PROSES HIDROLOGI DALAM LINGKUNGAN
1. Pengertian Hidrologi
Studi tentang air dirasakan semakin penting, terutama di negara-negara berkembang yang masih masalah budaya dan teknologi dalam penelolaan air yang sesuai dengan lingkungannya. Cabang ilmu yang mempelajari tentang air tersebut adalah Hidrologi. Secara etimologi, berasal dari dua kata, yaitu hidro = air, dan logos = ilmu. Dengan demikian secara umum hidrologi dapat berarti ilmu yang mempelajari tentang air.
Konsep yang umum itu, kini telah berkembang sehingga cakupan obyek hidrologi menjadi lebih jelas. Menurut Marta dan Adidarma (1983), bahwa hidrologi adalah ilmu yang mempelajari tentang terjadinya, pergerakan dan distribusi air di bumi, baik di atas maupun dibawah permukaan bumi, tentang sifat fisik, kimia air serta reaksinya terhadap lingkungan dan hubunganya dengan kehidupan.
Gambar 2.1 Obyek Maretial Hidrologi
Berdasarkan konsep tersebut, hidrologi memiliki ruang lingkup atau cakupan yang luas. Secara substansial, cakupan bidang ilmu itu meliputi:
1. asal mula dan proses terjadinya air
2. pergerakan dan penyebaran air
3. sifat-sifat air
4. keterkaitan air dengan lingkungan dan kehidupan
Hidrologi merupakan suatu ilmu yang mengkaji tentang kehadiran dan gerakan air di alam. Studi hidrologi meliputi berbagai bentuk air serta menyangkut perubahan-perubahannya, antara lain dalam keadaan cair, padat, gas, dalam atmosfer, di atas dan di bawah permukaan tanah, distribusinya, penyebarannya, gerakannya dan lain sebagainya. Secara meteorologis, air merupakan unsur pokok paling penting dalam atmofer bumi. Air terdapat sampai pada ketinggian 12.000 hingga 14.000 meter, dalam jumlah yang kisarannya mulai dari nol di atas beberapa gunung serta gurun sampai empat persen di atas samudera dan laut. Bila seluruh uap air berkondensasi (atau mengembun) menjadi cairan, maka seluruh permukaan bumi akan tertutup dengan curah hujan kira-kira sebanyak 2,5 cm.
2. Siklus Hidrologi
Akibat panas yang bersumber pada matahari, maka terjadilah:
1. Evaporasi yaitu penguapan pada permukaan air terbuka (open water) dan permukaan tanah.
2. Transpirasi yaitu penguapan dari permukaan tanaman.
Gambar 2.2. Siklus Hidrologi
Uap air hasil penguapan ini pada ketinggian tertentu akan menjadi awan, kemudian beberapa sebab awan akan berkondensasi menjadi presipitasi (presipitasi = yang diendapkan atau dijatuhkan), bisa dalam bentuk salju, hujan es, hujan, dan embun. Air hujan yang jatuh kadang-kadang tertahan oleh tajuk (ujung-ujung daun), oleh daunnya sendiri atau oleh bangunan dan sebagainya. Hal ini diberi istilah intersepsi. Besarnya intersepsi pada tanaman, tergantung dari jenis tanaman, tingkat pertumbuhan, tetapi biasanya berkisar 1 mm pada hujan-hujan pertama. Kemudian sekitar 20% pada hujan-hujan berikutnya.
Air hujan yang mencapai tanah, sebagian berinfiltrasi (menembus permukaan tanah), sebagian lagi menjadi aliran air di atas permukaan (over land flor) kemudian terkumpul pada saluran. Aliran air ini disebut surface run off.
Hasil infiltrasi sebagian besar menjadi aliran air bawah permukaan (interflow/sub surface flor/through flor). Dan sebagian lagi akan mebasahi tanah. Air yang menjadi bagian dari tanah dan berada dalam pori-pori tanah disebut air soil.
