subsiden: beberapa aspek kuantitatif-praktis dalam proyeksi subsiden di lahan gambut yang didrainase

8/18/2019 Subsiden: Beberapa aspek kuantitatif-praktis dalam proyeksi subsiden di lahan gambut yang didrainase

1/25

Subsiden

Beberapa aspek kuantitatif-praktis dalam proyeksi subsiden dilahan gambut yang didrainase

Dipa Satriadi Rais

2 April, 2016

Artikel singkat ini ditujukan untuk mahasiswa dan praktisi drainase di lahan gambut,

memaparkan aspek-aspek kuantitatif praktis subsiden secara sederhana yang meliputi tiga

komponen utama: kosolidasi, shrinkage, dan oksidasi bahan organik. Penekanan diberikan pada

teknik proyeksi 1 dimensi dalam konteks penggunaan lahan gambut yang melibatkan drainase

di Indonesia. Dalam artikel ini juga ditinjau secara ringkas topik mengenai drainability limit dan

drainage base yang kemudian dirangkai dengan konsep laju subsiden untuk menduga waktu

deplesi gambut. Setiap topik disertai dengan soal Latihan dan penyelesaiannya.


2/25

1

Pengertian dan arti penting subsiden di lahan gambut

Subsiden (Inggris: subsidence) dalam pengertian sederhana adalah amblasan lahan atau

penurunan muka lahan. Dalam berbagai literatur subsiden sering juga disebut sebagai

settlement , dan pada prinsipnya kedua istilah ini mengandung makna yang sama.

Subsiden yang terjadi di lahan gambut merupakan salah satu bentuk kerusakan lahan yang

bila berlangsung dalam jangka lama akan sukar atau tidak dapat diperbaiki. Sehubungan

dengan posisi basal contact lahan gambut pantai Indonesia yang berada pada elevasi

sangat rendah (umumnya pada elevasi yang sama dengan muka laut), maka subsiden yang

berlangsung terus-menerus dapat menyebabkan perubahan drastis pada pola neraca air

setempat. Permukaan lahan dapat turun sedemikian rupa, sampai suatu batas tertentu,

dalam kondisi mana input air yang memasuki lahan tidak dapat lagi dikeluarkan melalui

drainase gravitasi, dan berakhir dengan terjadinya genangan permanen atau genangan

dalam periode panjang setiap tahun. Dalam keadaan seperti itu lahan yang terdampak

disebut mencapai titik drainability limit . Untuk dapat digunakan lebih lanjut sebagai lahan

budidaya atau infrastruktur diperlukan drainase mekanis (dengan pemompaan). Bila halini dilakukan maka subsiden akan berlanjut kembali sampai seluruh tubuh tanah gambut

habis teroksidasi, basal contact terbuka ke permukaan dan elevasi lahan berada lebih

rendah dari tubuh air sekitar.

Dalam penggunaan lahan gambut yang melibatkan drainase diperlukan pemahaman

terhadap mekanisme subsiden serta komponen-komponennya. Pemahaman ini merupakan

dasar untuk melakukan proyeksi subsiden ke depan terutama pada lahan-lahan gambut

yang mengalami pendalaman saluran secara berkala. Proyeksi laju subsiden dan jangka

waktu tercapainya drainability limit sangat diperlukan dalam perencanaan penggunaan

lahan yang bijaksana untuk menghindari/mengurangi terjadinya degradasi dan penurunan

nilai guna lahan dimasa depan, perubahan drastis pada neraca air dan karakteristik area

tangkapan hujan, serta degradasi dan kerusakan lingkungan pada ekosistem-ekosistem

berdampingan sehubungan dengan sifat eksternalitas kubah gambut.

Konsep subsiden di lahan gambut

Faktor utama penyebab atau yang mempercepat terjadinya subsiden di lahan-lahan

gambut Indonesia adalah penurunan muka air tanah melalui drainase buatan. Mekanisme

hubungan antara penurunan muka air tanah dengan subsiden dapat dipilah berdasarkan

komponennya, dan dijelaskan lebih lanjut berikut ini berdasarkan konsep-konsepmekanika tanah yang umum dijumpai di dalam literatur-literatur terkait, antara lain

seperti tertera dalam Referensi tulisan ini.

Subsiden terjadi karena adanya penurunan volume tanah, mengikuti teori perubahan

volume (Eggelsmann, 1976; Schothorst, 1977). Terdapat tiga mekanisme perubahan

volume pada lahan gambut, yang dapat terjadi sendiri-sendiri atau bersama-sama, dalam

bentuk kehilangan massa atau tanpa kehilangan massa.


3/25

2

1) Compression, sering juga disebut consolidation, dan di-Indonesiakan sebagai konsolidasi,

merupakan bentuk subsiden tanpa kehilangan massa yang terjadi akibat perubahan

volume tanah gambut sehubungan dengan perubahan effective stress pada zona freatik

(dibawah muka air tanah). Konsolidasi mengikuti hukum-hukum fisika empiris dalam

mekanika tanah. Teori konsolidasi yang cukup luas digunakan saat ini adalah teorikonsolidasi klasik dari Terzaghi (1943).

2) Compaction dan shrinkage, juga merupakan bentuk subsiden tanpa kehilangan massa,

seringkali merupakan perubahan volume tak balik. Shrinkage terjadi dalam kondisi

tidak jenuh dan berhubungan dengan meningkatnya tegangan negatif air tanah pada

matriks gambut dalam vadose zone. Dalam keadaan tidak jenuh, air dalam pori mikro

menarik (mengikat) partikel-partikel tanah dengan lebih erat dibandingkan dalam

keadaan jenuh. Gaya ikat ini berasal dari tegangan permukaan air yang bekerja pada

antar muka air-udara di dalam pori mikro (lihat umpamanya Ng dan Menzies, 2007).

Compaction sebaliknya bekerja malalui gaya luar, dapat berupa beban (load ) pada

permukaan gambut, atau vibrasi yang merambat melalui matriks gambut yangmenyusun-ulang dan mempersempit jarak antar partikel-partikel gambut, yang

selanjutnya diperkuat oleh gaya-gaya kohesi, adhesi, dan tegangan matriks.

