Modul 2 Transpor Sedimen (pasir)

MODUL 2: PEMODELAN TRANSPOR SEDIMEN PASIR Oleh: Valen Rangga G., S.Si

Pendahuluan

Pada modul 2 ini mengambil daerah di Pelabuhan Torsminde di pantai barat Jutland, Denmark

Gambar 1 Peta daerah Laut Utara (North Sea)

Latar Belakang Dari tahun 1980 hingga 100 tahun ke depan, beberapa bagian dari pantai di pelabuhan Torsminde telah dilindungi oleh beberapa struktur misalnya groin.

Gambar 2 Pelabuhan Torsminde, Denmark (dilihat dari selatan) Masalah sedimentasi dan pendangkalan yang parah yang berpengaruh terhadap pintu masuk pelabuhan serta perlunya alternatif layout pelabuhan membuat dibutuhkannya investigasi awal untuk mengetahui bagaimana pola transpor sedimen di daerah tersebut.

Tujuan Tujuan dari pelatihan modul 2 ini adalah untuk melakukan setting model sehingga dapat mensimulasikan perubahan kedalaman di daerah pelabuhan Torsminde dengan hasil yang memuaskan

Pembuatan mesh Pembuatan mesh umumnya membutuhkan beberapa modifikasi dari data set yang telah ada, sehingga daripada menjelaskan kembali setiap klik untuk masing-masing tahap, beberapa pertimbangan utama dan metode pembuatan mesh dapat dilihat kembali pada Modul 1 Hidrodinamika sebelumnya.

Pada modul ke 2 untuk sedimen transpor pasir ini, beberapa file xyz yang penting dan file mdf nya telah disiapkan pada contoh data sehingga waktu yang tersisa bisa digunakan untuk mempelajari hal-hal yang lain dari modul sedimen transpor pasir. File mesh juga telah disiapkan dimana dipilih mesh yang kasar untuk mengurangi waktu simulasi yang dibutuhkan. Ringkasan properti dari mesh batimetri yang telah dibuat ditunjukkan pada tabel.

Gambar 3 Properti mesh batimetri

Gambar dibawah ini menunjukkan bagaimana kondisi mesh yang digunakan sebagai contoh yang ditampilkan menggunakan Data Viewer dan MIKE Animator.

Gambar 4 Mesh batimetri pelabuhan Torsminde dilihat menggunakan Data Viewer

Gambar 5 Mesh batimetri pelabuhan Torsminde dilihat menggunakan MIKE Animator

Membuat beberapa parameter input

Sebelum melakukan setting model untuk MIKE 21 Flow Model FM, data input harus disusun terlebih dahulu dari data pengukuran. Beberapa data hasil pengukuran yang telah disiapkan antara lain: 1. Data pengukuran tinggi muka air dari jetty untuk tahun 1997 – 1999 2. Hasil model gelombang di daerah Laut Utara (North Sea) 3. Hasil survei batimetri sebelum dan setelah badai di pintu masuk pelabuhan, survei dilakukan masing-masing pada tanggal 16 dan 27 Oktober 1997 4. Survei pengukuran garis pantai di sepanjang pantai barat pada tahun 1998 5. Survei pengukuran garis pantai lokal pada tahun 1999 Data survei batimetri di mulut pelabuhan akan digunakan sebagai data kalibrasi dari model transpor sedimen pasir sehingga nantinya akan dipilih waktu simulasi dari tanggal 16 Oktober 1997 sampai 27 Oktober 1997 (11 hari) Data-data pengukuran terdapat dalam folder Data ASCII.

Kondisi tinggi muka air di batas Data pengukuran tinggi muka air di pelabuhan Torsminde telah tersedia. Namun, tidak terdapat pengukuran tinggi muka air di daerah batas sehingga variasi tinggi muka air di sepanjang batas tidak diketahui. Oleb sebab itu, kondisi tinggi muka air di batas akan didefinisikan sebagai time series yang konstan di sepanjang daerah batas (dfs0 file). Selain itu, kondisi tinggi muka air di pelabuhan Torsminde akan diasumsikan sebagai kondisi tinggi muka air di

daeah batas di sepanjang waktu model. Hal ini dapat dilakukan karena domain model yang berupa area terbuka dan relatif kecil luasnya. Hasil pengukuran tinggi muka air dapat dilihat pada file ‘Torsminde_level.txt’ dimana hasil pengukurannya dinyatakan dalam satuan cm.

