Understanding the Hydrologic Cycle: International Edition

Pengantar Hidrologi

Tujuan dari modul ini adalah untuk membantu Anda dalam memahami siklus hidrologi beserta komponennya sehingga Anda dapat lebih efektif dalam menggunakan data-data hidrologi dan metode prediksinya.

Di sesi pengantar ini Anda akan mempelajari:

• Definisi Hidrologi dan Siklus Hidrologi
• Komponen-komponen dalam Siklus Hidrologi
• Konsep dasar perhitungan neraca/kesetimbangan air

Topik-topik yang disajikan dalam sesi ini:

• Apa itu Hidrologi?
• Apa yang dimaksud dengan Siklus Hidrologi?
• Neraca/Kesetimbangan Air
• Ringkasan Siklus Hidrologi
• Kuis

Apa itu Hidrologi?

Hidrologi adalah bidang ilmu yang mempelajari air di bumi. Hidrologi meneliti sifat-sifat air beserta pembentukan, distribusi, dan pergerakannya.

Apa yang dimaksud dengan Siklus Hidrologi?

Klik untuk memulai animasi.

Siklus hidrologi sering disebut siklus air. Siklus ini menggambarkan gerakan air secara vertikal dan horizontal baik dalam bentuk uap air, cairan, atau padat, yang berada di atas permukaan bumi, dalam tanah, maupun di atmosfer dan lautan.

Neraca/Kesetimbangan Air dalam Hidrologi

Rumus Neraca Air
Inflow (I) – Outflow (O) = ± Perubahan Storage (S)
atau
I – O = ± ΔS
(disebut juga persamaan kontinuitas/kekekalan massa.)

Jumlah air di suatu tempat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan neraca/kesetimbangan air di atas. Secara sederhana, volume air dalam sistem hidrologi ditunjukkan oleh perbedaan antara volume aliran yang masuk (inflow) dan aliran yang keluar (outflow) dari sistem. Selisih antara inflow dan outflow menunjukkan perubahan simpanan air dalam sistem (perubahan storage). Jika aliran yang masuk lebih banyak daripada yang keluar, maka simpanan air akan berlebih dan lebih basah. Sebaliknya jika aliran keluar yang lebih banyak, maka simpanan air akan terkuras dan sistem menjadi lebih kering.

Ahli hidrologi juga menyebut persamaan ini dengan persamaan kontinuitas atau kekekalan massa. Formula lain yang lebih kompleks juga tersedia dan digunakan dalam hidrologi. Persamaan kompleks ini termasuk metode untuk memperkirakan kecepatan air, pergerakan air melalui jaringan atau kanal, pergerakan air melalui tanah, dan proses-proses fisis lainnya.

Ringkasan Siklus Hidrologi

Hidrologi adalah ilmu yang mempelajari tentang air di bumi. Hidrologi meneliti sifat-sifat air, pembentukan air, distribusi air, dan pergerakannya di planet Bumi. Pendekatan dengan persamaan neraca air memperhitungkan berapa volume aliran yang masuk (inflow), aliran yang keluar (outflow), dan perubahan simpanan air (storage). Metode ini memungkinkan kita untuk melacak jumlah dan pergerakan air dalam suatu sistem contohnya Daerah Aliran Sungai (DAS).

Kuis

Distribusi

Air dalam siklus hidrologi terdistribusi dalam berbagai bentuk. Untuk memahami karakter alami air, kita perlu melihat bagaimana dan di mana air didistribusikan dan bagaimana air bergerak dalam berbagai bentuk.

Di sesi ini Anda akan mempelajari:

• Mengenali empat cara utama dalam penyimpanan air dan pendistribusi air dalam siklus hidrologi
• Menggambarkan karakteristik utama air laut
• Menggambarkan karakteristik utama air yang tersimpan dalam salju dan es
• Mendefinisikan karakteristik utama air permukaan
• Menjelaskan air tanah dan komponen-komponennya

Topik-topik dalam sesi ini:

• Lautan
• Salju dan Es
• Air Permukaan
• Air Tanah
• Kuis

Lautan

Lautan atau samudra menyimpan lebih dari 97% air di Bumi. Air laut berbeda dengan air tawar dan biasanya terdiri dari 35 gr/l zat padat terlarut, yang sebagian besar didominasi garam natrium klorida (NaCl). Sedangkan air tawar biasanya hanya memiliki kurang dari 1 gr/l zat padat terlarut. Air tawar ini terdistribusi dalam bentuk sungai dan danau di Bumi.

Jumlah zat terlarut dalam air menentukan bagaimana air tersebut digunakan dalam ekosistem dan pengaruhnya terhadap karakteristik air.

Daerah tempat pertemuan sungai dan lautan disebut muara yang merupakan sebuah jenis ekosistem yang penting. Di sinilah air laut dan air tawar bercampur menjadi satu dan terpengaruh oleh pasang-surut. Kekeringan atau banjir di muara dapat berdampak besar pada sektor lingkungan maupun ekonomi.

Fakta tentang air: Apa itu air tawar?

Air tawar didefiniskan sebagai air yang memiliki kadar zat padat terlarut sebesar 1 gr/l. Namun, air dengan zat padat terlarut lebih besar dari 0,5 gr/l sebenarnya tidak disarankan sebagai air minum dan keperluan industri. Sedangkan air laut dengan 35 gr/l zat padat terlarut membuat air laut menjadi 3% lebih kental daripada air tawar. Air tawar memiliki banyak kegunaan lain yaitu seperti irigasi dan manufaktur.

Salju dan Es

Pecahan es dan gletser di kutub menyimpan sekitar 2% dari total air di Bumi. Salju di pegunungan merupakan sumber air yang penting, terutama bagi daerah kering (arid dan semi-arid). Di beberapa daerah bahkan presipitasi didominasi oleh salju daripada hujan.

Memprediksi limpasan air akibat pencairan salju adalah proses yang kompleks yang melibatkan perubahan air salju ekuivalen (snow water equivalent/SWE) dari waktu ke waktu, kesetimbangan energi, dan sifat-sifat permukaan tanah.

Air Permukaan

Air permukaan terdistribusi dalam danau, kolam, sungai, dan kanal-kanal yang menyumbangkan sekitar 0,01% dari total air di Bumi.