3) Oxidation atau oksidasi, adalah bentuk subsiden dengan kehilangan massa, merupakan

perubahan volume tak balik (irreversible volume change), disebabkan oleh proses

oksidasi atau mineralisasi karbon menjadi air dan karbon dioksida atau metana

(dekomposisi mikrobial dan/atau kebakaran substrat gambut)

Dalam bentuk ringkas, jika setiap komponen subsiden (S ) di-indeks dengan i maka

subsiden dapat dituliskan sebagai penjumlahan aljabar dari seluruh komponen-

komponennya (Persamaan 1) dan mempunyai dimensi panjang (L)

∑ Persamaan 1.

Sedangkan laju subsiden adalah turunan subsiden terhadap waktu, atau dalam bentuk

diskrit sebagai nisbah subsiden terhadap rentang waktu dan mempunyai dimensi panjang

dan invers waktu (LT-1), seperti diberikan pada Persamaan 2.

Persamaan 2.

dimanaS : Total subsiden (L)

S i : Komponen subsiden (L)

t : Waktu (T)


4/25

3

Compression (Consolidation)

Compression atau consolidation (yang untuk selanjutnya kita sebut sebagai konsolidasi)

terjadi bila effective stress yang bekerja pada partikel-partikel tanah meningkat

dibandingkan effective stress maksimum yang pernah dialami oleh suatu tubuh tanah di

masa lalu. Misalnya, bila permukaan tanah mendapat beban dengan berdirinya sebuahgedung di permukaan tanah, maka effective stress meningkat akibat meningkatnya total

stress. Demikian juga, bila muka air tanah diturunkan dengan dibuatnya kanal-kanal

drainase maka effective stress meningkat akibat berkurangnya tegangan air pori.

Pada tulisan ini akan dibahas perilaku konsolidasi sehubungan dengan perubahan

komponen-komponen tegangan yang bekerja pada partikel-partikel tanah. Pada kondisi

alami, muka air tanah gambut berada dekat dengan permukaan tanah (dangkal). Apabila

lahan tersebut didrainase muka air tanah akan turun sehingga terjadi perubahan tegangan

efektif (effective stress) pada zona freatik (di bawah level muka air tanah). Model

konsolidasi 1D dari Terzaghi dapat digunakan untuk memodelkan atau memprediksi

konsolidasi lahan gambut akibat perubahan tegangan air pori, total stress dan effectivestress (Persamaan 3).

′ Persamaan 3.dimana′ : Effective stress, yaitu tegangan bersih yang bekerja pada partikel tanah (ML-1T-2) : Total stress yang bekerja pada partikel tanah (ML-1T-2) : Tegangan air pori (ML-1T-2)Dalam bentuk ringkas peranan masing-masing komponen tegangan dalam Persamaan 3

disajikan pada box berikut

Distribusi total stress pada tubuh tanah memiliki pola sedemikian rupa, dimana total stress

meningkat secara linear menurut arah normal (arah kedalaman tubuh tanah), karena

mengikuti hukum mekanika dimana gaya berat bertambah secara linear pada setiap titik

menurut arah normal akibat akumulasi massa padatan diatasnya (Persamaan 4)

1 Persamaan 4.dimana : Kerapatan butir, sering juga disebut Berat Partikel atau Particle Density (ML-3) : Percepatan gravitasi (9.8 m/s2)(LT-2) : Kedalaman dihitung dari permukaan lahan (L) : Porositas tanah gambut (-)


5/25

4

Distribusi tegangan air pori pada tubuh tanah memiliki pola sedemikian rupa, dimana

tegangan air pori meningkat secara linear menurut arah normal (arah kedalaman dari

muka air tanah), karena mengikuti hukum mekanika fluida dimana tekanan bertambah

secara linear pada setiap titik menurut arah normal karena akumulasi berat zat cair

diatasnya (Persamaan 5)

1 Persamaan 5.dimana : Massa jenis air (1,000 kg/m3) (ML-3) : Kedalaman dihitung dari muka air tanah (L)Distribusi tegangan yang bekerja pada partikel-partikel tanah pada suatu tubuh tanah

dapat digambarkan secara grafis seperti diberikan pada Gambar 1.

Gambar 1. Diagram contoh distribusi vertikal tegangan air pori ( pore water pressure),

tegangan total (total stress) dan tegangan efektif (effective stress) dalam suatu

tubuh tanah gambut.

Pada kedua Persamaan 4 dan 5 terdapat peubah porositas (n) yang nilainya dapat ditaksir

bila kerapatan butir dan kerapatan lindak diketahui (Persamaan 6)

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

-4 -2 0 2 4

K e d a l a m a n ( c m )

Tegangan (kPa)

Tegangan air pori

Tegangan total

Tegangan efektif

Level permukaan tanah

Level muka air tanah


6/25

5

1 Persamaan 6.

dimana : Kerapatan lindak, sering juga disebut Berat Volume atau Bulk Density (ML-3)Diatas level muka air tanah (pada vadose zone) tidak terdapat tekanan hidrostatis, tetapiberlaku tegangan matriks yang bekerja pada pori mikro. Tegangan ini bernilai negatif,

dengan demikian tegangan air pori pada vadose zone juga bernilai negatif. Tegangan efektif

dihitung sebagai total stress yang bekerja pada partikel tanah dikurangi dengan tegangan

air pori. Pada zona freatik tegangan air pori ini memberikan gaya apung terhadap partikel

tanah (Persamaan 7), yang juga sesuai dengan hukum Archimedes, lihat juga Gambar 1.

′ 1 Persamaan 7.Dalam meninjau bagaimana mekanisme komponen-komponen tegangan yang bekerja pada

tubuh tanah meregulasi proses konsolidasi kita perlu meninjau Gambar 1. Andaikan pada

suatu kondisi awal level muka air tanah berada pada ketinggian H 0 dihitung dari dasargambut (300 cm diatas dasar gambut, atau pada posisi 100 cm dibawah permukaan tanah

pada Gambar 1). Pada kondisi ini effective stress yang bekerja pada tubuh tanah adalah

sebesar′ . Bila muka air tanah diturunkan dari level awal (H 0) ke level baru H 1 sebesar ∆H(katakanlah ke posisi 200 cm di bawah permukaan tanah pada Gambar 1), dimana

∆ Persamaan 8.maka effective stress berubah menjadi ′ . Total stress, yaitu beban yang ditanggung olehpartikel-partikel yang berasal dari bobotnya sendiri, tidak berubah. Tetapi gaya apung

yang berasal dari tegangan air pori berkurang karena ketebalan air telah turun dari H 0

menjadi H 1, dalam hal ini dari 300 cm menjadi 200 cm. Sebagian tubuh tanah yangsebelumnya mendapat gaya apung, yaitu pada posisi antara -100 cm dan -200 cm telah

mengalami kehilangan gaya apung.

