## Pemodelan  Anomali  Gaya  Berat  Akibat  Curah  Hujan  dan  Dinamika Air Tanah di Daerah Semarang

## Yatti Pratyas Katrinavia, Agus Setyawan, Supriyadi
Mahasiswa Fisika Universitas Diponegoro Semarang Fisika Universitas Diponegoro Semarang Fisika Universitas Negeri Semarang pratyas.katrina@gmail.com
Abstrak  –  Pemodelan  ke  depan  (forward  modelling)  anomali  gaya  berat    telah  dilakukan  dengan  menggunakan software  Grav2DC  untuk  mengetahui  respon  anomali  gaya  berat  akibat  curah  hujan  dan  dinamika  air  tanah  di  kota Semarang. Pemodelan dilakukan dengan pendekatan model perlapisan tanah dengan parameter ketebalan dan densitas berdasarkan  sayatan  peta  geologi.  Anomali  gaya  berat  didapatkan  dari  selisih  g  pada  periode  pertama  dan  periode kedua. Anomali gaya berat akibat curah hujan merupakan selisih besarnya presipitasi pada periode pertama dan kedua. Berdasarkan  hasil  pemodelan  kedepan  yang  dibuat  dapat  disimpulkan  bahwa  akibat  dinamika  air  tanah  dapat menghasilkan perubahan gayaberat ( Δg) yang bernilai positif (+) jika terdapat kenaikan air tanah dan respon anomali gaya berat bernilai negatif (-) jika terjadi penurunan air tanah. Hasil anomali gaya berat akibat perbedaan curah hujan tiap  tahun  menyebabkan  penurunan  air  tanah  ( Δh )  sebesar  0,93  sampai  1,4  mm/tahun  dengan  anomali  gaya  berat sebesar –1,17 sampai  –1,76  mGal.
Kata kunci: pemodelan ke depan, anomali gaya berat, curah hujan, Semarang
Abstract – forward modelling of gravity anomaly has been done using the software Grav2DC to determine the response of the gravity anomaly due to rainfall and ground water dynamics in Semarang. The Modelling is done with soil layering model approach with parameters based on the thickness and density of the geological map incision . Gravity anomaly obtained  from  the  difference  g  in  the  first  period  and  the  second  period.  Gravity  anomaly  due  to  a  difference  in  the amount of rainfall precipitation in the first and second period . Based on the modeling results of the future are created can  be  concluded  that  as  a  result  of  ground water  dynamics  can  produce  changes  in  microgravity  (  Δg  )  which  is positive  (  +  )  if  there is  a  rise in  ground  water  and  the  response  of the  gravity  anomaly is  negative  (  -  )  if  there  is  a decrease in ground water. The results of the gravity anomaly due to differences in annual rainfall causes a decrease in soil water ( Δh ) of 0.93 to 1.4 mm / year with the gravity anomaly of -1.17 to -1.76 mGal .