Gambar 6 File ASCII hasil pengukuran tinggi muka air di Torsminde Buka Time Series Editor pada MIKE Zero (FileNewFile).

Gambar 7 Memulai Time Series Editor pada MIKE Zero

Pilih ‘ASCII template’. Buka file ‘Torsminde_levels.txt’. Ubah deskripsi waktunya ke ‘Non-Equidistant Calendar Axis’ dan klik OK.

Gambar 8 Time Series Editor : impor data Kemudian pada properti data (EditProperties), ubah tipe datanya menjadi ‘Water Level’.

Gambar 9 Properti Time Series Simpan hasilnya dengan nama ‘WaterLevels_nonEq.dfs0’ File time series yang telah dibuat ternyata terdapat bagian kosongnya (gaps). Contohnya, pada tanggal 1/7/1997 pengukuran terhenti pada pukul 17:30 dan dimulai kembali pada pukul 09:00 di hari berikutnya. Untuk mengisi bagian kosong tersebut dapat digunakan tool dari MIKE Zero yaitu ‘Interpolate Time Series’ Buka MIKE Zero Toolbox pada MIKE Zero (File  New  MIKE Zero Toolbox). Pilih ‘Interpolate Time Series’ pada bagian ‘Time Series’.

Gambar 10 Memilih tool Interpolate Time Series pada MIKE Zero Toolbox Klik ‘New’ dan ikuti tampilan berikutnya. Pilih file ‘WaterLevels_nonEq.dfs0’ sebagai input. Pada tampilan berikutnya, tentukan parameter-parameter interpolasi yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini. Pada nilai time step tentukan nilainya 900 detik (15 menit)

Gambar 11 Menentukan parameter interpolasi pada tool Interpolate Time Series Simpan hasilnya dengan nama ‘WaterLevels_Eq.dfs0’ Buka file tersebut pada ‘Time Series Editor’ dan kalikan nilai data dengan 0.01 sehingga data yang tersedia sudah dalam satuan meter.

Gambar 12 Time Series Editor dengan data tinggi muka air yang telah diimpor

Untuk mendapatkan variasi nilai tinggi muka air yang lebih smooth (halus), hasil pengukuran tinggi muka air di daerah Torsminde harus di low filter. Jika tidak dilakukan filter, simulasi numerik bisa mengalami ketidakstabilan. Untuk melakukan filter pada time series dapat digunakan salah satu tool dari MIKE 21 yaitu ‘Filtering of Time Series’ Buka MIKE 21 Toolbox pada MIKE Zero (File  New  File)

Gambar 13 Memilih MIKE 21 Toolbox pada MIKE Zero Pilih tool ‘FFT Filtering of Time Series’ pada bagian ‘Waves’

Gambar 14 Memilih tool ‘FFT Filtering of Time Series’ pada MIKE 21 Toolbox Klik ‘New’ dan ikuti tampilan berikutnya. Pilih file ‘WaterLevels_Eq.dfs0’ sebagai input file. Pada tampilan berikutnya, tentukan rentang frekuensi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. Frekuensi maksimum yang diinginkan bernilai 5e005 Hz sesuai dengan 5.5 jam.

Gambar 15 Menentukan range frekuensi pada tool ‘FFT Filtering of Time Series’ Simpan hasilnya dengan nama ‘Waterlevels_Torsminde.dfs0’. Sekarang file tinggi muka air sudah siap digunakan sebagai kondisi batas untuk simulasi.

Kondisi Gelombang Kondisi gelombang harus dihitung sebelum simulasi transport sedimen pasir dilakukan. Kondisi gelombang pada modul ini diperoleh dari hasil simulasi MIKE 21 Spectral Wave menggunakan kondisi batimetri awal di daerah tersebut. Karena daerah model merupakan daerah terbuka dan relatif kecil, kondisi gelombang dapat diasumsikan konstan di sepanjang batas barat.

Gambar 16 Time series dari tinggi signifikan gelombang dan arah gelombang rata-rata sepanjang batas barat Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa di awal simulasi terdapat gelombang yang cukup kecil yang berasal dari barat daya (SW). Setelah hampir 4 hari arah gelombang berubah menjadi dari arah barat laut (NW) dan tinggi gelombang bertambah.

