh sebuah nilai kapasitas
saluran yang akan menjadi variabel kapasitas pada vertex dari
jaringan network flow saluran drainase yang disusun. Nilai
debit rencana yang diperoleh digunakan sebagai bahan
pembanding dengan kapasitas saluran apakah pada saluran
tersebut terjadi banjir atau tidak.
C. Rancangan network flow jaringan drainase
Pada dokumen SDMP Tahun 2018 Kota Surabaya, terdapat
peta jaringan saluran drainase yang terdapat di seluruh kota
Surabaya. Sistem pematusan kota Surabaya dibagi menjadi
beberapa rayon , yaitu : Rayon Genteng, Rayon Gubeng,
Rayon Jambangan, Rayon Wiyung dan Rayon Tandes. Pada
setiap rayon terdapat beberapa sistem pematusan kecil. Dari
seluruh sistem pematusan yang ada di kota Surabaya, yang
menjadi fokus penelitian yaitu sistem pematusan Wonorejo
yang berada pada Rayon Jambangan. Dan dari sistem
pematusan tersebut hanya saluran primer dan sekunder saja
yang diperhitungkan, sehingga network flow jaringan drainase
dirancang sesuai dengan peta yang ada dikurangi dengan
saluran tersier. Sambungan atau pertemuan antara dua saluran
digambarkan sebagai sebuah node (edge) dan saluran itu
sendiri digambarkan sebagai vertex, sedangkan arah aliran
juga dimunculkan pada peta. Contoh network flow dari
jaringan saluran drainase akan terlihat pada Gbr. 2.
Gbr.2. Peta Saluran Drainase sebuah wilayah
D. Routing aliran air dengan algoritma Ford Fulkerson dan
push relabel
Luapan air dari sungai dan jaringan selokan akan menyebar
ke jaringan / selokan yang berdekatan dengan tingkat
ketinggian tanah yang lebih rendah. Kemana arah aliran akan
mengalir serta berapa besar kapasitas air yang akan mengalir
melalui sebuah selokan akan ditentukan dengan
menggunakan network flow. Network flow merupakan
directed graph yang memiliki bobot. Bobot dalam hal ini
merupakan nilai kapasitas saluran yang sudah dihitung pada
analisis hidrologi.
Routing aliran air dilakukan dengan dua algoritma
penyelesaian pada maximum flow problem yaitu Ford
Fulkerson dan push relabel. Hal ini dilakukan untuk melihat
perbandingan hasil routing aliran air pada jaringan saluran
drainase. Dan mana diantara keduanya yang lebih efektif dan
efisien dalam menyelesaikan permasalahan routing serta
optimasi aliran air pada jaringan saluran drainase.
E. Visualisasi hasil routing dengan java applet
Hasil rancangan network flow jaringan saluran drainase dan
routing aliran air dengan algoritma push relabel
divisualisasikan dengan menggunakan bahasa pemrograman
Java Applet. Java Applet adalah sebuah class yang dapat
diaktifkan pasa aplikasi web browser seperti Internet Explorer
atau Mozilla Firefox. Java Applet dienkapsulasi sebagai
bagian dari HTML (HyperText Markup Language).
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A.
Analisis hidrologi saluran
Hasil dari analisis hidrologi adalah nilai debit rencana/banjir
dan nilai kapasitas saluran yang selanjutnya akan dijadikan
sebagai variabel capacity dari vertex pada network flow.
Tabel I menunjukkan analisis perbandingan antara nilai debit
rencana dengan kondisi existing kapasitas saluran sekunder
ketintang. Dari tabel tersebut dapat disimpulkan bahwa
kondisi existing Saluran Sekunder Ketintang tidak mampu
menampung sama sekali terhadap debit banjir yang mungkin
terjadi.
3
TABEL I
ANALISIS KONDISI SALURAN EXISTING DIBANDING DEBIT BANJIR RENCANA SALURAN SEKUNDER KETINTANG
Kebutuhan
saluran
analisis
saluran
manhole
Saluran
existing
debit
debit
debit
debit
T = 1.25
T=2
T=5
T = 1.25 T = 2
T=5
meter
meter kem3/det
m3/det
m3/det
m3/det
m3/det
m3/det
m3/det
ketintang
4. - 5
240
240
2.316
2.994
3.797
0.610
meluap meluap meluap
5. - 6
60
300
2.647
3.426
4.338
0.248
meluap meluap meluap
6. - 8
90
390
3.183
4.128
5.210
0.024
meluap meluap meluap
8. - 12
540
930
3.964
5.199
6.458
meluap meluap meluap
12. - 13
150
1080
4.111
5.397
6.694
meluap meluap meluap
B.
