Karakteristik Aliran Air dalam Model Saluran Terbuka Menuju Kajian Hidrolika Erosi dan Transport Sedimen

## KARAKTERISTIK ALIRAN AIR DALAM MODEL SALURAN TERBUKA MENUJU KAJIAN HIDROLIKA EROSI DAN TRANSPOR SEDIMEN
Bakhtiar 1 , Joetata Hadihardaja 1
Diterima 12 Maret 2009

## ABSTRACT
This paper is prepared as a comprehensive resume of results of continuing research of the author at Fluid Mechanics and Hydro dynamics Laboratory,  Departement  of Civil Engineering, Engineering Faculty, Sangga Buana YPKP University, in collaborating with lecturer  team  and  last  year  student  researchers.  The  propose  of  this  research  is  to prove  theoretical  and  mathematical  of  fluid  mechanics  and  fluid  dynamics  with observation  and  measurements  to  the  real  water  flow  in  laboratory  channel  model. Two  parts  of  experiments  was  done,  first  allowing  water  discharge  in  glass  ditch model, and second with add the bottom channel with sand layer. So these research included  the  difference  viscosity  of  fluids.  The  results  proved  that  theoretical  and mathematical models of fluid mechanics and fluid dynamics characteristic are agreed with experimental observations and measurements in laboratory. Those characteristics included discharge, velocity, flow depth, Froude number, hydraulic radius, and shear stress. Next, these research also propose to be continue to observe the characteristic of sediment transport in water flow.
Keywords :  Theoretical  discharge,  theoretical  velocity,  Froude  number,  observed discharge, observed velocity, water flow depth, hydraulic radius, shear stress.

## ABSTRAK
Makalah ini merupakan rangkuman hasil pekerjaan penelitian yang dilakukan penulis selama  di  Laboratorium  Mekanika  Fluida  dan  Hidrodinamika  Jurusan  Teknik  Sipil Universitas Sangga Buana YPKP, bersama tim dosen dan para mahasiswa tugas akhir. Tujuan  penelitian  terutama  adalah  untuk  pembuktian  model-model  teoritik  melalui
1 S3 Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Kampus Peleburan Jl. Hayam Wuruk Semarang Email : bakhtiar_usb@yahoo.co.id (081394936664)

## MEDIA KOMUNIKASI TEKNIK SIPIL
BMPTTSSI
pengamatan  langsung  aliran  air  nyata  dalam  saluran  yang  dimodelkan.  Dua  bagian eksperimen  telah  dilakukan  yaitu  dengan  saluran  kaca  dan  saluran  kaca  yang dasarnya  dihampar  pasir,  dengan  demikian  aliran  air  pada  eksperimen  kedua  akan membawa  pasir,  sehingga  penelitian  ini  menguji  karakteristik  dua  aliran  dengan viskositas yang berbeda. Hasil menunjukkan bahwa karakteristik aliran air di saluran terbuka yang diturunkan secara teoritik dan didekati dengan model matematik sesuai dengan  hasil  pengamatan  dan  pengukuran  pada  model  saluran  di  laboratorium. Karakteristik  yang  terbuktikan  menyangkut  debit,  kecepatan,  kedalaman  aliran, bilangan  Froude,  jari-jari  hidrolis,  dan  tegangan  geser.  Penelitian  ini  ditujukan  pula untuk mendalami aspek transportasi sedimen, sebagai penelitian lanjutannya.
Kata  kunci :  Debit  teoritik,  kecepatan  aliran  teoritik,  bilangan  Froude,  debit pengamatan,  kecepatan  aliran  pengamatan,  kedalaman  aliran pengamatan, jari-jari hidrolis, tegangan geser.

## PENDAHULUAN
Penelitian ini
bertujuan untuk mendalami  karakteristik  dasar  dan hubungan  antar  variabel  menyangkut aliran  air  dalam  suatu  saluran  terbuka, dengan  jalan  membandingkan  antara hasil  penurunan  logika  dan  rumus matematis  dengan  hasil  pengukuran langsung variabel aliran air dalam suatu model saluran terbuka yang dialiri air di laboratorium.  Dalam  penelitian  ini diupayakan  pula  pemodelan  untuk menuju  pengenalan  erosi  dan  hidrolika transpor sedimen, dengan jalan menambahkan lapisan pasir pada dasar model  saluran  yang  terbuat  dari  kaca lalu  di  alirkan  air  kedalamnya  dan iamati  serta  diukur  variabel-variabel dasarnya.
Karakteristik dan variabel-variabel dasar aliran air yang menjadi objek pengamatan  dan  pembahasan  dalam penelitian  ini  adalah  :  Beda  tinggi permukaan air, kecepatan aliran, energi spesifik, keliling basah, jari-jari hidrolis, debit  aliran,  bilangan  Freude,  beda energi, luas basah, dan tegangan geser.