Volume air di dalam danau bergantung pada jumlah air yang masuk dan keluar dari danau. Air yang keluar bisa melalui sebuah pintu keluar (outlet) yang mengalirkan air ke sungai, melalui evaporasi, transpirasi tanaman, penyerapan ke bawah tanah, pembuangan oleh manusia, atau kombinasi dari semua proses ini.

Fakta tentang air: Apa dan dimanakah tutupan air tawar yang terbesar di dunia?

Danau Baikal di Rusia diperkirakan menyimpan sekitar 20 persen air tawar yang tersedia di permukaan bumi. Titik terdalam Danau Baikal adalah 1.637 meter. Danau tertua di dunia ini (25-30 juta tahun) memiliki panjang 636 km dengan lebar 80 km dan memiliki garis pantai 2.100 km. Volume air yang tersimpan sebesar 23.600 km kubik air yang terdistribusi pada tiga cekungan bawah air.

Air Tanah

Air tanah kebanyakan tersimpan dalam akuifer, yaitu sebuah lapisan di bawah permukaan bumi yang terdiri dari batuan dan partikel tanah yang tidak padat. Lapisan ini yang biasanya diekstrasi dari air tanah. Kurang dari 1 persen dari total pasokan air bumi disimpan sebagai air tanah atau kelembapan tanah.

Berbagai istilah yang digunakan untuk menggambarkan sistem air tanah ditunjukkan pada gambar ini. Fitur-fitur ini akan dibahas secara lebih rinci di sesi Air Tanah.

Daerah mata air hampir sepenuhnya bersumber dari air tanah. Mata air dapat berkurang atau hilang jika ketinggian air tanahnya berkurang yang bisa diakibatkan oleh ekstraksi berlebihan atau kekeringan.

Kuis

Air di Atmosfer

Air atmosfer adalah hasil dari distribusi dan transportasi uap air oleh transpirasi, penguapan dan sublimasi.

Di banyak daerah di bumi, presipitasi adalah satu-satunya cara air tawar dibawa ke daerah itu.

Di bagian ini Anda akan belajar untuk:

• Mengidentifikasi proses kunci dalam air atmosfer
• Menggambarkan signifikansi dari kondensasi dan presipitasi. Mengidentifikasi metode-metode dan alat-alat utama yang digunakan dalam pengukuran
• Mendefinisikan evaporasi dan metode-metode dan alat-alat utama untuk pengukuran. Menggambarkan masalah yang mempersulit proses pengukuran
• Mendefinikan transpirasi dan menggambarkan perannya dalam proses curah hujan–runoff
• Menggambarkan laju transpirasi yang bervariasi untuk tipe-tipe vegetasi permukaan yang berbeda

Topik-topik dalam bagian ini meliputi:

• Kondensasi dan Presipitasi
• Evaporasi
• Transpirasi
• Sublimasi
• Pertanyaan Tinjauan

Kondensasi dan Presipitasi

Kondensasi adalah perubahan fase air dari keadaan uap air ke keadaan cair. Proses ini melepaskan energi yaitu panas laten dan dibutuhkan untuk menghasilkan presipitasi. Untuk sebagian besar permukaan, curah hujan adalah faktor terpenting yang mengontrol siklus hidrologi lokal.

Tipe presipitasi, seperti hujan, salju, atau hujan es misalnya, waktu musiman, dan distribusi wilayah adalah semua faktor yang harus dipertimbangkan oleh ahli hidrologi ketika mempelajari suatu wilayah.

Secara tradisional, presipitasi diukur dengan alat pengukur hujan (rain gauges). Satu kelemahan adalah bahwa alat pengukur hujan adalah pengukuran titik. Bahkan dengan jaringan pengukur, akan ada kekosongan areal dalam data. Juga, beberapa alat ukur hanya dibaca sekali sehari, dengan demikian menghalangi pengukuran intensitas badai. Selain itu, alat pengukur hujan mengalami kerusakan mekanis dan listrik. Ahli hidrologi harus memepertimbangkan semua masalah ini ketika memperkirakan curah hujan rata-rata untuk sebuah cekungan.

Curah hujan wilayah untuk daerah aliran sungai tertentu dapat ditentukan dengan berbagai metode. Salah satu yang paling sederhana adalah merata-ratakan semua nilai curah hujan dari jaringan pengukur untuk periode tertentu. Pendekatan lain adalah membobot–luasan masing-masing nilai dengan menggunakan poligon Thiessen. Poligon Thiessen ditentukan dengan membuat batas-batas wilayah yang berjarak sama dari masing-masing pengukur. Kontur isohyet, dengan kata lain, garis kontur curah hujan yang sama, juga dapat digunakan untuk estimasi curah hujan dengan jaringan alat ukur.

Metode lain untuk estimasi curah hujan meliputi observasi radar dan satelit. Radar memiliki kelebihan dengan resolusi–tinggi, estimasi presipitasi secara langsung, sementara satelit memberikan perkiraan yang diukur secara tidak langsung setidaknya beberapa kali sehari.

Pengukuran radar juga memiliki masalah dan pertimbangan lain yang harus dihadapi oleh para ahli hidrologi, seperti halangan pancaran (beam blocking) oleh topografi dan fakta bahwa pancaran radar tidak mengukur presipitasi di tanah, melainkan mengukur hidrometeor di sepanjang jalur sekitar 0,5 derajat di atas permukaan cakrawala.

Untuk informasi lebih lanjut tentang cara kerja radar serta daftar jaringan radar yang besar, silakan lihat bagian "sumber tambahan" (additional resources) di akhir modul ini.

Satelit geostasioner (GOES) dan pengorbit kutub (POES) digunakan untuk perkiraan curah hujan, terutama di daerah tanpa jaringan radar atau pengukur hujan. Untuk detail lebih lanjut tentang perkiraan curah hujan dari satelit, silahkan kunjungin bagian 'additional resources' di akhir modul ini.

