Macam-Macam Metode Hidrograf Satuan Sintetis (HSS)

Hidrograf Satuan merupakan merupakan salah satu metode hidrologi yang paling umum digunakan untuk menaksir besarnya banjir di suatu aliran sungai yang diakibatkan oleh hujan di Daerah Aliran Sungai (DAS). Sedangkan pengertian dari Hidrograf sendiri adalah kurva hubungan antara parameter-parameter suatu aliran dan waktu.

Hidrograf Satuan ini membutuhkan data hujan dan debit aliran dalam proses pembuatannya, namun jika tidak tersedinya data-data tersebut maka dapat digunakan secara sintetis yang dikenal sebagai Hidrograf Satuan Sintetis (HSS).

Metode hidrograf sintetis ini dibuat untuk membuat hidrograf limpasan langsung yang berdasarkan parameter-parameter dari Daerah Aliran Sungai yang telah dikembangkan. Metode HSS ini sudah sering digunakan untuk menaksir banjir rancangan dan hasil dari metode ini pun cukup teliti. Di Indonesia, metode perhitungan hidrograf satuan sintetis yang umum digunakan adalah:

• Metode Snyder
• Metode SCS
• Metode Nakayasu
• Metode Gama-1
• Metode ITB

Di bawah ini akan diringkas dengan padat mengenai metode-metode tersebut.

1. HSS Snyder

Metode ini dikembangkan oleh pakar dari Amerika Serikat yang bernama Franklin F. Snyder pada tahun 1938. Pada mulanya, metode ini dikembangkan berdasarkan karakteristik DAS di daerah pegunungan Appalachian di Amerika Serikat.

Pada dasarnya, metode Snyder merupakan metode yang didasarkan pada rumus empiris dan koefisien empiris yang menghubungkan antara unsur-unsur hidrograf (seperti waktu puncak, debit puncak, waktu kelambatan dan waktu rencana) satuan dengan karaktersitik dari DAS (seperti luas DAS, bentuk DAS, topografi, kemiringan saluran, kerapatan sungai dan daya tampung saluran).

Dari unsur-unsur hidrograf tersebut dihubungkan dengan:

1. \(A =\) luas DAS \(\left(km^{2} \right)\)
2. \(L =\) panjang aliran sungai utama \(\left(km \right)\)
3. \(Lc =\) panjang sungai utama \(\left(km \right)\)

Model hidrograf satuan sintetis menurut Snyder:

1. \(tp = 0,75 \cdot Ct \cdot \left(L \cdot Lc \right)^{0,3}\)
2. \(tr = \frac{tp}{5,5}\)
3. \(Qp = 0,75 \cdot \frac{Cp.A}{tp}\)
4. \(T = 72 + 3 \cdot tp\) atau \(T = \frac{5,56}{QpR}\)

Dimana,

• \(tp =\) waktu kelambatan \(\left (jam \right)\)
• \(Qp =\) debit puncak \(\left (m^{3}/detik \right)\)
• \(T =\) waktu dasar \(\left (jam \right)\)
• \(QpR\) = debit per satuan luas \(\left (m^{3}/detik/km^{2} \right)\)
• \(Ct\) dan \(Cp =\) Koefisien-koefisien yang tergantung dari karakteristik DAS (besarnya \(Ct\) mulai dari 0,75 sampai 3,00 sedangkan \(Cp\) di antara 0,90 sampai 1,40)

2. HSS SCS (Soil Conservation Service)

Metode yang pertama kali dikembangkan oleh Victor Mockus pada tahun 1972 di Amerika Serikat, Soil Conservation Service merupakan nama dari sebuah lembaga yang membawahi Departemen Pertanian Amerika Serikat.

Hidrograf satuan SCS yang dikembangkan Victor Mockus ini didasarkan dari hasil pengamatannya terhadap karakteristik hidrograf satuan dari berbagai DAS di Amerika Serikat entah itu yang berukuran kecil ataupun yang berukuran besar.

HSS SCS ini adalah metode yang menggunakan fungsi hidrograf tanpa dimensi untuk menyediakan bentuk standar hidrograf satuan. Selain itu, koordinat hidrograf metode ini sudah ditabelkan, sehingga dapat memudahkan saat proses perhitungan hidrograf.

Dengan begitu, rumus-rumus yang digunakan pada HSS SCS adalah sebagai berikut:

1. \(tp = 0,6 \cdot Tc\)
2. \(Tp = \frac{tr}{2}+tp\)
3. \(qp = \frac{C \cdot A}{Tp}\) 

Dimana,

• \(tp =\) waktu kelambatan/lag time \(\left(jam \right)\)
• \(Tc =\) waktu kosentrasi \(\left(jam \right)\)
• \(Tp =\) waktu naik \(\left(jam \right)\)
• \(tr =\) durasi hujan efektif \(\left(jam \right)\)
• \(qp =\) debit puncak \(\left(jam \right)\)
• \(A =\) luas DAS \(\left(km^{2} \right)\)
• \(C =\) konstanta \(=\) 2,08

3. HSS Nakayasu

Metode HSS Nakayasu dikembangkan oleh Dr. Nakayasu pada tahun 1940 di Jepang. Hidrograf satuan Nakayasu dikembangkan berdasarkan sungai-sungai yang berada di Jepang yang hingga saat ini masih banyak digunakan di Indonesia.

