Gradien Hidraulik

Kedalaman muka airtanah mempunyai peran penting di dalam penentuan pemanfaatan airtanah dan juga aktivitas/kegiatan di sekitarnya. Muka airtanah yang dangkal akan menyulitkan pekerjaan penggalian atau konstruksi dan saat curah hujan tinggi akan menyebabkan genangan air sehingga menyebabkan gangguan pada aktivitas manusia seperti kerusakan lahan pertanian, dll. Muka airtanah yang dalam akan menyebabkan konstruksi sumur bor air dan pemompaan air menjadi lebih sulit.

Perbedaan muka airtanah menyebabkan air bergerak dari satu tempat ke tempat lainnya. Kedalaman muka airtanah biasanya diukur dari sumur yang digunakan secara khusus untuk keperluan tersebut. Sumur ini disebut dengan sumur pantau atau pisometer (piezometer). Posisi muka airtanah (atau pada akifer tertekan disebut potensiometrik) yang diukur dari suatu elevasi tertentu (datum). Yang sering digunakan sebagai datum adalah muka air laut rata-rata.

Jika kedalaman muka airtanah dikurangi dari elevasi titik pengukuran maka akan didapatkan angka total head (total tinggi tekan). Dalam mekanika fluida, total head terdiri dari 3 komponen, yaitu elevation head, pressure head dan velocity head. Karena kecepatan aliran air di dalam batuan sangat kecil, maka velocity head dapat diabaikan. Sehingga total head akan terdiri dari 2 komponen saja yaitu elevation head dan pressure head. Airtanah mengalir dari total head yang besar ke arah total head yang kecil dan tidak selalu mengalir dari pressure head tinggi ke rendah.Total head (Ht) dapat ditulis sebagai berikut:

ht = z + hp

dimana z adalah elevation head dan hp adalah pressure head. Elevation head adalah tinggi dari lokasi mana pressure head diukur.

Kecepatan aliran airtanah bergantung pada gradien atau beda tinggi hidroliknya. Gradien hidrolik adalah beda perubahan head per satuan jarak yang diukur pada arah tertentu. Jika terdapat dua sumur pisometer, maka gradien hidrolik airtanah di antara kedua sumur tersebut dapat dihitung dengan cara membagi beda total head (head loss) di kedua sumur tersebut dengan jarak antar sumur. Dalam gambar di atas, maka:

Gradien hidrolik (hL/L) = ((100-15) - (98-18))/ 780 = 5/780.

Semakin besar gradien hidrolik semakin cepatlah aliran airtanah di antara kedua titik tersebut. Jika terdapat 3 sumur pisometer, maka data total head dapat dibuat menjadi kontur kesamaan head. Aliran airtanah akan bergerak tegak lurus terhadap garis kontur tersebut.

Siklus Air atau Siklus Hidrologi

Siklus hidrogeologi atau siklus airtanah erat hubungannya dengan siklus air meteorik. Kedua siklus ini merupakan bagian dari siklus hidrologi di permukaan bumi. Proses-proses utama yang berlangsung dalam siklus hidrologi meliputi proses evaporasi, evapotranspirasi, dan presipitasi. Proses evaporasi adalah proses penguapan air ke atmosfer dari tubuh-tubuh air yang ada di bumi baik dari laut, sungai atau danau. Sedangkan evapotranspirasi adalah gabungan dari proses penguapan air yang terkandung di tanah yaitu soil moisture dari zona perakaran dan aktivitas vegetasi (transpirasi) dengan proses evaporasi.

Selanjutnya proses presipitasi (hujan) akan mengembalikan air tersebut dari atmosfer ke daratan dan lautan. Sebagian air hujan tertampung di danau/rawa (depression storage), sebagian mengalir di darat (overland flow), membentuk aliran permukaan (surface runoff/direct run off), sebagai bagian dari aliran sungai (stream flow) dan sebagian lagi terserap (infiltrasi) di daerah recharge menjadi airtanah. Sebagian air tersimpan dalami vegetasi (transpirasi). Jumlah air di bumi dalam setiap tahapan siklus air dapat dilihat dalam tabel di bawah ini.