Hasil akhir dari berbagai metode ini adalah untuk memberikan perkiraan kepada hidrologi tentang berapa banyak presipitasi yang jatuh ke suatu daerah. Jika alat ukur hujan atau radar yang merekam digunakan, intensitas badai dapat ditentukan juga. Laju curah hujan (intensitas) adalah informasi bermanfaat yang dapat digunakan oleh ahli hidrologi untuk memperkirakan limpasan permukaan yang lebih baik.

Evaporasi

Evaporasi adalah pergerakan air dari cairan ke kondisi uap, kebalikan dari kondensasi. Setiap kali air cair bersentuhan dengan atmosfer, penguapan dapat terjadi. Di daerah kering, penguapan dari permukaan air mungkin sebesar 2.000 mm per tahun.

Ada beberapa cara untuk mengukur evaporasi. Masing-masing memiliki keterbatasan. Salah satu metode paling sederhana adalah panci penguapan. Penurunan harian pada permukaan air merupakan indikasi penguapan permukaan air–bebas.

Penjelasan Mendalam: Paradoks Panci Penguapan

Paradoks panci penguapan hasil dari konflik antara hasil yang diharapkan dan pengamatan yang sebenarnya. Studi menunjukkan bahwa permukaan bumi rata-rata telah menghangat sekitar 0,15°C per dekade selama 50 tahun terakhir. Namun pada saat yang sama telah terjadi penurunan nilai penguapan panci antara tahun 1950 dan 1990 berdasarkan data dari Amerika Serikat dan bekas Uni Soviet. Udara yang lebih hangat, lebih kering dekat permukaan'bumi harusnya meningkatkan laju penguapan, namun hal ini tidak terjadi. Hasil tak terduga ini disebut paradoks panci penguapan.

Studi tambahan sedang dilakukan untuk memeriksa rentang suhu diurnal dan insolasi matahari untuk melihat bagaimana faktor-faktor ini mempengaruhi penguapan di keseluruhan iklim yang lebih hangat.

Metode pengukuran penguapan lainnya menggunakan perangkat yang disebut lysimeter. Perangkat ini ditempatkan di tanah dan mengumpulkan air tanah dan mengukur perubahan massa dari kehilangan air untuk suatu volume tanah. Massa air tanah berubah ketika air menguap.

Penjelasan Mendalam: Tipe Lysimeter

Tipe lysimeter types termasuk penimbangan, tegangan–nol, dan tegangan. Jenis penimbangan mengukur perubahan berat volume bumi. Tipe tegangan–nol mengumpulkan air tanah yang secara alami meresap ke bawah melalui tanah, dengan kata lain, air yang dipengaruhi oleh gravitasi. Tipe tegangan memiliki vakum diterapkan untuk menarik air tanah dengan lembut melalui bahan berpori.

Lysimeter tegangan–nol dirancang untuk menangkap air tanah yang mungkin bergerak ke air-tanah atau lapisan tanah yang lebih rendah. Sebaliknya, lysimeters tegangan dirancang untuk menangkap air tanah yang mungkin diambil oleh akar.

Akhirnya, evaporasi dapat diperkirakan dari pengukuran meteorologis. Beberapa karakteristik fisik mempengaruhi evaporasi, seperti suhu udara, suhu air, aliran udara di atas permukaan air, dan defisit tekanan uap.

Defisit tekanan uap adalah ukuran "kekeringan" udara, atau berapa banyak uap air yang dibutuhkan untuk menjenuhkan udara. Defisit tekanan uap tinggi cenderung terjadi dengan kelembaban relatif rendah. Ini menghasilkan potensi yang lebih besar untuk penguapan karena ada lebih banyak tekanan uap yang mendorong ke atas dari permukaan yang lembab daripada mendorong ke bawah dari atmosfer. Sebaliknya, defisit tekanan uap rendah terjadi dengan kelembaban relatif tinggi. Hal ini menghasilkan penurunan potensial untuk penguapan karena jumlah tekanan uap yang mendorong turun dari atmosfer hampir sama dengan tekanan uap yang mendorong dari permukaan yang lembab.

Transpirasi

Transpirasi adalah proses di mana kelembaban tanah diambil oleh sistem akar tanaman dan akhirnya menguap. Efek gabungan dari evaporasi dan transpirasi sering disebut evapotranspirasi, atau ET, dan umumnya merupakan komponen kehilangan terbesar dari sistem air tanah.

Jenis vegetasi, kerapatan kanopi, dan tutupan tanaman secara langsung mempengaruhi jumlah air tanah yang dikeluarkan dari DAS melalui transpirasi. Karakteristik tanaman tertentu seperti jenis dan kedalaman akar, berapa banyak air yang masuk dan keluar dari daun, dan cahaya yang dipantulkan ke permukaan tanaman adalah semua faktor penting.

Tanaman seperti rumput, vegetasi semak, dan beberapa tanaman pertanian memiliki musim tanam yang lebih pendek, dan dengan demikian periode transpirasi yang lebih pendek daripada vegetasi hutan.

Di dalam hutan, pohon gugur biasanya akan hidup dalam periode waktu yang lebih pendek daripada pohon konifera. Tingkat transpirasi pohon biasanya beberapa yang tertinggi dari semua tanaman. Sebagai contoh, Monterey Pine dewasa dapat memiliki penggunaan air harian maksimum sekitar 350 kg per hari sedangkan Rose Gum mungkin memiliki penggunaan air harian maksimum hanya 140 kg per hari. Kondisi cuaca, umur, luas daun, dan jenis daun semuanya mempengaruhi transpirasi tanaman.

Sublimasi

Sublimasi adalah konversi langsung salju dan es ke uap air atmosfer. Melalui proses ini, kadar air dalam paket salju (snowpack) dapat dikurangi tanpa meleleh.

Sublimasi menyebabkan pendinginan signifikan pada paket salju. Energi yang dibutuhkan untuk sublimasi adalah sekitar 680 kalori per gram es dibandingkan dengan 80 kalori per gram untuk meleleh. Dengan kata lain, energi yang digunakan untuk sublimasi satu gram paket salju adalah jumlah energi yang sama yang dibutuhkan untuk melelehkan 8,5 gram paket salju.

Sublimasi lebih meningkat dalam kondisi kelembaban rendah dan kondisi berangin. Beberapa daerah dapat kehilangan persentase besar paket salju dalam kondisi yang tepat. Namun, ketika kondisi meteorologi tersebut tidak ada, sangat sedikit lapisan salju yang hilang pada sublimasi.

