BAB 1
ASAS HIDROLOGI
PENGENALAN
Air merupakan keperluan asas yang penting kepada
kehidupan manusia, haiwan dan tumbuh-tumbuhan. Tanpa air kehidupan akan menjadi
tidak sempurna dan sukar. Oleh itu, kajian terhadap sumber air, kegunaannya dan
kepentinganya amat perlu untuk memenuhi keperluan kehidupan sempurna. Hidrologi
merupakan salah satu bidang sains yang mengkaji berkaitan dengan sumber air.
Kajian sains yang berkaitan sumber air yang merangkumi tentang kejadiannya,
edarannya, agihan, sifat-sifat kimia dan sifat-sifat fizikal dan reaksinya
dengan persekitaran serta hubungannya dengan alam persekitaran semulajadi. Pada
dasarnya, hidrologi melibatkan kaedah tafsiran. Penyelidikannya hanya terhad
kepada kesan-kesan tertentu terhadap kejadian semulajadi. Keperluan asasi
adalah untuk memperolehi data-data cerapan dalam aspeks curahan, air larian,
penelusan, aliran sungai, penyejatan dan sebagainya.
Ahli hidrologi yang mahir akan berkemampuan
memberi penjelasan dan penyelesaian terhadap persoalan kejuruteraan yang timbul
termasuklah teori kebarangkalian dan berkebolehan menggunakan kaedah analisis
ekonomi. Dominan dalam hidrologi meliputi keseluruhan sejarah pergerakan air di
bumi. Bidang hidrologi sangat luas merangkumi sains gunaan seperti meteorologi,
geologi, statistik, kimia, fizik dan kaji daya bendalir. Kajian hidrologi
saintifik mengkaji empat rangkaian utama dalam bidang kejuruteraan hidrologi
iaitu:
i. Air
Permukaan
Air permukaan ialah air yang ada di permukaan bumi
seperti sungai, tasik, kolam, parit dan buangan domestik.
ii. Air
Bawah Tanah
Air bawah tanah merupakan air yang berada di bawah
sub-permukaan bumi diantara 1.0 – 1.5 meter dibawah permukaan bumi. Pergerakan
air ini sentiasa berubah-ubah bergantung kepada tekanan hidrostatiknya.
iii. Salji
dan Ais
Salji dan ais adalah sejenis kerpasan yang turun
dari atmosfera dan kemudiannya menjadi air larian permukaan. Ia juga merupakan
curahan terbesar bagi kawasan-kawasan tertentu di bumi.
iv. Limnologi
Limnologi merupakan kajian air larian permukaan
bagi sebuah tasik yang juga berubah mengikut peredaran masa dan keadaan rupa
bentuk muka bumi.
Cabang hidrologi yang mendapat perhatian yang
meluas ialah air bawah tanah dan air permukaan,
air telah menjadi fokus dalam hidrologi dan ia merupakan salah satu
unsur yang terdapat merata dalam persekitaran semulajadi. Oleh itu, hidrologi telah melampaui ruang
skop beberapa subjek sains persekitaran yang lain seperti kaji cuaca, geologi,
kaji glasier, kajian fros, dan ekologi.
Hidrologi juga meliputi
pembangunan, penggunaan dan kawalan sumber air.
Dengan itu, hidrologi mempunyai pertalian dengan subjek sains sosial
seperti ekonomi, sains politik dan sosiologi.
Aplikasi hidrologi juga banyak dan pelbagai. Hidrologi mempunyai aplikasi praktis dalam
pembangunan dan pengurusan sumber air, ramalan banjir, pengurusan lembangan
saliran, rekabentuk struktur bagi mengawal air dan sistem saliran, pengawalan
kemasinan dan pencemaran.
Bahagian-bahagian ini membentuk hidrologi gunaan walaupun amat sukar
untuk membezakan antara prinsip hidrologi itu sendiri dengan aplikasi prinsip
hidrologi dalam atmosfera ini.
