Modul 3 — Simulasi Aliran Steady 1D

Wed, 03 Jan 2024 00:00:00 +0000

🎯 Tujuan Pembelajaran

✓
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.

✅ Gunakan Steady Flow Untuk:

• Analisis kapasitas tampang sungai
• Penetapan garis sempadan sungai
• Perencanaan normalisasi sungai
• Analisis floodway encroachment
• Desain bendung/bangunan air
• Analisis awal cepat (screening)

🌊 Gunakan Unsteady Flow Untuk:

• Simulasi hidrograf banjir (flood routing)
• Pemetaan genangan berbasis waktu
• Analisis dam break / levee breach
• Operasi pintu air dan reservoir
• Sistem drainase perkotaan yang kompleks

ℹ️ Prinsip Dasar

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

⚠️ Acuan Kala Ulang Indonesia (Permen PUPR)

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:

Known Water Surface Hilir

Masukkan elevasi muka air yang diketahui (misalnya dari pengamatan atau muka air laut). Paling akurat jika tersedia data. Biasanya digunakan saat ujung hilir model adalah muara sungai dengan elevasi muka air laut yang diketahui, atau pertemuan dengan sungai utama yang elevasinya diketahui.

Critical Depth HilirHulu

HEC-RAS menghitung kedalaman kritis secara otomatis berdasarkan debit dan geometri. Gunakan saat kondisi aliran berubah dari subkritis ke superkritis di ujung model (misalnya di ujung saluran yang mengalir bebas ke kolam besar atau area terbuka). Cukup konservatif dan aman untuk banyak kondisi.

Normal Depth HilirHulu

HEC-RAS menghitung kedalaman normal menggunakan persamaan Manning berdasarkan slope yang dimasukkan. Gunakan slope dasar sungai rata-rata di sekitar ujung model (bisa dihitung dari data DEM: ΔZ/ΔL). Kondisi batas ini adalah yang paling umum digunakan untuk model yang ujungnya tidak ada data muka air terukur. Pastikan slope yang dimasukkan representatif (±0.0001–0.01 untuk sungai Indonesia).

Rating Curve Hilir

Masukkan hubungan debit-muka air (rating curve) dari data pengukuran AWLR atau model lain. Kondisi batas paling akurat jika tersedia rating curve terukur di ujung hilir model.

✅ Panduan Praktis Pemilihan Kondisi Batas

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

Buat Plan Baru

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 Flow Regime

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.

ℹ️ Rekomendasi

Untuk sungai di dataran Indonesia (kemiringan rendah), gunakan Subcritical. Untuk saluran drainase dengan kemiringan curam, coba Mixed.

Jalankan Komputasi

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.

Periksa Peringatan Umum

"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	S_f	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:

Masukkan debit observasi sebagai satu profil tambahan

Misal: debit saat kejadian banjir tercatat 350 m³/s di AWLR, dan muka air terukur 12.45 m DPL.

Bandingkan muka air simulasi dengan observasi

Hitung selisih: W.S. Elev simulasi − muka air observasi. Target: |Δh| ≤ 0.10–0.15 m.

Sesuaikan Manning's n

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.

📚 Ringkasan Modul 3

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

Modul Berikutnya →

Modul 4: Simulasi Banjir Unsteady & Flood Mapping

→

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

floodway | Irpan Chumaedi