Dengan menggunakan data satelit dan data pengukuran air di seluruh dunia, NASA mengestimasii cadangan air di tujuh benua di dunia yang terbagi menjadi air hujan, air penguapan, air permukaan dan airtanah. Benua Asia mempunyai cadangan air permukaan paling besar dihitung dari jumlah air yang mengalir di permukaan dan air yang tersimpan di dalam batuan dan permukaan bumi. Sedangkan Australia merupakan benua dengan cadangan air yang paling sedikit.

Gambar di atas adalah jumlah air hujan, air penguapan, air aliran permukaan dan air yang meresap menjadi airtanah di tujuh benua. Jumlah di atas adalah dalam satuan ribuan kilometer kubik. Sebagai perbandingan, konsumsi air seluruh manusia di dunia per tahun adalah 9.100 kilometer kubik. (sumber: NASA, 2015)

Populasi penduduk dunia meningkat 3x lipat dalam 2 dekade terakhir dengan konsumsi air yang meningkat 6x lipat. Air bersih digunakan utamanya untuk kebutuhan domestik (8%) seperti minum, memasak, mencuci, kebersihan, dll. Sektor industri sendiri menggunakan air 2x lipat lebih banyak daripada domestik, yang digunakan paling banyak untuk industri energi. Pengguna air bersih paling besar adalah sektor pertanian (70%) yang digunakan untuk menyediakan bahan makanan dan pakaian bagi populasi manusia.

Dengan pertumbuhan populasi serta industrialisasi yang tinggi di benua Asia serta Afrika, maka pada tahun 2025 diperkirakan sebanyak 3 miliar penduduk dunia akan hidup dalam kondisi kekurangan air bersih. (sumber: thesheepsite.com)

Jenis-jenis Mataair

Secara alami kemunculan airtanah di permukaan bumi adalah berupa mataair. Mataair terbagi ke dalam 4 (empat) jenis, yaitu:

1. Mataair depresi (Depression spring). Mataair yang muncul karena muka airtanah berpotongan dengan permukaan tanah. Mataair jenis ini sering dijumpai di lembah-lembah.
2. Mataair kontak (Contact springs). Mataair yang muncul pada bagian kontak antara lapisan akifer dengan lapisan impermeabel di bagian bawahnya.
3. Mataair Rekahan (Fracture springs). Mataair yang muncul pada zona patahan yang memotong akifer tertekan. Mataair jenis ini dikenal pula sebagai mataair patahan (fault artesian spring).
4. Mataair Pelarutan (Solution tubular springs). Mataair yang muncul pada rekahan yang mengalami proses pelarutan. Mataair jenis ini terjadi pada akifer batugamping yang telah mengalami proses karstifikasi.

Sketsa mataair depresi (a), mataair kontak (b), mataair patahan (c), dan mataair pelarutan (d) 

(Bryan, 1919 op.cit Todd, 1980).

Mataair depresional pada batuan vulkanik

Mataair pelarutan pada batugamping karstik

Jenis-jenis Akifer

Kata akifer berasal dari istilah latin Aquiferre. Kata Aqua berarti air dan Ferre berarti pembawa. Dalam ilmu hidrogeologi, akifer merupakan suatu batuan/formasi yang mempunyai kemampuan menyimpan dan mengalirkan airtanah dengan jumlah yang berarti atau signifikan. Sesuai dengan definisinya, batuan (batu/tanah) yang dapat menjadi akifer adalah batuan yang mempunyai porositas dan permeabilitas yang cukup untuk menjadi media penyimpanan dan pengaliran airtanah. Pada batuan sedimen, tipikal material akifer berupa pasir dan kerakal yang tidak terkonsolidasi. Pada batuan beku dan metamorf, akifer dapat berupa batuan yang mengandung rekahan (fracture) atau pelapukan batuan. 