Kuis

Air Permukaan

Air permukaan adalah bagian dari siklus air di mana air cair mengalir di atas permukaan bumi. Kapan saja air mengubah lokasinya ke permukaan, ia dapat diklasifikasikan sebagai air permukaan. Misalnya, begitu curah hujan menyentuh tanah dan mulai mengalir, hujan tersebut menjadi air permukaan. Ketika air tanah muncul ke permukaan, misalnya mata air gunung, disebut air permukaan.

Air permukaan terdiri dari semua sungai dan aliran, danau dan waduk, atau air lain yang ada di permukaan bumi.

Di bagian ini Anda akan belajar untuk:

• Mendefinisikan proses-proses utama yang terkait dengan air permukaan: Infiltrasi, Kelembaban tanah, Limpasan (Runoff)
• Identifikasi faktor-faktor yang mempengaruhi infiltrasi
• Mengambarkan unsur-unsur komposisi tanah
• Menggambarkan kemungkinan kondisi tanah dan bagaimana hal tersebut mempengaruhi infiltrasi
• Mendefinisikan limpasan dan menggambarkan penggunaan hidrograf dalam mengukurnya
• Menggambarkan elemen limpasan

Topik-topik dalam bagian ini meliputi:

• Infiltrasi
• Komposisi Tanah
• Kelembapan Tanah
• Jenis Tanah
• Limpasan (Limpasan)
• Pertanyaan Tinjauan

Infiltrasi

Klik untuk memulai animasi.

Infiltrasi didefinisikan sebagai pergerakan air melalui permukaan tanah ke dalam profil tanah. Infiltrasi adalah cara di mana pasokan air tanah diisi ulang dan air tersedia untuk mempertahankan vegetasi.

Istilah infiltrasi dan perkolasi sering digunakan secara bergantian, namun perkolasi secara khusus mengacu pada pergerakan air di dalam tanah, sedangkan infiltrasi mengacu pada air yang masuk ke permukaan tanah.

Laju infiltrasi adalah jumlah air yang memasuki tanah dalam periode waktu tertentu. Laju infiltrasi secara langsung dipengaruhi oleh tekstur tanah, tutupan tanah, kadar air tanah, suhu tanah, jenis presipitasi, dan intensitas curah hujan.

Kapasitas infiltrasi, yang mencakup infiltrasi permukaan dan perkolasi, sering dinyatakan dalam kedalaman air per unit waktu, biasanya milimeter per jam atau sentimeter per jam. Setiap kali tingkat presipitasi lebih besar dari kapasitas infiltrasi, limpasan permukaan terjadi.

Komposisi Tanah

Tanah terdiri dari partikel mineral, bahan organik, dan ruang pori, yang merupakan ruang kosong atau rongga antara partikel tanah. Volume partikel mineral sekitar 45 persen. Volume pori-pori biasanya antara 40 dan 60 persen, tergantung pada tekstur tanah. Pori-pori dapat diisi dengan air atau udara dan akan bervariasi dari waktu ke waktu.

Sejauh mana ruang pori diisi dengan air menentukan kondisi kelembaban tanah.

Kelembapan Tanah

Jika ruang pori terisi penuh dan air mengalir bebas dari tanah di bawah pengaruh gravitas sebagai "air gravitas (gravity water)," maka tanah disebut jenuh. Saat air mengalir dari tanah, beberapa pori akan terisi oleh udara dan uap air. Ketika pori-pori tidak lagi mengalir di bawah pengaruh gravitas, tegangan kapiler air menahan air di tempatnya. Beberapa pori yang lebih besar akan terkuras tetapi sebagian besar masih mengandung air. Pada titik ini tanah dikatakan berada pada kapasitas lapangan.

Ketika air terus dikeluarkan dari tanah melalui evapotranspirasi, lebih banyak ruang pori akan mengosongkan air. Saat proses ini berlanjut, hanya air yang tertahan rapat di sebelah partikel tanah yang tersisa. Ada titik di mana ketegangan air ke partikel tanah menjadi sangat ketat sehingga air tidak dapat digunakan oleh akar tanaman. Ini disebut "titik layu."

Klik untuk memulai animasi.

Jumlah curah hujan yang dapat menginfiltasi ke volume tanah tertentu ditentukan oleh ruang kosong yang tersedia di dalam tanah.

Misalnya, volume tanah tertentu dengan tingkat kelembaban tanah pada kapasitas lapang akan menginfiltrasi lebih sedikit curah hujan daripada volume tanah yang sama pada titik layu. Dengan demikian, sangat penting untuk mengetahui kondisi kelembaban tanah saat mencoba memodelkan limpasan dari badai.

Jenis Tanah

Tekstur tanah menentukan jumlah air yang ditahan untuk kondisi kelembaban yang berbeda. Jenis tanah liat memiliki partikel mineral yang sangat kecil dan pori-pori yang sangat kecil. Tanah berpasir memiliki partikel mineral yang lebih besar dan dengan demikian ruang pori lebih besar. Meskipun terlihat kontra-intuitif, ruang pori yang lebih kecil di tanah liat sebenarnya menambah jumlah total ruang yang lebih besar daripada volume tanah pasir yang setara.

Oleh karena itu tanah liat memiliki persentase air tanah yang lebih tinggi pada kapasitas lapang dibandingkan dengan jenis tekstur tanah lainnya. Tanah berpasir, di sisi lain, memiliki partikel mineral yang lebih besar dan ruang pori yang lebih besar tetapi memiliki persentase porositas yang lebih kecil dan sesuai dengan persen kelembaban tanah yang lebih rendah pada kapasitas lapangan dan titik layu dibandingkan dengan tanah liat. Dengan tanah tekstur berpasir, tanah menjadi jenuh pada persentase kelembaban tanah yang jauh lebih rendah.

Klik untuk memulai animasi.