TAKRIFAN HIDROLOGI
Menurut E.M. Wilson (1992), kajian hidrologi
adalah berhubungan dengan kejadian dan pergerakan air di atas dan pada
permukaan bumi. Ia berkaitan dengan
pelbagai bentuk lembapan yang terjadi, perubahan bentuk antara keadaan cecair,
pepejal dan gas dalam atmosfera serta dalam lapisan-lapisan permukaan
bumi. Ia juga berkaitan dengan laut, punca
dan simpanan kesemua isipadu air yang menggiatkan kehidupan di bumi. Penggunaan
hidrologi dari konteks yang lebih luas kerana kebanyakan perkara ini adalah
hasil daripada kaedah fizik, meteorologi, sains samudera, geografi, geologi,
hidraul dan sains-sains lain yang berkaitan seperti botani, biologi, teori
kebarangkalian, sedikit sebanyak kaedah statistik dan berkebolehan menggunakan
kaedah analisis ekonomi.
Menurut Wan Ruslan Ismail
(1989), hidrologi ialah satu kajian saintifik tentang air. Oleh sebab air merupakan satu unsur penting
dalam persekitaran fizikal. Ia dikaji oleh para pengamal daripada pelbagai
disiplin lain yang mementingkan persekitaran fizikal. Air wujud dalam pelbagai bentuk dan lokasi
dalam persekitaran. Semua proses yang
kompleks ini berkait rapat antara satu sama lain membentuk apa yang dikenali
sebagai kitaran hidrologi atau kitaran air. Dengan kata lain, hidrologi adalah
satu disiplin sains yang sangat luas.
Hidrologi boleh dilihat sebagai satu kajian saintifik tentang kitaran
air dan merupakan satu disiplin yang mengkaji sifat air, kewujudan dan
pergerakannya di atas dan di bawah permukaan tanah.
Menurut Vijay P. Singh
(1976), hidrologi boleh ditakrifkan sebagai sains yang dikategorikan ruang masa
terhadap kuantiti dan kualiti air di bumi. Kajian terhadap pergerakan,
peredaran, pengagihan, pengiraan, penyimpanan, penjelajahan, pembangunan dan
pengurusan air. Semua kategori ini adalah hubungan air di bumi. Bidang yang
berkaitan dengan kuantiti dan kualiti ini termasuk biologi, kimia, geografi,
glasiologi, dan meteorologi. Item yang terlibat dalam sains hidrologi termasuk
elemen pertanian, kejuruteraan hidraulik, geologi dan perhutanan. Sosio-politik,
kebudayaan dan alam sekitar menjadi rantaian terhadap hubungan air di permukaan
bumi. Oleh itu, hidrologi semestinya berhubung dengan reaksi air dengan alam
semulajadi.
Menurut Victir Miguel
Ponce (1967), hidrologi adalah salah satu sains bumi yang mengkaji air di
permukaan bumi. Kaedah kejadian, peredaran, pengagihan, sifat kimia, sifat
fizikal dan hubungan dengan benda-benda hidup di bumi. Hidrologi juga
merangkumi air bawah tanah termasuk dalam bidang meteorologi, geologi,
geomorphologi, sedimentologi, goegrafi dan kajian pantai. Manakala kejuruteraan
hidrologi pula terhasil dari hidrologi sains bumi yang menjadi penyelesaian
terhadap masalah kejuruteraan dari sumber yang membolehkan manusia menggunakan
sumber tersebut. Dalam kata lain, kejuruteraan hidrologi terbina dari hubungan
sementara, bermusim, wilayah atau hubungan geografikal air yang berkaitan
dengan struktur sistem hidraulik.
Menurut Wisler dan Rater (1959), terdapat dua
definisi lain yang berkaitan dengan hidrologi.
Definisi yang pertama mementingkan sifat gunaan disiplin tersebut
sementara definisi yang kedua pula menitikberatkan skop subjek tersebut.
