Accredited by Ministry of Education, Culture,                                    DOI: https://doi.org/10.35799/jis.v22i2.43814 Research and Technology No: 105/E/KPT/2022        Available online at https://ejournal.unsrat.ac.id/index.php/jis
The Use of SWAT Model to predict Erosion and Sediment in the catchment area of Lake Tondano
Johan Rombang 1*) , Josephus Kalangi 1) , Meity Rantung 2)
1) Program Studi Kehutanan, Fakultas Pertanian, Universitas Sam Ratulangi, Manado, Indonesia
2) Program Studi Agronomi, Fakultas Pertanian, Universitas Sam Ratulangi, Manado, Indonesia
*) Corresponding author: jrombang@gmail.com

## ABSTRACT
The Use of SWAT Model to Predict Erosion and Sediment in the Catchment Area of Lake Tondano. The  objective  of  this  research  is  to  assess  the  accuracy  of  SWAT  model  to  predict  erosion  and sediment in the catchment area of lake Tondano. A comprehensive hydrological model of SWAT is one of several models available to predict erosion dan sediment load. The validation of this model would be tested and it would be acceptable if Nash-Sutcliffe model Efficiency (NSE) coefficient was equal  or  greater  than  0.4.  The  results  in  this  experiment  showed  that  values  of  NSE  coefficient between sediment load observed and predicted by SWAT were between 0.4 and 0.9. Therefore, the use of SWAT model to predict erosion dan sediment in Tondano lake catchment area is satisfying and very good.
Keywords: Catchment area; erosion; sedimentation; Soil Water Assesment Tool
Penggunaan Model SWAT untuk Prediksi Erosi dan Sedimen di Area Tangkapan

## Air Danau Tondano

## ABSTRAK
Penggunaan  Model  SWAT  untuk  Prediksi  Erosi  dan  Sedimen  di  Area  Tangkapan  Air  Danau Tondano.  Penelitian  ini  bertujuan  menguji  keakuratan  model  SWAT  dalam  menduga  erosi  dan sedimen  di  area  tangkapan  air  danau  Tondano.  SWAT  ( Soil  Water  Assesment  Tool )  merupakan model  hidrologi  yang  komprehensif  karena  mempertimbangkan  kondisi  biofisik,  iklim  dan manajemen area tangkapan air dalam prediksi erosi dan sedimen. Penggunaan model SWAT untuk pendugaan  erosi  dan  sedimen  di  area  tangkapan  air  danau  Tondano  dapat  diterima  apabila  hasil validasi  sedimen  terukur  dan  sedimen  pendugaan  menunjukkan  koefisien NSE ( Nash-Sutcliffe model  Efficiency )  lebih  besar  atau  sama  dengan  0,4.  Penelitian  ini  menunjukkan  bahwa  model SWAT bisa digunakan untuk prediksi erosi dan sedimentasi di area tangkapan air danau Tondano karena  koefisien NSE yang  diperoleh  pada  4  sungai  yang  bermuara  di  danau  Tondano  berkisar antara 0,4 sampai 0,9. Dengan demikian, pendugaan erosi dan sedimen di area tangkapan air danau Tondano dengan model SWAT dapat memberikan hasil yang memuaskan sampai sangat baik.
Kata kunci: Area tangkapan air; erosi; sedimentasi; Soil Water Assesment Tool
(Article History:  Received 13-10-2022; Accepted 20-10-2022; Published 21-10-2022)