## Karakteristik Aliran Air Menurut Pendekatan Teoritik Dan Model Matematik
Material  yang  ada  di  alam  dapat berwujud  padat,  cair,  gas.  Semua material  dapat  berubah  wujudnya  dari padat  menjadi  cair  atau  dari  cair menjadi  gas  dan  sebaliknya.  Pada semua material dapat terjadi perubahan bentuk (deformasi). Apabila pada benda padat  diberi  gaya  geser  yang  relatif besar maka akan menimbulkan deformasi  yang  relatif  kecil,  namun sebaliknya  apabila  pada  benda  cair (fluida)  diberi  gaya  geser  yang  relatif kecil maka akan menimbulkan tegangan geser  yang  relatif  besar.  Fluida didefinisikan  sebagai  suatu  substansi yang  terus  menerus  berdeformasi apabila  diberi  gaya  geser.  Tegangan geser pada fluida nyata akan timbul jika fluida  nyata  tersebut  dalam  keadaan bergerak  dan  memiliki  kekentalan (viskositas).  Pada  fluida  ideal  ( ideal fluids )  tidak  memiliki  kekentalan  (tidak berviskositas)  dan  tidak  ada  tegangan geser dalam keadaan bergerak. Tegangan  geser  dalam  fluida  bervis- kositas  merupakan  hasil  dari  gerak relatif  antara  lapisan  aliran  yang  satu
Karakteristik Aliran Air dalam Model Saluran Terbuka Menuju Kajian Hidrolika Erosi dan Transport Sedimen
dan  lapisan  yang  lain,  jika  terjadi pembesaran  tegangan  relatif  maka akan mengakibatkan terjadinya pembe- saran  tegangan  geser.  Aliran  disebut laminer  apabila  hanya  tegangan  geser akibat  viskositas  yang  ada.  Pada  kasus ini  setiap  partikel  fluida  bergerak  pada lintasan  yang  sejajar  dengan  garis pembatas  (antar  lapisan  aliran).  Dalam kenyataan  aliran  yang  terjadi  dalam saluran  biasanya  bukan  aliran  laminer tetapi  menunjukkan  ciri  lain  yang disebut  turbulensi.  Dalam  keadaan nyata  gerak  fluida  adalah  tidak beraturan  dalam  waktu  dan  ruang, pada  teknik  analisis  hidrolika  didekati dengan  penyederhanaan,  antara  lain dengan mengambil kecepatan rata-rata. Viskositas  suatu  fluida  ditentukan  oleh tingkat  hambatan  yang  ditimbulkan pada  aliran  fluida  bersangkutan, hambatan  geser  terukur  sebagai  gaya geser  total,  dimana  gaya  geser  adalah tegangan  geser  per  satuan  luas (Makrup,  2001).  Menurut  postulat Newton  tegangan  geser  dalam  fluida sebanding  dengan  tingkat  perubahan kecepatan pada satu potongan melintang  aliran,  disebut  gradien kecepatan  yaitu  merupakan  tingkat perubahan  waktu  pada  deformasi sudut.  Untuk  fluida  dengan  viskositas tinggi dan aliran fluida dalam kecepatan rendah  maka  fluida  mengalir  dalam lapisan  yang  paralel,  dengan  tegangan geser  (  )  pada  setiap  harga  z,  adalah seperti persamaan (1).
dz du    ......................................(1)
Dengan  adalah  faktor  proporsio- nalitas  (kesebandingan)  yang  dikenal sebagai  viskositas  dinamik.  Sedangkan
viskositas  kinematik  (  )  didefinisikan sebagai  perbandingan  antara  viskositas dinamik dan rapat massa, digambarkan oleh persamaan (2).