Untuk lebih rinci, besaran effective stress pada masing-masing keadaan diberikan pada

Persamaan 9 dan 10 berikut.

Effective stress pada kondisi awal adalah

′ 1 Persamaan 9.Effective stress setelah terjadi penurunan muka air tanah adalah

′ 1 ∆ Persamaan 10.Dari dua keadaan ini secara intuitif dapat dilihat bahwa ′ > ′ karena ∆ < yang menunjukkan berkurangnya gaya apung pada kondisi kedua setelah turunnya muka

air tanah. Berkurangnya gaya apung pada zona freatik menyebabkan partikel-partikel


7/25

6

tanah turun mengisi ruang-ruang yang sebelumnya ditempati oleh sebagian air pori yang

telah ter-disipasi kedalam drainase.

Latihan 1

Diketahui ketebalan gambut pada suatu tempat adalah 5 meter. Tinggi muka airtanah awal pada tempat tersebut adalah 4.8 meter dihitung dari dasar gambut,

kemudian diturunkan sebesar 1 m. Hitunglah tegangan efektif awal dan tegangan

efektif akhir yang bekerja pada dasar gambut bila diketahui kerapatan butir dan

kerapatan lindak tanah masing-masing 0.1 g/cc dan 1.2 g/cc.

Penyelesaian

Persoalan diatas dapat digambarkan pada sebuah sketsa seperti terlihat pada

Gambar 2.

Gambar 2. Diagram skematisasi untuk soal Latihan 1.

Langkah 1 : Hitung angka porositas (n) menggunakan Persamaan 6,

1 0.1 gcm1.2 gcm 0.92

Langkah 2 : konversi sistem satuan pada kerapatan butir dari cgs ke mks


8/25

7

1.2 gcm ×1000,000 cmm

1,000 gkg1,200 kgm

Langkah 3 : Substitusi angka-angka yang telah diketahui kedalam persamaan yang

sesuai

Effective stress awal sebelum penurunan muka air tanah dihitung berdasarkan

persamaan 9,

′ 10.92×[1,200 kgm ×9.8ms ×5m1,000

kgm ×9.8

ms ×4.8m]

′ 980 kgm ∙ s 980 Pa Effective stress akhir setelah penurunan muka air tanah dihitung berdasarkan

Persamaan 10,

′ 10.92×[1,200 kgm ×9.8ms ×5m1,000

kgm ×9.8

ms ×3.8m]

′ 1,796.7 kgm ∙ s 1,796.7 Pa Konsolidasi yang terjadi akibat perubahan effective stress disebut konsolidasi primer yang

besarnya sebanding dengan ketebalan tubuh yang berkonsolidasi (hukum stress-strain

relationship), berbanding lurus lurus dengan logaritma nisbah effective stress, dan

berbanding terbalik dengan void ratio. Dalam mekanika tanah, besarnya konsolidasi primer

(∆D p) akibat perubahan effective stress dapat dihitung dengan Persamaan 11.

∆ 1 + ′′

Persamaan 11.

Dimana : Indeks konsolidasi primer (-), untuk gambut tropis Asia Tenggara nilai C p biasanyaberkisar antara 2 – 3

: Ketebalan tubuh tanah awal yang berkonsolidasi (L)

: Void ratio (nisbah ruang pori) awal tanah gambut (-)Pada persamaan 11 dimunculkan sebuah peubah yang disebut void ratio atau nisbah ruang

pori. Void ratio (e) adalah nisbah antara volume pori (V v ) terhadap volume padatan (V s)

yang dapat juga dihitung dari angka porositas, kerapatan lindak dan kerapatan butir tanah.

Hubungan antar peubah-peubah ini diberikan pada Persamaan 12 – 15, lihat umpamanya

Verruijt (2012).


9/25

8

Persamaan 12.

1 Persamaan 13.

1 Persamaan 14.

+ 1 Persamaan 15.

Dimana : Kerapatan butir tanah (ML-3) : Kerapatan lindak tanah (ML-3)

Latihan 2

Berdasarkan Latihan 1 taksirlah besarnya konsolidasi primer yang terjadi bila

diketahui indeks konsolidasi primer (C p) sebesar 2.2.

Penyelesaian

Langkah 1 : Hitung void ratio awal menggunakan Persamaan 13,

0.92

10.92 11.0

Langkah 2 : Periksa kembali Gambar 2. Perhatikan bahwa pada kondisi awal

ketebalan vadose zone adalah 0.2 m. Pada kondisi awal ini vadose zone tidak

mengalami gaya apung, oleh karena itu turun atau tidaknya muka air tanah tidak

menyebabkan vadose zone mengalami konsolodisi. Pada kondisi kedua setelah

muka air tanah turun sebesar 1 m ketebalan vadose zone bertambah menjadi 1.2 m.

Tubuh tanah yang berkonsolidasi adalah tubuh tanah dalam zona freatik, yaitu

dibawah muka air tanah, setelah kondisi kedua. Dengan demikian ketebalan tubuh

yang berkonsolidasi adalah 5 m – 1.2 m = 3.8 m. Bukan berarti zona vadose zone

yang baru terbentuk tersebut tidak mengalami subsiden, tetapi akan dihitung

sebagai shrinkage dan tidak termasuk ke dalam komponen konsolidasi.

