Modul 5 — Pemodelan 2D dengan HEC-RAS

Fri, 05 Jan 2024 00:00:00 +0000

🎯 Tujuan Pembelajaran

✓
Memahami kapan pemodelan 2D lebih tepat dibanding 1D
✓
Mengenal konsep mesh, computational cells, dan dual grid pada HEC-RAS 2D
✓
Mampu membuat dan memperhalus mesh 2D Flow Area di HEC-RAS
✓
Memahami perbedaan Shallow Water Equations (SWE) vs Diffusion Wave Equations (DWE)
✓
Mampu menetapkan kondisi batas dan menjalankan simulasi 2D
✓
Mampu membangun model hybrid 1D-2D untuk sistem sungai + dataran banjir
✓
Menghasilkan peta genangan (depth, velocity, WSE) dari RAS Mapper dan mengekspornya ke QGIS

Kapan Pakai 2D? Kapan Cukup 1D?

Pertanyaan pertama sebelum memulai model 2D adalah: apakah memang perlu? Pemodelan 2D membutuhkan data, waktu setup, dan waktu komputasi yang jauh lebih besar. Pilih 2D hanya jika kondisi berikut terpenuhi.

Panduan Pemilihan: Lihat kondisi lapangan Anda

Sungai terkanalisis, aliran jelas satu arah mengikuti sumbu sungai

→ Pakai 1D (lebih cepat, sudah cukup)

Dataran banjir luas, aliran menyebar ke segala arah setelah meluap

→ Pakai 2D

Studi pre-feasibility, banyak skenario dibutuhkan, akurasi 2D tidak kritis

→ Pakai 1D (efisiensi waktu)

Dam break, levee breach — gelombang banjir menyebar ke dataran luas

→ Pakai 2D

Banjir perkotaan dengan jaringan jalan dan bangunan kompleks

→ Pakai 2D

Muara sungai, delta, wilayah pesisir — pasang surut + banjir

→ Pakai 2D

Sungai dengan dataran banjir terbatas, perlu flood routing akurat

→ Hybrid 1D-2D (terbaik)

📏 1D Unsteady Cepat

Aliran terkanalisis 1 arah
Setup dan komputasi cepat
Banyak skenario dalam satu run
Cross section sebagai geometri
Output: hidrograf di tiap XS

🗺️ 2D Unsteady Akurat

Aliran menyebar ke x dan y
Distribusi kecepatan 2D
Peta genangan detail
Mesh sebagai geometri
Output: grid depth, velocity, WSE

Konsep Dasar: Mesh, Sel, dan Dual Grid

Di HEC-RAS 2D, domain komputasi dibagi menjadi ratusan hingga ribuan sel (cells) yang membentuk mesh. Setiap sel mewakili sebidang wilayah di atas terrain DEM. Pahami tiga komponen utama ini:

⬡

Computational Cells

Polygon yang membentuk mesh. Setiap sel menyimpan nilai rata-rata elevasi muka air (H) dan volume air. HEC-RAS mendukung sel segiempat maupun poligon tidak beraturan.

━

Cell Faces

Tepi/sisi antar sel, tempat di mana aliran Q dan kecepatan V dihitung. Setiap face memiliki panjang, orientasi, dan ketinggian ambang tersendiri.

⊞

Dual Grid System

HEC-RAS menggunakan dual grid: muka air dihitung di pusat sel, kecepatan dihitung di pusat face. Kombinasi ini meningkatkan stabilitas numerik secara signifikan.

📊

Hydraulic Property Tables

Untuk tiap sel, HEC-RAS pra-hitung tabel hubungan elevasi vs. volume, luas, dan lebar muka air. Ini di-preprocessing sekali dan disimpan di file geometri.

Ilustrasi: mesh 2D dengan refinement zone di sekitar saluran utama

SWE vs DWE — Pilih Persamaan yang Tepat

HEC-RAS 2D menyediakan dua pilihan persamaan hidrolika. Pilihan ini sangat mempengaruhi akurasi, kestabilan, dan kecepatan komputasi.