## PENDAHULUAN
Danau  Tondano  berada  di  Kabupaten Minahasa  dan  merupakan  tempat  kehidupan bagi  masyarakat  di  sekitarnya  termasuk menunjang kehidupan penduduk kota Manado dan sekitarnya yaitu sebagai sumber air  minum  masyrakat,  sumber  air  baku PDAM  kota  Manado  dan  Tondano,  sumber pembangkit  listrik    (PLTA)  Tanggari  dan Tonsea Lama, sumber irigasi, perikanan darat dan  objek  wisata.  Masukan  air  danau Tondano  berasal  dari  beberapa  sungai  besar
maupun  sungai  kecil  yang  sebagian  besar merupakan sungai intermitten (sungai musiman).  Perkembangan  penduduk  di sekitar  danau  Tondano  merubah  lingkungan sekitar danau untuk kepentingannya. Perubahan penggunaan lahan tersebut menyebabkan  penurunan  kualitas  perairan danau  yang  timbul  akibat  terjadi  erosi  dan sedimentasi  di  area  tangkapan  air  danau Tondano.
SWAT  ( Soil  Water  Assesment  Tool ) adalah  model  hidrologi  yang  dikembangkan
oleh Dr. Jeff Arnold pada awal tahun 1990-an untuk  pengembangan Agricultural  Research Service (ARS)  dari  USDA  (Neitsch et  al .,
2011;  Arnold et  al .,  2012)    dan  digunakan untuk prediksi dampak dari manajemen lahan pertanian  terhadap  air,  sedimentasi  dan jumlah  bahan  kimia,  pada  suatu  area  DAS yang  kompleks  dengan  mempertimbangkan variasi  jenis  tanahnya,  tata  guna  lahan,  serta kondisi  manajemen  suatu  DAS.  Beberapa penelitian  di  berbagai  negara  dengan menggunakan  model SWAT telah dilakukan di Amerika Latin (Stehr et al ., 2008), di Eropa (Epelde et al ., 2015), di Afrika (Zettam et al ., 2017), di Asia (Bieger et al ., 2015), (Nguyen & Nguyen, 2014) dan di Indonesia (Rahmad &  Nurman,  2017).    Penggunaan  model SWAT    di  Indonesia  menunjukkan  bahwa model  ini  mampu  mensimulasi  proses hidrologi di area tangkapan air waduk Mrica dengan koefisien NSE > 0,65 (Hidayat et al ., 2017)    dan  di  DAS  Serayu  Hulu  dengan koefisien determinasi > 0,5 (Christanto et al ., 2018).  Keterbatasan  penggunaan  model  ini dalam penelitian hidrologi suatu daerah aliran sungai di  Indonesia  lebih  disebabkan  karena kebutuhan  data  untuk  menjalankan  model SWAT  relatif  banyak  dan  umumnya  belum tersedia  untuk  sebagian  besar  daerah  aliran sungai  di  Indonesia.  Penelitian  ini  bertujuan menguji  keakuratan  model  SWAT  dalam menduga erosi dan sedimen di area tangkapan air danau Tondano.

## METODE PENELITIAN

## Lokasi dan Data
Penelitian  ini  dilaksanakan  mulai Februari  2021  sampai  dengan Oktober  2021 di  area  tangkapan  air  Danau  Tondano kabupaten Minahasa (Gambar 1).
Pengumpulan data berupa data primer dan  sekunder  disesuaikan  dengan  masukan data  (input)  yang  diperlukan  model  SWAT. Penggumpulan data primer dilakukan dengan survey  tentang  kondisi  tutupan  lahan  dan teknologi  konservasi  yang  diterapkan.  Data sekunder  yang  diperlukan  di  antaranya  data DEM  ( digital  elevation  model ),  data  curah hujan, peta jaringan sungai, peta penggunaan lahan  dan  peta  jenis  tanah  termasuk didalamnya  beberapa  sifat  fisik  dan  kimia tanah telah tersedia dari hasil-hasil penelitian sebelumnya.  Sebagian  data  tersebut  telah diperbaharui  dengan  hasil  pengukuran  dan observasi  di  lapang  saat  pelaksanaan penelitian.  Peta  penggunaan  lahan  yang digunakan bersumber dari BPKH Wilayah VI Manado tahun 2018 skala 1:50.000 yang telah diperbaharui  dengan  hasil  digitasi  citra Google  tahun  2019  sedangkan  peta  jenis tanah  bersumber  dari  peta  Repprot  skala 1:250.000.
Gambar 1. Lokasi Area Tangkapan Air Danau Tondano di Provinsi Sulawesi Utara

## Pengukuran Sedimen
Terdapat  5  sungai  yang  bermuara  dan mengalirkan  air  sepanjang  tahun  ke  danau Tondano tapi hanya 4 sungai yang bisa diuji dengan  model  SWAT  karena  satu  muara sungai  telah  dimodifikasi  menjadi  beberapa outlet  sistem  irigasi.  Ke  4  sungai  tersebut terdiri atas: (1) sungai yang bermuara di desa Papakelan selanjutnya disebut sungai Papakelan, (2) sungai yang bermuara di desa Remboken  selanjutnya  disebut  sungai Remboken, (3) sungai yang bermuara di desa Tountimomor  selanjutnya  disebut  sungai Tountimomor dan (4) sungai yang bermuara di  desa  Kakas  selanjutnya  disebut  sungai Kakas.
Pada  4  aliran  sungai  tersebut,  telah dilakukan pengukuran debit dan pengambilan sampel air untuk analisis kandungan sedimen terangkut.  Laju  aliran  air  di  setiap  sungai diukur dengan current meter flowatch FL-03. Hasil  perkalian  debit  aliran  harian  dan konsentrasi  sedimen  terangkut  pada  hari pengambilan sampel merupakan data sedimen  terangkut  harian  hasil  observasi. Pengukuran  dan  pengambilan  sampel  air  ini dilakukan pada saat musim hujan sebanyak 8 kali  sehingga  diperoleh  8  data  observasi sedimen terangkut harian.