Penggunaan metode HSS Nakayasu memerlukan beberapa karakteristik parameter dari suatu DAS seperti debit puncak, luas DAS, hujan efektif, waktu dari permulaan menuju puncak, waktu konsentrasi, waktu satuan dari curah hujan dan panjang sungai utama.

Dalam hidrograf satuan sintetis dengan pendekatan Nakayasu dapat ditentukan dengan persamaan dan rumus-rumus sebagai berikut

1. \(tg = 0,21 \cdot L^{0,7}\) \(\left(L<15 \right)\)
2. \(tg = L0,058 +0,4 \cdot L\) \(\left(L \geq 15 \right)\)
3. \(tr = 0,75 \cdot tg\)
4. \(Tp = tg + 0,8 \cdot tr\)
5. \(T0,3 = \alpha \cdot tg\) 
6. \(Qp = \frac{C \cdot A \cdot R}{3,6 \left (0,3 \cdot Tp+T0,3 \right)}\)

Dengan kondisi kurva

1. \(Qa = Qp \cdot \left(\frac{1}{Tp} \right)^{24}\) untuk \(\left(0 \leq t \leq Tp \right)\)
2. \(Qd1 = Qp \cdot 0,3 \cdot \left( \frac{1-Tp}{T0,3} \right)\) untuk \(\left(Tp \leq t \leq Tp+T0,3 \right)\)
3. \(Qd2 = Qp \cdot 0,3 \cdot \left(\frac{1-Tp+0,5}{1,5 \cdot T0,3} \right)\) untuk \(\left( Tp+T0,3 \leq t \leq Tp+1,5 \cdot T0,3 \right)\)
4. \(Qd3 = Qp \cdot 0,3 \cdot \left(\frac{1-Tp+1,5 \cdot T0,3}{2 \cdot T0,3} \right)\) untuk \(\left(t \geq Tp+1,5 \cdot T0,3 \right)\)

Dimana,

• \(Qp =\) debit puncak \(\left (m^{3}/dt \right)\)
• \(R =\) hujan satuan \(\left(mm \right)\)
• \(Tp =\) tenggang waktu dari permulaan hujan sampai puncak banjir \(\left(jam \right)\)
• \(T0,3 =\) waktu yang diperlukan oleh penurunan debit, dari puncak sampai 30% dari debit puncak \(\left(jam \right)\)
• \(A =\) luas daerah pengaliran sampai outlet \(\left(km2 \right)\)

4. HSS Gama-1

Metode ini dikembangkan berdasarkan riset dari Dr. Sri Harto terhadap perilaku hidrologi pada 30 DAS yang terletak di Pulau Jawa pada dekade 1980-an yang menggabungkan antara Metode Strahler dan pendekatan Kraijenhorr van der Leur.

Pada HSS Gama 1 ini, variabel yang digunakan dalam perhitungannya merupakan variabel fisik DAS yaitu morfometri DAS. Hal tersebut membuat metode ini menjadi salah satu upaya dalam mengatasi kesulitan pada analisis hidrologi terhadap sungai-sungai yang memiliki data yang terbatas.

Komponen utama yang diperlukan dalam penggunaan metode GAMA-1 ada 3 komponen dasar yaitu waktu naik, waktu dasar, debit puncak. Berikut uraiannya:

1. \(TR = 0,43 \cdot \left(\frac{L}{100 \cdot F} \right)^{3}+1,0665 \cdot SIM+1,2775\)
   • \(TR =\) waktu naik \(\left(jam \right)\)
   • \(L =\) panjang sungai \(\left(km \right)\)
   • \(SF =\) faktor sumber
   • \(SIM =\) faktor simetri
2. \(Qp = 0,1836 \cdot A^{0,5886} \cdot JN^{0,2381} \cdot TR^{-0,4008}\)
   • \(Qp =\) debit puncak \(\left(m^{3}/detik \right)\)
   • \(JN =\) jumlah pertemuan sungai
3. \(TB = 27,4132 \cdot TR^{0,1457} \cdot S^{-0,0956} \cdot SN^{0,7344} \cdot RUA^{0,2574}\)
   • \(TB =\) waktu dasar \(\left(jam \right)\)
   • \(S =\) kemiringan sungai rata-rata
   • \(SN =\) frekuensi sumber
   • \(RUA =\) luas DAS sebelah hulu

