6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA rev270608 - digilib.itb.ac.id · oksigen terlarut tidak terlalu jauh berbeda seiring dengan kedalaman. ... Gambar 2.2 Komponen-komponen siklus hidrologi

II - 1

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Waduk

Waduk menurut pengertian umum merupakan tempat untuk menampung air, baik itu

berasal dari air hujan maupun dari aliran permukaan, yang kemudian digunakan untuk

berbagai keperluan. Air hujan dapat berupa air hujan langsung ataupun limpasan

permukaan,.sedangkan aliran permukaan dapat berupa air sungai atau badan air tetap yang

lain, juga berupa penyaluran air permukaan setempat sekeliling waduk.

Jadi ada tiga sumber air yang perlu diperhatikan dalam hubungannya dengan

discharge waduk yaitu: (1) air tanah yang keluar sebagai mata air dan kemudian mengalir

sebagai sistem sungai yang dibendung, (2) curahan atau endapan atmosfir langsung di atas

waduk berupa hujan, dan (3) penyaluran air permukaan setempat sekeliling waduk. Ketiga

sumber ini menentukan ketersediaan potensial air yang dapat disimpan dalam waduk.

Ketersediaan aktual air adalah ketersediaan potensial dikurangi dengan jumlah yang hilang

karena penguapan dari permukaan air waduk dan yang meresap ke dalam tanah melalui

dinding dan dasar waduk. Berapa jumlah air yang benar-benar dapat ditampung waduk dari

jumlah yang tersediakan aktual, tergantung dari kapasitas teknik waduk. Pada gilirannya,

kapasitas teknik waduk ditentukan oleh matra (dimension) dan geometri waduk. Air yang

berlebih dibuang melalui saluran-saluran pembuangan ke daerah hilir.

2.1.1. Faktor Penentu Fungsi Waduk

Secara teori, ketersediaan aktual air pengisi waduk dapat dibuat sama dengan

ketersediaan potensial air melalui dengan jalan mencegah terjadinya penguapan dari

permukaan waduk dan peresapan ke dalam tanah melalui dinding dan dasar waduk,

walaupun hal ini sulit dilakukan pada kondisi riilnya. Kehilangan air akan bertambah besar

apabila selain penguapan fisik (evaporasi) juga terjadi ‘penguapan’ biologi oleh tunaman

air yang hidup di permukaan air (transpirasi). Makin jarang tanah dasar waduk makin

banyak air yang hilang karena peresapan. Kapasitas waduk menyusut karena penyempitan

luas permukaan dan atau pendangkalan dasar waduk. Permukaan waduk dapat menyempit

karena pengendapan tepi atau guguran dinding waduk. Pendangkalan dasar waduk

disebabkan karena terjadi pengendapan di dasar waduk. Materi yang mengendap berasal

dari materi-materi yang masuk bersama dengan aliran air pengisi waduk.

II - 2

Dua hal pokok yang perlu diperhatikan dan dipertimbangkan dalam menilai fungsi

waduk adalah: (1) kemampuannya menyediakan air dalam jumlah yang cukup dan pada

waktu yang dikehendaki bagi pemenuhan kebutuhan, dan (2) kemampuannya menyediakan

air dengan mutu memadai, dimana tidak berdampak buruk bagi kesehatan apabila

dikonsumsi juga tidak menimbulkan fenomena eutrofikasi.

2.1.2. Karakteristik Fisik dan Hidrologi

Beberapa karakteristik fisik suatu waduk di antaranya adalah panjang, kedalaman,

luas, dan volume. Berdasarkan kedalamannya waduk dibedakan menjadi waduk dangkal

dengan kedalaman kurang dari 7 meter, waduk sedang dan waduk dalam (Perdana, 2006).