Langkah 3 : Substitusi semua angka yang sudah diketahui kedalam Persamaan 11,

∆ 3.8 m × 2.21+11.0 ×log(1,796.7 Pa

980 Pa ) ∆ 0.183 m 18.3 cm


10/25

9

Sesuai dengan namannya, konsolidasi primer merupakan komponen terpenting dari

konsolidasi. Berdasarkan terminologi ini, dapat diduga bahwa terdapat juga konsolidasi

sekunder, dan bahkan konsolidasi tersier. Kedua terminologi terakhir ini disebut juga

rayapan (creep). Laju konsolidasi sekunder dan tersier nilainya lebih kecil jika

dibandingkan dengan laju konsolidasi primer (setidaknya jika dibandingkan pada rentangwaktu jangka pendek). Dalam banyak kasus kedua komponen terakhir ini, terutama

konsolidasi tersier, sering diabaikan.

Konsolidasi sekunder bersifat time-dependent , besarnya sebanding dengan ketebalan tubuh

tanah yang berkonsolidasi, berbanding terbalik dengan void ratio awal, dan lajunya

berkurang menurut waktu. Konsolidasi sekunder dapat terjadi bersamaan dengan, atau

begitu konsolidasi primer akan berakhir. Dalam penerapan praktis, bila melibatkan jangka

waktu yang panjang, katakanlah tahunan, konsolidasi sekunder dapat diasumsikan dimulai

bersamaan dengan terjadinya konsolidasi primer. Model konsolidasi sekunder diberikan

pada Persamaan 16.

∆ 1 + ()

Persamaan 16.

Dimana : Indeks konsolidasi sekunder, nilainya umumnya sekitar 0.06C p (-) : Rentang waktu sejak dimulainya konsolidasi sekunder, dalam satuan hari (T) : Waktu referensi (T), t 0 =1 pada saat dimulainya konsolidasi sekunderKontribusi konsolidasi sekunder terhadap total konsolidasi pada tanah gambut cukup

siginifikan dibandingkan dengan tanah mineral.

Latihan 3

Berdasarkan Latihan 2, bila diketahui indeks konsolidasi sekunder sebesar 0.06C p

taksirlah besarnya konsolidasi sekunder 50 hari sejak dimulainya drainase (t 0 = 1),

dan 50 hari dari suatu waktu acuan t 0 = 10.

Penyelesaian

Dengan memasukkan angka-angka yang sesuai kedalam Persamaan 16,

Untuk t 0 =1

∆ 3.8 m × 0.06×2.21+11.0 ×(50 d1 d ) ∆ 0.071 m 7.1 cm

Untuk t 0 =10

∆ 3.8 m × 0.06×2.21+11.0 ×(10 d + 50 d

10 d )


11/25

10

∆ 0.033 m 3.3 cm Konsolidasi tersier juga bersifat time-dependent . Besaran konsolidasi tersier (∆Dt ) jauh

lebih kecil dibandingkan konsolidasi sekunder. Dengan demikian komponen ini, secara

konservatif, dapat kita abaikan.

∆ ≈ 0 Persamaan 17.Total subsiden akibat konsolidasi adalah penjumlahan aljabar antara komponen-

komponen konsolidasi primer, sekunder dan tersier, seperti terlihat pada Persamaan 18.

∆ + ∆ + ∆ Persamaan 18.Bila konsolidasi tersier diabaikan, maka berdasarkan Persamaan 17 dan 18, kita peroleh

Persamaan 19.

∆ + ∆ Persamaan 19.Latihan 4

Berdasarkan Latihan 2 dan 3 berapakah total subsiden akibat konsolidasi primer

dan sekunder 50 hari setelah drainase?

Penyelesaian

Perhatikan bahwa konsolidasi primer dapat dianggap hanya terjadi sekali (one-

time) dan kita asumsikan sebagai sebuah proses instant, dengan demikian tidak

time-dependent . Walaupun proses konsolidasi primer dapat berlangsung selamabeberapa hari sampai beberapa minggu, lajunya tidak dapat dimodelkan dengan

mudah disini dan kita tidak tahu kapan persisnya ia berakhir. Kita berkonsentrasi

pada besaran totalnya saja. Kita asumsikan juga bahwa konsolidasi sekunder terjadi

bersamaan dengan konsolidasi primer. Selanjutnya dengan memasukkan angka-

angka yang sesuai kedalam Persamaan 19 kita peroleh:

18.3 cm + 7.1 cm 25.4 cm

Compaction dan ShrinkagePada prinsipnya, compaction dan shrinkage menghasilkan efek yang lebih kurang serupa

terhadap tanah gambut, yaitu menyebabkan matriks gambut pada vadose zone menjadi

lebih kompak dan menciut. Tetapi masing-masing terjadi melalui mekanisme berbeda.

Compaction dapat dimodelkan berdasarkan kurva hubungan antara beban yang diperlukan

untuk memperoleh satu unit perubahan volume atau void ratio pada suatu sampel utuh

tanah gambut yang diambil pada vadose zone, dan kadangkala dapat diindikasikan secara


12/25


13/25

12

Persamaan 22.

dimana : Kadar air volumetrik (-)M w : Massa air didalam pori tanah (M)M s : Massa kering padatan tanah (M)

maka dengan sedikit aljabar kita dapat memasukkan peubah kadar air gravimetrik (),kerapatan butir tanah (), dan massa jenis air () kedalam Persamaan 21. Dengandemikian moisture ratio dapat dituliskan sebagai sebuah fungsi peubah kadar air seperti

dapat dilihat pada Persamaan 23.

Persamaan 23.

Dengan menggunakan kurva SSC dan berdasarkan Persamaan 15, nilai kerapatan lindakyang bersesuaian untuk setiap nilai moisture ratio dapat diestimasi dengan menggunakan

konstanta-konstanta regresi kurva (Persamaan 24).

1 + + e Persamaan 24.

Dimana a, b, dan c adalah konstanta-konstanta regresi kurva SSC.

Secara intuitif dapat kita lihat bahwa dengan Persamaan 24 besarnya subsiden akibat

shrinkage (S s) untuk setiap penurunan kadar air pada vadose zone dapat diestimasi melalui

perubahan kerapatan lindak apabila ketebalan vadose zone (DO) diketahui, sebagaimanadiberikan dalam Persamaan 25.

∆ Persamaan 25.

