PAGE 1

TRANSPORT SEDIMEN

TRANSPORT SEDIMEN TERSUSPENSIREFERENCES:

Leo C. van Rijn, Journal of Hydraulic Engineering,

Vol 110, No.11, November 1984.

TRANSPORT SEDIMEN

TRANSPORT SEDIMEN TERSUSPENSIAbstrak: Suatu metoda diperkenalkan dalam perhitungan sedimen tersuspensi sebagai hasil integrasi terhadap kedalaman dari konsentrasi lokal dan kecepatan aliran. Metoda didasarkan pada perhitungan konsentrasi acuan dari transport sedimen dasar (bed-load). Profil konsentrasi yang terukur telah digunakan untuk kalibrasi. Hubungan baru diusulkan untuk memperoleh gradasi ukuran material dasar dan damping turbulen oleh partikel sedimen. Suatu analisa verifikasi yang menggunakan sekitar 800 data menunjukkan sekitar 76% nilai-nilai yang diramalkan adalah 0.5 dan 2 kali nilai-nilai yang terukur.

PENDAHULUAN

Suatu bagian terpenting dari perhitungan morfologi dalam kasus kondisi-kondisi aliran dengan transport sedimen tersuspensi adalah menggunakan suatu konsentrasi acuan sebagai suatu kondisi batas di dasar. Di Laboratorium Delft Hydraulics suatu keseimbangan konsentrasi telah digunakan sampai sekarang (24-27). Di dalam pendekatan konsentrasi keseimbangan dihitung dari kapasitas transport sedimen seperti diberikan oleh suatu rumusan transport sedimen total dan profil konsentrasi yang relatif. Untuk meningkatkan kondisi batas di dasar, suatu penyelidikan teoritis telah aktip di lakukan di Laboratorium Delft Hydroulics dengan tujuan menentukan suatu hubungan spesifik konsentrasi acuan sebagai fungsi parameter aliran lokal (dekat dasar) dan sifat-sifat sedimen ( 33,34).

Parameter utama control hydrolik untuk sedimen tersuspensi, yang mana kecepatan partikel jatuh dan koefisien difusi sedimen, dipelajari secara detil. Secara khusus diselidiki dan diuraikan dengan bentuk baru difusi partikel sedimen dan pengaruh partikel sedimen pada struktur turbulen (efek damping). Akhirnya, suatu metoda untuk menghitung transport sedimen tersuspensi diusulkan dan dibuktikan, menggunakan sejumlah besar saluran air (flume) dan data bidang.

PARAMETER KARAKTERISTIK

Di dalam analisa sekarang ini diasumsikan bahwa transport sedimen dasar dan karena konsentrasi acuan di dasar ditentukan oleh parameter partikel D* dan parameter tingkat (stage) transport T sebagai.

(1)

di mana D50 = diameter partikel material di dasar; s = densitas spesifik; g = percepatan gravitasi; v = koefisien viskositas kinematik.

(2)

di mana = ( g0.5 /C ) = kecepatan gesekan dasar dihubungkan dengan butiran-butiran; C' = 18 log (12Rb/3D90 ) = koefisien chezi yang dihubungkan dngan butiran; Rb= Radius hidrolik yang berhubungan dengan dasar menurut Vanoni-Brooks (38); = kecepatan aliran rata-rata; dan = kecepatan gesekan dasar kritis menurut Shields (36).

Untuk menggambarkan transport sedimen tersuspensi, suatu parameter tersuspensi yang menyatakan pengaruh gaya fluida turbulen keatas dan gaya gravitasi ke bawah, adalah didefinisikan sebagai:

(3)

di mana ws = kecepatan partikel jatuh dari sedimen tersuspensi; = koefisien difusi partikel sedimen; = Konstanta Von Karman; dan U* = Kecepatan gesekan dasar keseluruhan.

INISIASI DARI SUSPENSI

Sebelum menganalisa parameter utama hidrolik yang mempengaruhi sedimen tersuspensi diperlukan untuk menentukan kondisi-kondisi aliran yang mana inisiasi suspensi dari suspensi yang akan terjadi.

Bagnold menyatakan pada 1966 bahwa hanya tinggal suatu partikel tersuspensi ketika edy turbulen mempunyai komponen kecepatan vertikal yang dominan melebihi kecepatan jatuh partikel (w). Mengasumsikan bahwa komponen kecepatan vertical (w) dari edy di diwakili oleh intensitas turbulen vertical (w), nilai kritis untuk inisiasi suspensi dapat dinyatakan sebagai:

EMBED Equation.3

(4)

Studi yang terperinci pada fenomena turbulen di aliran lapisan batas menyatakan bahwa nilai maksimum dari intensitas turbulen vertikal memiliki orde yang sama seperti kecepatan gesekan dasar (u*). Penggunaan nilai-nilai, kecepatan gesekan dasar kritis (u*,crs) untuk menyatakan suspensi menjadi:

(5)

yang dapat dinyatakan seperti (lihat gambar. 1).