##     ..........................................(2)
Untuk  memberi  gambaran  tentang gerak fluida dalam batas ruang tertentu dibutuhkan  persamaan  dasar  yaitu persamaan kontinuitas (konservasi massa)  dan  persamaan  gerak  (kon- servasi  momentum)  yang  berkaitan dengan Hukum Newton II (1642-1727). Persamaan  gerak  fluida  tak  bervis- kositas  disebut  persamaan  Euleur (1707-1783),  dimana  integrasi  dari persamaan  ini  untuk  kondisi  aliran tunak  tidak  mampat  dan  tidak  berotasi menghasilkan persamaan Bernoulli (1700-1782).
Persamaan Bernoulli dapat  menjelaskan  karakteristik  aliran fluida  tak-berviskositas  yang  berkaitan dengan  kecepatan,  tekanan  dan elevasi,  dan  dapat  diaplikasikan  untuk fluida  berviskositas  dengan  syarat viskositas  diabaikan.  Gerak  pada  aliran fluida  berviskositas  dapat  digambarkan oleh  persamaan  Navier-Stokes  (Claude Louis Navier, 1785-1836 dan Sir George Gabriel  Stokes  1819-1903),  dimana aplikasi persamaan Navier-Stokes untuk aliran  turbulen  bisa  diturunkan  melalui persamaan Reynold (1842-1912).
Aliran  yang  lewat  pada  potongan memiliki  vektor  kecepatan  v  dan  luas potongan  dA,  maka  besarnya  flux massa  dan  flux  volume  yang  lewat potongan  dapat  digambarkan  oleh persamaan (3) dan (4).
Flux massa =  A vdA  ....................(3)
Flux volume =   A kons vdA tan ......(4)
Percepatan  aliran  fluida  berubah-ubah dalam  ruang  dan  waktu,  dapat digambarkan persamaan (5).
dt dr t r f v / ) , (   .......................(5)
Dengan :
    Wk Vj Ui v vektor  kecepatan fluida dengan komponen ruang U,V,W     zk yj xi r vektor
posisi dengan komponen ruang x,y,z
Persamaan  keseimbangan  massa  atau persamaan  konservasi  massa  tiga dimensi  untuk  fluida  tak-mampu- mampat  ( incompressible  fluid )  dapat digambarkan  dalam  notasi  skalar  oleh persamaan (6) dan dalam notasi vektor persamaan (7).
0          z W y V x U .......................(6) v v div .   ............................(7)
Persamaan  keseimbangan  momentum (Hukum Newton II) dalam notasi vektor dapat ditulis seperti persamaan (8) dan dalam  notasi  skalar  adalah  persamaan (9).
) ( mv d Fdt  .................................(8) z z y y x x ma t W m F ma t V m F ma t U m F             ; ;
......................................................(9)
Persamaan kekekalan momentum untuk fluida  tak-berviskositas  ( 0   )  dapat digambarkan  oleh  persamaan  Euleur,
yaitu  secara  vektor  oleh  persamaan (10)  dan secara skalar  oleh persamaan (11).
gk p
Dt Dv      1 .........................(10) x p z U W y U V x U U t U                 1 y p z V W y V V x V U t V                 1 g z p z W W y W V x W U t W                  1
....................................................(11)
Dari persamaan-persamaan
diatas kemudian  melalui  penyederhanaan dimensional,  diturunkan  Hukum  Ber- noulli,  yang  berlaku  pada  setiap  titik dalam  medan  aliran  untuk  aliran langgeng tak-berotasi, yaitu persamaan (12).
tan 2 2 kons z g p g v H e     
.......(12)
Untuk  fluida  dengan  viskositas  tidak sama  dengan  nol  ( 0   ),  persamaan kekekalan  momentum  dijelaskan  oleh persamaan  Navier-Stokes,  secara  vek- tor  oleh  persamaan  (13)  dan  secara skalar  dalam  koordinat  cartesians  oleh persamaan (14).
gk v v p v v Dt Dv         ) ( 1 ) . ( 2  ....(13)                               2 2 2 2 2 2 1 z V y V x V y p z VW y VV x UV t V  
Karakteristik Aliran Air dalam Model Saluran Terbuka Menuju Kajian Hidrolika Erosi dan Transport Sedimen
                                2 2 2 2 2 2 1 z U y U x U x p z UW y UV x UU t U   g z W y W x W z p z WW y VW x UW t W                                2 2 2 2 2 2 1  
........................................................................................................................(14)
Dari  hasil  percobaannya  Reynold menyimpulkan  perubahan  dari  aliran laminer  ke  aliran  turbulen  akan  terjadi pada  suatu  besaran  dengan  nilai  batas tertentu  yang  dikenal  sebagai  bilangan Reynold  ( R e ),  yang  mengekspresikan nilai  perbandingan  antara  gaya  inersia dan  gaya  viskositas,  yaitu  persamaan (15).
v UL R e  ....................................(15)
Dimana : U  = skala kecepatan L  = skala panjang
V = koefosien kekentalan kinematik.
Untuk menghitung
debit aliran, berdasarkan  data  empirik  untuk  aliran turbulen,  formula  perhitungan  debit pertama  kali  dikemukakan  oleh  Chezy (1718-1783)  yaitu  persamaan  (16), kemudian  koefisien  Chezy  dikem- bangkan  oleh  Robert  Manning  (1816- 1897)  yaitu  persamaan  (17)  dan koefisien  untuk  kecepatan  rata-rata menjadi  persamaan  (18),  kemudian oleh Strickler (1923)
menjadi persamaan (19).
5 , 0 ) ( e Ri CA Q  ; e Ri C u  .....(16)
Dimana : Q  = debit pengaliran [m 3 /det] A  = luas tampang aliran [m 2 ] u = kecepatan  rata-rata  tampang aliran [m/det]
C  = konstanta Chezy [m 0,5 /det] R  = jari-jari hidrolis
e i = kemiringan garis energi.
6 / 1 1 R n
C  .................................(17)
2 / 1 3 / 2 1 e e i R n Ri C u   .............(18)
Dimana : n  = koefisien kekasaran Manning R  = jari-jari  hidrolis  yaitu  penampang basah  saluran  dibagi  keliling basah saluran ( R = A/P ).
2 / 1 3 / 2 e s e i R K Ri C u   ............(19)
dengan  keoefisien  kekasaran  strickler
n K s 1 
Strickler  (1923)  mendefinisikan  nilai kekasaran  Manning n sebagai  fungsi dari  ukuran  partikel  (Morris  dan  Fan, 1998),  yaitu  seperti  pada  persamaan (20).
1 . 21 6 / 1 50 d n  ....................................(20)
Disamping  aliran  laminer  dan  turbulen, pembagian  jenis  aliran  fluida  berda- sarkan  fungsi  kecepatan  terhadap waktu,  dikenal  pula  aliran  langgeng atau  aliran  tunak  ( steady) dan  tak lenggeng  ( unsteady ),  aliran  langgeng jika kecepatan pada satu titik sepanjang  waktu  konstan  (untuk  satu
dimensi ) 0 /    t U .  Jadi  untuk  aliran turbulen, aliran langgeng adalah apabila kecepatan  aliran  rata-rata  sepanjang waktu  pada  suatu  tampang  lintang aliran adalah konstan.   Aliran langgeng terdiri dari aliran langgeng seragam dan aliran  langgeng  tidak  seragam.  Aliran langgeng  seragam  merupakan  aliran dengan  kecepatan  rata-rata  sepanjang alur  aliran  sama  sepanjang  waktu ( 0 /    t u dan
0 /    x u ),  aliran seragam dapat dibagi berdasarkan pola perambatan gelombang menjadi 3 jenis aliran,  yaitu  aliran  sub  kritik,  aliran kritik,  dan  aliran  superkritik.  Untuk identifikasi  3  jenis  aliran  ini  dapat digunakan  bilangan  Froude, r F (William Froude,  1810-1879),  yang  merupakan perbandingan  antara  kecepatan  rata- rata kedalaman ( u ) dengan cepat rapat gelombang  ( c ),  yaitu  persamaan  (21). Aliran disebut super kritik apabila F r >1, kritik F r =1, dan sub kritik F r <1. gh u c u F r   ...........................(21)
Dimana : U = kecepatan aliran g = percepatan gravitasi h = kedalaman aliran.
Aliran  langgeng  tak  seragam  adalah aliran dengan kecepatan pada satu titik sepanjang  waktu  adalah  konstan ( ) 0 /    t u tetapi  kecepatan  sepan- jang  arah  aliran  tidak  konstan ( ) 0 / , 0 /       y u x u .  Ketidakse- ragaman  diakibatkan  perubahan  pe- nampang basah akibat adanya penghalang,  atau  perubahan  dasar saluran.  Terdapat  dua  tipe  aliran  tak seragam,  yaitu  aliran  berubah  lambat ( gradually  varied  flow )  dan  aliran
berubah  cepat  ( rapidly  varied  flow ). Dalam  aliran  berubah  cepat,  variasi kedalaman,  lebar,  dan  kecepatan terjadi  pada  jarak  yang  pendek  dalam saluran,  serat  aliran  memiliki  keleng- kungan  yang  tajam,  tekanan  yang terjadi  pada  aliran  bukan  tekanan hidrostatik.  Contohnya  adalah  aliran pada puncak mercu, aliran jatuh bebas, dan loncatan air.
Adanya  suatu  benda  (butiran  sedimen) dalam medan aliran, akan menimbulkan diterimanya  gaya-gaya  oleh  benda tersebut  dari  fluida  yang  sedang bergerak,  apabila  ada  kecepatan  relatif antara  fluida  dan  benda.  Gaya  fluida yang  bekerja  pada  arah  gerak  dari benda, disebut gaya seret ( drag force ), dan  yang  bekerja  tegak  lurus  dengan arah gerak benda, disebut gaya angkat ( lift  force ).  Komponen  parameter  gaya dan  kecepatan  yang  bekerja  pada butiran  sedimen  terdiri  dari  kecepatan awal, ] , [ 0 0 0 z x V V V  ;  kecepatan  rela-
tif, ( rt V ); gaya berat, ( G F ); gaya ang- kat,  ( L F )  dan  gaya  seret  ( D F ),  lihat Gambar 1.
Gambar 1 Gaya pada butiran sediment dalam aliran (sumber: Makrup, 2001)
Karakteristik Aliran Air dalam Model Saluran Terbuka Menuju Kajian Hidrolika Erosi dan Transport Sedimen
Gaya  seret  dapat  di  ekspresikan  oleh persamaan  (22),  gaya  akibat  perce- patan  gravitasi  oleh  persamaan  (23), dan gaya angkat oleh persamaan (24).
A u C F D D 2 2 / 1   .....................(22) Dimana : D C = koefisien gaya seret u=u 0 = kecepatan aliran A = potongan  dari  benda  normal dalam arah aliran
 = rapat massa fluida.
6 / ) ( 3 D g F s G      ...............(23) A u C F L L 2 0 2 1   ........................(24)
Dimana :
L C = koefisien gaya angkat.
Transpor sedimen
berupa pasir menurut  observasi  Yang  (1983,  dalam Morris  dan  Fan,  1998)  berbasis  pada korelasi  antara  transpor  sedimen dengan  satu  varibel  hidrolika  menggu- nakan salah satu dari persamaan dasar (25) sampai persamaan (30).
B cr s Q Q A q ) (   .......................(25)
B cr s V V A q ) (   .......................(26)
B cr s S S A q ) (   .......................(27)
B cr s A q ) (     .........................(28)
B cr cr s V V A q ) (     ...................(29)
B cr cr s S V VS A q ) (   ..................(30)
Dimana :
s q = debit sedimen per  satuan lebar saluran
Q
= debit air V = kecepatan rata-rata S = energi kemiringan permukaan air  = adalah tegangan geser di dasar saluran
V  = daya seret per unit luas dasar saluran VS
= satuan daya seret
A dan B = parameter yang berhubungan dengan kondisi hidrolis dan kondisi sedimen dan memiliki nilai berbeda di tiap persamaan.