Hidrologi adalah satu bidang sains yang membicarakan proses yang mengawal
kesuburan dan ketandusan sumber air daripada kawasan daratan di dunia. Pada tahun 1962, panel ad-hoc dalam Majlis-majlis Bersekutu bagi Sains dan Teknologi
Amerika Syarikat mencadangkan definisi hidrologi seperti yang berikut :
“Hidrologi adalah satu bidang sains yang mengambilkira
air di dunia ini, kewujudan, pusingan dan taburan, sifat kimia dan fizik dan
tindakbalas dengan persekitaran termasuk pertalian dengan benda-benda hidup. Ruangnya
mencakupi keseluruhan sejarah kewujudan air di atas bumi ini.”
Definisi hidrologi ini telah digunakan dengan
secara praktis di seluruh dunia. Jelas
daripada definisi di atas, skop hidrologi itu amat luas. Apa yang dikaji oleh ahli hidrologi
professional lebih terhad berbanding dengan skop di atas dan definisi hidrologi
yang lain.
KEJURUTERAAN HIDROLOGI
Kejuruteraan hidrologi
merupakan penggunaan hidrologi dalam pelbagai bidang kejuruteraan. Ia tertumpu
kepada rekabentuk, perlaksanaan dan perjalanan sesuatu projek bagi penggunaan
air dan punca air seperti:
- Bekalan
Air
Dalam bidang kejuruteraan hidrologi kerja-kerja
melibatkan rekabentuk paip dan saliran dan tangki simpanan. Selain itu, mencari
punca air dari kawasan tadahan seperti sungai, tasik air bumi dan sebagainya
untuk kegunaan domestik.
ii. Perparitan
Selain pengairan dalam bidang pertanian, sistem
perparitan untuk laluan air direkabentuk dalam kejuruteraan awam seperti
pembinaan tembok, saluran atau culvert, longkang dan parit.
Kerja-kerja kejuruteraan
hidrologi merangkumi beberapa proses yang membolehkan sesuatu projek bejalan
lancar iaitu:
- Pengukuran
Pengumpulan data-data dibuat selepas membuat
cerapan bagi tujuan memudahkan analisis dan merekabentuk. Contohnya, pengukuran
taburan hujan tahunan dan keadaan cuaca yang direkodkan bagi tujuan perancangan
kerja-kerja kejuruteraan awam.
ii. Penilaian
Selepas data-data diperolehi dari hasil
pengukuran, data-data ini dibuat penilaian, diproses mengikut kegunaannya. Ia
bertujuan mendapat keseragaman dan gambaran bagi data-data yang dicerap. Graf
palang, carta pai, graf garisan antara rumusan penilaian dalam mempersembahkan
data yang biasa digunakan untuk lebih memahami dari pengukuran yang dilakukan.
iii. Penggunaan
Daripada keputusan penilaian dari data-data yang
diperolehi, barulah jurutera akan membuat rekabentuk, anggaran dan ramalan serta
perancangan bagi kegunaan praktik untuk sesuatu projek pembinaan.
Dalam kejuruteraan hidrologi, kawasan tadahan amat
penting yang menjadi sumber atau punca kapasiti air. Kawasan tadahan
ditakrifkan sebagai keseluruhan kawasan di mana semua air lariannya menuju ke
satu sistem saluran yang sama seperti sungai, tasik atau empangan yang berada
dalam kawasan tersebut. Kawasan tadahan merupakan permukaan tanah yang
mempunyai semua air lariannya berkumpul didalam satu sistem saliran tersebut
yang berdekatan dengannya. Selain itu, ia merupakan kawasan yang kritikal dalam
pengurusan sumber air dimana keluasannya mempengaruhi kadar kualiti dan
kuantiti air yang mengalir ke sungai. Watershed
adalah kawasan tadahan terkecil yang diperolehi dalam satu kawasan tadahan
manakala basin merupakan kawasan
tadahan yang terbesar.