Full Shallow Water Equations — menyelesaikan persamaan Saint-Venant 2D secara penuh, termasuk term inersia (percepatan aliran).

∂h/∂t + ∂(hu)/∂x + ∂(hv)/∂y = 0 [Kontinuitas]

∂(hu)/∂t + ∂(hu²+gh²/2)/∂x + ∂(huv)/∂y = gh(S₀ₓ − Sfₓ) [Momentum-x]

h = kedalaman air (m) u, v = kecepatan arah x dan y (m/s) g = gravitasi (m/s²) S₀ = kemiringan dasar Sf = kemiringan energi (gesekan)

Gunakan SWE untuk: dam break, aliran sangat cepat (Fr > 0.5), analisis di mana efek inersia signifikan, atau studi yang memerlukan presisi tinggi terhadap front gelombang banjir.

⚠️ Perhatian

SWE memerlukan time step lebih kecil (Courant condition lebih ketat) dan komputasi lebih lambat. Bisa 3–5× lebih lama dari DWE untuk mesh yang sama.

Diffusion Wave Equations — aproksimasi SWE dengan mengabaikan term inersia lokal dan konvektif. Lebih sederhana dan stabil.

∂h/∂t + ∂(hu)/∂x + ∂(hv)/∂y = 0 [Kontinuitas — sama]

gh(∂h/∂x + Sfₓ − S₀ₓ) = 0 [Momentum — tanpa term inersia]

Term inersia (∂u/∂t, u∂u/∂x) diabaikan Aliran diasumsikan berubah perlahan Cocok untuk banjir dataran rendah

Gunakan DWE untuk: banjir dataran banjir/floodplain yang luas, aliran lambat (Fr < 0.5), banjir perkotaan gradual, analisis ketersediaan air. Ini adalah pilihan default yang direkomendasikan untuk sebagian besar proyek hidrologi Indonesia.

✅ Rekomendasi

Mulai selalu dengan DWE. Beralih ke SWE hanya jika Anda mendapat hasil yang mencurigakan di daerah dengan aliran cepat, atau jika proyek secara eksplisit memerlukan full momentum (dam break, tidal flow).

Langkah-langkah Setup 2D Flow Area

Berikut alur kerja lengkap dari membuka HEC-RAS hingga mesh siap dijalankan. Pastikan Anda sudah memiliki terrain DEM yang siap (dibahas di Modul 2).

Buka Geometric Data Editor & Buat 2D Flow Area

Di Main Window: Edit → Geometric Data. Di toolbar kiri, klik ikon "2D Flow Area" (ikon persegi dengan titik-titik). Gambar polygon yang mencakup seluruh area yang akan dimodelkan 2D — termasuk seluruh dataran banjir yang mungkin tergenang, bukan hanya area sungai.

⚠️ Aturan Penting

Polygon 2D Flow Area harus tertutup sempurna. Klik dua kali untuk mengakhiri penggambaran. Polygon yang tidak tertutup akan menyebabkan error saat preprocessing mesh.

Generate Mesh

Klik kanan pada polygon 2D Flow Area → "Generate Computation Points in Region". Tentukan Default Cell Size (ukuran sel default dalam meter).

500m

Area sangat luas

DAS besar > 500 km², analisis regional, pra-studi

50–100m

Area sedang

Dataran banjir 10–100 km², studi detail normal

10–30m

Area kecil / kota

Banjir perkotaan, DEM LiDAR tersedia, analisis mikro

Ukuran sel tidak boleh lebih kecil dari resolusi DEM — hasilnya tidak akan lebih akurat, hanya lebih lambat.