Apabila kapasitas kebasahan tanah/soil moisture ini terlampaui, maka kelebihan airnya akan berperkolasi (mengalir vertical) mencapai air tanah. Aliran air tanah (ground water flow) akan menjadi sesuai dengan hokum-hukum fisika. Air yang mengalir itu pada suatu situasi dan kondisi tertentu akan mencapai danau, sungai, laut menjadi depression storage (simpanan air yang disebabkan oleh kubangan/cekungan), saluran dan sebagainya, mencari tempat lebih rendah.
Sirkulasi air yang berpola siklus itu tidak pernah berhenti dari atmosfir ke bumi dan kembali ke atmosfir melalui kondensasi, presipitasi, evaporasi, dan transpirasi.Pemanasan air samudera oleh sinar matahari merupakan kunci proses siklus hidrologi tersebut dapat berjalan secara kontinu. Air berevaporasi, kemudian jatuh sebagai presipitasi dalam bentuk hujan, salju, hujan batu, hujan es dan salju (sleet), hujan gerimis atau kabut. Pada perjalanan menuju bumi beberapa presipitasi dapat berevaporasi kembali ke atas atau langsung jatuh yang kemudian diintersepsi oleh tanaman sebelum mencapai tanah. Setelah mencapai tanah, siklus hidrologi terus bergerak secara kontinu dalam tiga cara yang berbeda:
(1) Evaporasi/transpirasi - Air yang ada di laut, di daratan, di sungai, di tanaman, dsb. kemudian akan menguap ke angkasa (atmosfer) dan kemudian akan menjadi awan. Pada keadaan jenuh uap air (awan) itu akan menjadi bintik-bintik air yang selanjutnya akan turun (precipitation) dalam bentuk hujan, salju, es. Ketika air dipanaskan oleh sinar matahari, permukaan molekul-molekul air memiliki cukup energi untuk melepaskan ikatan molekul air tersebut dan kemudian terlepas dan mengembang sebagai uap air yang tidak terlihat di atmosfir. Sekitar 95.000 mil kubik air menguap ke angkasa setiap tahunnya. Hampir 80.000 mil kubik menguapnya dari lautan. Hanya 15.000 mil kubik berasal dari daratan, danau, sungai, dan lahan yang basah, dan yang paling penting juga berasal dari tranpirasi oleh daun tanaman yang hidup. Proses semuanya itu disebut Evapotranspirasi.
Gambar 2.3 Evaporasi
(2) Infiltrasi/Perkolasi ke dalam tanah - Air bergerak ke dalam tanah melalui celah-celah dan pori-pori tanah dan batuan menuju muka air tanah. Air dapat bergerak akibat aksi kapiler atau air dapat bergerak secara vertikal atau horizontal dibawah permukaan tanah hingga air tersebut memasuki kembali sistem air permukaan.
Gambar 2.4 Infiltrasi Air
(3) Air Permukaan - Air bergerak diatas permukaan tanah dekat dengan aliran utama dan danau; makin landai lahan dan makin sedikit pori-pori tanah, maka aliran permukaan semakin besar. Aliran permukaan tanah dapat dilihat biasanya pada daerah urban. Sungai-sungai bergabung satu sama lain dan membentuk sungai utama yang membawa seluruh air permukaan disekitar daerah aliran sungai menuju laut.
Air permukaan, baik yang mengalir maupun yang tergenang (danau, waduk, rawa), dan sebagian air bawah permukaan akan terkumpul dan mengalir membentuk sungai dan berakhir ke laut. Proses perjalanan air di daratan itu terjadi dalam komponen-komponen siklus hidrologi yang membentuk sisten Daerah Aliran Sungai (DAS). Jumlah air di bumi secara keseluruhan relatif tetap, yang berubah adalah wujud dan tempatnya.