KITARAN HIDROLOGI
Pergerakan berkitar air
dari laut ke atmosfera yang kemudiannya sebagai curahan ke aras bumi di mana
air berkumpul di dalam sungai dan mengalir semula ke laut, dikenali sebagai
kitaran hidrologi. Aturan kitaran yang
sedemikian memang berlaku tetapi ianya tidaklah semudah itu. Kitaran Hidrologi
adalah pergerakan air yang berterusan tanpa henti samada di atas permukaan bumi
mahupun bawah permukaan bumi.
Konsep kitaran hidrologi memberi tumpuan kepada cara
memahami kewujudan air, perkembangannya dan pengurusan bekalan air untuk tujuan
sejagat. Kitaran ini sentiasa berpusing membentuk satu kitaran yang telah
bermula sejak bumi dicipta. Walaupun kitaran hidrologi tidak mempunyai titik
permulaan, beberapa proses yang penting akan dibincangkan dalam buku kecil ini
untuk memahami kepentingan kitaran hidrologi kepada kehidupan di muka bumi ini.
Meskipun konsep kitaran hidrologi ini sangat ringkas, namun ia boleh
menerangkan proses-proses penting yang perlu difahami oleh ahli hidrologi. Kitaran ini diterangkan secara gambarajah
dalam Rajah 1.1.
Rajah 1.1 : Kitaran Hidrologi
- Penyejatan (Evaporasi)
Merupakan proses dimana air tersejat dari
permukaan bumi ke atmosfera. Air di permukaan bumi termasuklah air larian
permukaan, kolam, tasik, sungai, dan laut. Air yang tersejat akibat pancaran
sinaran matahari ini, akan tersimpan untuk jangkamasa yang agak singkat sebelum
mengalami proses pemeluwapan yang bertukar bentuk. Dalam proses ini, air
bertukar dari fasa cecair atau pepejal ke fasa wap. Proses ini juga dikenali
sebagai pemeluwapan. Semasa proses sejatan berlaku, air bergerak melintasi aras
bumi samada dari daratan atau lautan ke atmosfera. Kebanyakan wap dalam
atmosfera terhasil dari sejatan dari permukaan air. Kadar penyejatan
dipengaruhi oleh pancaran matahari dimana sejatan akan meningkat apabila suhu
meningkat. Selain itu, kadar penyejatan juga dipengaruhi oleh bandingan suhu
air dan udara serta pengaruh angin.
- Pemeluwapan (Kondensasi)
Pemeluwapan adalah proses pertukaran wap air
menjadi cecair. Pemeluwapan wap air menjadi butiran awan berlaku di atas
partikel-partikel yang terdapat dalam atmosfera, seperti partikel garam dari
laut membentuk manik-manik yang terkandung dalam awan yang pepejal. Awan akan
dibawa oleh peredaran angin ke tempat lain sebelum cukup berat untuk jatuh ke
bumi sebagai kerpasan. Wap air menjadi sejuk apabila bertemu dengan partikel-partikel
seperti ini, menyebabkan ia berubah menjadi fasa cecair. Pemeluwapan dan
penyejatan berlaku serentak dalam ruang yang bersempadankan permukaan air
sebelum membentuk curahan.
- Curahan (Presipitasi)
Air yang turun dari atmosfera ke permukaan bumi
dalam sebarang bentuk samada pepejal atau cecair dimanakan proses curahan.
Dalam keadaan yang tertentu, curahan boleh wujud dalam pelbagai bentuk kerpasan
seperti salji, hujan air batu, hujan, gerimis, embun dan kabus. Curahan berlaku
setelah berlakunya proses pemeluwapan di atmosfera. Sebahagian besar curahan
adalah berpunca dari udara lembab lautan yang berasal dari permukaan lautan.
Kadar curahan dipengaruhi oleh faktor angin, suhu dan tekanan atmosfera. Di
kawasan tropika dan khatulistiwa, bentuk kerpasan yang lazim ialah hujan dan
kadangkala hujan batu. Curahan yang turun tidak akan terus sampai ke permukaan
bumi kerana sebahagiannya akan mengalami proses pintasan oleh tumbuh-tumbuhan.