## Key words: forward modeling, gravity anomaly, rainfall precipitation, Semarang

## I. PENDAHULUAN
Pemanfaatan air untuk memenuhi kebutuhan di semua sektor  masih  mengandalkan  air  bawah  tanah  sebagai bahan  baku  dan  pasokan  air  bersih.  Permasalahan  yang terjadi  adalah  banyak  sumur  bor  yang  dibuat  tanpa  ijin dan  pemanfaatannya  tidak  terkendali.  Ref.[6]  akibatnya yang  terjadi  di  masa  yang  akan  datang  adalah  rusaknya sistem  akuifer  yang  tidak  terpulihkan  lagi.  Dampak negatifnya  antara  lain  penurunan  muka  air  tanah, intrusi  air  laut,  dan  amblesan  tanah.  Kota  Semarang diketahui mengalami amblesan tanah yang intensif setiap tahunnya dengan laju amblesan tanah yang bervariasi. [5] Dengan  menggunakan  metode  geodetik  Alos/Palsar menghasilkan  laju  amblesan  di  Semarang  mencapai  15 cm/tahun  pada  periode  1979  –  2006.  [2]Dengan menggunakan metode Insar menunjukkan laju amblesan di kota  Semarang  pada  periode  2007  –  2009  mencapai 8 cm/tahun.  Peristiwa  amblesan  tanah  tersebut  turut dipercepat  dengan  penurunan  muka  tanah  oleh  faktor kompaksi/konsolidasi  batuan,  penurunan  muka  airtanah dan  pengurugan  lahan  Penurunan  muka  air  tanah  salah satunya  dipengaruhi  oleh  kondisi  curah  hujan  dan pengambilan air tanah di kota  Semarang.
[9]PDAM  Kota  Semarang  menurut  baru  mampu memasok  46,9%  air  bersih  untuk  memenuhi  kebutuhan penduduk,  sehingga  penduduk  memanfaatkan  air  tanah dari  sumur  bor.  Sumur  bor  pertama  di  kota  Semarang dibuat  pada  tahun  1841,  kemudian  pada  Tahun  1900 terdapat  16  buah  sumur  bor,  pada  Tahun  1990  menjadi 260 buah dan Tahun 2003 meningkat menjadi 1.194 buah sumur  bor,  sehingga  selama  lebih  kurang  13 tahun  telah terjadi peningkatan pemanfaatan air tanah dari sumur bor sebanyak 459%
Penggunaan  metode  gaya  berat  telah  banyak digunakan  seperti  [14]pemantuan  injeksi  air  pada reservoir  gas,  [13]daerah  reservoir  panas  bumi,  [10] pemantuan sesar, [3]pemantuan volcano dan prediksi batuan, [2]prospek pada eksplorasi hidrokarbon Dengan  latarbelakang  fenomena  tersebut,  maka penelitian  ini  memanfaatkan  metode  gaya  berat  untuk mengetahui  karakteristik  anomali  gaya  berat  akibat curah hujan dan dinamika air tanah yang selalu berubah di Kota Semarang sehingga dapat diketahui daerah yang mengalami  pengurangan  air  tanah.  Pada  penelitian  ini karakteristik anomali gravitasi akibat dinamika  perubahan air  bawah  tanah  dan  curah  hujan  di  daerah  Semarang
dilakukan dengan tehnik forward modelling menggunakan Software Grav2DC.