Hubungan antara outflow suatu waduk dan volume waduk itu sendiri termasuk

karakteristik yang penting. Rasio volume waduk terhadap debit outflow dinyatakan sebagai

waktu detensi hidrolis, yaitu waktu yang dibutuhkan untuk mengosongkan waduk jika

semua input menuju waduk berhenti. Waktu detensi hidrolis dinyatakan dalam formula:

Q

Vtd

(2.1)

Berdasarkan waktu detensi hidrolisnya, waduk dibedakan menjadi waduk dengan

waktu detensi hidrolis singkat yaitu kurang dari 1 tahun dan waduk dengan waktu detensi

hidrolis panjang yaitu lebih dari 1 tahun. Selain itu terdapat juga pembagian waduk

menjadi kategori danau kecil, danau sedang dan danau besar. Waduk tergolong kategori

danau kecil bila luas permukaannya kurang dari 0,5 km2 dengan kedalaman kurang dari 20

m, dan tergolong kategori danau ukuran sedang bila luas permukaannya sekitar 0,5 km2

dengan kedalaman rata-rata 20 sampai 50 m. Waduk dengan kedalaman lebih dari 50 m

tergolong kategori danau besar.

Di waduk yang dalam, perairan di permukaan dan di dasar bisa jadi akan sangat

berbeda secara fisik, kimia dan biologi. Permukaan waduk dipengaruhi oleh angin dan

temperaturnya hangat karena matahari. Terdapat banyak organisme yang hidup di

permukaan karena didukung oleh intensitas cahaya yang cukup dan temperatur yang

hangat. Semakin banyak organisme yang hidup, maka semakin banyak kegiatan

fotosintesis, respirasi, makan dan tumbuh yang menyebabkan meningkatnya produktivitas

waduk. Bagian dasar dari waduk hanya mendapatkan sedikit cahaya atau tidak mendapat

II - 3

cahaya sama sekali, sehingga air menjadi lebih dingin. Di bagian dasar juga terjadi

dekomposisi biota air yang mati, dan tidak terdapat pengadukan oleh angin. Sebaliknya

waduk yang dangkal memiliki perairan yang lebih homogen, mulai dari permukaan hingga

dasar waduk. Air waduk teraduk dengan baik oleh angin, dan perbedaan temperatur dan

oksigen terlarut tidak terlalu jauh berbeda seiring dengan kedalaman. Cahaya matahari

mampu mencapai dasar waduk, sehingga fotosintesis dan pertumbuhan organisme waduk

dapat berlangsung di seluruh bagian waduk (Fatya, 2007).

Ukuran waduk bervariasi dari mulai seukuran kolam yang besar (biasanya waduk

alam) hingga seukuran besar sekali (biasanya waduk buatan), sehingga sistem yang terjadi

dalam setiap waduk akan berbeda. Luas waduk akan mempengaruhi hubungan fungsi-

fungsi yang terjadi di dalam waduk, antara lain adalah perbandingan luas dan keliling

waduk, persentase volume waduk yang dipengaruhi sinar matahari, dan perbandingan

antara debit masukan dengan luas waduk. Waduk yang memiliki keliling yang luas dan

volume yang kecil akan rentan terhadap kerusakan dari limpasan air dan beban masukan

dari inlet sungai.

Seperti pada sungai dan estuari, pemahaman mengenai water balanced atau

kesetimbangan air merupakan sesuatu yang penting untuk dipertimbangkan dalam analisa

dan rekayasa kualitas air. Thomann (1997) menyatakan persamaan umum keseimbangan

hidrologi untuk suatu waduk adalah:

svsin AEPAQQdt

dV

(2.2)

Dimana V = volume waduk, As = luas permukaan waduk, Qin = dan Q menyatakan debit

aliran yang masuk dan keluar waduk. P adalah air hujan yang masuk langsung ke waduk,

dan Ev adalah besarnya evaporasi yang terjadi. Aliran masuk (inflow) meliputi aliran

permukaan, aliran bawah permukaan, dan air yang masuk ke dalam waduk. Aliran keluar

(outflow) meliputi aliran permukaan dan aliran bawah permukaan, juga air yang keluar

dari waduk.