Penyebaran akifer dapat bersifat meluas (extensive), berlapis / tumpang tindih (overlain/underlain) yang dipisahkan oleh lapisan penyekat (confining bed). Lapisan penyekat (confining bed) dapat bersifat akiklud, akifug, atau akitar. Karakter dari masing-masing jenis lapisan penyekat adalah sebagai berikut:

• Akitar (aquitard): adalah lapisan yang dapat menyimpan air dan mengalirkan air dalam jumlah yang terbatas, misalnya lempung pasiran (sandy clay).
• Akiklud (aquiclude) : lapisan yang mampu menyimpan air, tetapi tidak dapat mengalirkan air dalam jumlah yang berarti misalnya lempung, serpih, tuf halus, lanau.
• Akifug (aquifuge): lapisan batuan yang kedap air, tidak dapat menyimpan dan mengalirkan air, misalkan batuan kristalin seperti granit, diorit, dan lain-lain, serta metamorf kompak.

Berdasarkan sifat fisik batuannya, secara garis besar ada 2 jenis media penyusun akifer, yaitu sistem media pori dan sistem media rekahan. Kedua sistem ini memiliki karakter airtanah yang berbeda satu sama lain. Pada sistem media berpori, airtanah mengalir melalui rongga antar butir yang terdapat dalam suatu batuan misalnya batupasir dan batuan aluvial. Rongga antar butir tersebut merupakan porositas primer, yaitu porositas yang terbentuk pada saat proses pembentukan batuan. Sedangkan pada sistem media rekahan, air mengalir melalui rekahan-rekahan (fractures) akibat tektonik atau proses pendinginan yang terdapat pada batuan. Rekahan-rekahan tersebut merupakan porositas sekunder, terbentuk akibat proses setelah pembentukan batuan seperti tektonik atau pelarutan.

Secara hidrodinamik, dikenal 3 (tiga) tipe akifer, yaitu akifer tak tertekan / bebas (unconfined aquifer), akifer tertekan (confined aquifer), dan akifer bocoran (leaky aquifer). Akifer tak tertekan adalah lapisan akifer yang dibatasi bagian bawahnya oleh lapisan impermeabel dan pada bagian atasnya tidak mempunyai lapisan impermeabel. Konfigurasi lapisan tersebut menyebabkan airtanah mempunyai tekanan normal, atau sama dengan tekanan di permukaan.

Jenis kedua, akifer tertekan adalah lapisan akifer yang bagian bawah dan atasnya dibatasi oleh lapisan impermeabel. Dengan konfigurasi seperti diatas, airtanah mempunyai tekanan diatas tekanan normal.

Jenis ketiga, akifer bocoran, merupakan lapisan akifer yang dibatasi bagian bawah atau bagian atasnya oleh lapisan akitar / lapisan semi permeabel. Konfigurasi  lapisan di atas memungkinkan airtanah untuk bercampur dengan akifer di atas atau di bawahnya. 

Konfigurasi akifer tak tertekan (A), akifer tertekan (B), dan akifer bocoran (C) (Kruseman, 1994). 

Parameter Hidrolik Akifer

Parameter hidrolik akifer meliputi porositas, permeabilitas, konduktivitas hidrolik, transmisivitas, dan storativitas. 

Porositas

Dalam akifer terdapat rongga-rongga / ruang dalam batuannya atau tanahnya yang diisi oleh airtanah bukan oleh material mineral. Nilai porositas ditentukan oleh ukuran butir, bentuk butir, dan distribusi butiran. Dalam akifer media pori, rongga-rongga tersebut berfungsi sebagai saluran air. Porositas primer dibentuk oleh proses pembentukan batuan sedimen. Porositas sekunder pada batuan sedimen dan batuan beku terjadi setelah batuan terbentuk, berupa rekahan (fracture), kekar (joint), bukaan karena pelarutan (solution opening), dan bukaan oleh jejak hewan atau akar tumbuhan (opening formed by animals and plants).