Pergerakan air melalui tanah juga dipengaruhi oleh teksturnya. Setelah air meginfiltrasi ke tanah, air akan meresap ke bawah. Tanah tekstur berpasir memungkinkan pergerakan air yang lebih cepat daripada tanah tekstur tanah liat. Akibatnya, tanah bertekstur tanah liat akan memiliki kondisi kelembaban tanah yang lebih tinggi untuk periode yang lebih lama setelah presipitasi daripada tanah tekstur berpasir.

Limpasan (Runoff)

Sederhananya, limpasan adalah bagian dari curah hujan yang tidak berinfiltrasi ke tanah. Dalam kasus daerah beraspal, limpasan yang diharapkan akan sama dengan jumlah curah hujan dikurangi penguapan dan sejumlah kecil penyimpanan permukaan.

Saat tanah menjadi jenuh, infiltrasi akan lebih sedikit. Untuk badai identik, jumlah limpasan badai akan bervariasi tergantung pada kondisi kelembaban tanah.

Terkadang infiltrasi yang lebih sedikit dimungkinkan karena badai sebelumnya. Jumlah air yang berimfiltrasi selama badai sebelumnya meningkatkan kelembaban tanah saat ini. Ini berarti bahwa tanah tidak dapat menyerap air sebanyak sebelumnya. Ini menghasilkan laju infiltrasi yang menurun dan limpasan permukaan yang lebih besar dari badai yang terjadi kemudian.

Grafik aliran sungai disebut hidrograf. Bentuk hidrograf dipengaruhi oleh karakteristik badai dan daerah aliran sungai. Faktor badai termasuk jumlah, durasi, intensitas, dan luas areal presipitasi. Faktor daerah aliran sungai meliputi ukuran dan bentuk cekungan, keseluruhan lereng, topografi, jenis tanah, vegetasi, jaringan saluran dan pola drainase, penggunaan lahan, dan kelembaban tanah pada saat badai.

Masalah kritis adalah bagaimana menentukan dengan tepat apa yang terdiri dari limpasan. Salah satu komponennya adalah air yang nampak mengalir melintasi permukaan tanah. Ketika air berinfiltrasi, sebagian air akan mengalir tepat di bawah permukaan. Ini disebut interflow, atau aliran bawah permukaan. Bagian dari curah hujan yang berperkolasi ke lapisan bawah menjadi bagian dari air tanah. Aliran air tanah ke aliran atau sungai disebut aliran dasar. Ini adalah aliran dasar yang mendukung aliran selama periode non-badai.

Streamflow meningkat selama tungkai hidrograf naik. Setelah aliran puncak, tungkai yang jatuh, atau resesi, terjadi. Resesi berlanjut sampai badai berikutnya terjadi atau level kembali ke nilai yang dekat dengan aliran pra-badai. Karena badai, komponen aliran dasar mungkin sedikit ditingkatkan.

Kuis

Air Tanah

Air tanah merupakan bagian penting dalam siklus hidrologi dan sumber air penting di berbagai wilayah bumi.

Pada bagian ini, kita akan belajar untuk:

• Menjelaskan peran air tanah dalam siklus hidrologi
• Menjelaskan karakteistik berbagai tipe akuifer
• Mendefinisikan resapan air
• Menjelaskan metode resapan alami dann buatan
• Mendefinisikan kebutuhan air tanah dan menjelaskan pengaruhnya pada muka air tanah

Topik dalam bagian ini termasuk:

• Karakteristik akuifer
• Resapan dan aliran Air
• Resapan air
• Kebutuhan air tanah
• Kuis

Karakteristik akuifer

Akuifer merupakan volume dari batuan dan pasir yang mengandung air di dalam tanah. Air tanah yang tersimpan dalam akuifer merupakan bagian penting dalam siklus hidrologi. Para peneliti mengestimasi bahwa 30 persen dari aliran air di permukaan bersumber dari air tanah. Secara global, sekitar setengah dari populasi di bumi bergantung pada air tanah sebagai air minum.

Material pembentuk akuifer terdiri dari air, tanah dan ruang kosong diantara tanah dan material sub-permukaan dibawah permukaan bumi. Air yang disimpan dalam ruang kosong tersebut dibagi dalam dua tipe umum: akuifer bebas (unconfined aquifer) dan akuifer tertekan (confined aquifer). Pada akuifer bebas, air tanah mengalami kontak dengan atmosfer melalui pori-pori lapisan tanah. Bagian atas pada air tanah disebut dengan muka air tanah.

Setiap kali permukaan tanah turun di bawah level kedalaman muka air tanah, fenomena tersebut cenderung menghasilkan fitur air permukaan yang konsisten seperti danau, kolam, dan sungai.

Kedalaman muka air tanah dapat dipetakan. Peta ini menunjukkan variabilitas distribusi air tanah untuk cekungan.

Gambar di atas menunjukkan peta muka air tanah di Distrik Cochise, Arizona (AZ). Peta tersebut menunjukkan kedalaman muka air tanah yang bervariasi dari yang berada permukaan hingga pada kedalaman diatas 244 meter (800 ft).

Hasil Air (Water yield) dan Aliran

Ketika level muka air tanah menurun, material akuifer akan mengeluarkan sejumlah air. Nilai 0.15 pada koefisien penyimpanan menunjukkan bahwa 15 persen dari volume total material akuifer terdiri dari air yang akan mengalir bebas akibat gravitasi. Sisa volume (85 persen dalam contoh ini) terdiri dari air yang tertahan (tidak terpengaruh gravitasi) dan material tanah seperti batu, pasir, kerikil, atau tanah liat. Hal ini menunjukkan bahwa 10 unit tetes dalam muka air tanah di suatu daerah tidak menghasilkan setara dengan 10 unit kedalaman air tanah. Akan tetapi menghasilkan 15% dari 10 unit atau 1,5 unit kedalaman air tanah.

Volume air yang mengalir melalui akuifer berkisar antara 1000 meter per hari untuk material kerikil, hingga milimeter per tahun untuk tanah liat dan material serupa. Pergerakan air yang melalui akuifer sangat lambat dibandingkan laju air di permukaan, sehingga pengaruh iklim seperti kekeringan atau periode basah dapat ditunda atau dikurangi intensitasnya.