2.1.3. Stratifikasi Temperatur Dalam Waduk

Salah satu yang unik dari air adalah fakta bahwa densitas air tidak naik secara

monoton seiring dengan menurunnya suhu. Sebagai gantinya, densitas air mencapai

II - 4

maksimum pada suhu 4ºC, yang sering kita kenal dengan anomali air. Salah satu efek dari

densitas air maksimum ini adalah es yang mengapung karena air di sekelilingnya sedikit

lebih hangat dan padat/kental. Jika air seperti cairan yang lainnya, es akan tenggelam dan

akan memungkinkan waduk untuk membekukan materi solid dari dasar ke atas permukaan.

Di atas 4ºC, densitas air berkurang sejalan dengan naiknya temperatur. Hasilnya,

waduk yang hangat akibat panas matahari pada musim panas akan cenderung membentuk

lapisan air hangat yang mengapung di atas bagian air yang lebih kental, dan air dingin

berada di bawahnya. Sebaliknya pada musim dingin, bila temperatur permukaan danau

turun hingga di bawah 4ºC, maka akan terbentuk lapisan air dingin yang mengapung di

atas air yang lebih kental. Perbedaan densitas, antara air di permukaan dan air yang dekat

dengan dasar, ini menghalangi pencampuran vertikal (vertical mixing) dalam waduk, yang

menyebabkan efek pelapisan yang sangat stabil yang dikenal dengan stratifikasi termal.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15temperatur air

keda

lam

an

Gambar 2.1 Stratifikasi termal pada waduk dan profil temperatur stratifikasi pada musim dingin dan panas (Thomann & Mueller, 1997 dan Masters, 1998)

Gambar 2.1 menunjukkan stratifikasi yang khas terjadi pada waduk dalam, di daerah

bertemperatur sedang pada musim panas. Lapisan atas disebut epilimnion, air hangat yang

tercampur sempurna oleh aktivitas angin dan gelombang menyebabkan profil temperatur

yang hampir seragam. Kedalaman zona epilimnion berbeda-beda pada tiap waduk dan pada

Epilimnion

Metalimnion

Hipolimnion

II - 5

tiap bulan. Pada waduk dangkal kedalam zona ini hanya sekitar satu meter, sedangkan

untuk waduk dalam, kedalaman zona epilimnion mencapai 20 meter atau lebih. Di bawah

zona epilimnion adalah lapisan transisi yang disebut thermocline atau metalimnion.di mana

temperature turun secara cepat. Di bawah thermocline adalah daerah air dingin atau

dikenal hypolimnion.

Suatu penelitian terhadap danau-danau di Indonesia menunjukkan bahwa temperatur

pada danau atau waduk di Indonesia sangat bervariasi dan sangat tergantung pada

ketinggian lokasi dari permukaan laut. Selain itu temperatur danau atau waduk juga sangat

tergantung pada musim yang berlangsung, dan hal ini sangat spesifik karena Indonesia

memiliki pola musim diurnal (Lehmusluoto (1997) dalam Kusumaningtyas (2003)).

2.1.4. Oksigen Terlarut Dalam Waduk

Dalam ekosistem perairan, oksigen terlarut penting untuk mendukung eksistensi

organisme dan proses-proses yang terjadi di dalamnya, yaitu untuk proses respirasi

organisme akuatik dan organisme dekomposer dalam proses dekomposisi bahan organik

dalam suatu perairan. Kadar oksigen terlarut digunakan sebagai indikator pencemaran yang

terjadi dalam waduk. Keberadaan oksigen terlarut dalam waduk harus dijaga tetap ada

apabila air waduk akan dimanfaatkan terutama untuk sumber air minum.

Tingkat kelarutan oksigen dalam perairan alami dan limbah tergantung dari aktifitas

fisik, biologi dan biokimia dalam badan air. Di antara beberapa faktor yang mempengaruhi

konsentrasi oksigen terlarut adalah jumlah alami kehadiran bahan organik, suhu, aktivitas

mikroorganisme, kelarutan, fotosintesis dan kontak dengan udara. Oksigen terlarut dalam

perairan waduk berasal dari difusi udara yang masuk melalui permukaan perairan, aliran

air yang masuk, air hujan dan hasil fotosintesis dari algae dan tetumbuhan air. Sedangkan

pengurangan oksigen terlarut disebabkan oleh proses respirasi, penguraian bahan-bahan

organik dan lain sebagainya. Pada suatu danau eutrofik, dampak yang akan terjadi dengan

rendahnya konsentrasi oksigen terlarut di suatu badan air akan terlihat dengan adanya

ketidakseimbangan ekosistem, kematian ikan, bau serta gangguan estetis lainnya.