Porositas (N) dinyatakan dalam persen (%) merupakan perbandingan antara volume rongga terhadap volume tanah / batuan keseluruhan. Porositas efektif mengendalikan besaran air gravitasi, istilah lainnya adalah Specific Yield (S_y). Porositas efektif ekivalen dengan porositas total untuk akifer dengan material berbutir kasar (pasir/kerakal). Specific Retention (S_r) merupakan besaran air yang berbentuk sebagai air kapiler. Porositas (N) merupakan penjumlahan dari Specific Yield (Sy) dan Specific Retention (Sr).

Permeabilitas (permeability)

Nilai permeabilitas menggambarkan kecepatan aliran untuk setiap penurunan satu unit gradien hidrolik, yang bersifat konstan. Nilai parameter ini bergantung kepada bentuk butir, ukuran butir, porositas batuan, dan viskositas air. Besaran permeabilitas dapat diperoleh melalui pengukuran permeabilitas di laboratorium atau uji pompa di lapangan. Parameter permeabilitas dinyatakan dalam satuan cm/detik dan diberi notasi “k”.

Konduktivitas hidrolik (hydraulic conductivity)

Konduktivitas hidrolik didefinisikan sebagai koefisien yang secara proporsional mengambarkan kecepatan air yang dapat melaju melalui media permeabel dalam unit waktu dan unit gradien hidrolik. Densitas dan viskositas air harus diperhatikan dalam mendeterminasi parameter konduktifitas hidraulik. Parameter ini dinyatakan dalam satuan m/s dan diberi notasi “K”.

Transmisivitas (transmissivity)

Satuan yang menunjukan kecepatan aliran dibawah satu unit gradien hidrolik melalui sebuah penampang  pada seluruh tebal jenuh suatu akifer, dinyatakan dalam satuan m²/s serta diberi notasi “T”.

Storativitas (storativity)

Parameter ini merupakan nilai volume air yang dapat dikeluarkan/dimasukan dari/ke akifer pada unit luas dan per unit perubahan paras muka air. Besaran storativitas dinyatakan tanpa satuan serta diberi notasi “S”.

Air Bawah Tanah dan Airtanah

Terdapat dua terminologi yang sering digunakan untuk memerikan air di bawah permukaan tanah, yaitu airtanah dan air bawah tanah. Terminologi airtanah berasal dari kata “groundwater”, yaitu air di bawah permukaan tanah yang berada di dalam zona jenuh air (saturated zone). Zona jenuh dibatasi oleh bidang muka airtanah dengan zona tidak jenuh di bagian atasnya. Sedangkan terminologi air bawah tanah secara umum adalah seluruh air yang terdapat di bawah permukaan tanah, termasuk di dalamnya adalah air pori yang terdapat pada zona tidak jenuh (non saturated zone).

Secara lebih rinci, zona tak jenuh (unsaturated zone) terdiri dari zona air pori, zona air vadose, dan zona kapiler. Zona air pori dimulai dari permukaan tanah hingga zona perakaran, yang diisi oleh butiran air, udara, serta berperan memberikan kelembaban pada akar. Zona vadose adalah bagian dari zona tak jenuh yang berada di bawah zona air pori dan di atas zona air kapiler. Zona kapiler letaknya di bawah zona vadose dan di atas muka airtanah.

Zona jenuh (saturated zone) pada suatu akifer bebas merupakan lapisan jenuh air yang dibatasi di bagian atasnya oleh muka airtanah dan di bagian bawahnya oleh lapisan batuan tidak lolos air (impermeabel). Pada jenis akifer tertekan, zona jenuh meliputi seluruh tebal akifer, yang dibatasi bagian atas dan bagian bawahnya oleh lapisan impermeabel.