1. Pendahuluan
Gelombang tsunami merupakan gelombang panjang yang menjalar ke daratan. Pembangkitan gelombang tsunami di alam dapat disebabkan oleh pergeseran (dislokasi) kulit bumi di dasar laut yang menimbulkan gempa bumi dengan magnitudo diatas 7 contohnya tsunami Aceh 2004 dan tsunami Jepang2011, tsunami akibat longsoran dalam laut contohnya tsunami Palu 2018 maupun dari dataran tinggi contohnya tsunami Selat Sunda 2018, tsunami akibat letusan gunung berapi bawah laut seperti tsunami Tonga 2022, dan jatuhnya benda langit (meteor) ke permukaan air (laut, danau). Gelombang tsunami saat dibangkitkan tinggi gelombangnya pendek tetapi kecepatan jalarnya hampir sama dengan kecepatan jalar pesawat sekitar 700 km/jam. Gelombang tsunami yang mendekati daratan (surge tsunami) kecepatannya akan berkurang karena pengaruh pendangkalan (shoaling) tetapi tinggi gelombangnya akan berlipat ganda dari tempat pembangkitannya.
Penelitian terdahulu pemodelan gelombang tsunami di laboratorium mengunakan beberapa metode antara lain yaitu metode piston (piston-type wave generation) (Synolakis, 1990), (Briggs dkk. 1995), (Liu dkk. 1995), pemodelan tsunami dengan menggerakkan dasar vertikal (vertical wave board motion) (Raichlen, 1970), pemodelan tsunami dengan pelepasan volume air (volume-driven wave generation) (Rosetto dkk. 2011), (Warniyati dkk. 2018), pemodelan tsunami metode dam break (H. H. Yeh, 1991), (Chanson, 2005), (Chanson, 2006), (Bangguna dkk. 2016), (Kuswandi dkk. 2016), (Inabah dkk. 2020). Penelitian ini bertujuan mensimulasikan surge tsunami di laboratorium dengan metode dam break menggunakan reservoar terbatas. Penggunaan reservoar terbatas ini yang membedakan dengan penelitian terdahulu yang menggunakan reservoar tidak terbatas yang telah dilakukan oleh Chanson (2005). Hasil yang diharapkan dari penelitian ini yaitu panjang reservoar yang terbatas (lebih pendek) dapat digunakan untuk mensimulasikan surge tsunami dengan metode dam break.
2. Metodologi
Aliran air akibat dam break pada dasar kering dapat terjadi di dam dengan keadaan sungai yang kering, bisa juga terjadi saat tsunami menjalar ke daratan yang kering. Untuk memodelkannya perlu dibangun laboratorium set-up metode dam break di laboratorium yang terdiri dari dua bagian yaitu hulu (reservoar) yang berisi air dan hilir (saluran kering), kedua bagian tersebut dibatasi oleh pintu yang dapat dibuka dengan menjatuhkan beban. Pengertian reservoar terbatas dalam simulasi ini yaitu digunakan panjang reservoar
Gambar 1. Peletakan dinding pembatas reservoir di hulu pintu dambreak
Gambar 2. Sketsa laboratorium set-up simulasi surge tsunami dengan dam break
1.250 mm dan 3.750 mm, pemilihan panjang ini karena pada jarak tersebut terletak sambungan kaca flume sehingga peletakan dinding pembatas reservoar dapat lebih kokoh dan tidak merusak kaca flume saat simulasi (Gambar 1), dan tidak ada ketentuan khusus untuk pemilihan panjang reservoar ini. Pengurangan panjang reservoar ini bertujuan untuk membuktikan apakah metode dam break dengan solusi Cahnson dapat diimplementasikan menggunakan flume pendek. Sketsa flume untuk simulasi surge tsunami di laboratorium menggunakan metode dam break dengan reservoar terbatas dapat dilihat dalam Gambar 2.
Metode dam break di laboratorium dilakukan dengan membuka pintu pembatas hulu dan hilir secara tibatiba (quick release) dengan menjatuhkan beban yang terhubung pada pintu dam break. Saat pintu dam break dibuka dengan tiba-tiba, bagian hulu reservoar akan terjadi gelombang negatif dan kedalaman air tepat di pintu dam break setelah dibuka tetap konstan (Chanson, 2006). Chanson (2005, 2006) memberikan solusi Persamaan untuk mengambarkan profil muka air gelombang negatif dan ujung gelombang yang berbentuk parabola. Persamaan (1) tersebut sebagai berikut.
\[\frac{x}{t\sqrt{g\,d_0}} = 2 - 3\sqrt{\frac{d}{d_0}}\tag{1}\]
Persamaan (1) berlaku untuk kondisi:
\[-1 \le \frac{x}{t\sqrt{gd_0}} \ll 2 \tag{2}\] dengan x adalah jarak titik pengamatan dari pintu dam break, d adalah kedalaman penjalaran air setelah pintu dam break dibuka, d0 adalah kedalaman air di reservoar. Kedalaman air di pintu dam break setelah dibuka yaitu:
\[d_{(x=0)} = 4/9 \ d_o \tag{3}\] dengan d(x = 0) adalah kedalaman air di pintu dam break.