Gambar 2.6 Sungai Pengendapan Material Gunung Semeru di Lumajang jawa Timur Indonesia
Gambar 2.5 Jumlah di Bumi relatif tetap
Gambar 2.7 Danau sarangan Jawa Timur Indonesia
3. Air Tanah
a. Pengertian Air Tanah
Menurut Herlambang (1996:5) air tanah adalah air yang bergerak di dalam tanah yang terdapat didalam ruang antar butir-butir tanah yang meresap ke dalam tanah dan bergabung membentuk lapisan tanah yang disebut akifer. Lapisan yang mudah dilalui oleh air tanah disebut lapisan permeable, seperti lapisan yang terdapat pada pasir atau kerikil, sedangkan lapisan yang sulit dilalui air tanah disebut lapisan impermeable, seperti lapisan lempung atau geluh. Lapisan yang dapat menangkap dan meloloskan air disebut akuifer. Menurut Krussman dan Ridder (1970) dalam Utaya (1990:41-42) bahwa macam-macam akifer sebagai berikut:
a. Akifer Bebas (Unconfined Aquifer)
yaitu lapisan lolos air yang hanya sebagian terisi oleh air dan berada di atas lapisan kedap air. Permukaan tanah pada aquifer ini disebut dengan water table (preatiklevel), yaitu permukaan air yang mempunyai tekanan hidrostatik sama dengan atmosfer.
Gambar 2.8 Air tanah yang berasal dari infiltrasi
b. Akifer Tertekan (Confined Aquifer)
yaitu aquifer yang seluruh jumlahnya air yang dibatasi oleh lapisan kedap air, baik yang di atas maupun di bawah, serta mempunyai tekanan jenuh lebih besar dari pada tekanan atmosfer.
c. Akifer Semi tertekan (Semi Confined Aquifer)
yaitu aquifer yang seluruhnya jenuh air, dimana bagian atasnya dibatasi oleh lapisan semi lolos air dibagian bawahnya merupakan lapisan kedap air.
d. Akifer Semi Bebas (Semi Unconfined Aquifer)
yaitu aquifer yang bagian bawahnya yang merupakan lapisan kedap air, sedangkan bagian atasnya merupakan material berbutir halus, sehingga pada lapisan penutupnya masih memungkinkan adanya gerakan air. Dengan demikian aquifer ini merupakan peralihan antara aquifer bebas dengan aquifer semi tertekan.
Tolman (1937) dalam Wiwoho (1999:26) mengemukakan bahwa air tanah dangkal pada akifer dengan material yang belum termampatkan di daerah beriklim kering menunjukan konsentrasi unsur-unsur kimia yang tinggi terutama musim kemarau. Hal ini disebabkan oleh adanya gerakan kapiler air tanah dan tingkat evaporasi yang cukup besar. Besar kecilnya material terlarut tergantung pada lamanya air kontak dengan batuan. Semakin lama air kontak dengan batuan semakin tinggi unsur-unsur yang terlarut di dalamnya. Disamping itu umur batuan juga mempengaruhi tingkat kegaraman air, sebab semakin tua umur batuan, maka semakin tinggi pula kadar garam-garam yang terlarut di dalamnya.
Todd (1980) dalam Hartono (1999:7) menyatakan tidak semua formasi litologi dan kondisi geomorfologi merupakan akifer yang baik. Berdasarkan pengamatan lapangan, akifer dijumpai pada bentuk lahan sebagai berikut:
a. Lintasan air (water course), materialnya terdiri dari aluvium yang mengendap di sepanjang alur sungai sebagai bentuk lahan dataran banjir serta tanggul alam. Bahan aluvium itu biasanya berupa pasir dan karikil.
b. Lembah yang terkubur (burried valley) atau lembah yang ditinggalkan (abandoned valley), tersusun oleh materi lepas-lepas yang berupa pasir halus sampai kasar.
c. Dataran (plain), ialah bentuk lahan berstruktur datar dan tersusun atas bahan aluvium yang berasal dari berbagai bahan induk sehingga merupakan akifer yang baik.
d. Lembah antar pegunungan (intermontane valley), yaitu lembah yang berada diantara dua pegunungan, materialnya berasal dari hasil erosi dan gerak massa batuan dari pegunungan di sekitarnya.
e. Batu gamping (limestone), air tanah terperangkap dalam retakan-retakan atau diaklas-diaklas. Porositas batu gamping ini bersifat sekunder.
f. Batuan vulkanik, terutama yang bersifat basal. Sewaktu aliran basal ini mengalir , ia mengeluarkan gas-gas. Bekas-bekas gas keluar itulah yang merupakan lubang atau pori-pori dapat terisi air.
