Tinjauan Hidrolika Aliran Dalam Sistem Penyaluran Air Buangan Domestik Perkotaan

1         Jenis Saluran

Jenis aliran yang berlangsung dalam sistem penyaluran air buangan, yaitu:

Aliran terbuka

Terjadi pada seluruh perpipaan air buangan. Karakteristik dari aliran terbuka ini adalah:

  • Alirannya secara gravitasi.
  • Unsteady (debit berubah terhadap waktu) dan kadang-kadang non-uniform (tidak seragam).
  • Alirannya harus dapat mengangkut material-material yang terkandung dalam air buangan.

Aliran air buangan bertekanan hidrolis

Terjadi pada pipa siphon dan pipa perpompaan. Karakteristik dari aliran ini adalah:

  • Alirannya berlangsung karena tekanan hidrolis.
  • Steady dan uniform.
  • Waktu berlangsungnya harus singkat (kurang dari 10 menit) untuk mencegah septik. Bila melebihi 10 menit harus diinjeksikan udara dengan debit 1 l/menit/mm diameter pipa (Laughlin, 1964).

2         Persyaratan Aliran Air Buangan

Aliran dalam perpipaan air buangan harus memenuhi persyaratan:

  • Self cleansing.
  • Bebas dari terbentuknya H2S dan endapan.
  • Tidak menggerus.

Aliran yang self cleansing

Beberapa hal yang harus diperhatikan untuk aliran self cleansing, yaitu:

  • Aliran self cleansing harus memenuhi kriteria aliran dengan tegangan geser (Tc) sebesar  = 0,33-0,38 Kg/m. kecepatan aliran terendah pada saat debit puncak berlangsung harus berkisar antara 0,6–3,0 m/detik.
  • Kecepatan alirannya tidak mengakibatkan timbulnya gas hydrogen sulfide

Aliran yang bebas dari timbulnya H2S dan endapan

Pameroy memberikan batasan lebih lanjut mengenai aliran yang bebas H2S.

Kemiringan saluran (Qasim, Sewerage and Treatment Plant):

S = [{(P/b) x 3 x E BOD} / {Z (Qpb)1/3}]2 3.1.1
Keterangan:
S = kemiringan pipa riol (m/m)P =  keliling basah pada saat debit maksimal (m)

B = lebar permukaan air pada saat debit maksimum (m)

Z = Pameroy indeks = 7500

∑BOD = BOD efektif atau ultimate =  BOD5(1.07)T-20Jika Z<5000, maka sulfida tidak dihasilkan

Jika  Z= 7500, maka terbentuk sejumlah kecil sulfida

Jika Z≥10.000, maka terbentuk sulfida yang sangat korosif

Kontrol Endapan, berdasarkan gaya gesek kinetis (σc) yang dianjurkan (Paintal 1997), yaitu:

S = 0.0191 [σc / {(Rm/Rf)( Qpb)}3/8]16/13 3.1.2
(MODUTO, Penyaluran Air Buangan)
Keterangan :
S                = kemiringan pipa riol (m/m)Rm            = jari-jari hidrolis saat Qmin (m)

Rf              = jari-jari hidrolis saat aliran penuh (m)

σc                    = gaya geser kritis (kg/m2) → 0.33 – 0.38  kg/m2

Qpb     = debit maksimum musim basah (L/detik)

P                = keliling basah saat debit maksimum (m)

B               = lebar permukaan air saat debit maksimum (m)

EBOD      =BOD efektif → BOD5 x 1,07 (T-20)

Dari kedua persamaan itu dipilih harga S terbesar. Kemiringan (S) lajur pipa riol untuk kecepatan swabersih dapat didekati dengan persamaan sebagai berikut :

S = 11,81 . n2 . D-1/3 3.1.3
Keterangan :
S = kemiringan pipa (m/m)n = koefisien kekasaran manning

D = diameter pipa (m)