Network flow jaringan drainase
Network flow dari jaringan drainase diperoleh dari peta
jaringan drainase pada sistem wonorejo dengan meghilangkan
layer saluran tersier dan layer lain yang tidak diperlukan.
Gambar network flow dari jaringan drainase untuk sistem
Wonorejo secara keseluruhan akan terlihat seperti pada Gbr. 3.
Gbr. 3. Network Flow Saluran Drainase Sistem Wonorejo
Sedangkan hasil dan pembahasan pada paper ini adalah
saluran sekunder ketintang yang terlihat seperti pada Gbr. 4.
berikut.
Gbr. 4. Sebagian network flow pada Saluran sekunder Ketintang
1
C. Hasil routing aliran air dengan algoritma Ford
Fulkerson
Network flow yang digunakan sebagai contoh routing aliran air
dengan menggunakan algoritma Ford Fulkerson adalah
network flow sederhana yang belum disesuaikan dengan
network flow jaringan saluran drainase yang diteliti.
Dari network flow yang digunakan bundaran berwarna ungu
menunjukkan status vertex(node) tersebut sebagai source
sedangkan bundaran berwarna kuning menunjukkan status
vertex(node) sebagai sink. Angka-angka yang berwarna merah
pada setiap vertex(node) merupakan nilai ketinggian suatu
node. Dan angka berwarna biru menunjukkan nilai
flow/capacity dari edge yang dianggap sebagai saluran. Pada
setiap tahap, warna saluran yang dialiri akan berubah menjadi
merah dan nilai aliran serta nilai maximum flow akan berubah
sesuai dengan path yang dialiri.
2
maxflow : 0
maxflow : 1
path : 1-2-4-3-6-7
4
3
4
maxflow : 2
path : 1-2-4-3-7
5
maxflow : 3
path : 1-2-5-7
6
maxflow : 5
path : 1-2-7
7
maxflow : 6
path : 1-3-4-2-7
8
maxflow : 7
path : 1-4-7
9
maxflow : 8
path : 1-4-3-7
1
maxflow : 10
path : 1-4-7
Nilai maximum flow dari diperoleh = 10
IV. KESIMPULAN
Dari hasil analisis hidrologi dan routing aliran air dengan
algoritma Ford Fulkerson yang telah dilakukan, dapat
disimpulkan bahwa :
1. Hasil analisis hidrologi pada saluran sekunder
ketintang dapat disimpulkan bahwa kondisi saluran
existing tidak mampu menampung sama sekali
terhadap debit rencana/banjir yang mungkin terjadi.
Hal tersebut menunjukkan bahwa saluran benar-benar
dalam keadaan memprihatinkan.
2. Untuk routing aliran air dengan algoritma Ford
Fulkerson, nilai ketinggian dari sebuah node (edge)
dianggap sebagai constraint dalam penentuan
augmented path dalam residual network. Sehingga
nilai ketinggian pada setiap node tetap nilainya
3. Supaya hasil simulasi mendekati kondisi nyata di
lapangan, perlu ditambah dengan analisis mengenai
endapan serta analisis hidrolika sifat aliran dalam
saluran drainase.
V. DAFTAR PUSTAKA
Berikut ini merupakan daftar referensi pendukung dalam
penyusunan paper ini :
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Farid, Mohammad. “Pemodelan 2 Dimensi Aliran Banjir Pada
Daerah Perkotaan”. Master Tesis, Teknik Sipil – ITB. Bandung.
2007.
Misra, Rajeev, “Steady Flow Simulation in Irrigation Cannals”.
Journal Sadhana, Vol. 20, Part 6 (1995): 955-969.
Burt C. M. and Gartrell G. “Irrigation-Canal - Simulation Model
Usage”. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 119.4
(1993): 631-636.
Cormen H. T, E. Charles, Leiserson, L. Ronald, Rivest, and Stein
C. “Introduction to Algorithms”, Second Edition. MIT Press and
McGraw-Hill, 2001. Section 26 : Flow Network.
Bappeko Pemkot Surabaya. Laporan Akhir, “Surabaya Drainage
Master Plan 2018”. Mott MacDonald Cambridge UK dan PT.
Tricon Jaya. Surabaya. 2000.
Chow, Ven Te dan Maidment, David R. dan Mays, Larry W,
“Applied Hydrology”, McGraw-Hill Book Company, Singapura,
1988.
Ned H.C. Hwang,”Fundamentals of Hydraulic Engineering
System”, Prentice Hall, 1987.
Wesli. “Drainase Perkotaan”. Graha Ilmu. Yogyakarta. 2008