Tambahkan Breaklines

Breaklines memastikan mesh mengikuti penghalang aliran nyata di lapangan. Ini sangat kritis untuk akurasi model:

Tanggul (levee): sel mesh harus mengikuti puncak tanggul agar tidak ada aliran yang "bocor" melintasi tanggul
Jalan raya / rel kereta: berfungsi sebagai hambatan aliran di perkotaan
Tepi sungai (bank): memisahkan zona dalam saluran dan dataran banjir

Cara menambahkan: di Geometric Data Editor → klik ikon "Breaklines" → digitasi garis di atas polygon 2D Flow Area → klik kanan pada Breakline → "Enforce Breaklines on Mesh" → Regenerate mesh.

Refinement Regions (Opsional tapi Direkomendasikan)

Untuk memperhalus mesh di area kritis tanpa memperkecil semua sel: Edit → 2D Flow Area → Add Refinement Region. Gambar polygon di area yang perlu sel lebih kecil (sekitar saluran utama, jembatan, area kota padat).

💡 Strategi Refinement

Gunakan refinement secara strategis. Sel 50% lebih kecil di seluruh domain = jumlah sel 4× lebih banyak = waktu komputasi 4× lebih lama. Lebih baik: refinement hanya di 10–20% area yang paling kritis.

Hubungkan Terrain di RAS Mapper

Di RAS Mapper: klik kanan pada "Terrains" → "Add New Terrain" → pilih file DEM (GeoTIFF). Kemudian kembali ke Geometric Data Editor: klik kanan pada 2D Flow Area → "Set Terrain". HEC-RAS akan menghitung hydraulic property tables untuk setiap sel.

⚠️ Penting

Setiap kali DEM diubah atau mesh dimodifikasi, klik kanan → "Compute Cell and Face Hydraulic Properties" untuk meregenerasi tabel. Melewati langkah ini menyebabkan hasil simulasi yang salah.

Manning's n untuk 2D Area

Ada dua cara menetapkan Manning's n pada area 2D:

Nilai konstan per-region: klik kanan pada 2D Flow Area → "Set Manning's n" → input nilai tunggal untuk seluruh area. Sederhana tapi tidak akurat untuk variasi penggunaan lahan.
Land Cover Raster (direkomendasikan): buat raster penggunaan lahan dengan nilai n di tiap piksel → load di RAS Mapper sebagai "Land Cover" layer → assign ke geometri. Cara ini menghasilkan distribusi n yang realistis secara spasial.

Kondisi Batas untuk Model 2D

Kondisi batas (boundary conditions) pada model 2D didefinisikan di tepi polygon 2D Flow Area, bukan di cross section seperti model 1D. Di Unsteady Flow Data Editor: pilih tab "Boundary Conditions".

Tipe	Posisi	Data yang Dibutuhkan	Kapan Digunakan
Flow Hydrograph	Tepi hulu	Hidrograf Q(t) dari HEC-HMS	Input debit masuk dari DAS
Stage Hydrograph	Hulu atau hilir	Time-series elevasi muka air H(t)	Jika ada data pos duga air (AWLR)
Normal Depth	Tepi hilir	Slope energi (S)	Tidak ada data hilir; gunakan S₀ dasar sungai
Rating Curve	Tepi hilir	Kurva Q-H observasi	Ada data stasiun pengukuran di hilir
Precipitation	Seluruh domain	Data hujan spasial (grid atau titik)	Banjir urban — hujan langsung jatuh ke 2D area

💡 Cara Menambahkan Boundary

Di Geometric Data Editor: klik ikon "SA/2D Connection" di toolbar → pilih "Add SA/2D Area Boundary" → klik pada tepi polygon yang ingin dijadikan boundary → beri nama. Kemudian di Unsteady Flow Data Editor, boundary tersebut akan muncul untuk diisi tipe dan data-nya.

Pengaturan Simulasi 2D: Time Step & Courant

Kestabilan simulasi 2D sangat bergantung pada pemilihan computational time step (Δt) yang tepat. Terlalu besar → tidak stabil. Terlalu kecil → lama tanpa perlu.