## MODEL LABORATORIUM DAN DISAIN EKSPERIMEN
Penelitian  dilakukan  di  laboratorium dengan  menggunakan  model  saluran terbuka terbuat dari kaca dengan tinggi 27cm,  lebar  15cm  dan  panjang  355cm serta ketebalan kaca 5mm. Eksperimen dilakukan  dengan  variasi  tahapan percobaan  yaitu  pertama  mengalirkan air  di  dalam  saluran  kaca  lalu  tahap berikutnya  mengalirkan  air  di  dalam sluran  kaca  yang  sama  tetapi  dasar saluran  ditambahkan  lapisan  pasir. Ekperimen  lain  dilakukan  pula  pada kondisi model saluran ditambah lapisan pasir  dan  ditempatkan  model  ambang terbuat dari  kayu. Alat yang  digunakan dalam  penelitian  eksperimen  ini  ter- masuk : pompa air, alat ukur debit, alat ukur  kecepatan,  meteran,  kamera, sekop  kecil,  plat  strip.  Pengamatan, pengukuran  dan  pencatatan  dilakukan terhadap  variasi  besaran  dari  varibel  : debit  aliran  air  (yang  diatur  dengan harga  ber  beda),  kedalaman  aliran  air, kedalaman  pasir,  kecapatan  aliran, kedalaman gerusan pasir.