2.2. Limpasan Permukaan

2.2.1. Siklus Hidrologi dan Limpasan Permukaan

Limpasan permukaan merupakan bagian dari suatu siklus hidrologi. Air hujan yang

turun namun tidak pernah sampai ke permukaan tanah dikarenakan tertahan oleh dahan

II - 6

atau daun pohon. Air ini kemudian menguap dan kembali ke atmosfer melalui proses

evaporasi, transpirasi atau kombinasi keduanya yang dikenal dengan terminologi

evapotranspirasi. Air hujan selanjutnya jatuh dan sampai ke permukaan tanah yang lekuk

ke dalam yang dikenal dengan istilah depression storage atau air hujan yang tersimpan di

permukaan tanah dan tidak pernah terlibat ke dalam proses runoff. Air hujan yang lain

jatuh dan menembus permukaan tanah atau terinfiltrasi ke dalam tanah. Jumlah air

terinfiltrasi atau laju infiltrasi dapat bervariasi pada jenis-jenis tanah yang berbeda dan

tergantung pada kondisi tanah itu sendiri. Air yang terinfiltrasi dapat menjadi bagian dari

kelembaban tanah, dapat juga mengalami perkolasi, yaitu terus mengalir melewati tanah

menuju permukaan air di bawah tanah dan menjadi bagian dari sistem air tanah, atau

mengalir ke bawah akibat gaya gravitasi dan kemiringan pada kedalaman tanah tertentu

yang dikenal sebagai interflow atau throughflow. Air yang berjalan sebagai interflow

maupun throughflow dapat menuju saluran sungai dan bergabung dalam aliran sungai,

dapat juga masuk ke dalam sistem air tanah, atau juga dapat kembali ke permukaan tanah

akibat tanah telah jenuh dan mengalir di atasnya yang dikenal dengan return flow atau

aliran balik. Yang disebut terakhir, menjadi bagian dari limpasan permukaan (runoff

surface atau overland flow). Air hujan yang lain jatuh dan sampai ke permukaan tanah,

akibat gaya gravitasi dan kemiringan tanah, akan mengalir pada permukaan tanah. Air

mengalir inilah yang kemudian dikenal sebagai limpasan permukaan dan terjadi ketika

jumlah air hujan (presipitasi) melebihi kapasitas infiltrasi tanah. Aliran limpasan

permukaan akan lebih mudah terjadi jika kemiringan lahan cukup untuk mendukung.

Untuk lahan yang cenderung datar, aliran limpasan permukaan terjadi akibat perbedaan

momentum massa dengan kecepatan aliran yang cukup lambat diabndingkan dengan

limpasan permukaan pada daerah dengan kemiringan yang curam. Untuk lebih jelasnya

perhatikan gambar 2.2.

II - 7

Gambar 2.2 Komponen-komponen siklus hidrologi pada suatu daerah tangkapan hujan dengan kemiringan (Chorley, 1980)

2.2.2. Presipitasi

Presipitasi adalah faktor utama yang mengendalikan berlangsungnya siklus hidrologi

dalam suatu wilayah DAS (daerah aliran sungai), sedangkan iklim berpengaruh terhadap

kondisi presipitasi. Curah hujan di Indonesia dipengaruhi oleh monsoon yang ditimbulkan

oleh adanya sel tekanan udara tinggi dan sel tekanan udara rendah di daratan Asia dan

Australia secara bergantian. Iklim di Indonesia dipengaruhi oleh dua periode monsoon

yaitu Monson Barat pada periode Desember, Januari, dan Februari dan Monson Timur

periode Juni, Juli, dan Agustus (Asdak, 2000 dalam Rasid, 2005).