## II. LANDASAN TEORI
Anomali gayaberat mikro antar waktu disebabkan oleh beberapa  hal  diantaranya    dinamika  fluida  bawah permukaan,    perbedaan  musim,  amblesan  tanah  maupun perubahan  topografi  dan  bangunan  di  sekitar  titik  amat. Persamaan anomali gayaberat antar waktu diperoleh dari “persamaan (1)” berikut Δg(x,y,z,t) = g(x,y,z,t 1 ) - g(x,y,z,t 1 ) (1) “Persamaan  (1)  menunjukkan  anomali  gayaberat  yang merupakan  perubahan  atau  perbedaan  nilai  gayaberat terukur dalam suatu titik pada selang waktu pengukuran.” [11]Jika  perubahan  gayaberat  tidak  diikuti  dengan perubahan geometri dan volume sumber maka persamaan (1) dapat didekati dengan persamaan (2) berikut Δ g(x, y, z, Δ t) ≈ K. Δρ (x, y, z, Δ t) (2)
dengan  K    adalah    fungsi  Green  dan   Δρ adalah kontras densitas.  Berdasarkan  hubungan  ini,  jika  fungsi  Green tidak  mengalami  perubahan,  maka  anomali  gayaberat yang diamati sepenuhnya tergantung pada perubahan atau kontras  densitas  Δρ  yang  diakibatkan  oleh  p erubahan material yang mengisi volume pori sumber anomali pada selang  waktu  tersebut.  Jika  diasumsikan  pada  saat  t 1 semua volume pori terisi air dan pada t 2 terjadi penurunan muka  air  tanah,  maka  perubahan  rapat  massanya dinyatakan dengan persamaan (3),
∆ = (1 − ∅ ) − [(1 − ∅ ) + ∅ ] (3)
Jika  persamaan  (3)  disubstitusikan  ke  dalam  persamaan (2) maka akan diperoleh persamaan (4).
∆ = ( −∅∆ ) (4) “Persamaan  (4) menyatakan  bahwa  perubahan  gayaberat yang  terjadi  karena  penurunan  muka  air  tanah.” Sebaliknya  jika  terjadi  pengisian  kembali  pori  batuan oleh  air  atau  terjadi  imbuhan  air  maka  terjadi  kenaikan muka  air  tanah.  Persamaan  (4)  akan  menjadi  persamaan (5) yaitu :
∆ = ( ∅∆ ) (5) Banyaknya  presipitasi  akan  mempengaruhi  perubahan ketinggian  airtanah.  Pada  musim  penghujan  ketinggian airtanah  akan  berada  pada  nilai  maksimum  kemudian turun  secara  bertahap  seiring  dengan  pergantian  musim. Secara  empiris  persamaan  penurunan  eksponensial diberikan  oleh  “persamaan  (6),”[4]untuk  korelasi presipitasi dengan water level (muka air) pada persamaan (6).
      n t t c exp n n R α 1 H t H      (6)
dengan 1 H adalah ketinggian air mula-mula,  t waktu, t n waktu ke-n,  adalah konstanta penyerapan (  = 0.00932), c  adalah  konstanta  penguapan  (c  =  0.00985)  dan n R adalah  presipitasi  pada  bulan  ke-n.  Setelah  didapat perubahan  muka  airtanah  dari  presipitasi,  [7]maka perubahan  gayaberat  akibat  perubahan  ketinggian  muka airtanah diberikan oleh “persamaan (7)” berikut :
h G g w    2    (7)
dengan  Δg  adalah  anomali  gayaberat  karena  adanya perubahan tinggi airtanah, w  densitas air tanah (kg/m 3 ),
 porositas  dari  reservoar  tanah  (%), h  perubahan
muka  airtanah  (meter),  dan  G  konstanta  gayaberat universal

## III. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN
Metode  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  yakni forward  modelling  yang  merupakan  simulasi  data sintetik  respon  anomali  gayaberat  antar  waktu tujuannya  untuk  mengetahui  nilai  gayaberat  akibat pengurangan  maupun  imbuhan  air  tanah  .  Pemodelan anomali  gaya  berat  pada  penelitian  ini  juga  didasarkan pada  perubahan  curah  hujan  yang  terjadi  tiap  tahun dengan  menggunakan  “persamaan  (6),”  dan  “persamaan (7)”.  [13]Model  dibuat  berdasarkan  peta  geologi  lembar Magelang – Semarang.

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dibuat tiga model yaitu model awal, model  penurunan  muka  air  tanah  dan  model  kenaikan muka  air  tanah.  Model  ini  berbentuk  2D  yang  dibuat menggunakan software Grav2DC . Model awal merupakan  model  yang  diasumsikan  belum  mengalami penurunan dan kenaikan. Model kedua adalah penurunan muka air tanah sebesar 10 m dan imbuhan 5 m. Simulasi dilakukan  dengan  membuat  model  bumi  3  lapis  yang memanjang  ke  arah  horizontal.[8]Lapisan  1  berupa batuan  alluvial  dengan  rapat  massa  1,9  gr/cm 3 memiliki ketebalan  10  m,  pada  kedalaman  10    m  hingga  50  m terdapat lapisan pasir yang merupakan akuifer dengan ρ = 2,0  gr/cm 3 .  Porositas  akuifer  30  %,  dan  lapisan  ketiga berupa lempung dengan ρ = 2,1 gr/cm 3
Pada “gambar.1” menunjukkan model respon gayaberat akibat penurunan muka air tanah sebesar 10 m. Rapat massa pada saat t 1 dan t 2 masing-masing adalah 2,1 gr/cm 3 dan 2,0 gr/cm 3 . Diasumsikan penurunan muka air tanah  terjadi  pada  koordinat  20  –  80  m.  Hasil  simulasi menunjukkan  bahwa  pengurangan  air  tanah  akan memberikan nilai  gradien  vertikal  gayaberat mikro  antar waktu bernilai negatif.