## ANALISIS DAN PEMBAHASAN
Untuk  menentukan  suatu  aliran  air nyata  dalam  klasifikasi  jenis  alirannya (laminer-turbulen,  seragam-tak  sera- gam, langgeng-tak langgeng, sub kritik- kritik-super  kritik,  berubah  lambat- berubah  cepat),  ternyata  tidak  serta- merta  dapat  dipastikan  langsung. Diperlukan  suatu  upaya  berupa  perco- baan,  pengamatan,  pengukuran  dan pencatatan secara berulang-ulang. Dalam  penelitian  ini  upaya  tersebut dilakukan untuk membandingkan karak- teristik teoritik dengan kenyataan aliran air  yang  diamati  melalui  suatu  model saluran  di  laboratorium.  Percobaan dilakukan berulang-ulang dengan menetapkan  variasi  debit,  perubahan kondisi  dasar  saluran  (yaitu  dengan penghamparan pasir), dan penempatan model  ambang  melintang  model saluran.
Pencatatan  dilakukan  terhadap  debit, kedalaman  air  pada  beberapa  titik pengamatan  dengan  jarak  divariasikan. Setiap  variasi  akan  merupakan  suatu set kondisi aliran, dan dilakukan analisa perhitungan  serta  penggambaran  hu- bungan  antar  variabel  karakteristik aliran,  baik  hasil  pengamatan  maupun hasil  hitungan.  Hasilnya  adalah  seperti tersaji  dalam  Gambar  (2)  sampai Gambar (21).
Grafik tinggi permukaan air (kedalaman aliran)  terhadap  nilai  bilangan  Froude (persamaan  21)  untuk  kondisi  debit berbeda  adalah  Gambar  2  untuk  debit 269,726 cm 3 /det, Gambar 3 untuk debit 539,452  cm 3 /det,  dan  Gambar  4  untuk
debit    1338,  215  cm 3 /det,  pada  lebar model  saluran  yang  sama,  dan  aliran diatur  oleh pompa. Pengambilan selisih skala  0,02  untuk  nilai  bilangan  Freud untuk  debit  539,452  cm 3 /det  (Gambar 4),  dan  untuk  nilai  bilangan  Froude antara  0,20-0,360  menunjukan  suatu hubungan  yang  sesuai  dengan  model matematik  karakteristik  aliran,  dimana nilai  bilangan  Froude  berbanding terbalik  dengan  kedalaman  aliran. Kondisi  ini  menunjukan  ciri  identitas jenis  aliran  laminer,  seragam,  tunak, sub kritik.
Hubungan  antara  kecepatan  aliran (persamaan  17,  18  dan  19)  terhadap tinggi  permukaan  air  tertera  pada Gambar  5,  Gambar  6,  dan  Gambar  7, untuk  nilai  besaran  debit  berbeda. Gambar  6  menunjukan  ciri  kejadian yang  sama  dengan  Gambar  3.  Grafik yang  merupakan  penggambaran  hasil pengamatan  menunjukan  kesesuaian dengan  model  teroritik  matematis secara  jelas,  dimana  untuk  meng- hasilkan  debit  yang  sama  tinggi  muka air  makin  kecil  dengan  semakin besarnya  kecepatan.  Pada  pasangan Gambar 2 dan Gambar 5 serta Gambar 4  dan  Gambar  7,  kesesuaian  antara model  teoritik  matematis  dan  penga- matan  tidak  mudah  disimpulkan,  ini menunjukkan  bahwa  aliran  air  yang terjadi  semakin  hilang  ciri  laminer, seragam,  dan  tunaknya,  sementara  itu penentuan  sub-kritik  atau  kritik,  tidak terlalu  mudah  juga  untuk  diamati, mengingat  pengukuran  sulit  dilakukan ketika ciri tunak (langgeng, steady ) dan ciri laminer mulai bergeser.
Karakteristik Aliran Air dalam Model Saluran Terbuka Menuju Kajian Hidrolika Erosi dan Transport Sedimen
Grafik Tinggi Permukaan Air (Y) vs Bilangan Froude (F)
Debit 269,726 cm 3 /det 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Tinggi M uka Air (Y) B il a n g a n F ro u d e ( F ) Gambar 2. Grafik Hubungan Tinggi Permukaan Air (Y) dengan Bilangan Frounde (F) dimana Debitnya 269.726 cm 3 /det
Grafik Tinggi Permukaan Air (Y) vs Bilangan Froude (F)
Debit 539,452 cm 3 /det 0.200 0.220 0.240 0.260 0.280 0.300 0.320 0.340 0.360 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 Tinggi Muka Air (Y) B il a ng a n Frou de ( F)
Gambar 3. Grafik Hubungan Tinggi Permukaan Air (Y) dengan Bilangan Frounde (F) dimana Debitnya 539.452 cm 3 /det
Grafik Tinggi Permukaan Air (Y) vs Bilangan Froude (F)
Debit 1338,215 cm 3 /det
0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 2.3 2.5 2.7 2.9
3.1 3.3 3.5
Tinggi M uka Air (Y)
B il a n g a n F ro u d e ( F ) Gambar 4. Grafik Hubungan Tinggi Permukaan Air (Y) dengan Bilangan Frounde (F) dimana Debitnya 1338.215 cm 3 /det
Grafik Kecepatan Aliran (V) vs Tinggi Permukaan Air (Y)
Debit 269,726 cm 3 /det 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 5.000 7.000 9.000 11.000 13.000 15.000 17.000 19.000
Kecepatan Aliran (V)
T in g g i P e rm u k a a n A ir ( Y )
Gambar 5. Grafik Hubungan Kecepatan Aliran (V) dengan Tinggi Permukaan Air (Y) dimana Debitnya 269.726 cm 3 /det
Karakteristik Aliran Air dalam Model Saluran Terbuka Menuju Kajian Hidrolika Erosi dan Transport Sedimen
Grafik Kecepatan Aliran (V) vs Tinggi Permukaan Air (Y)
Debit 593,452 cm 3 /det 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 12.000 13.000 14.000 15.000
16.000 17.000 Kecepatan Aliran (V) Ti ng gi P e rm uk a a n A ir ( Y ) Gambar 6. Grafik Hubungan Kecepatan Aliran (V) dengan Tinggi Permukaan Air (Y) dimana Debitnya 593.452 cm 3 /det
Grafik Kecepatan Aliran (V) vs Tinggi Permukaan Air (Y)
Debit 1265,127 cm 3 /det 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 12.000 17.000 22.000 27.000 32.000 Kecepatan Aliran (V) T in g g i P e rm u k a a n A ir ( Y )
Gambar 7. Grafik Hubungan Kecepatan Aliran (V) dengan Tinggi Permukaan Air (Y) dimana Debitnya 1265.127 cm 3 /det
Debit besar yang tercapai pada Gambar 7, dapat dipastikan adalah konsekuensi dari  kondisi  kecepatan  aliran  yang besar,  dimana  skala  kedalaman  air serupa  dengan  nilai  debit  yang  lebih kecil.
Pada Gambar 4 dengan nilai debit yang besar  dan  tinggi  muka  air  kecil  (2,5 cm), terlihat nilai bilangan Freud sudah mendekati  1,  dengan  kata  lain  kondisi tinggi  muka  air  kecil  pada  debit  yang besar  sudah  hampir  menunjukkan kondisi aliran kritik.
Hubungan  tekanan  air  dan  kecepatan aliran (persamaan 19 dan  20)  menurut pengamatan  dan  pengukuran  digam- barkan  secara  grafis  pada  Gambar  8,