## Pendekatan Modelling
Pemodelan SWAT menggunakan software QSWAT 2.6.0  sampai  pada  tingkat unit  respon  hidrologi  (HRU).  Evaluasi keakuratan  model  pada  tingkat  HRU  ini
sangat  direkomendasikan  (Bieger et  al ., 2015).
Pemodelan  area  tangkapan  sungai Papakelan  menggunakan  batasan  sub-das 25 ha  dan  HRU 25%  landuse,  40%  tanah, 25% kemiringan  lereng.  Untuk  area  tangkapan sungai-sungai  Kakas,  Tountimomor,  dan Remboken  dilakukan  pemodelan  sub-das dengan batasan  100 ha  dan pembatasan  unit respon hidrologi 25% landuse, 40% tanah, 25 % kemiringan lereng. Area tangkapan air dari 4 sungai tersebut ditunjukkan dalam gambar 2.

## Kalibrasi Model
Tahapan  kalibrasi  dilakukan  untuk mendapatkan  nilai  pendugaan  sedimen terangkut mendekati nilai sedimen terangkut hasil pengamatan. Kalibrasi tersebut dilakukan dengan menyesuaikan tipe penggunaan  lahan  dan  beberapa  sifat  fisik tanah  pada  model  dengan  hasil  pengukuran dan pengamatan langsung di lapang.

## Validasi Model
Validasi  model  SWAT  dilakukan dengan  menghitung  koefisien NSE ( Nash- Sutcliffe  model  Efficiency  coefficient )  dan koefisien  determinasi  ( R 2 )  antara  data sedimen  terangkut  hasil  prediksi  dan  hasil observasi/pengukuran di lapangan. Walaupun (Moriasi et  al .,  2007)  menganjurkan  bahwa suatu model hidrologi dapat diterima apabila NSE bernilai  antara  0  dan  1  serta R 2 >  0,5, dalam penelitian ini model ditolak jika NSE < 0,4 dan R 2 < 0,5.
Gambar 2. Area tangkapan air sungai-sungai yang bermuara di Danau Tondano (sungai Intermittent adalah sungai yang hanya mengalirkan air di musim hujan)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Kalibrasi  sedimen  terangkut  dengan model  SWAT  dan  sedimen  terukur  yang dilakukan  pada  4  sungai  yang  bermuara  di danau Tondano menunjukkan hasil yang baik
sampai  memuaskan  (0,4  < NSE <  0,94) (Gambar 3, 4, 5 dan 6). Koefisien NSE hasil kalibrasi  di  sungai  Papakelan  merupakan yang  terendah  dibandingkan  dengan  hasil kalibrasi  di  3  sungai  lainnya  karena  aliran permukaan dari sebagian
Gambar 3. Hasil kalibrasi sedimen terukur dan sedimen pendugaan yang dihasilkan model SWAT di outlet desa Papakelan
area  permukiman  telah  dilewatkan  melalui sistem  drainase  tersendiri  dan  tidak  masuk atau  menyatu  kembali  dengan  aliran  sungai Papakelan.  Kondisi  yang  hampir  sama  juga ditemukan  pada  aliran  sungai  Remboken. Walaupun  koefisien NSE sungai  Papakelan masih  lebih  kecil  dari  0,5,  hasil  kalibrasi
menunjukkan koefisien determinasi ( R 2 ) yang relatif  tinggi  yaitu  0,82  sehingga  model SWAT  bisa  digunakan  untuk  prediksi  erosi dan  sedimen  di  area  tangkapan  air  sungai Papakelan .