Untuk dasar saluran kering, maka profil ujung dari gelombang surge dapat digambarkan menggunakan Persamaan berikut.
\[\frac{d}{d_0} = \sqrt{\frac{f}{4} \frac{U^2}{g d_o} \frac{x_s - x}{d_o}} \tag{4}\] dengan f adalah koefisien gesek dasar saluran
Bentuk dan proses terjadinya ujung front gelombang tsunami dan gelombang negatif digambarkan secara skematis oleh Chanson (2005) seperti dalam Gambar 3.
Gambar 3. Sketsa profil permukaan air bebas untuk fluida real (Chanson, 2005)
Dari Gambar 3. diatas menunjukkan daerah ujung gelombang (x1 ≤ x ≤ xs) berbentuk parabola karena adanya hambatan (f) pada aliran.
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Simulasi surge tsunami di saluran kering
Simulasi surge tsunami di saluran kering menggunakan metode dam break dilakukan dengan anggapan kondisi reservoar terbatas tanpa kemiringan dasar saluran. Kondisi saluran hilir kering dengan pengertian tidak sepenuhnya dasar saluran kering, tetapi dalam kondisi tidak ada genangan atau aliran air. Tinggi permukaan air bebas di saluran hilir diukur menggunakan wave probe seri WTM-800 v2. Prinsip kerjanya berdasarkan perbedaan tegangan pada strain yang dilalui oleh air, perbedaan tegangan tersebut dikumpulkan dalam data logger. Untuk menghindari pengaruh noise (gangguan)
pada data logger, maka dipasang signal condition. Data yang sudah terkumpul dalam data logger selanjutnya diubah dalam bentuk digit (angka) menggunakan software. Bentuk wave probe seri WTM-800 v2 seperti Gambar 4.
Gambar 4. Wave Probe Seri WTM-800 v2
Saat simulasi wave probe ditempatkan di Sta 1, Sta 2, Sta 3, Sta 4 yang berjarak masing-masing stasiun 1 m dari pintu dambreak arah hilir flume, dan kecepatan penjalaran ujung muka air dihitung menggunakan Persamaan berikut (R. Triatmadja, 2014).
\[\text{[rumus tidak dapat ditampilkan dengan baik — lihat PDF asli]}\] (5)
Dengan xn-n+1 adalah jarak antara stasiun n dan stasiun n+1, tn-n+1 adalah waktu perambatan surge dari stasiun
(a) Penjalaran muka air saat t = 0,01 detik setelah pintu dam break dibuka
(b) Penjalaran muka air saat t = 1,19 detik setelah pintu dam break dibuka
Gambar 5. Simulasi dam break dengan saluran hilir kering
Gambar 6. Hasil pengukuran tinggi muka air pada titik pengamatan dengan saluran kering
n ke stasiun n+1, dan \(n_t\) adalah jumlah jarak antar wave probe.
Simulasi dilakukan dengan tinggi air di reservoar (\(d_0\)) = 100 mm, 200 mm, 300 mm, dan 400 mm dan simulasi dilakukan sebanyak 3 kali untuk tiap tinggi reservoar, pelaksanaan simulasi dapat dilihat dalam Gambar 5 dan profil tinggi permukaan air bebas di saluran hilir setelah pintu dam break terbuka ditunjukkan dalam Gambar 6.
Gambar 6 diatas menunjukkan bentuk profil permukaan air bebas untuk tiap kedalaman reservoar berfluktuasi pada tiap titik pengukuran yang disebabkan terjadinya pembendungan air didepan silinder wave probe saat terkena aliran air. Jarak antar puncak profil permukaan air bebas pada saluran kering terlihat lebih renggang bila dibandingkan dengan profil permukaan air bebas dengan genangan awal yang lebih rapat (Gambar 7), hal ini menunjukkan adanya hambatan permukaan dasar saluran kering akibat aliran air.