Syarat Courant

Syarat stabilitas numerik untuk 2D (Courant-Friedrichs-Lewy / CFL condition):

Cr = (V + c) · Δt / Δx ≤ 1.0

Cr = Courant number V = kecepatan aliran (m/s) c = celeritas gelombang = √(g·h) (m/s) Δt = time step (s) Δx = ukuran sel (m)

Interpretasi Courant Number

Ideal

Cr < 0.5

Masih OK

0.5–1.0

Tidak stabil

Cr > 1.0

Adaptive Time Stepping (Direkomendasikan)

HEC-RAS 2D memiliki fitur Adaptive Time Stepping yang secara otomatis menyesuaikan Δt berdasarkan kondisi aliran aktual — memperbesar Δt saat aliran tenang, memperkecil saat aliran berubah cepat. Aktifkan di:

Run → Unsteady Flow Analysis → Options → Use Adaptive Time Stepping

Set: Max dt = 30 min, Min dt = 1 min, Target Courant = 0.8

Mapping Output Interval

Setiap 15–60 menit — untuk animasi peta genangan

Hydrograph Output Interval

Setiap 5–15 menit — untuk hidrograf di titik kontrol

Pilihan Persamaan

Default: DWE. Ganti ke SWE hanya jika perlu

Initial Conditions

Gunakan Steady Flow Warmup — jalankan steady flow kecil selama 1–6 jam pertama

Model Hybrid 1D–2D: Yang Terbaik dari Keduanya

Untuk sebagian besar proyek sungai di Indonesia, model hybrid 1D-2D adalah pendekatan paling optimal: saluran sungai dimodelkan 1D (efisien), dataran banjir dimodelkan 2D (akurat).

📏 Bagian 1D — Channel

Saluran utama (dalam tanggul)
Aliran terkanalisis, 1 arah
Data cross section dari survei
Komputasi cepat, Manning's n kalibrasi

🗺️ Bagian 2D — Floodplain

Dataran banjir luar tanggul
Aliran bebas ke semua arah
Mesh dari DEM DEMNAS/LiDAR
Distribusi spasial depth & velocity

Cara Menghubungkan 1D ke 2D: Lateral Structure

Koneksi antara reach 1D dan area 2D dibuat menggunakan Lateral Structure yang merepresentasikan tanggul atau embankment:

Buat Lateral Structure di Geometric Data Editor

Di toolbar: ikon "Lateral Structures" → klik dan digitasi garis di atas puncak tanggul, sejajar dengan saluran 1D. Lateral structure ini bertindak sebagai weir — air meluap ke 2D area ketika muka air di saluran 1D melampaui puncak tanggul.

Hubungkan ke Reach 1D dan 2D Flow Area

Double-click pada lateral structure → di editor, bagian "Connected to" → pilih reach 1D di satu sisi dan 2D Flow Area di sisi lain. Masukkan profil elevasi puncak tanggul.

Input Parameter Weir

Masukkan Weir Coefficient (biasanya 1.5–2.1 untuk tanggul tanah terbuka) dan Weir Width. Untuk analisis jebol tanggul (levee breach), aktifkan opsi "Breach" dengan menentukan dimensi dan mekanisme breach.

✅ Keunggulan Hybrid 1D-2D

Model hybrid memungkinkan: simulasi penelusuran banjir yang akurat di sepanjang sungai (1D), distribusi genangan realistis di dataran banjir (2D), dan analisis skenario breach tanggul — semua dalam satu model terintegrasi dengan waktu komputasi yang terjangkau.

Visualisasi Output 2D di RAS Mapper

Setelah simulasi selesai, semua output 2D divisualisasikan melalui RAS Mapper (View → RAS Mapper). Ini adalah bagian yang paling menarik — di sinilah peta genangan terbentuk.