Gambar 4. Hasil kalibrasi sedimen terukur dan sedimen pendugaan yang dihasilkan model SWAT di outlet desa Remboken
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Se d im e n P e n d u ga an (t on /h ar i) Sedimen Terukur (ton/hari) NSE = 0,41 R 2 = 0,87 Outlet Desa Papakelan 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 Se d im e n P e n d u ga an (t on /h ar i) Sedimen Terukur (ton/hari) NSE = 0,52 R 2 = 0,76
Outlet Desa Remboken
Gambar 5. Hasil kalibrasi sedimen terukur dan sedimen pendugaan yang dihasilkan model SWAT di outlet desa Tountimomor
Gambar 6. Hasil kalibrasi sedimen terukur dan sedimen pendugaan yang dihasilkan model SWAT di outlet desa Kakas
Kalibrasi  sedimen  terukur  (teramati) dan  sedimen  pendugaan  yang  relatif  agak rendah  yang  diperoleh  dalam  modeling sedimen  di  sungai  Papakelan  dan  sungai Remboken disebabkan outlet sungai di 2 desa tersebut  tidak  sesuai  lagi  dengan  kondisi alami  tapi  telah  disesuaikan  dengan  kondisi jaringan  irigasi.  Walaupun  demikian,  hasil penelitian  ini  menunjukkan  bahwa  model SWAT  dapat  digunakan  untuk  prediksi
sedimen  terangkut   di  area  tangkapan  danau Tondano  karena  koefisien NSE sedimen terangkut  yang  diperoleh  untuk  4  area tangkapan  tersebut  masih  lebih  besar  dari batas yang ditetapkan ( NSE > 0,4). Koefisien NSE untuk  validasi  data  pengukuran  harian yang  diperoleh  dengan  model  SWAT  ini sudah  termasuk  cukup  baik  karena  beberapa penelitian dengan model SWAT
menghasilkan juga koefisien NSE sekitar 0,6
0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 Se d im e n P e n d u ga an (t on /h ar i) Sedimen Terukur (ton/hari) NSE = 0,62 R 2 = 0,95 Outlet Desa Tountimomor 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Se d im e n P e n d u ga an (t on /h ar i) Sedimen Terukur (ton/hari) NSE = 0,94 R 2 = 0,99 Outlet Desa Kakas
(Singh et al ., 2014; Zhu et al ., 2016)  dan hasil penelitian (Cambien et al ., 2020)
menunjukkan bahwa koefisien NSE biasanya meningkat  untuk  validasi  data  pengukuran dengan  periode  yang  lebih  panjang  seperti bulanan atau tahunan. Yang perlu diperhatikan bahwa secara keseluruhan, hasil pendugaan sedimen terangkut dengan  model SWAT  relatif  lebih  rendah  dari  sedimen terukur terutama pada saat curah hujan harian lebih  kecil  dari  15  mm/hari.  Disamping  itu, penggunaan  data  curah  hujan  yang  hanya berasal  dari  satu  stasiun  pengamatan  untuk prediksi erosi dan sedimen terangkut di area tangkapan  air  danau  Tondano  yang  relatif sangat  luas  dapat  menyebabkan  penurunan akurasi  akibat  sering  terjadinya  curah  hujan yang  tidak  merata.  Kendala  keterbatasan stasiun pengamatan curah hujan ini juga telah dikemukakan  oleh  beberapa  peneliti  (Dai  & Qin, 2019 ; Ferijal, 2013; Raihan et al ., 2020).