Tabel 3.2 Kemiringan Saluran untuk Tiap Diameter

No Diameter (Φ) Kemiringan (%) Tipikal
Inchi mm
1. 4 100 0,45 – 7,4 1,2
2. 6 150 0,40 – 4,93 0,6
3. 8 200 0,39 – 3,70 0,40
4. 10 250 0,29 – 2,96 0,38
5. 12 300 0,22 – 2,47 0,37
6. 14 350 0,17 – 2,11 0,37
7. 15 400 0,15 – 1,85 0,36
8. 16 410 0,14 – ,164 0,36
9. 18 460 0,12 – 1,64 0,36
10. 21 530 0,10 – 1,34 0,36
11. 24 610 0,08 – 1,23 0,36
12 27 690 0,07 – 1,06 0,35
13. 30 760 0,06 – 2,99 0,35
14. 36 910 0,05 – 0,82 0,35
15. 42 1050 0,04 – 0,74 0,35
16. 48 1200 0,03 – 0,74 0,35
17 54 1370 0,03 – 0,74 0,35

Sumber : Qasim, Sewerage and Treatment Plant

Aliran yang tidak menggerus

Penggerusan pada dinding perpipaan terjadi bila:

  • Aliran melebihi batas kecepatan maksimal (V lebih dari 3 m/detik) (Design and Construction of Sanitary and Storm Sewers, 1969)
  • Terjadi aliran kritis apabila aliran memiliki nilai bilangan Freud, F sama dengan 1. Bila lebih dari F1 maka aliran bersifat super kritis, kondisi seperti ini dapat merusak saluran dikarenakan kecepatan alirannya tinggi serta menimbulkan turbulensi yang memungkinkan terjadinya penggerusan serta terjadi olakan yang cukup efektif untuk mempermudah lepasnya H2S dari air. Aliran kritis dalam SPAB terjadi pada:
(a). Perubahan kemiringan saluran
Pada perubahan kemiringan (di manhole) akan terjadi perubahan garis energi yang mempengaruhi karakteristik aliran. Persamaan kedalaman kritis (Fair Geyer, Water and Waste Water Engineering)
Dc/D = 0.9 / (q/A(gd) 0,54) 3.2
Keterangan:
Dc = Kedalaman kritisD = Diameter

Q = Debit (m3/detik)

(b). Loncatan hidrolis
Loncatan hidrolis perlu diperhatikan karena pada kondisi ini terjadi turbulensi sehingga gas yang terlarut dalam air buangan akan terlepas ke udara dan akan mengakibatkan kerusakan dinding pipa baik akibat korosifitas maupun gaya gesek aliran turbulensi. Dalam perencanaan penyaluran air buangan, loncatan kuat yang turbulen harus dihindari karena memiliki bilangan Froud lebih dari 2.5 yang mencerminkan aliran yang turbulen (Chow V T, Hidrologi Saluran Terbuka)
(c). Terjunan
Terjunan sangat berpotensial menimbulkan kerusakan pipa, untuk mengatasinya diusahakan pendesainan kemiringan saluran di hilir sekecil mungkin, yang akan mengakibatkan panjang loncatan diperkecil dan kedalaman meningkat sehingga efek loncatan dapat diperkecil (Fr kecil). Dalam SPAB terjunan biasanya terjadi pada drop manhole.
(d). Belokan
Yang perlu diperhatikan dari belokan adalah kehilangan tekan akibat perubahan arah oleh karena itu dalam perancangan, kehilangan tekan yang besar harus dihindari.
(e). Pertemuan dua ruas saluran
Yang perlu diperhatikan pada pertemuan dua saluran ini adalah kondisi aliran sebelum dan sesudah pertemuan, tetap berlangsung seragam dan tidak mengalami perubahan karakteristik aliran (H E Babbit, Sewerage and Sewage Treatment, 1969).