Waktu terbentuknya puncak aliran untuk reservoar \(d_0\) = 100 mm lebih lama dibandingkan dengan kedalaman reservoar yang lain, hal ini terjadi karena pengaruh volume air di reservoar, yang mana makin tinggi air di reservoar (> \(d_0\)) maka kecepatan jalar air setelah pintu dam break dibuka akan semakin cepat (> U) dan angka Froude yang merupakan fungsi dari kecepatan air juga akan meningkat (> Fr). Kondisi ini dapat dilihat dari
Gambar 7. Grafik koefisien gesek dasar saluran
hasil analisis kecepatan aliran dan nilai angka Froude dari hasil simulasi dan Chanson dalam Tabel 1 di bawah
Hasil simulasi penjalaran air dengan dasar saluran kering selanjutnya dianalisis menggunakan solusi Chanson untuk mengetahui nilai koefisien gesek dasar saluran yang merupakan fungsi angka Froude terhadap waktu. Hasil analisis nilai koefisien gesek dapat dilihat dalam Gambar 7.
Perbandingan karakteristik permukaan air bebas hasil simulasi dam break dan solusi Chanson untuk saluran kering dengan panjang reservoar berbeda dapat dilihat dalam Tabel 1.
Data hasil simulasi Tabel 1 dengan menggunakan Persamaan (1) dan (4) dari solusi Chanson digunakan untuk menggambarkan profil permukaan air bebas di hulu saluran (negatif) dan hilir saluran (positif), yang selanjutnya diploting dengan hasil digitasi foto simulasi dam break. Ploting permukaan air bebas hanya dilakukan dengan digitasi simulasi dam break arah hilir saluran (positif) karena tidak dilakukan perekaman gambar untuk hulu saluran (negatif) dan simulasi lebih fokus untuk gelombang positif. Profil permukaan air bebas untuk saluran kering tiap kedalaman reservoar yang berbeda dapat dilihat dalam Gambar 8.
Gambar 8. Hasil simulasi dam break dengan reservoar terbatas dan analisis Chanson
Tabel 1. Karakteristik permukaan air bebas metode dam break di saluran kering
| d0 (m) | Simulasi | CI | hanson | Angka Froude | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tinggi rerata (m) | Kecepatan surge (m/detik) | Tinggi rerata (m) | Kecepatan surge (m/detik) | Simulasi | Chanson | Perebedaan (%) | Koefisien gesek | ||||
| Panjang Reservoar 1,25 m | |||||||||||
| 0,10 | 0,036 | 1,058 | 0,031 | 1,020 | 1,07 | 1,03 | 3,88 | 0,0595 | |||
| 0,20 | 0,065 | 1,614 | 0,049 | 1,611 | 1,15 | 1,15 | 0,00 | 0,0595 | |||
| 0,30 | 0,062 | 2,084 | 0,063 | 2,095 | 1,21 | 1,22 | 0,82 | 0,0595 | |||
| 0,40 | 0,064 | 2,463 | 0,073 | 2,523 | 1,24 | 1,27 | 2,36 | 0,0595 | |||
| Panjang Reservoar 3,50 m | |||||||||||
| 0,10 | 0,031 | 1,034 | 0,032 | 1,014 | 1,04 | 1,02 | 1,96 | 0,0595 | |||
| 0,20 | 0,061 | 1,52 | 0,049 | 1,588 | 1,09 | 1,13 | 3,54 | 0,0595 | |||
| 0,30 | 0,083 | 2,084 | 0,061 | 2,099 | 1,21 | 1,22 | 0,82 | 0,0595 | |||
| 0,40 | 0,093 | 2,498 | 0,073 | 2,53 | 1,26 | 1,28 | 1,56 | 0,0595 | |||
Tabel 2. Simulasi karakteristik surge tsunami dengan genangan awal hilir saluran
| d0 (m) | d1 (m) | Simulasi | Chanson | Angka Froude | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tinggi rerata (m) | Kecepatan surge (m/detik) | Tinggi rerata (m) | Kecepatan surge (m/detik) | Simulasi | Chanson | Perebedaan (%) | ||
| 0,30 | 0,10 | 0,20 | 1,79 | 0,18 | 1,61 | 1,04 | 0,94 | 10,64 |
| 0,40 | 0,10 | 0,23 | 2,26 | 0,22 | 1,86 | 1,14 | 0,94 | 21,28 |
| 0,30 | 0,15 | 0,23 | 1,72 | 0,22 | 1,62 | 1,00 | 0,94 | 6,38 |
| 0,40 | 0,15 | 0,28 | 1,96 | 0,26 | 1,86 | 0,99 | 0,94 | 5,32 |
(a) \(d_0 = 300\) mm, \(d_1 = 150\) mm
Gambar 9. Simulasi surge tsunami dengan genangan awal di hilir saluran
Gambar 8 menunjukkan makin tinggi kedalaman reservoar (\(> d_0\)) maka nilai perbandingan kedalaman permukaan air bebas pada saluran kering (d) terhadap kedalaman reservoar \((d_0)\) yang dihasilkan akan semakin kecil (\(< d/d_0\)), hal ini juga terjadi pada panjang ujung permukaan air bebas \((x_s)\) makin tinggi kedalaman reservoar (\(> d_0\)) maka panjang ujung permukaan air bebas akan semakin pendek (\(< x_s\)). Kondisi ini terjadi karena reservoar yang dalam (\(> d_0\)) akan menghasilkan ketebalan permukaaan aliran yang besar (> d) yang memberikan tekanan yang besar juga (> p) pada dasar saluran saat penjalaran air di saluran kering setelah pintu dam break terbuka, sehingga gesekan (f) antara permukaan dasar saluran dengan aliran air merupakan parameter yang sangat berpengaruh pada simulasi surge tsunami untuk saluran kering dengan metode dam break.
