Modul 3 — Simulasi Aliran Steady 1D
- ✓Memahami konsep aliran steady dan kapan digunakan vs. unsteady
- ✓Mampu memasukkan debit rancangan multi-kala ulang sebagai flow data
- ✓Memahami jenis-jenis kondisi batas (boundary conditions) dan cara menentukannya
- ✓Mampu menjalankan simulasi steady flow dan membaca log pesan
- ✓Mampu menginterpretasikan output: profil muka air, penampang, tabel hidrolika
Kapan Menggunakan Steady Flow?
Aliran steady (tunak) adalah kondisi di mana debit tidak berubah terhadap waktu di suatu titik pengamatan. Dalam pemodelan HEC-RAS, steady flow digunakan saat kita ingin mengetahui profil muka air pada debit rancangan tertentu (misalnya Q₅₀ atau Q₁₀₀) tanpa memperhitungkan bagaimana debit tersebut berubah dari waktu ke waktu.
- • Analisis kapasitas tampang sungai
- • Penetapan garis sempadan sungai
- • Perencanaan normalisasi sungai
- • Analisis floodway encroachment
- • Desain bendung/bangunan air
- • Analisis awal cepat (screening)
- • Simulasi hidrograf banjir (flood routing)
- • Pemetaan genangan berbasis waktu
- • Analisis dam break / levee breach
- • Operasi pintu air dan reservoir
- • Sistem drainase perkotaan yang kompleks
Steady flow jauh lebih sederhana dari sisi komputasi dan lebih mudah di-debug. Untuk pekerjaan desain infrastruktur sungai di Indonesia (normalisasi, sempadan, perencanaan tanggul), steady flow biasanya sudah mencukupi. Unsteady flow diperlukan jika proses temporal (perubahan debit terhadap waktu) relevan untuk tujuan analisis.
Input Data Debit Rancangan
Di HEC-RAS, buka Edit → Steady Flow Data (atau klik ikon aliran steady di toolbar). Jendela ini memiliki dua tab utama: Flow Profiles dan Boundary Conditions.
a. Mengisi Flow Profiles
Tentukan jumlah profil (skenario debit) yang ingin disimulasikan. Untuk analisis kapasitas sungai dan sempadan, umumnya digunakan beberapa kala ulang sekaligus:
| Profile Name | Kala Ulang | Penggunaan Umum |
|---|---|---|
| Q2 | 2 Tahun | Debit dominan; acuan untuk desain saluran stabil dan sedimentasi |
| Q5 | 5 Tahun | Banjir minor; acuan drainase perkotaan kecil |
| Q10 | 10 Tahun | Banjir menengah; acuan drainase perkotaan |
| Q25 | 25 Tahun | Banjir rencana jembatan/gorong-gorong kecil |
| Q50 | 50 Tahun | Banjir rencana tanggul perkotaan (KemenPUPR) |
| Q100 | 100 Tahun | Banjir rencana infrastruktur kritis; acuan sempadan sungai |
Berdasarkan regulasi Indonesia untuk sempadan sungai: debit rencana yang digunakan adalah Q₁₀₀ (kala ulang 100 tahun) untuk sungai bertanggul, atau Q₁₀₀ untuk menentukan lebar zone genangan banjir pada sungai tidak bertanggul. Pastikan nilai debit rancangan berasal dari analisis hidrologi yang valid (HEC-HMS, metode HSS, atau analisis frekuensi dari data AWLR).
Masukkan nilai debit (m³/s) untuk setiap reach di setiap profil. Jika ada anak sungai (tributary), masukkan debit masing-masing tributary secara terpisah di baris yang sesuai. HEC-RAS akan menjumlahkan debit secara otomatis di pertemuan sungai (junction).
Kondisi Batas (Boundary Conditions)
Kondisi batas adalah syarat yang diberikan di ujung-ujung model untuk memulai komputasi profil muka air. Untuk steady flow subkritis (Fr < 1), kondisi batas diperlukan di ujung hilir. Untuk steady flow superkritis (Fr > 1), kondisi batas diperlukan di ujung hulu. Untuk mixed flow, kondisi batas diperlukan di kedua ujung.
Jenis-jenis kondisi batas yang tersedia di HEC-RAS:
Situasi paling umum: Untuk model sungai interior (bukan muara), gunakan Normal Depth dengan kemiringan dasar sungai rata-rata. Hitung kemiringan dari DEM: slope = (elevasi hulu − elevasi hilir) / panjang reach (m/m). Selalu validasi hasilnya dengan membandingkan profil muka air simulasi terhadap data terukur.
Penting: Pengaruh kondisi batas biasanya hanya terasa dalam beberapa penampang dari ujung model. Jika area kepentingan (misalnya lokasi jembatan yang akan didesain) cukup jauh dari ujung model, efek ketidakakuratan kondisi batas akan minimal.
Menjalankan Simulasi Steady Flow
Di Main Window: Run → Steady Flow Analysis. Pilih Geometry File dan Flow File yang akan digunakan. Beri nama Plan (misalnya: "Existing 2025") dan simpan.
Pilih regime aliran yang sesuai:
- Subcritical — Fr < 1; kondisi paling umum untuk sungai di dataran (Indonesia). Komputasi berjalan dari hilir ke hulu.