2.1       Dasar – Dasar Perhitungan

2.2       Persamaan Kontinuitas

Untuk suatu aliran tunak (steady), persamaan kontinuitas adalah sebagai berikut:

Q = A x v = konstan 3.3
Keterangan:  
Q = Debit aliran (m3/detik)A = Luas penampang melintang saluran (m2)

v =  Kecepatan aliran (m/detik)

 

2.3       Dimensi Saluran

Setelah didapatkan debit aliran puncak dalam setiap sektor pelayanan kemudian dikalikan suatu faktor sehingga didapatkan debit saat penuh, baru dilakukan pendimensian pipa. Yang pertama kali yang dilakukan dalam pendimensian adalah menghitung kemiringan tanah, yang dihitung dengan persamaan (H E Babbit, Sewerage and Sewage Treatment, 1969):

St = (E1-E2)/L 3.4
Keterangan :
St = slope tanahE1 = elevasi tanah hulu (m)

E2 = elevasi tanah hilir (m)

L = jarak (m)

Setelah kemiringan tanah diketahui, kemiringan saluran didapat. Kemiringan saluran awal bisa diperkirakan dengan menganggap pipa induk sebagai satu pipa yang panjang. Kedalaman penanaman pipa di awal dan di akhir ditentukan. Setelah itu dihitung kemiringannya dengan persamaan diatas. Untuk menentukan kecepatan aliran digunakan Nomogram Manning, dengan menggunakan nilai kemiringan yang telah didapat, jika kecepatan aliran tidak memenuhi syarat maka perhitungan dimulai lagi dengan cara menetapkan kecepatan yang memenuhi syarat pengaliran terlebih dahulu. Cara lain untuk menentukan kecepatan aliran, baik pada kondisi puncak maupun minimum, adalah dengan mengunakan nomograph Hydraulic Element of Circular Sewer Running Partly Full (Manning Formula). Di dalam metode ini digunakan istilah kecepatan penuh sebagai media perhitungan.

Perhitungan dimensi pipa secara detail dilakukan setelah didapat kecepatan aliran yang memenuhi syarat. Persamaan yang digunakan untuk mendapatkan dimensi pipa adalah sebagai berikut (H E Babbit, Sewerage and Sewage Treatment, 1969):

  V = 1/n x R 2/3 x S ½ = Q/A 3.5a
Keterangan:
V =  Kecepatan aliran (m/detik)Q = Debit aliran (m3/detik)

n = Koefisien kekasaran

A = Luas penampang basah aliran (m2) = ¼ πD2

R = Jari-jari hidrolis aliran

S = Kemiringan saluran

D = Diameter pipa (m)

Jika kecepatan aliran air buangan harus memenuhi persyaratan kecepatan swabersih, maka persamaan lain yang dapat digunakan adalah sebagai berikut (MODUTO, Penyaluran Air Buangan, 1998) :

D = 1,23 (Qpb)0,4 3.5b
Keterangan:
D = Diameter pipa (m)Qpb = Debit puncak musim basah (m3/detik)

3         Fluktuasi Pengaliran

Beberapa hal yang dapat mempengaruhi kuantitas air buangan dan menjadi pertimbangan dalam perhitungan, yaitu:

  • Sumber air buangan
  • Besarnya pemakaian air minum
  • Besarnya curah hujan

Berdasarkan faktor-faktor di atas, maka dalam perencanaan saluran air buangan ada beberapa jenis debit air buangan yang menjadi dasar penentuan, yaitu:

  • Debit rata-rata air buangan  (Qr)
  • Debit inflow (Qinf)
  • Debit harian maksimum harian (Qmd)
  • Debit puncak air buangan (Qpeak)
  • Debit minimum air buangan (Qmin)

3.1       Debit Rata-Rata (Qr)

Debit rata-rata air buangan yang berasal dari rumah tangga, fasilitas umum, fasilitas komersil dalam sebuah kota. Dari semua fasilitas tersebut, tidak semua terbuang menjadi air buangan dan terkumpul di saluran. Hal ini disebabkan karena beragamnya aktivitas yang dilakukan manusia. Menurut literatur, faktor timbulan air buangan berkisar 50%-80% (Metcalf & Eddy, 1991). Untuk menghitung debit rata-rata digunakan persamaan berikut ini:

Qr = Fab x Qam 3.6
Keterangan:
Qr = Debit rata-rata air buangan (l/detik)Fab = Faktor timbulan air buangan

Qam = Besarnya kebutuhan rata-rata air minum (l/detik)

3.2       Debit Rata-Rata non-Domestik

Debit rata-rata non-Domestik adalah debit air buangan yang berasal dari fasilitas umum, institusional, industri dan pemerintahan. Besarnya debit air buangan non-Domestik tergantung dari pemakaian air dan jumlah penghuni fasilitas-fasilitas tersebut.