Resapan Air

Resapan (recharge) merupakan permulaan masuknya air permukaan kedalam penyimpanan air tanah seperti akuifer. resapan atau penambahan suplai air tanah dapat terjadi melalui beberapa cara. Proses yang paling umum adalah resapan alami dari presipitasi, atau aliran air permukaan alami lainnya yang mengalami infiltrasi dan perkolasi yang mengisi suplai air tanah. Resapan buatan (artifisial) atau terinduksi termasuk cara untuk meningkatkan suplai air tanah diatas jumlah yang dihasilkan secara alami. Beberapa teknik artifisial ini diantaranya sebaran air (atau banjir), parit dan teknik pemompaan. Tipe resapan lainnya adalah resapan insidental(tidak terduga), misalnya efek irigasi dan pengalihan air yang menambah suplai air tanah tetapi sebenarnya (air tersebut) ditujukan untuk kegunaan lain seperti irigasi atau transportasi air melalui sistem kanal (saluran air). Resapan juga dapat mengacu pada jumlah air yang ditambahkan kedalam akuifer.

Ekstraksi Air Tanah

Ekstraksi air tanah merupakan pengambilan air tanah secara buatan melalui sumur atau jaringan sumur.

Ketika laju ekstraksi air tanah lebih tinggi dibandingkan laju resapan air kedalam tanah, maka penurunan muka air tanah pada skala lokal dapat terjadi. Proses ini biasa disebut penambangan air tanah/"groundwater mining." Kejadian penurunan muka air tanah di sekitar sumur dikenal sebagai "cone of depression." Jika situasi ini terus berlanjut, maka penurunan level muka air tanah skala yang lebih luas dapat terjadi.

Penurunan tanah (land subsidence) adalah penurunan permukaan tanah akibat perubahan yang terjadi di bawah tanah. Penyebab paling umum kejadian ini berasal dari aktivitas manusia seperti pemompaan air tanah atau drainase tanah organik (juga disebut hidrokompaksi).

Ketika level permukaan tanah menurun, masalah dapat terjadi dan mencakup: 1) perubahan level ketinggian dan kemiringan aliran sungai; 2) kerusakan infrastruktur, seperti jembatan, jalan, saluran pembuangan, jalan, selokan, kanal, dan tanggul; 3) kerusakan pada bangunan pribadi dan publik; dan (4) kegagalan casing (pelindung) sumur dalam menahan gaya yang dihasilkan oleh proses pemadatan bahan halus & berbintik, dalam sistem akuifer.

Penjelasan mendalam: Apakah dampak dari penurunan tanah?

Tanda pada tiang ini menunjukkan perkiraan tinggi permukaan tanah pada tahun 1925, 1955, dan 1977. Situs yang berada di Lembah San Joaquin barat daya Mendota, California ini diidentifikasi dalam penelitian Dr. Joseph F. Poland (foto) sebagai perkiraan lokasi penurunan muka tanah terbesar di Amerika Serikat.

Kuis

Tumpukan dan Pencairan Salju

Salju dan es merupakan bagian penting dalam siklus hidrologi, terutama di lintang tinggi atau daerah pegunungan. Air yang tersimpan dalam kondisi beku akan mencair di musim semi, yang berperan sebagai sumber air untuk sepanjang tahun.

Pada bagian ini, kita akan belajar untuk:

• Menjelaskan peran penting dari salju dan es dalam siklus hidrologi
• Mendefinisikan ekuivalen salju cair (snow water), dan mengidentifikasi faktor yang mempengaruhi laju pencairan salju
• Menjelaskan langkah-langkah penting dalam proses mencairnya salju

Topik dalam bagian ini termasuk:

• Karakteristik Tumpukan Salju
• Pencairan Salju
• Kuis

Karakteristik Tumpukan Salju

Tumpukan salju terdiri dari campuran es kristal, udara, kotoran, dan jika mencair, liquid water (atau air). Tumpukan salju menyumbang volume yang signifikan terhadap sistem sungai. Waktu kejadian, volume dan laju pencairan tumpukan salju bergantung pada beberapa karakteristik tumpukan salju, topografi lokal dan kondisi meteorologis. Bidang khusus hidrologi salju berfokus pada faktor-faktor ini.

Karakteristik yang paling menarik bagi ahli hidrologi adalah jumlah air yang tersimpan dalam tumpukan salju. Karakteristik ini dikenal dengan istilah "ekivalen salju cair" atau SWE (Snow Water Equivalent). Faktor-faktor yang mempengaruhi laju pencairan meliputi temperatur tumpukan salju, albedo (properti reflektif salju), kepadatan, dan volume tumpukan salju. Laju pencairan juga dipengaruhi oleh faktor lain seperti angin, kelembaban relatif, suhu udara, dan insolasi.

Pencairan Salju

Tumpukan salju mengalami perubahan saat salju pertama kali sampai ke permukaan basin, dan saat terjadi pencairan salju. Partikel–partikel salju individu berubah dari kepingan salju kristal yang turun selama badai terjadi ke bentuk es yang lebih granular (butiran) ketika faktor meteorologi dan air cair (liquid water) ikut berperan.

Klik untuk memulai animasi.

Pada tahap awal ketika salju mulai mengendap, akan menghasilkan kepadatan lapisan salju yang lebih tinggi. Lensa es (ice lenses) terbentuk saat lapisan permukaan salju mulai mencair. Ketika musim semi dan musim panas terjadi di daerah basin, suhu udara mengalami kenaikan dan terjadi penghangatan tumpukan salju. Pada tumpukan salju, suhu maksimum tidak dapat melebihi titik cair es. Kondisi saat seluruh lapisan salju mendekati suhu titik cair ini disebut isoterm. Ketika kondisi ini terpenuhi, tiap energi tambahan yang ditambahkan pada tumpukan salju akan menghasilkan salju yang mencair. Air cair (liquid water) biasanya dikeluarkan dari bagian dasar tumpukan salju. Saat tumpukan salju mengeluarkan air, maka faktor limpasan menjadi penting

Karena tumpukan salju merupakan es, maka tumpukan tersebut mengandung sejumlah volume air. Saat salju mencair, maka air cair (liquid water) tersebut dilepaskan. Hubungan antara volume air cair atau ekuivalen salju cair (SWE) dan kedalaman salju akan tergantung pada densitas salju. Dalam semua kasus, kedalaman salju akan selalu lebih besar dari kedalaman ekuivalen salju cair yang dihasilkan oleh tumpukan salju.