Kondisi awal (modul hidrodinamika) Kondisi awal tinggi muka air diasumsikan bernilai 0.0 m di seluruh daerah model. Dengan menggunakan fungsi soft start, tinggi muka air akan menyesuaikan diri dengan tinggi muka air hasil pengukuran di pelabuhan Torsminde dalam waktu 1 jam.

Kondisi Angin (modul hidrodinamika) Hasil pengukuran kondisi angin di pelabuhan Torsminde akan membentuk kondisi angin time series yang konstan terhadap ruang.

Gambar 17 Kecepatan dan arah angin di Torsminde selama waktu simulasi Hasil pengukuran angin dari pelabuhan Torsminde telah dimasukkan ke dalam Time

Series

Editor

dan

disimpan

dengan

interval

3

jam

pada

file

Wind_Torsminde_3h.dfs0.

Data sedimen Properti sedimen diasumsikan konstan di sepanjang daerah model. Nilai tengah (median) dari besar butirannya adalah 0.3 mm dan sedimen tersortir dengan baik dengan spreading index 1.45. Sebelum melakukan simulasi transport sedimen pasir, tabel transport sedimen harus dibuat terlebih dahulu. Tingkat keluasan nilai parameter dalam tabel sebisa mungkin harus terpenuhi selama waktu simulasi. Untuk membuat tabel transport sedimen, buka MIKE 21 Toolbox pada MIKE Zero dan pilih ‘Generation of Q3D Sediment Tables’ lalu pilih ‘New’.

Gambar 18 Memilih tool untuk membuat tabel transpor sedimen Ikuti sesuai petunjuk, beri nama settingannya dan lanjutkan pada tampilan selanjutnya yang berisi ‘General Parameters’ dan ‘Additional Parameters’. Klik next untuk masing-masing tampilan untuk menerima nilai defaultnya. Pada tampilan parameter gelombang, ubah teori gelombang yang akan digunakan ke Stokes orde pertama.

Gambar 19 Memilih teori gelombang pada tabel transpor sedimen

Pada tampilan berikutnya, nilai-nilai parameter akan didefinisikan pada tabel.

Gambar 20 Mendefinisikan parameter dari tabel transpor sedimen Masukkan nilai-nilai parameter sesuai dengan gambar diatas, lalu klik next dan beri judul pada tabel transport sedimen yang akan dibuat. Simpan setting dan klik ‘Execute’ pada tool untuk membuat tabel transport sedimennya. Dua file ASCII akan dibuat dengan tipe file masing-masing adalah .lon dan .crs. Karena untuk membuat tabel transport sedimen sangat bergantung pada kemampuan komputasi, tabel transport sedimen untuk modul ini telah disediakan.

Setting MIKE 21 Flow Model FM

Spesifikasi Setting model sekarang sudah siap untuk dilakukan dengan menggunakan mesh Torsminde, kedalaman sebelum badai, kondisi batas dan gaya-gaya pembangkit seperti angin dan gelombang yang telah dibuat sebelumnya.

Beberapa parameter yang akan digunakan pada simulasi terangkum dalam tabel dibawah ini.

Gambar 21 Rangkuman spesifikasi simulasi Spesifikasi untuk parameter umum

Proyeksi koordinat yang telah digunakan pada mesh adalah UTM-32 dimana terdapat 3 batas: batas utara dengan kode 2, batas barat dengan kode 3, dan batas selatan dengan kode 4. Ubah nama masing-masing batas dengan ‘North’, ‘West’, dan ‘South’ pada bagian ‘Boundary Names’.

Gambar 22 MIKE 21 Flow Model FM : menentukan domain Tentukan interval overall time step dengan nilai 1800 s dan jumlah time step adalah 582 agar periode simulasi menjadi 11 hari.

Gambar 23 MIKE 21 Flow Model FM : periode simulasi Pada modul ini, selain modul hidrodinamika, aktifkan juga modul ‘Sand Transport’ pada bagian ‘Module Selection’.

Gambar 24 MIKE 21 Flow Model FM : pemilihan modul

Spesifikasi modul hidrodinamika Untuk persamaan perairan dangkal digunakan penyelesaian ‘Low order, fast algorithm’ untuk kedua deskritisasi waktu dan ruang.

Gambar 25 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Hidrodinamika : teknik penyelesaian Time step minimum ditentukan bernilai 0.1 untuk memastikan bahwa nilai CFL selalu lebih kecil daripada nilai CFL maksimumnya yaitu 1. Time step maksimum ditentukan bernilai sama dengan time step overall yaitu 1800 s.