Latihan 5

Suatu tanah gambut pada awalnya dalam keadaan mendekati saturasi dimana muka

air tanah dekat dengan permukaan tanah, kemudian didrainase sehingga ketebalan

vadose zone meningkat menjadi 1 meter. Diketahui rata-rata kerapatan lindak dankerapatan butir awal masing-masing sebesar 0.1 g/cc dan 1.2 g/cc, dengan

konstanta kurva SSC a = 0.92, b = 0.133, c = 7.03. Berapakah besarnya shrinkage jika

kadar air gravimetrik rata-rata pada vadose zone turun menjadi 0.3?


14/25

13

Penyelesaian

Langkah 1 : Kita dapat memahami persoalan ini sebagai berubahnya kerapatan

lindak dari kondisi awal ke suatu kondisi baru, yaitu dari , ke , . Perubahan iniberhubungan dengan perubahan moisture ratio dari keadaan awal yang mendekati

saturasi () ke suatu keadaan baru ():, ↔ , ↔ Tetapi kita tidak perlu menghitung karena kerapatan lindak awal , diketahui.Dengan demikian kita hanya perlu menyelesaikan moisture ratio akhir .Menggunakan Persamaan 23 kita dapat meng-konversi kadar air gravimetrik akhir

manjadi moisture ratio yang ekivalen dengannya,

0 . 3 × 1.2 gcm1 gcm 0.4

Langkah 2 : Masukkan konstanta-konstanta regresi SSC kedalam Persamaan 24

untuk menaksir kerapatan lindak akhir berdasarkan moisture ratio akhir (yang

dihasilkan dari langkah pertama)

, 1.21+7.03 + 0 . 9 2 × e.×. 0.13g

cm

Langkah 3 : Taksir shrinkage berdasarkan ketebalan vadose zone dan perubahankerapatan lindak

100 cm × 0.13gcm 0.1 gcm0.1 gcm

33.4 cm

Oksidasi

Oksidasi bahan organik gambut terjadi pada lapisan teratas tanah melalui oksidasi lambat

(proses-proses biokimia dekomposisi oleh mikroba tanah, pada kedalaman beberapa cm

lapisan teratas) atau dengan sangat cepat (selama kebakaran lahan lahan gambut, yangdapat mencapai puluhan cm lapisan teratas). Pada kondisi aerob dimana suplai oksigen

mencukupi, laju oksidasi gambut berlangsung lebih cepat dibandingkan dalam kondisi

anaerob (dalam keadaan suplai oksigen terbatas). Pada oksidasi aerob kandungan karbon

dalam gambut terlepas menjadi CO2 dan air melalui pernafasan sel mikrobial

(heterothrophic respiration) atau pembakaran. Pada oksidasi anaerob kandungan karbon

gambut dilepaskan menjadi CH4 dalam proses methanogenesis.


15/25

14

Baik oksidasi aerob maupun anaerob ditandai dengan neraca karbon yang negatif, karena

CO2 dan CH4 keduanya berada dalam fase gas, tidak dapat bertahan lama dalam pori atau

matriks gambut maupun sebagai terlarut dalam air tanah, sehingga akhirnya gas-gas ini

terlepas ke atmosfir. Laju kehilangan karbon pada oksidasi gambut sangat sulit untuk

dihitung/diprediksi berdasarkan model reaksi kimia, karena reaksi yang terlibat dalam

biokimia tanah sangat kompleks. Oleh karena itu laju pelepasan karbon ini lebih seringdiukur secara langsung dari emisi gas yang dilepaskan, atau secara tidak langsung dengan

mengukur subsiden di lapangan dilanjutkan dengan proses koreksi terhadap komponen-

komponen subsiden lain (kompaksi, shrinkage, konsolidasi).

Persamaan 26.dimana

S M : Subsiden terukur di lapangan (L)

Pengukuran subsiden yang handal memerlukan jangka waktu cukup panjang, dalam skala

tahunan. Beberapa hasil riset di Indonesia dan negara-negara Asia Tenggara lainnya telahmenghasilkan perkiraan laju emisi CO2 dan CH4, dua spesies Gas Rumah Kaca (GRK) yang

paling penting di lahan gambut, seperti diberikan pada Supplement Table Panduan

Inventori GRK yang dirilis oleh International Panel for Climate Change (IPCC) pada tahun

2013. Angka-angka yang disajikan dalam tabel tersebut disebut Emission Factor (EF),

berbasis land use, dan dinyatakan dalam laju emisi GRK setara berat CO2 atau C per satuan

luas lahan per satuan waktu. Contoh beberapa nilai EF yang dinyatakan berlaku untuk

kondisi Asia Tenggara disajikan pada Tabel 1.

Tabel 1. Emission Factor (EF) untuk GRK CO2 pada beberapa landuse, dikutip dari IPCC2013

Land use Contoh EF CO2(ton C ha-1th-1)

Perkebunan di lahan gambut dengan dengan

drainase, dengan rotasi yang tidak diketahui

atau rotasi panjang

Perkebunan kelapa sawit

di lahan gambut

15

Perkebunan di lahan gambut dengan dengan

drainase, dengan rotasi pendek

Perkebunan akasia di

lahan gambut

20

Tanaman pangan dengan drainase, termasuk

yang menerapkan rotasi bera (fallow)

Pertanian hortikultura di

lahan gambut

14

Tanaman padi dengan drainase Pertanian padi non-irigasi

di lahan gambut

9.4

Emission Factor dapat digunakan untuk memproyeksikan atau memperkirakan laju

subsiden akibat oksidasi gambut pada tipe-tipe landuse yang diberikan. Prinsip dasarnya

adalah melakukan back-calculating untuk menghitung ketebalan gambut ekivalen yang

hilang akibat oksidasi berdasarkan laju emisi (EF) dan karakteristik fisik gambut pada

lahan yang dikaji. Model untuk back-calculating ini diberikan pada Persamaan 27.


16/25

15

, 1EF

Persamaan 27.

dimana, : Laju subsiden akibat oksidasi gambut pada waktu t (LT-1) : Fraksi massa karbon gambut, disebut juga proporsi kandungan karbon gambut (-)EF : Emission Factor, atau faktor emisi (ML-2T-1) : Kerapatan lindak gambut (ML-3) : Berat atom karbon (12 Dalton) : Berat molekul setara GRK yang disajikan pada EF (Dalton)Bila laju emisi GRK dapat diukur di lapangan maka hasil pengukuran GRK tersebut dapat

digunakan sebagai pengganti peubah EF dalam Persamaan 27, sepanjang kualitas hasil

pengukuran tersebut dapat diandalkan.