Setelah salju turun, densitasnya akan meningkat karena pengendapan gravitasi, pemadatan oleh angin, peleburan, dan pembekuan kembali (refreezing). Densitas salju sering dinyatakan sebagai rasio kedalaman salju terhadap ekivalen air cair (liquid water). Sebagai contoh, satu unit liquid setara dengan 20 unit kedalaman salju untuk salju yang baru terbentuk. Saat salju menjadi lebih padat dan memiliki waktu tinggal lebih lama, maka rasionya berkurang.

Persentase kandungan air dari salju yang baru jatuh berkisar antara 5 persen ketika suhu udara sekitar –10°C hingga sekitar 20 persen ketika suhu 0°C.

Seringkali, salju yang jatuh di sisi hujan (windward) pada pegunungan di lintang menengah, terutama yang memiliki garis pantai di sisi hujan mereka, cenderung memiliki kepadatan yang lebih besar dibandingkan sisi kering (leeward).

Misalnya, pada sisi hujan pegunungan, persentase kandungan air di dalam tumpukan salju berkisar antara 20 – 30 persen di musim dingin dan meningkat menjadi 30 – 50 persen di musim semi. Namun, di sisi kering pegunungan, kepadatan tumpukan salju biasanya lebih kecil karena memiliki cuaca yang lebih kering dan terkadang lebih dingin. Persentase kadar air untuk tumpukan salju di sisi ini berkisar antara 10 – 20 persen di musim dingin dan 20 – 40 persen di musim semi.

Hubungan berikut dapat digunakan untuk menghitung ekivalen air cair dari tumpukan salju, jika kedalaman salju diketahui atau dapat diperkirakan:

Kedalaman Salju x Rasio Salju – Air = Ekivalen Salju Cair

Misalnya, jika kedalaman salju adalah 125 sentimeter dan rasio salju-air adalah tiga berbanding satu, maka perkiraan air cair di dalam kantong salju itu adalah:

Salju 125 cm x 0,33 = 41,7 cm air cair(liquid water)

Kuis

Pengantar Siklus Hidrologi

• Hidrologi adalah ilmu kebumian yang mempelajari sifat-sifat air serta keberadaanya di Bumi, distribusi, dan aliran pergerakannya.
• Siklus hidrologi adalah perpindahan air secara vertikal dan horizontal baik sebagai uap, cairan, atau zat padat antara permukaan bumi, di bawah permukaan, atmosfer, dan lautan.
• Komponen kunci pada siklus hidrologi termasuk:
  • Penyimpanan:
    • Penyimpanan air di lautan
    • Penyimpanan air dalam salju dan es
    • Penyimpanan air sebagai air tanah dalam akifer
    • Penyimpanan air sebagai air tawar di danau, kolam, dan reservoir
  • Air di atmosfer:
    • Kondensasi
    • Presipitasi
    • Evaporasi
    • Transpirasi
  • Air di permukaan bumi:
    • Salju yang mencair
    • Limpasan permukaan
    • Aliran permukaan (streamflow)
    • Mata air
  • Air di bawah permukaan bumi:
    • Infiltrasi
    • Kelembapan tanah
    • Resapan air tanah
• Volume air di setiap titik dalam sistem hidrologi dapat dihitung sebagai perbedaan antara aliran masuk (inflow) dan keluar (outflow) sistem yang menghasilkan perubahan jumlah air dalam penyimpanan.

Distribusi

• Air dalam Siklus Hidrologi disimpan dalam empat bentuk utama::
  • Lautan
  • Salju dan es
  • Air di permukaan
  • Air tanah
• Air laut umumnya mengandung 35 gram per liter padatan terlarut, jauh lebih tinggi daripada air tawar. Air tawar memiliki padatan terlarut di bawah 0,5 gram per liter dan memiliki banyak kegunaan selain untuk diminum.
• Tumpukan salju di pegunungan merupakan sumber air yang penting, terutama di daerah kering dan semi kering. Di beberapa daerah, salju berperan penting terhadap curah hujan tahunan.
• Memprediksi limpasan salju yang mencair merupakan proses rumit yang melibatkan estimasi perubahan pada ekivalen salju cair (Snow water equivalent/ SWE) dalam tumpukan salju dari waktu ke waktu, budget energi , dan properti interaksi air tanah terhadap tumpukan salju.
• Penyimpanan serta distribusi air di permukaan yang terjadi di danau, kolam, sungai, dan parit (streams) menyumbang kurang dari 0,01 persen pada air di Bumi.
• Air tanah umumnya terbentuk di akuifer, sebuah area di bawah permukaan bumi yang terdiri dari batuan dan partikel tanah dengan komposisi yang tidak teratur. Wilayah ini mampu memindahkan dan menyimpan air untuk ekstraksi. Kurang dari 1 persen total pasokan air di Bumi disimpan sebagai air tanah atau kelembaban tanah.

Air di Atmosfer

• Proses utama dalam air atmosfer termasuk kondensasi, presipitasi, evaporasi, dan transpirasi.
• Proses kondensasi melepaskan energi panas laten yang diperlukan untuk pembentukan presipitasi. Pada sebagian besar wilayah, curah hujan adalah faktor terpenting yang mengendalikan siklus hidrologi lokal.
• Alat pengukur hujan telah menjadi metode pengukuran curah hujan tradisional, akan tetapi berbagai pendekatan perlu digunakan untuk mengatisipasi kekurangan dalam distribusi sebaran dan tingkat kepercayaan data. Radar memiliki keunggulan dalam menyediakan estimasi persipitasi near-real-time. Satelit digunakan untuk estimasi curah hujan di wilayah tanpa radar atau jaringan pengamatan curah hujan.
• Evaporasi adalah perubahan fase air dari cairan menjadi uap. Di daerah kering, penguapan dari permukaan air berkisar 2.000 mm per tahun.
• Berbagai teknik pengukuran evaporasi meliputi:
  • Panci evaporasi – kendala pengamatan termasuk gangguan burung, temperatur air, konversi untuk estimasi air yg dipakai oleh tanaman, dan "paradoks penguapan panci".
  • Lysimeter – termasuk tipe penimbangan, tegangan nol, dan tegangan.
  • Pengukuran meteorologis berdasarkan karakteristik fisis yang memengaruhi penguapan seperti temperatur udara, temperatur air, aliran udara di atas permukaan air, dan defisit tekanan uap.
  • Defisit tekanan uap – pengukuran dari tingkat "kekeringan" udara, atau seberapa banyak uap air yang dibutuhkan untuk menjenuhkan udara.
• Transpirasi adalah proses ketika kelembaban tanah yang diambil oleh sistem akar tanaman untuk dievaporasikan.
• Secara umum, efek gabungan dari evaporasi dan transpirasi merupakan komponen terbesar dari pengurangan sistem air tanah. Tanaman seperti rumput, vegetasi semak, dan beberapa tanaman pertanian memiliki periode transpirasi yang lebih pendek dibandingkan vegetasi hutan. Di hutan, pohon gugur umumnya memiliki periode transpirasi yang lebih pendek dibandingkan pohon konifera. Laju transpirasi beberapa pohon umumnya merupakan yang tertinggi dari semua tanaman.