- Supercritical — Fr > 1; saluran curam/riprap. Komputasi dari hulu ke hilir.
- Mixed — gabungan kedua regime. HEC-RAS akan mendeteksi secara otomatis di mana terjadi transisi. Gunakan ini jika tidak yakin atau untuk model yang kompleks.
Untuk sungai di dataran Indonesia (kemiringan rendah), gunakan Subcritical. Untuk saluran drainase dengan kemiringan curam, coba Mixed.
Klik Compute. Jendela komputasi akan muncul menampilkan progress. Setelah selesai, periksa log pesan:
- Errors (merah): Simulasi gagal. Harus diperbaiki sebelum melanjutkan.
- Warnings (kuning): Simulasi berhasil, tetapi ada kondisi yang perlu diperiksa (misalnya: penampang terlalu pendek, critical depth was assumed).
- Notes (biru): Informasi biasa, tidak kritis.
- "Critical depth was assumed" — HEC-RAS tidak bisa mempertahankan aliran subkritis dan dipaksa ke critical depth. Periksa geometri di lokasi tersebut.
- "XS is highly ineffective" — Penampang memiliki area ineffective yang besar. Cek apakah nilai Manning's n di dataran banjir terlalu tinggi.
- "Water surface is above the highest point" — Air meluap dari tepi penampang. Perluas cakupan penampang melintang.
Interpretasi Output Steady Flow
a. Profile Plot (Profil Memanjang)
Tampilkan melalui View → Water Surface Profiles. Plot ini menampilkan:
- Garis muka air untuk setiap profil (Q₂, Q₅₀, Q₁₀₀, dst.)
- Garis energi (energy grade line) dan garis kritis (critical depth line)
- Elevasi tanah (ground elevation) dari penampang
Profil muka air yang normal: naik dari hilir ke hulu secara mulus tanpa loncatan atau penurunan tiba-tiba yang tidak wajar.
b. Cross Section Plot
Tampilkan melalui View → Cross Sections. Klik anak panah untuk navigasi antar penampang. Tiap penampang menampilkan:
- Profil penampang melintang (elevasi vs. station)
- Garis muka air hasil simulasi
- Posisi bank station dan batas area efektif
- Warna untuk channel, left OB, right OB
c. Tabel Output Hidrolika
Tampilkan melalui View → Detailed Output Tables atau View → Profile Summary Tables. Parameter output kunci yang perlu dipahami:
| Parameter | Simbol | Satuan | Keterangan |
|---|---|---|---|
| W.S. Elev | h | m DPL | Elevasi muka air — parameter utama yang digunakan untuk analisis sempadan dan floodway |
| Vel Chnl | V | m/s | Kecepatan rata-rata di channel. Acuan: 0.5–2.0 m/s untuk sungai stabil; >3 m/s rentan erosi |
| Flow Area | A | m² | Luas penampang basah. Dibandingkan dengan kapasitas tampang rencana. |
| Froude # Chl | Fr | - | Bilangan Froude di channel. Fr=1 → critical; Fr<1 → subcritical; Fr>1 → supercritical |
| Min Ch El | z | m DPL | Elevasi terendah penampang (thalweg). Pantau untuk identifikasi potensi scour. |
| Hydr Depth | D | m | Kedalaman hidraulik (A/T, T=lebar permukaan air). Berbeda dengan kedalaman maksimum. |
| E.G. Slope | Sf | m/m | Kemiringan garis energi. Digunakan dalam perhitungan Manning's n efektif. |
d. Kalibrasi Model Steady Flow
Jika tersedia data muka air terukur (dari pengamatan AWLR pada debit yang diketahui), lakukan kalibrasi:
Misal: debit saat kejadian banjir tercatat 350 m³/s di AWLR, dan muka air terukur 12.45 m DPL.
Hitung selisih: W.S. Elev simulasi − muka air observasi. Target: |Δh| ≤ 0.10–0.15 m.
Jika W.S. simulasi terlalu tinggi → nilai n terlalu besar, turunkan n.
Jika W.S. simulasi terlalu rendah → nilai n terlalu kecil, naikkan n.
Ulangi iterasi hingga perbedaan dalam batas toleransi.
- Steady flow digunakan untuk analisis kapasitas tampang, sempadan sungai, dan desain hidrolika — bukan untuk simulasi perambatan banjir berbasis waktu
- Input debit rancangan untuk beberapa kala ulang (Q₅, Q₁₀, Q₅₀, Q₁₀₀) dalam satu kali run
- Kondisi batas: Normal Depth paling umum untuk sungai interior; Known W.S. jika tersedia data terukur
- Untuk sungai di dataran Indonesia, pilih regime Subcritical
- Output kunci: W.S. Elev, kecepatan, Froude number, luas penampang basah
- Kalibrasi dengan data AWLR: target |Δh| ≤ 15 cm pada debit observasi
Referensi: HEC-RAS User's Manual v6.x — Chapter 6: Performing a Steady Flow Analysis · SNI 2415:2016 — Tata Cara Perhitungan Debit Banjir Rencana · Permen PUPR No. 28/PRT/M/2015