Gambar  9  dan  Gambar  10.  Gambar  9, menunjukkan  set  kejadian  aliran  yang sama dengan Gambar 3 dan Gambar 6, yaitu  pada  debit  593,452  cm 3 /det. Dengan  kecepatan  antara  12  –  16 cm/det,  dan  kedalaman  aliran  antara 2,3  –  4,3  cm.  Aliran  laminer,  seragam, sub  kritik.  Pada  kecepatan  besar tekanan kecil, dan pada kecepatan kecil tekanan  besar.  Hal  ini  menunjukan bahwa  tekanan  yang  tergambarkan adalah tekanan hidrostatis yang besarnya  berbanding  lurus  dengan tinggi muka air untuk debit yang sama. Tekanan  yang  besar  pada  kecepatan yang  kecil  adalah  akibat  kedalaman  air yang besar.
Grafik Tekanan Air (P) vs Kecapatan Aliran (V)
Debit 269,726 cm 3 /det 6.500 8.500 10.500 12.500 14.500 16.500 1.000 2.000 3.000 4.000
5.000 6.000
Tekanan Air (P) K e c e pa ta n A li ra n (V )
Gambar 8. Grafik Hubungan Tekanan Air (P) dengan Kecepatan Aliran (V) dimana Debitnya 269.726 cm 3 /det
Karakteristik Aliran Air dalam Model Saluran Terbuka Menuju Kajian Hidrolika Erosi dan Transport Sedimen
Grafik Tekanan Air (P) vs Kecapatan Aliran (V)
Debit 593,452 cm 3 /det
11.000 12.000 13.000 14.000 15.000 16.000 17.000 2.300 2.800 3.300 3.800
4.300
Tekanan Air (P) K e c e pa ta n A li ra n (V ) Gambar 9. Grafik Hubungan Tekanan Air (P) dengan Kecepatan Aliran (V) dimana Debitnya 593.452 cm 3 /det
Grafik Tekanan Air (P) vs Kecapatan Aliran (V)
Debit 1265,127 cm 3 /det 13.000 15.000 17.000 19.000 21.000 23.000 25.000 27.000 29.000 31.000 33.000 2.000 3.000 4.000
5.000 6.000 7.000 8.000 9.000
Tekanan Air (P) K e c e pa ta n A li ra n (V )
Gambar 10. Grafik Hubungan Tekanan Air (P) dengan Kecepatan Aliran (V) dimana Debitnya 1265.127 cm 3 /det
Kesulitan  pengukuran  dialami  pada tinggi  muka  air  yang  kecil  dan kecepatan  yang  besar,  yaitu  hasilnya disajikan Gambar 8 dan Gambar 10, ciri langgeng  atau  tunak  ( steady )  untuk kedua kejadian aliran ini mulai bergeser ke  arah  tidak  tunak  ( unsteady ),  atau
0    t u . Untuk penampang model salu- ran  yang  sama,  dengan  dimensi  lebar
yang  tetap,  dan  dalam  kejadian  ini kedalaman air yang berubah-ubah.
Hubungan  antara  nilai  bilangan  Freude dan jari-jari hidrolis diplot pada Gambar 11  untuk  debit  tetap  539,452  cm 3 /det dan  Gambar  12  untuk  debit  tetap 1265,127  cm 3 /det.  Gambar  11  menun- jukan kejadian aliran dengan kecepatan tetap (langgeng), dan Gambar 12 keja- dian  aliran  air  dimana  ciri  langgeng mulai bergeser.
Grafik Bilangan Froude (F) vs Jari-jari Hidrolik (R)
Debit 539,452 cm 3 /det
1.00 1.50 2.00 2.50 0.210 0.230 0.250
0.270 0.290 0.310 0.330 0.350 0.370
Bilangan Froude (F) Ja ri -ja ri H idrol ik (R )
Gambar 11. Grafik Hubungan Bilangan Frounde (F) dengan Jari-jari Hidrolik (R) dimana Debitnya 539.452 cm 3 /det
Grafik Bilangan Froude (F) vs Jari-jari Hidrolik (R)
Debit 1265,127 cm 3 /det 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 0.240 0.290 0.340
0.390 0.440 0.490 0.540 0.590 0.640
Bilangan Froude (F) Ja ri -ja ri H idrol ik (R )
Gambar 12. Grafik Hubungan Bilangan Frounde (F) dengan Jari-jari Hidrolik (R) dimana Debitnya 1265.127 cm 3 /det
Karakteristik Aliran Air dalam Model Saluran Terbuka Menuju Kajian Hidrolika Erosi dan Transport Sedimen
Menurut  postulat  Newton  tegangan geser  dalam  fluida  sebanding  dengan tingkat perubahan kecepatan pada satu potongan  melintang  aliran,  tingkat perubahan  kecepatan  atau  gradien kecepatan  merupakan  tingkat  peru- bahan waktu pada deformasi sudut.
Gambar  13  dan  Gambar  14  menun- jukan hubungan antara tegangan geser dan jari-jari hidrolis untuk dua kejadian debit,  yaitu  381,640  cm 3 /det  dan 1236,040  cm 3 /det.  Dengan  gambar  ini penelitian  membuktikan  pula  bahwa tegangan  geser  dalam  aliran  air berbanding  lurus  dengan  jari-jari hidrolis.
Grafik Tegangan Geser ( t ) vs Jari-jari Hidrolik (R)
Debit 381,640 cm 3 /det 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 10.000 11.000 12.000 13.000
14.000 15.000 16.000 17.000
18.000 Tegangan Geser ( t ) Ja ri -j ar i H idrol ik ( R )
Gambar 13. Grafik Hubungan Tegangan Geser (  ) dengan Jari-jari Hidrolik (R) dimana Debitnya 381.640 cm 3 /det
Grafik Tegangan Geser ( t ) vs Jari-jari Hidrolik (R)
Debit 1236,040 cm 3 /det 1.80 2.00 2.20 2.40 16.800 17.300 17.800
18.300 18.800 19.300 19.800
Tegangan Geser ( t ) Ja ri -ja ri H idrol ik (R )
Gambar 14. Grafik Hubungan Tegangan Geser (  ) dengan Jari-jari Hidrolik (R) dimana Debitnya 1236.040 cm 3 /det
Eksperimen yang hasil pengamatan dan pengukurannya  diplot  dalam  Gambar  2 sampai  Gambar  14  diatas  kemudian dilakukan  kembali  dengan  menam- bahkan  hamparan  pasir  pada  dasar model  saluran.  Hasil  pengamatan, pengukuran,  dan  analisa  perhitung- annya  diplot  pada  Gambar  15  sampai Gambar 21.
Hal  pertama  yang  dapat  teramati  dari eksperimen  kedua  ini  adalah  bahwa perubahan  kekasaran  dasar  saluran yang  semula  dari  bahan  kaca  menjadi pasir menyebabkan pengurangan capai- an besaran nilai kecepatan aliran, yang selanjutnya  terkait  pada  pengurangan capaian  besaran  nilai  debit.  Ini membuktikan  kebenaran  dari  model matematik  kecepatan  yang  secara teoritik telah dikemukakan oleh Manning,  Chezy  dan  Strickler,  seperti dikemukakan  pada  bahasan  teoritik diatas.
Selain  itu  pada  eksperimen  kedua  ini diuji pula sifat aliran air pada viskositas
yang  berbeda,  dimana  pada  air  sudah mengandung  pasir  (aliran air  berpasir). Dasar teoritik untuk kejadian ini adalah hukum  kekekalan  momentum  untuk aliran  fluida  yang  ber-viskositas  dari Navier-Stokes  (persamaan  13  dan persamaan 14).
Pada  nilai  besaran  debit  269,726 cm 3 /det hubungan kecepatan aliran dan bilangan  Froude  diplot  (per  0,01)  pada Gambar  15,  terlihat  bilangan  Freude berbanding  lurus  dengan  kecepatan aliran  secara  meyakinkan.  Sementara untuk nilai debit yang lebih besar yaitu 381,450 cm 3 /det (Gambar  16)   dengan pembagian  skala  bilangan  Froude  yang lebih  renggang  (per  0,10)  posisi kelurusan  data  menjadi  tidak  selurus pada Gambar 15.
Hal ini mengindikasikan perbedaan sifat aliran  dari  kedua  kejadian  debit tersebut.  Sifat  langgeng  pada  kejadian debit  pertama  (Gambar  15)  lebih  kuat dibanding kejadian debit kedua (Gambar 16).