Air Permukaan

• Air Permukaan merupakan bagian siklus air di mana air cair mengalir di permukaan bumi.
• Infiltrasi didefinisikan sebagai pergerakan air ke bawah melalui permukaan tanah ke dalam profil tanah.
•  Tingkat infiltrasi secara langsung dipengaruhi oleh karakteristik fisik tanah, tutupan tanah, kadar air tanah, temperatur tanah, jenis presipitasi, dan intensitas curah hujan.
• Limpasan permukaan terjadi saat tingkat presipitasi lebih besar dari kapasitas infiltrasi
• Tanah terdiri dari partikel mineral, bahan organik, dan "ruang pori", atau ruang kosong diantara partikel tanah.
• Kondisi kelembaban tanah ditentukan dari sebanyak apa ruang pori dalam tanah dapat diisi oleh air.
• Jumlah infiltrasi dibatasi oleh ketersediaan ruang kosong di dalam tanah. Sangat pemting untuk mengetahui kondisi kelembaban tanah sebelum mencoba memodelkan limpasan ketika terjadi badai.
•  Limpasan adalah bagian dari curah hujan yang tidak mengalami proses infiltrasi ke dalam tanah.
• Saat kondisi tanah menjadi jenuh, infiltrasi akan lebih sedikit. Pada kondisi badai yang identik, jumlah limpasan saat badai terjadi akan bervariasi tergantung pada kondisi kelembaban tanah.
• Grafik aliran air (streamflow) disebut hidrograf. Bentuk hidrograf dipengaruhi oleh karakteristik badai dan daerah aliran sungai.
• Elemen limpasan meliputi aliran di atas darat (overland flow), interflow, aliran dasar (baseflow), dan streamflow.

Air Tanah

• Air tanah adalah sumber air yang penting. Hal ini karena air tanah tidak mengalami laju penguapan seperti danau di permukaan.
• Akuifer terdiri dari air, tanah, ruang kosong di dalam tanah, dan material–material sub–permukaan di bawah permukaan bumi.
• Pada akuifer bebas, air tanah mengalami kontak dengan atmosfer melalui pori–pori tanah yang saling tumpang tindih.
• Pada akuifer tertekan air tanah dibatasi oleh lapisan tidak berpori atau memiliki porositas sangat rendah yang disebut aquiklud dan tidak mengalami kontak dengan atmosfer.
• Resapan air adalah proses awal masuknya air permukaan ke dalam penyimpanan air tanah seperti akuifer.
• Resapan alami terdiri dari presipitasi, salju, atau aliran permukaan air alami lainnya yang mengalami infiltrasi dan perkolasi ke dalam suplai air tanah.
• Resapan buatan (artifisial) atau terinduksi mencakup berbagai cara untuk meningkatkan suplai air tanah diatas jumlah yang dihasilkan secara alami.
• Ekstraksi air adalah pengambilan air tanah secara buatan melalui sumur atau jaringan sumur. Ketika laju pengambilan air tanah lebih besar dari resapan air ke dalam tanah, maka terjadi penurunan muka air secara lokal. Hal ini dapat menyebabkan berbagai masalah seperti penurunan muka tanah di wilayah tersebut.

Tumpukan dan Pencairan Salju

• Salju dan Es merupakan bagian penting dari siklus hidrologi, terutama di lintang tinggi atau lokasi pegunungan. Air yang disimpan dalam keadaan beku dilepaskan pada musim semi yang berfungsi sebagai sumber air untuk sepanjang sisa tahun setelahnya.
• Ekivalen salju cair atau Snow Water Equivalent (SWE), adalah jumlah air yang tersimpan di dalam tumpukan salju.
• Laju pencairan tumpukan salju dipengaruhi oleh:
  • Temperatur tumpukan salju
  • Albedo
  • Densitas
  • Volume tumpukan salju
  • Faktor atmosfer (angin, kelembaban relatif, temperatur, insolasi)
• Setelah hujan salju awal:
  • Partikel bermetamorfosis menjadi bentuk granular sehingga meningkatkan kepadatan tumpukan salju.
  • Pada temperatur di titik cair, setiap energi yang ditambahkan menghasilkan pencairan salju.
  • Faktor-faktor limpasan menjadi penting ketika air hasil pencairan tumpukan salju dilepaskan.

Bahan-bahan lainnya

Precipitation Estimation Tools

• COMET's Rain Gauges: Are They Really Ground Truth?http://meted.ucar.edu/qpf/rgauge/index.htm
• NOAA Radar Operations Center http://www.roc.noaa.gov/
• Czech Hydrometeorological Institute's radar data and resources lists http://www.chmi.cz/meteo/rad/links.php
• NOAA/NESDIS/STAR Hydro–Estimator http://www.star.nesdis.noaa.gov/smcd/emb/ff/HydroEst.php
• Tropical Rainfall Measuring Mission http://trmm.gsfc.nasa.gov
• Multi–Sensor Precipitation Estimate from EUMETSAT http://oiswww.eumetsat.org/IPPS/html/MSG/PRODUCTS/MPE