## Gambar 1. Karakteristik anomali gayaberat akibat pengurangan air tanah
Pengisian kembali air tanah pada akuifer menyebabkan kenaikan  rapat  massa  akuifer  yang  besarnya  tergantung pada  porositas  dan  saturasi  akuifer  air  tanah  tersebut. Model  fisis  yang  digunakan  sama  dengan  model  fisis pengurangan  air  tanah.  Pada  “gambar.2”  menunjukkan
0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 Medan Gayabera t mGall - 0 .2 - 0 .4 20 40 60 80 1 00 120 J a r a k  ( m ) gt1 gt2 g 120 Rho = 1.9 gr/cm 3 Rho = 2.1 gr/cm 3 Rho = 2 gr/cm 3 Kedalaman (m) 10 20 50 Muka Air Tanah 10 m Muka Air Tanah 20 m 75
model respon gayaberat akibat imbuhan air tanah sebesar 5  m.  Rapat  massa  pada  saat  t 1 dan  t 2 masing-masing adalah  2,1  gr/cm 3 dan  2,0  gr/cm 3 .  Hasil  simulasi menunjukkan bahwa imbuhan air tanah akan memberikan anomali gayaberat bernilai positif.
Gambar 2. Karakteristik anomali gayaberat akibat imbuhan air tanah
Dari  data  curah  hujan  pada  tabel.1  menunjukkan bahwa  musim  hujan  terjadi  pada  bulan  Mei  dan  musim kemarau terjadi pada bulan Oktober.
Tabel 1. Data Curah Hujan (BMKG, 2015) 2010 2011 2012 2013 2014 Mei 247.6      150 173 131.1    134.1 Oktober 238 65 187.3 69.1 22.1 Dengan menggunakan “persamaan (6),” dapat dilakukan pendekatan empiris untuk hubungan presipitasi dengan  perubahan  ketinggian  muka  airtanah.  Nilai  (H 1 ) untuk  keadaan  awal  dianggap  nol.  Sehingga  kita mendapatkan  nilai  h  dari  pendekatan  empiris  adalah 0,93  mm.  Kemudian  g  akibat  perubahan  ketinggian airtanah dapat dihitung dengan menggunakan “persamaan (7)”.  Hasil  anomali  gaya  berat  akibat  perbedaan  curah hujan  tiap  tahun  mengalami  penurunan  dengan Δg sebesar  – 1,17  mGal  pada  saat musim  penghujan  dan Δg sebesar  –1,76    mGal  pada  saat  musim  kemarau.  Seperti terlihat pada “gambar.3.”
Gambar  3. Karakteristik  anomali  gayaberat  akibat  perubahan curah hujan.

## V. KESIMPULAN
Dari  hasil  pemodelan  kedepan  yang  dibuat  dapat disimpulkan  bahwa  akibat  dinamika  air  di  dalam  tanah dapat  menghasilkan  perubahan  gayaberat  ( Δg). Jika terdapat  kenaikan  air  tanah  akan  menunjukkan  respon anomali gaya berat positif  dan jika terjadi penurunan air tanah  akan  menunjukkan  respon  anomali  gaya  berat
negatif  tetapi  jika  tidak  terjadi  keduanya  maka  anomali gaya  berat  samadengan  nol.  Hasil  anomali  gaya  berat akibat  perbedaan  curah  hujan  tiap  tahun  mengalami penurunan air  tanah  Δh  sebesar  0,93  sampai  1,4 mm/tahun  dengan  anomali  gaya  berat  sebesar  –1,17 sampai  –1,76  mGal.