## Grafik Kecepatan Aliran Berpasir (Vp) vs Bilangan
Froude Berpasir (Fp)
Debit 269,726 cm 3 /det
0.08 0.09 0.10 0.11 5.20 5.30 5.40
5.50 5.60 5.70 5.80 5.90
Kecepatan Aliran Berpasir (Yp) B ila ng an Frou de B er pa si r (Fp )
Gambar 15. Grafik Hubungan Kecepatan Aliran Berpasir (Vp) dengan Bilangan Frounde Berpasir (Fp) dimana Debitnya 269.726 cm 3 /det
Karakteristik Aliran Air dalam Model Saluran Terbuka Menuju Kajian Hidrolika Erosi dan Transport Sedimen

## Grafik Kecepatan Aliran Berpasir (Vp) vs Bilangan
Froude Berpasir (Fp)
Debit 381,450 cm 3 /det 0.44 0.54 0.64 0.74 13.00 14.00 15.00
16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 Kecepatan Aliran Berpasir (Yp) B il ang an Frou de B er pa si r (Fp )
Gambar 16. Grafik Hubungan Kecepatan Aliran Berpasir (Vp) dengan Bilangan Frounde Berpasir (Fp) dimana Debitnya 381.450 cm 3 /det
Hubungan  antara  nilai  bilangan  Froude dengan  jari-jari  hodrolis  untuk  air berpasir  pada  kejadian  debit  381,450 cm 3 /det  diplot  oleh  Gambar  17.  Sama dengan kejadian aliran air tak berpasir,
kecenderungannya  adalah  bahwa  pada aliran  air  berpasir  bilangan  Froude berbanding  terbalik  dengan  jari-jari hidrolis.

## Grafik Bilangan Froude Berpasir (Fp) vs Jari-jari Hidrolik
Berpasir (Rp)
Debit 381,450 cm 3 /det 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 0.39 0.44 0.49
0.54 0.59 0.64 0.69 0.74 0.79
Bilangan Froude Berpasir (Fp)
Ja ri -j ar i H idrol ik B er pa si r (R p)
Gambar 17. Grafik Hubungan Bilangan Froude Berpasir (Fp) dengan Jari-jari Hidrolik Berpasir (Rp) dimana Debitnya 381.450 cm 3 /det
Untuk  kejadian  aliran  air  berpasir dengan  debit  381,450  cm 3 /det,  keda- laman antara 1 sampai 2 cm, hubungan antara  kedalaman  air  dan  tekanan  air terlihat  secara  meyakinkan  berbanding lurus  (Gambar  18).  Ini  menunjukan bahwa kecepatan air masih relatif kecil, dan  debit  pada  kejadian  ini  termasuk debit  air  yang  cenderung  tenang, dimana  tekanan  yang  terukur  adalah dominan  merupakan  tekanan  hidros- tatis.
Pengamatan  terhadap  kejadian  aliran air  berpasir  untuk  hubungan  antara kecepatan  aliran  dan  tekanan  air  pada debit  dan  penampang  saluran  yang sama  menunjukan  bahwa  kecepatan aliran  berbanding  terbalik  dengan tekanan  air  (Gambar  19).  Jadi  dalam hal ini pada debit yang sama kecepatan bertambah  jika  kedalaman  air  berku- rang,  dan  pengurangan  kedalaman  air
mengurangi tekanan, berarti tekanan ini adalah tekanan hidrostatis.
Pada  debit  tertentu  diukur  luas penampang  pada  beberapa  titik  yang berbeda  sesuai  dengan  ketidak  rataan permukaaan  pasir  dasar  saluran, kemudian  hubungan  antara  kecepatan aliran dan luas penampang basah diplot pada  Gambar  20.  Terlihat  bahwa kecepatan  aliran  berbanding  terbalik dengan  luas  penampang  basah,  pada debit yang  sama. Hasil pengamatan uji model  laboratorium  ini  membuktikan kebenaran model teoritik yang dikemu- kakan  oleh  Chezy,  Manning,  dan Strickler  (persamaan  16,17,18,19  dan 20).
Hubungan  antara  tegangan  geser  dan debit  untuk  aliran  air  berpasir  menurut hasil pengamatan berbanding lurus, hal ini  terlihat  pada  Gambar  21.  Kecen- derungan ini sama dengan untuk aliran air tak berpasir (Gambar 14).