b. Gerakan Air Tanah
Disamping air tanah bergerak dari atas ke bawah, air tanah juga bergerak dari bawah ke atas (gaya kapiler). Air bergerak horisontal pada dasarnya mengikuti hukum hidrolika, air bergerak horisontal karena adanya perbedaan gradien hidrolik. Gerakan air tanah mengikuti hukum Darcy yang berbunyi “volume air tanah yang melalui batuan berbanding lurus dengan tekanan dan berbanding terbalik dengan tebal lapisan (Utaya, 1990:35).
c. Kondisi Air Tanah Dataran Alluvial
Dataran alluvial merupakan dataran yang terbentuk akibat proses-proses geomorfologi yang lebih didominasi oleh tenaga eksogen antara lain iklim, curah hujan, angin, jenis batuan, topografi, suhu, yang semuanya akan mempercepat proses pelapukan dan erosi. Hasil erosi diendapkan oleh air ketempat yang lebih rendah atau mengikuti aliran sungai. Dataran alluvial menempati daerah pantai, daerah antar gunung, dan dataran lembah sungai. daerah alluvial ini tertutup oleh bahan hasil rombakan dari daerah sekitarnya, daerah hulu ataupun dari daerah yang lebih tinggi letaknya. Potensi air tanah daerah ini ditentukan oleh jenis dan tekstur batuan.
Gambar 2.9 Gerakan air tanah dan jenis lapisannya
Daerah pantai terdapat cukup luas di pantai timur Pulau Sumatera, Pulau Jawa bagian Utara dan selatan, Pulau Kalimantan dan Irian Jaya bagian Selatan. Air tanah daerah dataran pantai selalu terdapat dalam sedimen kuarter dan resen yang batuannya terdiri dari pasir, kerikil, dan berinteraksi dengan lapisan lempung. Kondisi air tanah pada lapisan tersebut semuanya dalam keadaan tertekan , mempunyai potensi yang umumnya besar, namun masih bergantung pada luas dan penyebaran lapisan batuan dan selalu mendapat ancaman interusi air laut, apabila pengambilan air tanah berlebihan.
Dataran antar gunung di pulau Jawa terdapat di Bandung, Garut, Madiun , Kediri, Nganjuk, dan Bondowoso, daerah ini sebagian besar dibatasi oleh kaki gunung api. Lapisan batuan terdiri atas bahan klastika hasil rombakan batuan gunung api sekitarnya. Pengertian susunan litologi dari butir kasar ke halus membentuk suatu kondisi air tanah tertekan, cekungan air tanah antar gunung mempunyai potensi yang cukup besar. Beberapa bentuk lahan asal fluvial adalah sebagai berikut:
1. Kipas Alluvial (Alluvial fan)
2. Crevasse-Splays
3. Tanggul alam (Natural lever)
4. Poin bar
5. Dataran banjir
6. Cekungan fluvial (Flood plain)
7. Teras Alluvial
8. Delta
Volume air tanah dalam dataran alluvial di tentukan oleh tebal dan penyebaran permeabilitas dari akifer yang terbentuk dalam aluvium dan dilluvium yang mengendap dalam dataran. Apabila suatu daerah materi penyusunnya atas materi halus (liat/berdebu) umumnya permeabilitasnya kecil, sedangkan suatu daerah yang tersusun atas pasir dan kerikil permeabilitasnya besar. Air tanah yang mengendap di dataran banjir ditambah langsung dari peresapan air susupan. Permukaan air tanahnya dangkal sehingga pengambilan air dapat dengan sumur dangkal.