Latihan 6

Suatu lahan gambut didrainase untuk perkebunan kelapa sawit. Kerapatan lindak

pada permukaan tanah setelah didrainase adalah 0.11 g/cc dan fraksi massa karbon

50%. Berapa laju subsiden ekivalen yang diakibatkan oleh oksidasi gambut pada

lahan tersebut berdasarkan Emission Factor (EF) dari IPCC 2013 jika hanya CO2

yang dianggap sebagai GRK yang signifikan dan GRK lain diabaikan ?

Penyelesaian

Langkah 1 : Konversi kerapatan lindak dari satuan cgs ke mks,

0.11 gcm ×1000,000 cmm

1,000 gkg110 kgm

Langkah 2 : Dapatkan nilai EF untuk landuse kelapa sawit di lahan gambut yang

didrainase pada Tabel 1,

E F 1 5 ton Ch a ∙ y

Langkah 3 : Konversei EF kedalam satuan mky,

E F 1 5 ton Ch a ∙ y ×1,000 kgton10,000 mha

1.5 kg Cmy


17/25

16

Langkah 4 : Periksa apakah EF tersebut dinyatakan dalam bentuk setara C atau

dalam bentuk setara CO2. Jika dinyatakan dalam bentuk setara C maka MM GHG = MAC

= 12 Dalton; sebaliknya bila dalam bentuk setara CO2 maka

12 + 2 × 16 44 Dalton Berdasarkan pemeriksaan terhadap EF yang disajikan pada Tabel 1, diketahui

bahwa EF tersebut dinyatakan dalam bentuk setara C. Dengan demikian

12 Dalton Langkah 5 : Masukkan semua nilai yang diketahui kedalam persamaan 27,

, 1

0.5kg Ckg

× 1.5kg Cmy

110kgm

× 12 Dalton

12 Dalton 0.027 m

y 2.7 cm

y

Total subsiden akibat oksidasi gambut untuk suatu rentang waktu adalah penjumlahan

Reimann dari laju subsiden berdasarkan interval waktu (∆t ) dan cacah interval waktu (m):

∑ ,∆

=

Persamaan 28.

Kita pilih penjumlahan Reimann disini ketimbang menggunakan perkalian langsung karena

laju subsiden dapat bersifat dinamis. Pada kenyataannya di lapangan laju subsiden

cenderung menurun menurut waktu (deminishing rate), berbentuk kurva eksponensialatau pangkat, dan mempunyai slope negatif. Jika demikian halnya, bila laju subsiden dapat

dinyatakan sebagai fungsi waktu, maka penjumlahan Reimann dapat dengan mudah

dikonversi menjadi bentuk integral

∫

Persamaan 29.

dimana S O(t ) adalah laju subsiden (akibat oksidasi gambut) sebagai fungsi waktu.

Latihan 7

Berdasarkan Latihan 6 berapa besar subsiden akibat oksidasi gambut pada lahan

tersebut selama 12 tahun?


18/25

17

Penyelesaian

Langkah 1 : Periksa satuan yang digunakan dalam data laju subsiden yang diberikan.

Dalam hal ini diketahui bahwa dengan satuan cm per tahun, unit waktu terkecil

yang dapat digunakan adalah tahun. Dengan demikian partisi waktu yang sesuai

adalah, ∆ 1 y Langkah 2 : Dengan menggunakan penjumlahan Reimann pada Persamaan 28, total

subsiden selama 12 tahun adalah,

∑2 . 7 cmy × 1 y

= 12 y × 2.7 cmy 32.7 cm

Dalam hal ini kita dapat menggunakan perkalian langsung karena laju subsiden

bersifat (diasumsikan) konstan.

Total subsiden dan laju subsiden rata-rata

Total subsiden adalah penjumlahan aljabar ketiga komponen subsiden (konsolidasi,

shrinkage/compaction dan oksidasi)

+ + Persamaan 30.Demikian juga, laju subsiden adalah penjumlahan aljabar dari seluruh komponennya

, + , + , Persamaan 31.Secara intuitif kita dapat melihat bahwa, dalam bentuk diskrit berlaku

∑ ∆

=

Persamaan 32.

dan dalam bentuk kontinu berlaku

∫

Persamaan 33.

Sedangkan rata-rata laju subsiden adalah

Persamaan 34.


19/25

18

∆ Persamaan 35.dimana

S : Total subsiden (L)

S c : Subsiden akibat konsolidasi (L)

S s : Subsiden akibat shrinkage atau compaction (L)S O : Subsiden akibat oksidasi (dekomposisi) gambut (L)

S rate : Laju subsiden rata-rata (LT-1)

t : Waktu (T)

T : Rentang waktu (T)

m : Cacah pertisi waktu (-)

Latihan 8

Bila diberikan data sebagai berikut, bila konsolidasi tersier diabaikan, bila

konsolidasi primer dan shrinkage dianggap bersifat instan dan hanya terjadi sekalidi awal, dan bila laju oksidasi gambut dianggap konstan

Data

- Landuse : perkebunan akasia dengan drainase, EF = 20 ton C/ha/th

- Ketebalan gambut sebelum didrainase: 6 meter

- Muka air tanah awal sebelum didrainase dihitung dari permukaan tanah : 0.2 meter

- Muka air tanah setelah didrainase dihitung dari permukaan tanah (vadose zone,

dianggap mampu dipertahanakn konstan selama 50 tahun oleh pihak penyelenggara

kebun): 1 meter

- Kerapatan lindak gambut awal : 0.09 g/cc

- Kerapatan butir gambut : 1.1 g/cc- Indeks konsolidasi primer : 2.3

- Indeks konsolidasi sekunder : 0.06C p- Kurva SSC : a = 0.92, b = 0.133, c = 7.03

- Setelah didrainase rata-rata kadar air gravimetrik pada vadose zone turun menjadi :