## KESIMPULAN
Model  SWAT  dapat  digunakan  untuk prediksi erosi dan sedimen di area tangkapan air  danau  Tondano  dengan  koefisien NSE berkisar  antara  0,4  sampai  0,9  (memuaskan sampai sangat baik).

## DAFTAR PUSTAKA
Arnold, J.G., Moriasi, D.N., Gassman, P.W., Abbaspour, K.C., White, M.J.,
Srinivasan,  R.,  Santhi,  C.,  Harmel,  R. D.,  van  Griensven,  A.,  Liew,  M.  W.
van,  Kannan,  N.,  &  Jha,  M.K.    2012. SWAT:  Model  Use,  Calibration  and
Validation. Transactions of the ASABE , 55(4), 1491–1508.
http://swatmodel.tamu.edu.
Bieger, K., Hörmann, G., & Fohrer, N.  2015.
Detailed  spatial  analysis  of  SWAT- simulated surface runoff and sediment yield  in  a  mountainous  watershed  in China. Hydrological Sciences Journal , 60(5), 784–800.  https://doi.org/10.
1080/02626667.2014.965172.
Cambien, N., Gobeyn, S., Nolivos, I., Forio,
M. A. E., Arias-Hidalgo, M., Dominguez-Granda,  L.,  Witing,  F., Volk, M., & Goethals, P. L. M.  2020. Using  the  Soil  and  Water  Assessment Tool  to  Simulate  the  Pesticide Dynamics  in  the  Data  Scarce  Guayas River Basin, Ecuador. Water , 12(3), 1–
21. https://doi.org/10.3390/ w12030696.
Christanto,  N.,  Setiawan,  M.  A.,  Nurkholis, A.,  Istiqomah,  S.,  Sartohadi,  J.,  & Hadi,  M.  P.    2018.  Analisis  Laju Sedimen  DAS  Serayu  Hulu  dengan Menggunakan Model SWAT. Majalah Geografi  Indonesia , 32(1), 50–58. https://doi.org/10.22146/mgi.32280. Dai,  C.,  &  Qin,  X. S.    2019.  Assessment  of the  effectiveness  of  a  multi-site stochastic weather generator on hydrological  modelling  in  the  Red Deer River watershed, Canada. Hydrological Sciences Journal ,
64(13) ,  1616–1628.  https://doi.org/10. 1080/02626667.2019.1661416.
Epelde,  A.  M.,  Cerro,  I.,  Sánchez-Pérez,  J. M.,  Sauvage,  S.,  Srinivasan,  R.,  & Antigüedad, I. 2015. Application of the SWAT  model  to  assess  the  impact  of changes  in  agricultural  management practices
on water quality.
Hydrological Sciences Journal , 60(5) ,
1–19. https://doi.org/10.1080/ 02626667.2014.967692.
Ferijal,  T.    2013.  Aplikasi  Model  SWAT Untuk  Mensimulasikan  Debit  Sub DAS  Krueng  eulesong  Menggunakan Data  Klimatologi  Aktual  dan  Data Klimatologi  Hasil  Perkiraan. Rona Teknik Pertanian , 6(1) , 398–404.
Hidayat, L., Sudira, P., Susanto, S., & Jayadi,
R.    2017.  Validasi  Model  Hidrologi SWAT  di  Daerah  Tangkapan  Air Waduk  Mrica  (Validation  of  The SWAT  Hydrological  Model  on  The Catchment  Area  of  Mrica  Reservoir). Agritech , 36(4) , 467–474. DOI:
10.22146/agritech.16772. Moriasi,  D.  N., Arnold,  J.  G., van  Liew,  M. W.,  Bingner,  R.  L.,  Harmel  R.D.,  & Veith.  T.L.    2007.  Model  Evaluation Guidelines for Systematic Quantification of Accuracy in Watershed  Simulations. Transactions of the ASABE , 50(3) , 885–900.
Neitsch, S. L., Arnold, J. G., Kiniry, J. R., &
Williams  J.R.    2011.  Soil  and  Water Assessment Tool. Theoretical Documentation. Water Resources Institute. Nguyen,  B.N.,  &  Nguyen,  H.K.L.    2014. Basin resources management: simulating soil erosion risk by soil and water  assessment  tool  (SWAT)  in  Ta Trach river watershed, central
Vietnam. Journal  of  Vietnamese Environment , 6(2) ,  165–170.  DOI: 10.13141/jve.vol6.no2.pp165-170.
Rahmad,  R.,  &  Nurman,  A.   2017.  Integrasi Model  SWAT  dan  SIG  dalam  Upaya Menekan  Laju  Erosi  DAD  Deli,
Sumatera  Utara. Majalah  Geografi Indonesia , 31(1) , 46–55. https://doi.org/10.22146/mgi.24232. Raihan, F., Beaumont, L. J., Maina, J., Saiful Islam,  A.,  &  Harrison,  S.  P.  (2020). Simulating  streamflow  in  the  Upper Halda Basin of southeastern Bangladesh  using  SWAT  model. Hydrological Sciences Journal , 65(1) , 138–151.  DOI:  10.1080/02626667. 2019.1682149.
Singh, A., Imtiyaz, M., Isaac, R. K., & Denis,
D. M. 2014. Assessing the performance  and  uncertainty  analysis of  the  SWAT  and  RBNN  models  for simulation  of  sediment  yield  in  the
Nagwa watershed, India. Hydrological Sciences Journal , 59(2) , 351–364.
Stehr,  A.,  Debels,  P.,  Romero,  F.,  & Alcayaga,  H.  2008.  Hydrological modelling with SWAT under conditions of limited data availability: evaluation  of  results  from  a  Chilean case  study. Hydrological  Sciences Journal , 53(3) , 588–601. DOI: 10.1623/hysj.53.3.588.
Zettam, A., Taleb, A., Sauvage, S., Boithias, L.,  Belaidi,  N.,  &  Sánchez-Pérez,  J. 2017.  Modelling  Hydrology  and Sediment Transport in a Semi-Arid and Anthropized  Catchment  Using  the SWAT Model: The Case of the Tafna River  (Northwest  Algeria). Water , 9(3) , 216.  DOI:10.3390/w9030216.
Zhu, Q., Zhang, X., Ma, C., Gao, C., & Xu,
Y.-P. 2016. Investigating the uncertainty  and  transferability  of parameters  in  SWAT  model  under climate change. Hydrological Sciences Journal , 61(5) ,  1–17.  DOI:10.1080/ 02626667.2014.1000915.