Dataran alluvial unsur-unsur yang dominan adalah unsur NO2, NO3, Ca, Mg, Si, dan Fe. Kelebihan Nitrit karena pengaruh zat buangan (urine), pembusukan organik dari hasil reduksi nitrat yang ada disekitar air tanah (Karmono dan Joko Cahyo, 1978:11). Hal ini selain dipengaruhi oleh faktor alam juga sebagai aktivitas manusia misalnya adanya lahan pertanian yang mengkonsumsi pupuk organik yang mengandung nitrat.
d. Asal-Usul dan Sifat-Sifat Air Tanah
Adalah hal yang mutlak bagi para birokrat pengelola sumber daya air (tanah), untuk memahami asal-usul (origin) dan sifat-sifat (nature) air tanah, agar tidak terjadi kesalah-pengertian tentang sumberdaya yang dikelola. Kesalah-pengertian tersebut akan menjadikan tujuan mewujudkan kemanfaatan air tanah terutama bagi kaum miskin pengelolaan tidak mencapai sasarannya, bahkan justru akan menimbulkan dampak yang merugikan bagi keterdapatan air tanah itu sendiri serta kaum miskin tersebut.
Hal-hal pokok yang perlu dipahami tentang asal-usul dan sifat-sifat air tanah adalah :
(1) Pembentukan Air Tanah
Air tanah adalah semua air yang terdapat di bawah permukaan tanah pada lajur/zona jenuh air (zone of saturation). Air tanah terbentuk berasal dari air hujan dan air permukan , yang meresap (infiltrate) mula-mula ke zona tak jenuh (zone of aeration) dan kemudian meresap makin dalam (percolate) hingga mencapai zona jenuh air dan menjadi air tanah.
Air tanah adalah salah satu faset dalam daur hidrologi , yakni suatu peristiwa yang selalu berulang dari urutan tahap yang dilalui air dari atmosfer ke bumi dan kembali ke atmosfer; penguapan dari darat atau laut atau air pedalaman, pengembunan membentuk awan, pencurahan, pelonggokan dalam tanih atau badan air dan penguapan kembali (Kamus Hidrologi, 1987). Dari daur hidrologi tersebut dapat dipahami bahwa air tanah berinteraksi dengan air permukaan serta komponen-komponen lain yang terlibat dalam daur hidrologi termasuk bentuk topografi, jenis batuan penutup, penggunaan lahan, tetumbuhan penutup, serta manusia yang berada di permiukaan.
Air tanah dan air permukaan saling berkaitan dan berinteraksi. Setiap aksi (pemompaan, pencemaran dll) terhadap air tanah akan memberikan reaksi terhadap air permukaan, demikian sebaliknya.
(2) Wadah Air Tanah
Suatu formasi geologi yang mempunyai kemampuan untuk menyimpan dan melalukan air tanah dalam jumlah berarti ke sumur-sumur atau mata air – mata air disebut akuifer. Lapisan pasir atau kerikil adalah salah satu formasi geologi yang dapat bertindak sebagai akuifer. Wadah air tanah yang disebut akuifer tersebut dialasi oleh lapisan lapisan batuan dengan daya meluluskan air yang rendah, misalnya lempung, dikenal sebagai akuitard. Lapisan yang sama dapat juga menutupi akuifer, yang menjadikan air tanah dalam akuifer tersebut di bawah tekanan (confined aquifer). Di beberapa daerah yang sesuai, pengeboran yang menyadap air tanah tertekan tersebut menjadikan air tanah muncul ke permukaan tanpa membutuhkan pemompaan. Sementara akuifer tanpa lapisan penutup di atasnya, air tanah di dalamnya tanpa tekanan (unconfined aquifer), sama dengan tekanan udara luar.
Semua akuifer mempunyai dua sifat yang mendasar: (i) kapasitas menyimpan air tanah dan (ii) kapasitas mengalirkan air tanah. Namun demikaian sebagai hasil dari keragaman geologinya, akuifer sangat beragam dalam sifat-sifat hidroliknya (kelulusan dan simpanan) dan volume tandoannya (ketebalan dan sebaran geografinya). Berdasarkan sifat-sifat tersebut akuifer dapat mengandung air tanah dalam jumlah yang sangat besar dengan sebaran yang luas hingga ribuan km2 atau sebaliknya.