## PUSTAKA
[1] Anita  Yuliyanti,  Dwi  Sarah,  Eko  Soebowo,  Pengaruh Lempung Ekspansif Terhadap Potensi Amblesan Tanah di Daerah Semarang, Riset Geologi dan Pertambangan , vol. 22, no. 2, 2012, pp. 93-103.
[2] Ashar  M.,  Toshinori  S.,  Nobuhiro  T.,  Nobuhiro  I., Tsutomu  Y.,  Ground  subsidence  in  Semarang-Indonesia investigated by ALOS–PALSAR satellite SAR interferometry, Journal  of  Asian  Earth  Sciences,  2011, vol. 40
[3] B.S.Badmus,  N.K  Sotona,  Krieger,  Gravity  Support  for Hydrocarbon  Exploration  at  the  Prospect  Level. Journal of Emerging Trends in Engineering and Applied Sciences, 2011, vol. 2 , pp.1-6.
[4] Chitoshi Akasaka and Shigetaka Nakanishi, Correction Of Background Gravity Changes Due To Precipitation:Oguni Geothermal Field, Japan, Proceedings World Geotherma Congress, 2000, pp. 2471-2475
[5] Hasanuddin.  Z,  Abidin.    H,  Teguh  Irwan  P.S,Fukuda, Gamal,  Heri  A.,  Murdohardono,  Supriyadi.  Studying Land Subsidence in Semarang (Indonesia) Using Geodetic Methods . FIG Congress IUGG General Assembly. 2010
[6] Hendrayana,  H.  2002. Dampak  Pemanfaatan  Air  Tanah . Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 2002.
[7] Hunt,  T.,  Microgravity  Measurements  At  Wairakei Geothermal  Field,  New  Zealand;  A  Review  Of  30  Years Data  (1961-1991 ) . Taupo:  Wairakei  Research  Centre, Institute of Geological  Nuclear Science. 2000.
[8] Marsudi, Prediksi  laju  amblesan  tanah  di  dataran alluvial  Semarang  provinsi  Jawa  Tengah .  Jurusan pertambangan ITB, Bandung, 2011.
[9] Putranto  T.T.    Rüde  T.R, Groundwater  Problems  in Semarang  Demak  Urban  Area,  Java/Indonesia. RWTH Aanchen University. Jerman , 2011.
[10] Reza  Toushmalani,  2010.  Application  of  Gravity  Method in  Fault  Path  Detection. Australian Journal  of  Basic  and Applied Sciences . vol 4. pp. 2450-2460.
[11] Setianingsih,  Rustan  E.,  Wawan  GA.  Kadir,  Djoko  S., Chalid  IA,  Susanti  A,.  Gravity  gradient  technique  to identify  fracture  zones  in  Palu  Koro  strike  slip  fault. Procedia Enviromental Sciences , 2013, vol.17
[12] Sumadirja  H,  1996,  Peta  geologi  Lembar  Magelang  dan Semarang Jawa Tengah. Pusat Survei Geologi, Bandung
[13] Yayan. S, Yunus. D, Jun Nishijima, Y. Fujimitsu, Yustin K, Ahmad Yani, Y. Fukuda, Makoto Taniguchi. The first repeated  absolute  gravity  measurement  for  geothermal monitoring in the Kamojang Geothermal Field Indonesia . Journal Geothermics . 2015, vol 53, pp.114-124.
[14] Zuhdi,  Sismanto.  Response  of  Time  Lapse  Gravity Anomaly Model of Gas  Injection in Reservoir and Water Table  Changes  on  it’s  Near  Surface .  The  Third  Basic Science International Conference .2013, vol.6, pp.1-5. -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 2010 2012 2014 Δ g (mGal) Musim Penghujan Δ g (mGal) Musim Kemarau Tahun Δ g 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Medan Gayaberat mGall 20 40 60 80 100 120 J a r a k   ( m ) gt1 gt2 g 120 Kedalaman (m) 10 20 50 0.7 0.8 0.9 25 Rho = 1.9 gr/cm 3 Rho = 2.1 gr/cm 3 Rho = 2 gr/cm 3 75 Muka Air Tanah 20 m Muka Air Tanah 25 m