Qnd = Fab x Qam(nd) 3.7
Keterangan;
Qnd  = Debit rata-rata air buangan non domestik (l/detik)Fab  = Faktor timbulan air buangan

Qam(nd) = Besarnya kebutuhan rata-rata air minum non-Domestik (l/detik)

3.3       Debit Infiltrasi

Dalam suatu sistem penyaluran air buangan, terdapat kemungkinan  terjadinya pertambahan jumlah air yang masuk ke saluran yang berasal dari infiltrasi air tanah dan resapan air hujan. Dalam kondisi ideal, air yang masuk maupun keluar dari sistem penyaluran tidak dibenarkan, tetapi infiltrasi tidak dapat dihindarkan sepenuhnya karena hal-hal berikut:

  • Jenis-jenis bahan saluran dan bahan sambungan yang digunakan.
  • Pengerjaan sambungan pipa yang kurang sempurna.
  • Kondisi tanah dan air tanah.

Beberapa pendapat tentang besarnya aliran infiltrasi tersebut adalah sebagai berikut :

  • Buku “Sewerage&Sewage Treatment”, Harold E Babbit,: besarnya Q infiltrasi adalah 1.240 – 240.000 gpd per mile atau sebesar 0.034–6.57 l/detik/km.
  • Buku “Water Supply&Sewerage”’ Ernest W Steel, besarnya Qinfiltrasi adalah 15.000–50.000 gpd per mile atau sebesar 0.4-1.37  l/detik/km
  • Buku “Piping Hand Book”, Sabin Crocker, besarnya Q infiltrasi adalah 30.000 gpd per mile atau sebesar l/detik/Km
  • Buku “Design&Construction of Sanitary and Storm Sewer”’American Society of Civil Engineers, Q infiltrasi sebesar 140 m3/hari/km atau sebesar 1.62 l/detik/km (hasil studi pada pipa yang sudah usang di Amerika)

Debit infiltrasi akibat air tanah akibat kebocoran pipa dan sambungan tidak diperhitungkan karena:

  • Dalam perencanaan dipilih bahan yang relatif kuat dan kedap air (PVC dan HDPE)
  • Tipe sambungan yang digunakan kedap air seperti fleksibel rubber ring joint.(Community Waste Water Collection and Disposal , D.A. Okun dan G ponghis, 1975)

Debit infiltrasi yang diperhitungkan adalah dari penambahan limpasan air hujan melalui lubang manhole dan tutup-tutup bak kontrol (debit inflow). Terdapat beberapa pendapat mengenai basarnya debit inflow ini, yaitu:

  • Buku “Sewerage&Sewage Treatment”, Harold E Babbit, besarnya debit inflow adalah sebesar 150 gpm/manhole (9,46 l/detik/manhole)
  • Buku “Community Waste Water Colection and Disposal “D.A.Okun dan G.Phongis, besarnya debit inflow adalah 0,00438 l/detik/manhole
  • Buku “Hand Book of Hydraulics Element”, David Sorensen, besarnya debit inflow adalah sepuluh persen dari debit rata-rata air buangan
  • Buku “Design&Construction of Sanitary and Storm Sewer” ’American Society of Civil Engineers, besarnya debit inflow adalah sebesar 76-265 l/mm/manhole (tes terhadap manhole yang terendam sedalam satu inchi).
  • Buku “Penyaluran Air Buangan“, MODUTO, menurut penelitian di Jogjakarta nilai debit inflow di manhole sepanjang jalur riol adalah sebesar 1-3 l/detik/km (kondisi saluran drainase memadai), sedangkan di daerah retikulasi  (masuknya air hujan ke bak kontrol) sekitar 10-30 % dari debit rata-rata