Tetapi curahan yang turun ke lautan hampir seratus peratus akan jatuh terus ke
lautan. Oleh hal demikian, curahan di daratan merupakan air simpanan sementara
sebelum mengalami proses yang lain pula.
- Pintasan (Intersepsi)
Curahan yang tersekat pada tumbuh-tumbuhan dan
tidak sampai ke permukaan bumi dan akan segera tersejat kembali ke atmosfera.
Kuantiti air yang terlibat dalam proses ini adalah kecil berbanding dalam
proses-proses yang lain. Di kawasan hutan, kuantiti air yang terlibat lebih
banyak dibandingkan di kawasan yang telah dibangunkan.
- Perpeluhan (Transpirasi)
Merupakan proses perpindahan air dari
tumbuh-tumbuhan melalui tisunya ke atmosfera dalam bentuk wap. Air yang
menyusup penting menghidupkan tumbuh-tumbuhan menyebabkan proses perpeluhan
berlaku.
- Resapan ( Infiltratasi)
Proses resapan juga dikenali sebagai proses
penyusupan yang merupakan proses pergerakan air dari permukaan ke dalam tanah
dan disimpan dalam bentuk air bumi. Kadar penyusupan adalah berbeza-beza,
bergantung kepada ciri-ciri tanah, keluasan permukaan dan litupan tanah,
kandungan lembapan, keamatan dan tempoh hujan. Bagi tanah berpasir, kadar
penyusupan boleh mencapai sehingga 25mm/jam dan bagi tanah liat atau kelodak,
kadarnya hanya sekitar 5-10mm/jam sahaja. Bagi kawasan berturap, penyusupan
adalah sifar. Sebahagian daripada baki air permukaan menyejat kembali dalam
bentuk wap tetapi sebahagian besarnya mengalir masuk ke dalam pelbagai bentuk
saluran dan mengalir sebagai air larian permukaan. Secara umumnya, apabila
curahan melebihi penyusupan, aliran permukaan akan berlaku menghasilkan air
larian permukaan.
Walau bagaimanapun,
kitaran hidrologi ini boleh terganggu pada beberapa peringkat, contohnya
curahan berlaku akan terus ke laut, tasik atau sungai. Selain itu, jangkamasa berlaku
sesuatu proses dalam kitaran hidrologi itu berlaku tidak seragam, pada musim
kemarau proses kitaran seakan-akan terhenti, sebaliknya bila musim tengkujuh
pula proses kitaran ini seolah-olah ianya berterusan. Gangguan keamatan dan
kekerapan proses kitaran bergantung kepada keadaan geografi dan iklim kerana ia
beroperasi adalah hasil daripada sinaran matahari yang berubah mengikut sesuatu
musim semasa. Kita hanya boleh mengawal komponen terakhir iaitu, apabila hujan
telah turun ke permukaan bumi dan mengalir ke laut, komponen kitaran ini akan
menjadi rumit dan kompleks untuk diambilkira.
PERSAMAAN KESIMBANGAN
HIDROLOGI
Menurut David Keith Todd
(1979), untuk mengurus lembangan air tanah, pengetahuan tentang kuantiti air
yang boleh dimajukan merupakan syarat mutlak yang patut dipenuhi terlebih
dahulu. Penentuan air yang sedia ada pada satu lembangan memerlukan penilaian
unsur-unsur dalam kitaran hidrologi.