0.25

- Fraksi massa karbon gambut : 48%

(1) Buatlah tabel dan kurva laju subsiden menurut waktu

(2) Prediksi laju subsiden rata-rata selama 50 tahun

Penyelesaian

Langkah 1 : Hitung konsolidasi primer

Hitung effective stress sebelum dan sesudah drainase menggunakan Persamaan 7

dan 8,


20/25

19

′ 10.92×[1,100 kgm ×9.8ms ×6m1,000

kgm ×9.8

ms ×5.8m]

′ 641.5 Pa

′ 10.92×[1,100 kgm ×9.8 ms ×6m1,000 kgm ×9.8 ms ×5m] ′ 1,282.9 Pa

Hitung void ratio menggunakan Persamaan 13,

0.9210.92 11.2 Hitung konsolidasi primer menggunakan Persamaan 11. Perhatikan bahwa

ketebalan vadose zone sesudah didrainase adalah 1 meter. Dengan demikianketebalan tubuh tanah yang berkonsolidasi adalah 6 m – 1 m = 5 m,

∆ 5 m × 2.31+11.2 ×(1,282.9 Pa

641.5 Pa ) ∆ 28.3 cm

Langkah 2 : Hitung shrinkage menggunakan Persamaan 23, 24 dan 25,

0.25× 1.1g

cm1 gcm 0.275

, 1.11+7.03 + 0 . 9 2 × e.×. 0.12g

cm

100 cm × 0.12gcm 0.09 gcm0.09 gcm

36.0 cm

Langkah 3 : Kembangkan persamaan konsolidasi sekunder sebagai fungsi waktu.Ingat kembali bahwa ketebalan tubuh tanah yang berkonsolidasi adalah 5 meter.Selesaikan Persamaan 16 dengan membiarkan suku yang melibatkan logaritma.

∆ 5 m × 0.06×2.31+11.2 ×log()


21/25

20

∆ 5.65 cm × log ( ) Langkah 4 : Berdasarkan langkah ketiga, dengan mengatur ulang t dan t 0

sedemikian rupa, dimana t 0 dapat kita geser secara progresif sepanjang langkah

waktu perhitungan (ingat kembali Latihan 3), maka dua peubah waktu yangberurutan dengan rentang satu tahun dapat kita tuliskan menggunakan indeks

pengurutan i sebagai berikut

− 1 y Berdasarkan hal ini, dengan mensubstitusi t i sebagai pengganti t dan t i-1 sebagai

pengganti t 0 kita peroleh persamaan untuk menghitung laju subsiden konsolidasisekunder untuk setiap nilai t yang diberikan

∆∆ ∆

5.65 cm × log365 log365−1 y

Disini, setiap nilai t dikalikan dengan 365 hari/tahun, karena peubah t yang kita

inginkan memiliki satuan tahun. Ingatlah bahwa laju subsiden kita menggunakan

satuan cm/tahun, sedangkan pada persamaan logaritma asalnya peubah waktu

mempunyai satuan hari.

Langkah 5 : Hitung laju subsiden akibat oksidasi gambut. Ingatlah bahwa lapisan

vadose zone telah mengalami shrinkage (lihat langkah kedua) sehingga kerapatan

lindak pada vadose zone telah bertambah dari 0.09 g/cc menjadi 0.12 g/cc. Dengan

demikian angka kerapatan lindak yang digunakan adalah 0.12 g/cc. Selanjutnya

konversi kerapatan lindak ke satuan mks, lalu masukkan angka-angka yang sesuaikedalam Persamaan 27.

, 10.48 kg Ckg× 2.0

kg Cmy120 kgm

× 12 Dalton12 Dalton 3.4cmy

Langkah 6 : Kembangkan hasil-hasil perhitungan dalam bentuk tabel, masukkan

komponen-komponen subsiden pada baris waktu dan kolom komponen yang

bersesuaian. Untuk komponen konsolidasi sekunder, digunakan persamaan yang

dihasilkan pada langkah empat dengan mensubstitusi nilai t i dan t i-1 berdasarkanharga peubah waktu (dalam satuan tahun) yang diberikan pada kolom 1.


22/25

21

Tabel 2. Laju subsiden menurut komponen untuk pembuatan kurva Latihan 8

Tahun Konsolidasi

primer

(cm/y)

Konsolidasi

sekunder

(cm/y)

Shrinkage

(cm/y)

Oksidasi

(cm/y)

Total (cm/y)

1 28.32 14.47 36.0 3.40 82.23

2 0.0 1.70 0.0 3.40 5.10

5 0.0 0.55 0.0 3.40 3.95

10 0.0 0.26 0.0 3.40 3.66

20 0.0 0.13 0.0 3.40 3.53

50 0.0 0.05 0.0 3.40 3.45

Langkah 7 : Buat kurva laju subsiden sebagai fungsi waktu, seperti diperlihatkan

pada Gambar 4.

Gambar 4. Kurva laju subsiden untuk soal Latihan 8

Langkah 8 : Hitung laju subsiden rata-rata selama 50 tahun menggunakan

Persamaan 30. Komponen-komponen subsiden yang hanya terjadi sekali di awal

(konsolidasi primer dan shrinkage) dapat dimasukkan langsung sebagai suku aditif

pada posisi pembilang. Komponen subsiden yang bersifat (diasumsikan) konstan

(oksidasi) dimasukkan sebagai suku aditif pada posisi pembilang dengan terlebih

dahulu mengalikan dengan periode waktu perhitungan. Komponen subsiden yanglajunya berkurang menurut waktu (konsolidasi sekunder) ditempatkan sebagai

suku aditif pada posisi pembilang dalam bentuk persamaan asalnya. Periode waktuperhitungan ditempatkan pada posisi penyebut.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60

L a j u s u b s i d e n ( c m / t a h n )

Waktu (tahun)


23/25

22

28.3 cm + 36.0 cm + 50 y × 3.4 cmy + 5.65 cm × log

50 y × 365 dy1 d50 y

28.1 cm + 36.0 cm + 170.15 cm + 24.06 cm50 y 5.17 cmy Drainage base dan drainability limit

Drainability adalah sifat atau karakteristik mudah tidaknya lahan didrainase serta

klasifikasi dampak dan resiko drainase di masa depan. Drainability limit adalah kondisi

dimana lahan tidak dapat lagi didrainase secara gravitasi. Drainability limit ditentukan oleh

drainage base, atau disebut juga Drainability Elevation Limit (DEL), yaitu batas elevasi

dimana drainability limit tercapai. DEL dapat dihitung (dan dipetakan) bila elevasi rata-

rata muka air tahunan terendah (musim kemarau) tubuh air alami terdekat dari suatu

lahan diketahui. DEL dapat dihitung dengan Persamaan 36.