Persamaan untuk menghitung debit infiltrasi yaitu (H E Babbit, Sewerage and Sewage Treatment, 1969):

Qinf = Cr.P.Qr + L.qinf 3.8
Keterangan:
Qinf = Debit infiltrasi (l/detik)Qr = Debit rata-rata air buangan (l/detik.1000Jiwa)

qinf = Debit inflow (l/detik/Lm)

Cr = Koef. infiltrasi rata-rata daerah persil = 0.2-0.3

P = Populasi (dalam ribuan jiwa)

L = Panjang lajur pipa mayor/lateral (km)

3.4       Debit Puncak (Qpeak)

Debit puncak didapat dari hasil perkalian antara faktor puncak dengan debit rata-rata. Untuk menghitung faktor puncak dari beberapa literatur diketahui sebagai berikut:

[1] Persamaan Babbit  
Fp = 5/P 0.2 3.9
[2] Persaman Harmon “Forecasting Sewerage at Toledo Under Dry Weather Condition”  
Fp = 14/(4+P 0.5) 3.10
[3] Persamaan Fair & Geyer “Water Supply & Waste Waste water Disposal”  
Fp = (18+(P)0.5)/(4+P)0.5) 3.11
[4] Persamaan Melbourne & Metropolitan Board Of Works (MMBW)  
Fp = (2.25+(15×106)/P1.414)1/6 3.12
Keterangan :  
Fp = Faktor puncakP = Jumlah penduduk (jiwa)  

Untuk mencari debit puncak, persamaan yang digunakan adalah:

Qpeak = Fp x Qmd + Cr.P.Qr +L/1000.qinf 3.13
Keterangan:
P = Jumlah Populasi yang dilayani (dalam ribuan jiwa)Qmd = Debit maksimal = 1.15 Qr (l/detik)

Qr = Debit rata-rata (l/detik)

L = Panjang pipa(m)

Cr =  Koefisien infiltrasi daerah persil = 0.2

qinf = Debit infiltrsasi

3.5       Debit Minimum Air Buangan (Qmin)

Debit minimum adalah debit air buangan pada saat pemakaian air minimum. Debit minimum ini digunakan dalam menentukan kedalaman minimum, untuk menentukan perlu tidaknya penggelontoran. Persamaan Babbit dapat digunakan untuk menentukan debit minimum, yaitu(H E Babbit, Sewerage and Sewage Treatment, 1969):

Qmin = 0.2 P 1.2. qr 3.14
Keterangan:
Qmin   = Debit Minimum (l/detik)qr = Debit rata-rata air buangan (l/detik/ribuan jiwa)

P = Jumlah penduduk (dalam ribuan jiwa)

 

4         Beban di Atas Saluran

Faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya pembebanan pada saluran :

  • Kedalaman pemasangan saluran
  • Lebar galian
  • Berat dan kerapatan tanah penimbun
  • Volume beban bergerak di atas saluran

4.1       Pembebanan Saluran Akibat Beban Diam

Besarnya beban vertikal pada saluran akibat timbunan dihitung dengan persamaan Marston.

W = c x w x B2 3.15
Keterangan:
W = beban diatas pipa (Newton/m)C = koefisien pembebanan tergantung jenis tanah dan perbandingan kedalaman dan lebar pasir galian.

W = berat jenis tanah penimbunan (kg/m3)

B = 1,5d + c → d = diameter pipa (m)

4.2       Pembebanan Saluran Akibat Beban Bergerak (Roda Kendaraan)

Pembebanan saluran akibat beban bergerak diperhitungkan sebagai persentase dari beban diam. Sedangkan total pembebanan yang diterima saluran adalah penjumlahan dari pembebanan akibat beban diam dan akibat beban bergerak

About these ads

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s