## Grafik Tinggi Permukaan Air Berpasir (Yp) vs Tekanan
Air Berpasir (Pp)
Debit 381,450 cm 3 /det
0.80 1.10 1.40 1.70 1.29 1.39 1.49 1.59 1.69 1.79 1.89 Tinggi Permukaan Air Berpasir (Yp) Te ka na n A ir B er pa si r (P p)
Gambar 18. Grafik Hubungan Tinggi permukaan Air Berpasir (Yp) dengan Tekanan Air Berpasir (Pp) dimana Debitnya 381.450 cm 3 /det
Karakteristik Aliran Air dalam Model Saluran Terbuka Menuju Kajian Hidrolika Erosi dan Transport Sedimen
Grafik Kecepatan Aliran Berpasir (Vp) vs Tekanan Air Berpasir (Pp)
Debit 385,450 cm 3 /det
0.70 1.20 1.70 13.00 14.00 15.00
16.00 17.00 18.00 19.00 20.00
Kecepatan Aliran Berpasir (Vp) Te k a na n A ir B e rpa s ir ( P p) Gambar 19. Grafik Hubungan Kecepatan Aliran Berpasir (Vp) dengan Tekanan Air
Berpasir (Pp) dimana Debitnya 385.450 cm 3 /det
Grafik Kecepatan Aliran Berpasir (Vp) vs Luas permukaan Basah Berpasir (Ap)
Debit 381,450 cm 3 /det
18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 12.50 13.50 14.50
15.50 16.50 17.50 18.50 19.50 20.50
Kecepatan Aliran Berpasir (Vp)
Lu a s A li ra n B e rpa s ir ( A p)
Gambar 20. Grafik Hubungan Kecepatan Aliran Berpasir (Vp) dengan Luas Permukaan Basah Berpasir (Ap) dimana Debitnya 381.450 cm 3 /det
Grafik Tegangan Geser Berpasir ( t p 1 ) vs Debit Berpasir (Qp) 200 250 300 350 400 12.700 12.800 12.900 13.000 13.100 13.200 13.300 13.400 13.500 13.600 Tegangan Geser Berpasir ( t p 1 ) D ebi t B er pa si r (Q p) Gambar 21. Grafik Hubungan Tegangan Geser Berpasir ( 1 p  ) dengan Debit Berpasir (Qp)

## KESIMPULAN
Dengan  penelitian  ini  teramati  bahwa karaketristik  hidrolis  aliran  di  saluran terbuka  antara  air  murni  dan  air berpasir  cenderug  sama,  dan  terbukti bahwa  pola  hubungan  antara  variabel karakteristik  hidrolis  yang  dikemukakan para  ahli  secara  teoritik  melalui penurunan model matematis (persama- an 12) sama dengan hasil pengamatan dan  pengukuran  terhadap  aliran  air nyata dalam model saluran, baik untuk aliran  air  murni  maupun  aliran  air berpasir  (kondisi viskositas berbeda). Hubungan-hubungan karakteristik aliran air  tersebut  pada  setiap  titik  (masing- masing titik) adalah :
- Tinggi permukaan air (kedalaman air) berbanding  terbalik  dengan  bilangan Froude  pada  debit  dan  penampang saluran yang tetap
- Kecepatan  aliran  air  berbanding terbalik  dengan  kedalaman  aliran,
pada  debit  dan  penampang  saluran yang tetap
- Tekanan  air  berbanding  terbalik dengan  kecepatan  aliran  pada  debit dan penampang saluran yang tetap
- Nilai  bilangan  Froude  berbanding terbalik dengan jari-jari hidrolis, pada debit  dan  penampang  saluran  yang tetap
- Pada  beberapa  nilai  debit  di  saluran terbuka  dengan  penampang  tetap, tegangan  geser  berbanding  lurus dengan jari-jari hidrolis.

## SARAN
Pada  penelitian  ini  karakteristik  hidrolis yang  menyangkut  aspek  debit  dan kecepatan  terfokus  pada  elemen  air. Sebagai  saran  yang  hendak  dikemuka- kan  disini  adalah  diperlukan  pengem- bangan  penelitian  untuk  pola  uji  yang serupa tetapi fokus debit dan kecepatan
Karakteristik Aliran Air dalam Model Saluran Terbuka Menuju Kajian Hidrolika Erosi dan Transport Sedimen
ditujukan  pada  elemen  sedimen. Sebagai  hipotesa  dapat  dikemukakan pada  saran  ini  bahwa  gerak  sedimen bisa  diamati  melalui  penguatan  warna objek  (butir  sedimen)  dan  penggunaan kamera dengan resolusi tinggi. Sebagai acuan  pendekatan  teoritik  antara  lain dapat  digunakan  pendekatan  Yang (persamaan 25 sampai 30).

## DAFTAR PUSTAKA
Chow,  Ven  Te,  (1959).  “ Open-Channel Hydraulics” , International Student Edition,  McGraw-Hill  International  Book Company,  Kogakusha,  xviii  +  680
pages.
Kodoatie,  Robert,  (2002).  " Hidrolika Terapan,  Aliran  Pada  Saluran  Terbuka dan  Pipa ”,  Penerbit  ANDI  Yogyakarta, xii + 342 hlm
Morris,  Gregory  L.  Dan  Fan,  Jiahua,
(1998). “ Reservoir Sedimentation Handbook,  Design  and  Management  of Dams,  Reservoirs,  and  Watersheds  for Sustainable  Use” ,  Mc  Graw  Hill,  xxiv+ 735 hlm
Makrup,  Lalu,  (2001).  “ Dasar-Dasar Analisis  Aliran  di  Sungai  dan  Muara ”, UII Press Jogyakarta, cetakan pertama, vii + 241 hlm