D E L +∆ Persamaan 36.dimana

DEL :Drainability Elevation Limit (L), dihitung dari suatu datum

H NWB : Elevasi rata-rata muka air terendah pada tubuh air terdekat (L), dihitung dari suatu

datum

c : Konstanta slope limit resistansi saluran (-), secara konservatif dapat dipakai angka

20 cm/km = 0.0002.

∆ X : Jarak suatu titik atau lahan yang dikaji dari tubuh air terdekat (L)

Jika basal contact gambut berada pada posisi lebih tinggi dari DEL maka tidak terdapat

masalah drainability di kemudian hari, walaupun mungkin saja muncul masalah singkapan

pirit dan pasir kuarsa. Sebaliknya, bila basal contact berada di bawah DEL maka pada suatu

saat di kemudian hari, bila subsiden tetap berlangsung, lahan tidak dapat lagi didrainase

secara alami karena sudah hampir sama rata dengan muka air sungai terdekat di musim

kemarau. Jangka waktu tercapainya drainability limit, disebut juga Peat Depletion Time

(PDT), dapat ditaksir bila ketebalan gambut (D), elevasi permukaan lahan ( Z ), laju subsiden

rata-rata (S rate) dan DEL diketahui; seperti ditampilkan pada Persamaan 37.

Parameter PDT sangat penting untuk diperhatikan dalam sebuah perencanaan drainase,

karena perencanaan dan pembuatan saluran yang gegabah dapat mempercepat waktu

kepunahan gambut, mempercepat tersingkapnya pirit atau lapisan pasir kuarsa di dasar

Bila basal contact berada dibawah DEL, PDT − Persamaan 37.Bila basal contact berada diatas DEL, PDT


24/25

23

gambut, mempercepat terjadinya banjir permanen, serta kerusakan-kerusakan ekosistem

setempat dan yang berdampingan. Dari Persamaan 37 dapat dipahami bahwa PDT

berkurang bila laju subsiden meningkat. Oleh karena itu seorang perencana dan

penyelenggara drainase yang bijak akan berusaha mendesain saluran yang dapat

mempertahankan storage dalam akuifer sebesar mungkin di musim kemarau, mencegah

penurunan muka air tanah melebihi yang diperlukan, dengan tujuan mengurangi lajusubsiden melalui pengelolaan air yang baik.

Latihan 9

Melanjutkan latihan 8, bila permukaan lahan tersebut berada pada elevasi 5 meter

diatas muka laut, bila sungai terdekat dari lahan tersebut berjarak 1 km, dan elevasi

muka air terendah musim kemarau pada titik sungai terdekat tersebut 1 m-dpl

(1) Tentukanlah apakah ada kendala drainability di masa depan

(2) Hitung PDT, dan tafsirkan maknanya

Penyelesaian

Langkah 1 : Hitung DEL dengan Persamaan 36,

1 m. dpl + 0.0002 × 1,000 m 1.2 m. dpl Langkah 2 : Hitung elevasi basal contact . Karena diketahui dari Latihan 8 bahwa

ketebalan gambut awal pada posisi lahan tersebut 6 m, maka elevasi basal contact ,

5 m. dpl 6 m 1 m. dpl

Terlihat bahwa elevasi basal contact berada 2.2 meter dibawah DEL. Artinya lahan

ini akan mengalami kendala drainability dimasa depan.

langkah 3 : Hitung PDT; Karena basal contact berada dibawah (pada elevasi lebih

rendah daripada) DEL, maka kita gunakan persamaan 37 baris pertama,

PDT 5 m 1.2 m ×100cmm

5.17 cmy 74 y

Artinya lahan tersebut dapat digunakan untuk budidaya akasia dengan drainase

selama 74 tahun saja. Setelah itu lahan harus dikembalikan ke negara dalam

keadaan rusak yang tidak dapat lagi diperbaiki. Jika faktor kenaikan muka air laut

(jika perubahan iklim gagal dimitigasi) ikut diperhitungkan maka PDT akan tercapai

lebih singkat lagi, mungkin sekitar 50 tahun saja. Persoalan ini adalah pesan utama

yang ingin disampaikan dalam artikel ini, semoga pembaca dapat memahami

ancaman besar yang sedang dihadapi lahan gambut Indonesia saat ini.


25/25

24

Referensi

Baver, L.D., W.H. Gardner and W.R. Gardner. 1972. Soil Physics. John Wiley & Sons,

New York. p 498.

Bowles, J.E. 1980. Physical and Geotechnical Properties of Soils. McGraw Hill,

London. p 570.

Das, B.M. 2008. Advanced Soil Mechanics, 3rd Edition. Taylor and Francis, New York.

p. 567

Eggelsmann, R.F. 1976. Peat consumption under influence of climate, soil condition

and utilization. Proc. 5th Int. Peat Congr., Poznan. Poland 1, 233–247.Hillel, D. 1971. Soil and Water. Physical principles and processes. Academic Press,

New York. p 288.

Ng, C.W.W and B. Menzies. 2007. Advanced Unsaturated Soil Mechanics and

Engineering. Taylor and Francis, New York. p. 687

PS Consultant and LAWOO. 2001. Water management guidelines for agricultural

development in lowland peat swamps of Sarawak. Jawatan Pengairan dan Saliran,

Sarawak.

Schothorst, C.J. 1977. Subsidence of low moor peat soils in the western Netherlands.

Geoderma 17, 265

–291.

Terzaghi, K.V. 1943. Theoretical Soil Mechanics. John Wiley & Sons, New York p. 510.

Verruijt, A. 2012. Soil Mechanics. Delft University of Technology, Delft. The

Netherlands.

subsiden: beberapa aspek kuantitatif-praktis dalam proyeksi subsiden di lahan gambut yang didrainase

Documents