Pada contoh modul kali ini fungsi flood and dry diaktifkan karena variasi tinggi muka air akan menyebabkan beberapa bagian dari pantai mengering selama simulasi. Jika fungsi flood and dry tidak diaktifkan maka model akan blow up di beberapa situasi di daerah yang mengering. Pada kali ini gunakan nilai default untuk ‘drying depth’, ‘flooding depth’, dan ‘wetting depth’.

Gambar 26 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Hidrodinamika : flood and dry Karena variasi densitas tidak diperhitungkan pada contoh kali ini, densitas akan didefinisikan sebagai ‘Barotropic’ pada bagian ‘Density’.

Gambar 27 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Hidrodinamika : penentuan densitas Pada bagian ‘Eddy Viscosity’ akan digunakan nilai default untuk koefisiennya yaitu 0.28.

Gambar 28 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Hidrodinamika : viskositas eddy Nilai pada bagian ‘Bed Resistance’ akan didefinisikan sebagai peta Manning. Angka Manning bernilai 40

1/3/s

di sebagian besar daerah, tetapi mengecil di

daerah batas selatan dan utara untuk mencegah ketidakstabilan selama waktu simulasi. Format dari nilai gesekan dasar ini adalah ‘Varying in domain’ agar dapat mendefinisikannya dalam bentuk file 2 dimensi.

Gambar 29 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Hidrodinamika : gesekan dasar didefinsikan sebagai ‘varying in domain’ Bagian ‘Wind Forcing’ juga dimasukkan sebagai file time series.

Formatnya harus ditentukan sebagai ‘Varying in time, constant in domain’ agar dapat mendefinsikan kondisi angin sebagai file time series.

Gambar 30 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Hidrodinamika : pengaruh angin Tipe dari gesekan angin ditentukan sebagai ‘Varying with wind speed’ dengan menggunakan nilai default. Nilai radiasi gelombang yang akan digunakan telah dihitung sebelum simulasi dilakukan sehingga harus ditentukan tipenya sebagai ‘Specified Wave Radiation’ pada bagian ‘Wave Radiation’.

Gambar 31 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Hidrodinamika : radiasi gelombang

Pada kondisi awal digunakan nilai untuk tinggi muka air adalah 0.0 meter dimana nilai ini akan menyesuaikan dengan nilai tinggi muka air hasil pengukuran setelah 1 jam.

Gambar 32 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Hidrodinamika : kondisi awal Pada contoh ini beberapa parameter tidak dimasukkan, antara lain: 

Coriolis Force



Ice Coverage



Precipitation-Evaporation



Sources



Tidal Potential



Decoupling

Pada bagian ‘Boundary Condition’ terdapat 3 batas yang akan digunakan yaitu batas utara (North), batas barat (West), dan batas selatan (South). Untuk masing-masing batas akan digunakan tipe batas yaitu ‘Specified Level’ karena hanya pengukuran tinggi muka air yang tersedia. Format kondisi batas harus

ditentukan sebagai ‘Varying in time, constant along boundary’ agar dapat mendefinisikan kondisi batas sebagai file time series (dfs0).

Gambar 33 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Hidrodinamika : kondisi batas didefinisikan sebagai ‘specified level’ Pada batas utara dan selatan harus diaktifkan ‘Include radiation stress correction’. Hal ini akan menyebabkan perubahan secara otomatis pada kondisi tinggi muka air di batas akibat adanya pengaruh gelombang pecah. Sedangkan pada batas barat koreksi tidak perlu dilakukan karena pengaruh gelombang pada perairan dalam untuk contoh modul ini tidak diperhatikan. Pada kolom ‘soft start interval’ tentukan nilainya adalah 3600 s. Pada bagian ‘Output’, klik ‘New’, dan definisikan output sebagai ‘Area Series’ dan tentukan nama filenya adalah ‘HD_output.dfsu’.

Gambar 34 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Hidrodinamika : tipe output dan lokasi Kurangi ukuran output dengan mengubah frekuensi output dari 1800 s menjadi 3600 s dengan memasukkan nilai ‘specified output frequency’ adalah 2 (3600/1800). Pilih parameter-parameter yang ingin ditampilkan pada file output sesuai pada gambar dibawah ini.