Menampilkan Layer Output

Di RAS Mapper: klik kanan pada nama plan → "Create All Inundation Maps". Tunggu proses selesai, lalu tambahkan layer:

Layer Output	Satuan	Kegunaan
Depth (Kedalaman)	m	Peta kedalaman genangan — paling sering digunakan untuk peta bahaya banjir
Water Surface Elevation (WSE)	m MSL	Elevasi muka air absolut — untuk verifikasi dengan data pengamatan AWLR
Velocity	m/s	Besaran kecepatan aliran — untuk analisis erosi dan bahaya terhadap pejalan kaki/kendaraan
Velocity Vectors	m/s + arah	Arah dan kecepatan aliran — untuk memahami pola pergerakan air di dataran banjir
Arrival Time	jam	Waktu banjir tiba di tiap titik — kritis untuk early warning system dan evakuasi
Max Depth / Max Velocity	m / m/s	Nilai maksimum selama seluruh simulasi — untuk peta bahaya banjir rencana

Animasi Perambatan Banjir

RAS Mapper dapat menghasilkan animasi penelusuran banjir yang sangat berguna untuk presentasi dan pelaporan:

RAS Mapper → Layers → Animation

→ Pilih layer (Depth / Velocity)

→ Atur Time Range dan Playback Speed

→ Export → Save as AVI / MP4

Export ke QGIS

Semua output RAS Mapper dapat diekspor sebagai GeoTIFF untuk kartografi profesional di QGIS:

Export dari RAS Mapper

Klik kanan pada layer output (misal "Depth — Max") → "Export Layer" → pilih format GeoTIFF → pilih time step yang ingin diekspor (atau "Maximum" untuk nilai maksimum seluruh simulasi) → simpan.

Load di QGIS & Buat Klasifikasi

Buka GeoTIFF di QGIS → Layer Properties → Symbology → Singleband pseudocolor. Klasifikasi kedalaman yang umum digunakan:

Kedalaman	Kelas Bahaya	Warna Umum
0 – 0.5 m	Rendah	Kuning
0.5 – 1.5 m	Sedang	Oranye
1.5 – 3.0 m	Tinggi	Merah
> 3.0 m	Sangat Tinggi	Merah Tua

Overlay Data Tambahan & Cetak Peta

Tambahkan layer: batas administrasi, jalan, permukiman, fasilitas vital (RS, sekolah, kantor pemerintahan). Gunakan QGIS Print Layout untuk menyusun peta lengkap dengan legenda, skala, arah utara, dan sumber data. Ekspor ke PDF atau PNG untuk laporan.

Troubleshooting Model 2D

Model 2D lebih rentan terhadap ketidakstabilan numerik dibanding model 1D. Berikut masalah-masalah yang paling sering dijumpai dan cara mengatasinya:

❌

Simulasi crash / tidak selesai

Solusi

Perkecil time step (aktifkan Adaptive Time Stepping). Cek apakah ada sel dengan elevasi sangat rendah atau negatif (void di DEM) — isi dengan QGIS raster fill. Cek boundary condition di hilir — normal depth terlalu kecil menyebabkan air "jatuh" mendadak.

❌

Courant number > 1.0 di banyak sel

Solusi

Perkecil ukuran sel (terutama di area aliran cepat), atau perkecil Max dt pada Adaptive Time Stepping. Untuk DWE, Courant > 1 kadang masih bisa berjalan — cek apakah output masih masuk akal.

❌

Air "bocor" melewati tanggul padahal muka air belum melampaui puncak

Solusi

Breakline tanggul belum di-enforce ke mesh. Klik kanan pada breakline → "Enforce on Mesh" → Regenerate mesh → Recompute hydraulic properties. Pastikan elevasi puncak breakline sudah sesuai DEM atau data survei tanggul.

❌

Peta genangan tidak muncul di RAS Mapper

Solusi

Pastikan Mapping Output Interval sudah diset di Unsteady Flow Analysis Options. Klik kanan plan → "Create All Inundation Maps" setelah simulasi selesai. Pastikan terrain layer sudah di-assign di RAS Mapper sebelum membuat inundation maps.