Ditinjau dari kedudukannya terhadap permukaan, air tanah dapat disebut (i) air tanah dangkal (phreatic), umumnya berasosiasi dengan akuifer tak tertekan, yakni yang tersimpan dalam akuifer dekat permukaan hingga kedalaman – tergantung kesepakatan – 15 sampai 40 m. (ii) air tanah dalam, umumnya berasosiasi dengan akuifer tertekan, yakni tersimpan dalam akuifer pada kedalaman lebih dari 40 m (apabila kesepakatan air tanah dangkal hingga kedalaman 40 m). Air tanah dangkal umumnya dimanfaatkan oleh masyarakat (miskin) dengan membuat sumur gali, sementara air tanah dalam dimanfaatkan oleh kalangan industri dan masyarakat berpunya.
Sebaran akuifer serta pengaliran air tanah tidak mengenal batas-batas kewenangan administratif pemerintahan. Suatu wilayah yang dibatasi oleh batasan-batasan geologis yang mengandung satu akuifer atau lebih dengan penyebaran luas, disebut cekungan air tanah.
(3) Pengaliran dan Imbuhan Air Tanah
Air tanah dapat terbentuk atau mengalir (terutama secara horisontal), dari titik /daerah imbuh (recharge), seketika itu juga pada saat hujan turun, hingga membutuhkan waktu harian, mingguan, bulanan, tahunan, puluhan tahun, ratusan tahun, bahkan ribuan tahun,, tinggal di dalam akuifer sebelum muncul kembali secara alami di titik/daerah luah (discahrge), tergantung dari kedudukan zona jenuh air, topografi, kondisi iklim dan sifat-sifat hidrolika akuifer. Oleh sebab itu, kalau dibandingkan dalam kerangka waktu umur rata-rata manusia, air tanah sesungguhnya adalah salah satu sumber daya alam yang tak terbarukan.
Saat ini di daerah-daerah perkotaan yang pemanfaatan air tanah dalamnya sudah sangat intensif, seperti di Jakarta, Bandung, Semarang, Denpasar, dan Medan, muka air tanah dalam (piezometic head) umumnya sudah berada di bawah muka air tanah dangkal (phreatic head). Akibatnya terjadi perubahan pola imbuhan, yang sebelumnya air tanah dalam memasok air tanah dangkal (karena piezometic head lebih tinggi dari phreatic head), saat ini justru sebaliknya air tanah dangkal memasok air tanah dalam.
Jika jumlah total pengambilan air tanah dari suatu sistem akuifer melampaui jumlah rata-rata imbuhan, maka akan terjadi penurunan muka air tanah secara menerus serta pengurangan cadangan air tanah dalam akuifer. (Seperti halnya aliran uang tunai ke dalam tabungan, kalau pengeluaran melebihi pemasukan, maka saldo tabungan akan terus berkurang). Jika ini hal ini terjadi, maka kondisi demikian disebut pengambilan berlebih (over exploitation) , dan penambangan air tanah terjadi.
(4). Mutu Air Tanah
Sifat fisika dan komposisi kimia air tanah yang menentukan mutu air tanah secara alami sangat dipengaruhi oleh jenis litologi penyusun akuifer, jenis tanah/batuan yang dilalui air tanah, serta jenis air asal air tanah. Mutu tersebut akan berubah manakala terjadi intervensi manusia terhadap air tanah, seperti pengambilan air tanah yang berlebihan, pembuangan libah, dll
Air tanah dangkal rawan (vulnerable) terhadap pencemaran dari zat-zat pencemar dari permukaan. Namun karena tanah/batuan bersifat melemahkan zat-zat pencemar, maka tingkat pencemaran terhadap air tanah dangkal sangat tergantung dari kedudukan akuifer, besaran dan jenis zat pencemar, serta jenis tanah/batuan di zona takjenuh, serta batuan penyusun akuifer itu sendiri. Mengingat perubahan pola imbuhan, maka air tanah dalam di daerah-daerah perkotaan yang telah intensif pemanfaatan air tanahnya, menjadi sangat rawan pencemaran, apabila air tanah dangkalnya di daerah-daerah tersebut sudah tercemar. Air tanah yang tercemar adalah pembawa bibit-bibit penyakit yang berasal dari air (water born diseases).
sebelumnya - 1 - 2