3.2. Simulasi surge tsunami dengan adanya genangan awal di hilir saluran
Simulasi surge tsunami dengan genangan awal di hilir dilakukan dengan cara yang sama dengan simulasi surge tsunami saluran kering, yang membedakan adalah di hilir saluran diberi genangan awal dengan tinggi \(d_1 = 100 \text{ mm}\)dan 150 mm tanpa kecepatan aliran. Gambar 9 dan 10 adalah pelaksanaan simulasi dan profil simulasi surge tsunami dengan adanya genangan awal di hilir saluran. Gambar 9a simulasi dengan kedalaman reservoar \(d_0\) = 400 mm dan genangan awal \(d_1\)= 100 mm menunjukkan terbentuknya gelombang pecah (plungging) setelah pintu
Gambar 10. Hasil pengukuran tinggi muka air pada titik pengamatan dengan genangan awal di hilir saluran
dam break terbuka yang selajutnya penjalaran ujung gelombangnya berbentuk bore. Gelombang pecah (plungging) tersebut terjadi akibat dari pengaruh kedalaman genangan awal yang dangkal (\(d_I\)= 100 mm) dan kecepatan aliran air saat pintu dam break dibuka. Untuk genangan awal yang lebih dalam (\(d_i\)= 150 mm) saat pintu dam break dibuka gelombang yang terjadi belum pecah yang selajutnya penjalaran ujung gelombangnya berbentuk bore seperti ditunjukkan Gambar 9b.
Gambar 9 menuniukkan bahwa metode dam break menggunakan flume dengan reservoar terbatas dapat juga mensimulasikan gelombang bore. Yeh dkk. (1989) menyatakan untuk perbandingan \(d_0/d_1 = 2\) bentuk penjalaran ujung gelombang adalah undular bore, dan untuk \(d_0/d_1 > 2\) bentuk penjalaran ujung gelombang adalah fully developed bore.
Hasil pengukuran profil permukaan air bebas pada Gambar 10 diatas menunjukkan untuk titik pengukuran Sta. 2, Sta. 3, dan Sta. 4 (orange, abu-abu, kuning) terlihat tinggi awal pengukuran di Sta tersebut tidak sama dengan tinggi awal titik Sta 1 (biru), hal ini terjadi karean adanya penambahan volume air pada genangan awal dari reservoar saat pintu dam break terbuka. Perbandingan karakteristik surge tsunami dari simulasi dan solusi Chanson untuk genangan awal di saluran hilir dapat dilihat dalam Tabel 2.
Prosentase perbedaan angka Froude dari simulasi dan solusi Chanson untuk saluran kering antara 0,00 % sampai 3,88 %, dan untuk saluran dengan genangan awal di hilir saluran prosentase perbedaan antara 5,32 % sampai 21,28 %. Kondisi ini menunjukkan bahwa flume dengan reservoar terbatas dapat digunakan untuk mensimulasikan surge tsunami dengan metode dam break.
Kesimpulan
Dari hasil simulasi dapat diambil kesimpulan berikut ini.
- 1. Dam break dengan reservoar terbatas (pendek) hasil simulasi memberikan hasil yang mirip dengan karakterisitik surge tsunami solusi Chanson.
- 2. Dam break dengan reservoar terbatas (pendek) hasil simulasi dan solusi Chanson untuk saluran kering menghasilkan perbedaan angka Forude 0,00 % sampai 3,88 % untuk saluran kering, dan 5,32 % sampai 21,28 % untuk saluran dengan genangan awal di hilir saluran.
- 3. Dam break dengan genangan awal pada saluran hilir dapat mempresentasikan gelombang undular bore dan fully developed bore.
Ucapan Terima Kasih
Terima kasih kepala Dr. Kuswandi, S. T. M.T atas supportnya, dan teknisi Laboratorium Hidraulik dan Hidrologi Pusat Studi Ilmu Teknik (PSIT) UGM yang telah membantu pelaksanaan penelitian selama di laboratorium.