❌

Hasil kedalaman tidak realistis (terlalu besar atau kecil)

Solusi

Cek Manning's n — nilai terlalu kecil menyebabkan air mengalir terlalu cepat dan kumpulan air di hilir kurang. Cek kualitas DEM — void atau spike pada DEM menyebabkan anomali kedalaman lokal. Validasi dengan data observasi (bekas banjir, high water marks).

Tips Optimasi Kinerja Model 2D

⚡

Gunakan DWE dulu

Mulai dengan Diffusion Wave. Beralih ke SWE hanya jika hasil DWE meragukan. DWE 3–5× lebih cepat.

🔺

Refinement Strategis

Perhalus mesh hanya di 10–20% area paling kritis. Mesh kasar di floodplain jauh sudah cukup akurat.

🖥️

Multi-core / GPU

HEC-RAS 6.x mendukung komputasi paralel. Aktifkan di Options → Run Options. GPU acceleration untuk mesh > 500k sel.

⏱️

Adaptive Time Step

Selalu aktifkan. Menghemat waktu komputasi hingga 40% dibanding fixed time step yang konservatif.

🗂️

Batasi Output Interval

Output terlalu sering (setiap 1 menit untuk simulasi 5 hari) membuat file output sangat besar. Cukup 15–60 menit untuk peta.

🌊

Warmup Period

Jalankan steady flow awal selama 1–6 jam pertama untuk membangun kondisi awal yang stabil sebelum hidrograf puncak datang.

📚 Ringkasan Modul 5

Pilih 2D jika: aliran menyebar ke segala arah, dataran banjir luas, dam break, atau banjir perkotaan kompleks
Konsep kunci: computational cells, cell faces, dual grid, dan hydraulic property tables
DWE (Diffusion Wave) cocok untuk 90% kasus banjir di Indonesia — lebih cepat dan stabil dari SWE
Alur setup: gambar polygon → generate mesh → tambah breaklines → link terrain → assign Manning's n → set boundary conditions
Breaklines pada tanggul dan jalan sangat kritis untuk akurasi — jangan diabaikan
Courant number ≤ 1.0 untuk stabilitas; gunakan Adaptive Time Stepping untuk efisiensi
Model Hybrid 1D-2D (channel = 1D, floodplain = 2D) adalah pendekatan optimal untuk sistem sungai Indonesia
Output RAS Mapper: Depth, WSE, Velocity, Arrival Time — ekspor GeoTIFF → QGIS untuk kartografi final

←

← Modul Sebelumnya

Modul 4: Simulasi Banjir Unsteady & Flood Mapping

Modul Berikutnya

🎉 Selesai! Anda telah menyelesaikan semua modul HEC-RAS

✓

Referensi: HEC-RAS 2D User's Manual v6.x (USACE HEC) · Brunner, G.W. (2021). HEC-RAS 2D Modeling Guide · Chow, V.T., Maidment, D.R., Mays, L.W. (1988). Applied Hydrology · SNI 2415:2016 — Tata cara perhitungan debit banjir rencana

DWE | Irpan Chumaedi

Modul 5 — Pemodelan 2D dengan HEC-RAS

Kapan Pakai 2D? Kapan Cukup 1D?

Konsep Dasar: Mesh, Sel, dan Dual Grid

SWE vs DWE — Pilih Persamaan yang Tepat

Langkah-langkah Setup 2D Flow Area

Kondisi Batas untuk Model 2D

Pengaturan Simulasi 2D: Time Step & Courant

Syarat Courant

Adaptive Time Stepping (Direkomendasikan)

Model Hybrid 1D–2D: Yang Terbaik dari Keduanya

Cara Menghubungkan 1D ke 2D: Lateral Structure

Visualisasi Output 2D di RAS Mapper

Menampilkan Layer Output

Animasi Perambatan Banjir

Export ke QGIS

Troubleshooting Model 2D

Tips Optimasi Kinerja Model 2D