Dari segi kitaran hidrologi untuk
satu lembangan air tanah, suatu
keseimbangan perlu wujud di antara kuantiti air yang dibekalkan ke
lembangan dengan jumlah air yang meninggalkan lembangan tersebut. Persamaan
keseimbangan air digunakan untuk menggambarkan komponen masuk, I dan komponen
keluar, O dalam sistem hidrologi atau lembangan. Hujan sebagai komponen masuk
yang terbesar dalam ruang dan masa. Aliran sungai sebagai komponen keluar dalam
satu lembangan. Sejatan, perpeluhan dan air bumi juga sebagai komponen keluar
tetapi pada nilai yang kecil dibandingkan dengan aliran sungai. Persamaan
keseimbangan hidrologi menyediakan suatu kenyataan kuantitatif keseimbangan
ini. Dalam bentuk umum, persamaan ini boleh dinyatakan seperti pada persamaan
di bawah:
Aliran masuk permukaan +
aliran masuk bawah-permukaan + kerpasan + air yang diangkut masuk + pengurangan
pada simpanan permukaan + pengurangan pada simpanan air tanah
= Aliran keluar permukaan +
aliran keluar bawah-permukaan + kegunaan makanan + air yang diangkut masuk + penambahan pada
simpanan permukaan + penambahan pada simpanan air tanah
Persamaan dalam bentuk
demikian melibatkan kesemua air, air permukaan dan air bawah-permukaan, yang
memasuki dan yang meninggalkan satu lembangan. Terdapat banyak keadaan yang
mungkin boleh menghapuskan perkara-perkara tertentu daripada persamaan itu
kerana perkara tersebut adalah kecil dan boleh diabaikan atau kerana tidak
memberi kesan penyelesaian masalah berkenaan. Sebagai contoh, satu akuifer tekanan
mempunyai keseimbangan hidrologi yang tidak bergantung kepada air permukaan
yang terletak di atasnya. Oleh itu, perkara-perkara seperti aliran permukaan,
kerpasan, pakai guna, air diangkut masuk dan air diangkut keluar dan
perubahan-perubahan pada simpanan permukaan boleh dibatalkan daripada persamaan
itu. Diringkaskan bahawa persamaan keseimbangan air boleh ditulis sebagai:
I
(input) = O (output)
I – O
= 
atau Δs
atau Δs
( P + R + B ) – ( F + ET ) = Δs
P = ET + Q + Δs + ΔG
Dimana,
P =
Curahan
ET =
Sejat peluhan
R
= Hujan lebihan atau hujan
berkesan
Q
= Aliran sungai
B =
Aliran sub-permukaan
F
= Resapan
Δs = Perubahan simpanan
ΔG = Perubahan dalam aliran air bumi
Setiap perkara pada persamaan tersebut
mewakili luahan, isipadu air per unit masa. Sebarang unit yang konsisten bagi
isipadu dan masa boleh digunakan. Tahun air, yang bermula dari 01 Oktober
sehingga 30 September, adalah masa yang sesuai mengikut tahun kalendar.
Persamaan bagi
keseimbangan hidrologi pada teorinya mestilah seimbang. Pada praktisnya, jika
semua perkara pada persamaan tersebut boleh dinilai, persamaan ini jarang
sekali mengimbangi dengan setepatnya. Ini mungkin disebabkan oleh ketidakjituan
pengukuran, kekurangan data asas yang diperlukan, atau penganggaran yang tidak
betul. Jumlah ketidakseimbangan itu tidak boleh melebihi had-had kejituan data
asas. Untuk mencapai keseimbangan, penyesuaian hendaklah dibuat terhadap
perkara-perkara yang menyebabkan berlakunya ralat besar.
Jika ketidakseimbangan
melebihi had-had ketetapan data asas, penyiasatan selanjutnya adalah
diperlukan. Penggunaan persamaan ini memerlukan pertimbangan yang baik, data
hidrologi yang mencukupi dan analisa yang cermat tentang geologi dan hidrologi
sesuatu kawasan tertentu.
Dengan persamaan ini,
kuantiti air yang sedia ada daripada lembangan air tanah boleh ditentukan di
bawah keadaan-keadaan yang diperolehi dan juga bagi sebarang keadaan tertentu
pada masa hadapan. Juga, mana-mana satu perkara yang tidak diketahui boleh
ditentukan jika semua perkara yang lain diketahui. Walau bagaimanapun,
penggunaan terakhir ini boleh mengelirukan kerana ketidakjituan pada satu
kuantiti atau lebih kuantiti yang diketahui mungkin melebihi magnitud kuantiti
yang tidak diketahui.
Tiada ulasan:
Catat Ulasan