Hujan efektif didapat dengan menggunakan metode \(\emptyset\) indeks yang dipengaruhi fungsi luas DAS dan frekuensi sumber SN, dirumuskan sebagai berikut :

• \(\emptyset = 10,4903 – 3,859 \cdot 10^{-6} \cdot A^{2}+1,6985 \cdot 10^{-13} \cdot \left(\frac{A}{SN} \right)^{4}\)
  • \(\emptyset =\) indeks \(\emptyset\) \(\left(mm/jam \right)\)
  • \(A =\) luas DAS \(\left(km^{2} \right)\)
  • \(SN =\) frekuensi sumber

Aliran dasar dapat didekati sebagai fungsi luas DAS dan kerapatan jaringan sungai dengan persamaan sebagai berikut:

• \(QB = 0,4751 \cdot A^{0,6444 \cdot A} \cdot D^{0,9430}\)
  • \(QB =\) aliran dasar \(\left(mm/jam \right)\)
  • \(A =\) luas DAS \(\left(km^{2} \right)\)
  • \(D =\) kerapatan jaringan luas

Besarnya hidrograf satuan dihitung dengan persamaan eksponensial sebagai berikut :

• \(Qt = Qp \cdot e^{\left(-t/K \right)}\)

5. HSS ITB

Metode ini pertama kali dikemgbangkan oleh Dantje Natakusumah pada tahun 2009 berdasarkan prinsip konservasi masa dan definisi hidrograf satuan sintetis.

Seorang engineer yang bertugas di lapangan tentunya memerlukan metode perhitungan yang praktis untuk digunakan. Pada tempat yang datanya terbatas, prosedur yang disarankan adalah input yang relatif sederhana. Hal ini dikarenakan hasil dari hidrograf input data yang relatif sederhana pada HSS, seringkali tidak berbeda jauh dengan HSS dengan input data yang relatif rumit. Sehingga metode ITB menjadi solusi terhadap masalah tersebut.

Terdapat dua cara dalam metode HSS ITB ini, yaitu HSS ITB-1 dan ITB-2 dan dalam perhitungannya, parameter yang diperlukaan berupa fisik dan non-fisik. Untuk parameter fisiknya yaitu luas DAS dan panjang sungai utama. Dari parameter fisik DAS tersebut bisa dihitung elemen-elemen penting yaitu waktu puncak dan waktu dasar, debit puncak dan bentuk dari hidrograf satuan.

Rumus-rumus yang digunakan pada metode HSS ITB-1 dan ITB-2 akan dijabarkan sebagai berikut:

1. Time lag untuk ITB-1 
   • \(tp = C1 \cdot 0,81225 \cdot L^{0,6}\)
2. Time lag untuk ITB-2
   • \(tp = 0,21 \cdot L^{0,7}\) \(\left(L<15 km \right)\)
   • \(tp = 0,527 + 0,058 \cdot L\) \(\left(L geq 15 km \right)\)
3. Waktu puncak
   • \(Tp = tp + 0,50 \cdot Tr\) persamaan Snyder
   • \(Tp = tp + 0,60 \cdot tp\)  persamaan Nakayasu
4. Waktu dasar
   • \(Tb = \left(10s/d20 \right) \cdot Tp\)
5. Bentuk dasar hidrograf satuan ITB-1
   • \(q(t)= exp \cdot \left \{ 2-t- \frac{1}{t} \right \}^{\alpha \cdot Cp}\)
6. Bentuk dasar hidrograf satuan ITB-2
   • \(q(t)=t^{\alpha}\) lengkung naik \(\left(0 \leq t \leq 1 \right)\)
   • \(q(t) = exp \cdot \left \{1-t^{\beta \cdot Cp} \right \}\)
     • Harga koefisien standar pada ITB-1 adalah \(\alpha = 1,50\) jika menggunakan persamaan Snyder dalam perhitungan lag time \(\alpha = 0,62\) jika menggunakan persamaan Nakayasu.
     • Untuk ITB-2, \(\alpha = 2,50; \beta = 1,00\) jika menggunakan persamaan Snyder dalam perhitungan lag time \(\alpha = 2,50; \beta = 0,72\) jika menggunakan persamaan Nakayasu.
7. Debit puncak
   • \(Qp = \frac{R}{3,6 \cdot Tp} \cdot \frac{ADAS}{AHSS}\)
   • \(Qp =\) debit puncak \(\left(m^{3}/detik \right)\)
   • \(R =\) curah hujan satuan \(\left(mm \right)\)
   • \(Tp =\) waktu puncak \(\left(jam \right)\)
   • \(ADAS =\) luas DAS \(\left(km^{2} \right)\)
   • \(AHSS =\) luas kurva hidrograf satuan tak berdimensi