(6)

Kreteria yang lain untuk inisiasi suspensi telah diberikan oleh Engelund. Didasarkan pada suatu analisa stabilitas yang sederhana, ia memperoleh:

(7)

Gambar. 1-Inisiasi suspensi dan gerakan

Akhirnya, beberapa hasil dari percobaan di Laboratorium Delft Hydraulics di tinjau ulang. Penulis menentukan kondisi-kondisi aliran yang kritis di mana gerakan turbulen ke atas dari partikel sedimen (meledak-oursts) dengan panjang lompatan orde diameter partikel 100 yang telah diamati. Hasil percobaan dapat direpresentasikan oleh:

(8)

(9)

Persamaan. 6-9 ditunjukkan dalam gambar. 1. Penyederhanaan, diusulkan bahwa criteria ukuran Bagnold mendefinisikan suatu batas atas di mana suatu profil konsentrasi mulai untuk berkembang, kreteria penulis mendefinisikan suatu langkah tengah di mana semburan (Burst) turbulen secara lokal mengakibatkan partikel sedimen terangkat dari dasar ke suspensi (menjadi melayang).

GAMBARAN SECARA METEMATIK PROFIL KONSENTRASI

Di dalam suatu aliran seragam dan steady, distribusi yang vertikal profil konsentrasi sedimen dapat digambarkan dengan:

(10)

di mana c = konsentrasi sedimen; ws,m = kecepatan partikel jatuh dalam suatu percampuran fluida dan sedimen; = koefisien difusi sedimen; dan z = koordinat vertikal. Kecepatan partikel jatuh; Dalam suatu fluida yang jernih dan diam kecepatan partikel jatuh (ws ) dari suatu partikel pasir yang satu-satu (solitary) lebih kecil dibanding sekitar 100(stokes-range) dapat digambarkan dengan;

(11)

Karena partikel pasir tersuspensi dalam kisaran 100-1,000 , yang berikut jenis persamaan, seperti yang diusulkan oleh Zanke, dapat digunakan:

(12)

Untuk partikel lebih besar sekitar 1.000 maka persamaan sederhana yang berikut dapat digunakan:

(13)

Di dalam persamaan 11-13 parameter Ds menyatakan diameter sedimen tersuspensi, yang mungkin adalah sangat lebih kecil dibanding D50 dari material di dasar, seperti akan ditunjukkan kemudian. Percobaan dengan konsentrasi sedimen yang tinggi menunjukkan suatu pengurangan substansial kecepatan partikel jatuh dalam kaitan dengan adanya partikel-partikel disekitarnya. Untuk kondisi aliran yang normal dengan ukuran partikel berkisar 50-500 kecepatan partikel jatuh berkurang dapat digambarkan oleh Fichardson-Zaki jenis persamaannya:

(14)

Koefisien difusi: Biasanya difusi momentum fluida () digambarkan dengan suatu distribusi parabola diatas kedalaman aliran (d):

(15)

Sekarang ini suatu distribusi konstanta parabolik, yang mana rata-rata suatu distribusi parabola yang lebih rendah separuh dari kedalaman aliran dan suatu nilai konstan di dalam lebih tinggi separoh dari kedalaman aliran, digunakan sebagian besar sebab mungkin hal tersebut memberi suatu gambaran yang lebih baik profil konsentrasi. Distribusi konstanta parabola adalah:

for

(16a).

for

(16b)

Persamaan 15 dan 16 ditunjukkan dalam gambar.2. Difusi partikel sedimen () dihubungkan dengan difusi momentum fluida oleh:

(17)

Gambar. 2. Koefisien difusi fluida

Faktor menggambarkan perbedaan di dalam difusi suatu partikel sedimen di diskrit dan difusi suatu " partikel " fluida ( atau struktur fluida koheren yang kecil) dan diasumsikan menjadi konstan diatas kedalaman aliran. Faktor menyatakan damping turbulen fluida oleh partikel sedimen dan diasumsikan bergantung pada konsentrasi sedimen local, dan akan ditunjukkan kemudian bahwa faktor dan faktor digambarkan secara terpisah.

Pertama, berbagai ungkapan untuk profil konsentrasi akan diberikan.

Konsentrasi profil: menggunakan suatu konstanta parabola distribusi menurut persamaan 16 dan 17 dengan = 1 (bukan efek peredaman) dan suatu konsentrasi partikel bergantung kecepatan jatuh menurut persamaan 14, profil konsentrasi sedimen dapat diperoleh dengan integrasi persamaan 10 menghasilkan:

(18a)

(18b)

Gambar 3. profil konsentrasi

di mana ca = konsentrasi acuan; a = tingkatan acuan; d = kedalaman; z = koordinat vertikal; dan Z = parameter suspensi. Persamaan.18a-b ditunjukkan dalam gambar.3. Untuk konsentrasi yang kecil (c