Gambar 35 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Hidrodinamika : parameter output

Spesifikasi modul transport sedimen pasir Pada bagian ‘Model Definition’, pilih tipe model yaitu ‘Waves and current’ karena perhitungan berdasarkan Kemudian

transport sedimen pasir

perhitungan

pilih

file

simultan

tabel

dipersiapkan sebelumnya.

dari

transport

pada simulasi ini

interaksi

sedimen

gelombang

‘QsTable.lon’

adalah

dan

arus.

yang

telah

Gambar 36 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Transpor Sedimen Pasir : definisi model Time step untuk perhitungan transport sedimen ditentukan pada bagian ‘Time Parameters’. Nilai time step untuk simulasi transpor sedimen ditentukan berdasarkan nilai time step overall pada modul hidrodinamika. Karena simulasi transpor sedimen harus dimulai pada saat yang sama dengan simulasi hidrodinamika, maka nilai ‘start time step’ adalah 0. Sedangkan frekuensi perhitungan transpor sedimen juga sama dengan perhitungan hidrodinamika sehingga nilai ‘time step factor’ adalah 1.

Gambar 37 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Transpor Sedimen Pasir : parameter waktu Properti sedimen didefinisikan pada bagian ‘Sediment Properties’ dimana digunakan nilai porositas default yaitu 0.4. Sedangkan nilai diameter butiran didefinisikan bernilai sama di seluruh daerah model yaitu 0.3 mm dengan ‘grading coefficient’ 1.45. Hal yang harus diperhatikan adalah nilai parameter sedimen ini harus terdapat pada tabel transpor sedimen yang telah digunakan sebelumnya agar simulasi transpor sedimen tidak berhenti.

Gambar 38 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Transpor Sedimen Pasir : properti sedimen

Pada simulasi ini sudah jelas bahwa kondisi arus diperoleh dari hasil simulasi hidrodinamika. Sedangkan kondisi gelombang dapat didefinisikan pada bagian ‘Waves’ dengan tipe ‘Wave Field’ sehingga dapat dipilih kondisi medan gelombang dari simulasi gelombang sebelumnya.

Gambar 39 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Transpor Sedimen Pasir : gelombang Fokus utama dari simulasi ini adalah untuk memodelkan bagaimana perubahan kedalaman selama periode badai. Pada bagian ‘Morphology: Model Definition’ pilih untuk memasukkan fungsi ‘feedback on hydrodynamic, wave and sand transport calculation’ agar diperoleh perubahan yang dinamis dari kondisi batimetri yang berpengaruh pada perhitungan kedepannya. Tentukan nilai maksimum perubahan kedalaman yaitu 2 meter/hari untuk menghindari ketidakstabilan pada simulasi akibat perubahan yang tiba-tiba pada kondisi batas.

Gambar 40 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Transpor Sedimen Pasir, Morfologi : definisi model Time step pada perubahan morfologi dasar adalah sama dengan time step pada perhitungan transpor sedimen sehingga nilai ‘speed-up factor’ adalah 1. Nilai ‘start time step’ pada bagian ‘Morphology: Time parameter’ ditentukan bernilai 0 agar perhitungan perubahan kedalaman batimetri mulai bersamaan dengan perhitungan transpor sedimennya.

Gambar 41 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Transpor Sedimen Pasir, Morfologi : parameter waktu

Pada bagian ‘Morphology: Boundary Condition’, ditentukan tipe untuk masingmasing kondisi batas adalah ‘zero sediment flux gradient for outflow, zero bed change for inflow’ sesuai pada gambar dibawah ini.

Gambar 42 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Transpor Sedimen Pasir, Morfologi : kondisi batas Pengaturan file ouput pada simulasi transpor sedimen kurang lebih sama dengan pada simulasi hidrodinamika yaitu berupa ‘Area Series’ dengan frekuensi output 2 kali time step overall. Beri nama hasil outputnya dengan nama ‘ST_output.dfsu’.

Gambar 43 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Transpor Sedimen Pasir : tipe output dan lokasi Pilih parameter yang akan dimasukkan pada hasil simulasi transpor sedimen sesuai pada gambar dibawah ini.

Gambar 44 MIKE 21 Flow Model FM, Modul Transpor Sedimen Pasir : parameter output Happy Running!!!!

Daftar Pustaka: DHI Water & Environment. 2012. MIKE 21 FM Hydrodynamic: Scientific

Document. New York. DHI Water & Environment. 2012. MIKE 21 FM Sand Transport: Scientific

Document. New York.