Presipitasi air hujan yang jatuh pada suatu badan perairan akan menjadi air

permukaan, baik danau atau waduk, sungai maupun laut. Presipitasi yang jatuh pada suatu

lahan, keberadaannya akan sangat bergantung kepada indeks konservasi, yakni

perbandingan tata guna lahan terhadap resapan air hujan yang menjadi air tanah, pada

lahan tersebut. Apabila indeks konservasinya baik, maka sebagian besar presipitasi tersebut

akan menjadi imbuhan bagi air tanah. Sebaliknya, jika indeks konservasinya jelek, maka

sebagian besar presipitasi akan menjasi air limpasan atau run-off.

P hujan Pc saluran hujan i intensitas hujan et evapotranspirasi ec kehilangan akibat intersepsi kanopi I intersepsi dan penyimpanan kanopi s tetesan dan aliran batang E evaporasi Rp penyimpanan pada permukaan R T penyimpanan yang tertahan f infiltrasi qh limpasan permukaan Horton qs limpasan permukaan jenuh

qr aliran balik t aliran pipa T penyimpanan pada pipa mu aliran bawah permukaan tak jenuh ms aliran bawah permukaan jenuh M penyimpanan pada kelembapan tanah sb rembesan menuju lapisan tanah keras a aliran air pada lapisan tanah keras A penyimpanan zona aerasi d rembesan dalam b aliran air tanah B penyimpanan air tanah

II - 8

2.2.3. Limpasan Permukaan dengan Unsur Hara Tanah

Limpasan permukaan mengalir di permukaan tanah setelah pori-pori tanah jenuh

terisi oleh air. Limpasan permukaan dapat melarutkan partikel-partikel tanah seperti

mineral-mineral tanah, bahan organik, serta nutrisi tanah lainnya dalam bentuk larutan.

Peristiwa perkolasi dapat menyebabkan hilangnya unsur hara pada tanah karena akan

mengalami proses leaching, seperti yang dialami oleh unsur hara makro nitrogen dan

kalium. Tercucinya nitrogen di dalam tanah juga dipermudah dengan tekstur tanah pasir

yang sifatnya sukar menahan air (Perdana, 2006).

Limpasan air permukaan akibat perubahan tataguna lahan dapat mengubah

kandungan hara pada permukaan air dan tanah, khususnya nitrogen (N) dan fosfor (P). Air

limpasan dari daratan dapat berupa limpasan dari lahan pertanian, peternakan, limpasan

dari lahan TPS/TPA, dan lain sebagainya. Penggundulan hutan dapat meningkatkan

konsentrasi nitrat (NO3) dalam limpasan air hujan. Konsentrasi nitrat dalam aliran

permukaan daerah tangkapan dimana terjadi penggundulan hutan dapat 50 kali lebih tinggi

daripada daerah tangkapan pada hutan alami pada beberapa tahun (Falkenmark and

Chapman, 1989; Brooks et al. 1991, dalam Kiersch, 2000).

2.3. Eutrofikasi

2.3.1 Pengertian Eutrofikasi

Eutrofikasi disebabkan karena adanya peningkatan nutrisi kimia dalam suatu

ekosistem, yang lazimnya nutrisi tersebut mengandung senyawa nitrogen atau fosfor.

Eutrofikasi dapat terjadi di darat maupun di air. Eutrofikasi merupakan suatu hasil dari

pencemaran, seperti pembuangan limbah domestik ke dalam badan air alami (sungai atau

danau) walaupun eutrofikasi sering ditemukan terjadi secara alami di alam dengan kondisi

di mana nutrisi-nutrisi kimia terakumulasi atau terbawa masuk ke dalam sistem

lingkungan. Dalam lingkungan akuatik, peningkatan pertumbuhan dari vegetasi akuatik

atau phytoplankton (yang dikenal dengan algae bloom) mengganggu fungsi ekosistem

tersebut, menyebabkan timbulnya beberapa masalah yang mempengaruhi kegiatan sosial

manusia. Eutrofikasi menurunkan nilai dan fungsi dari suatu badan air sungai, danau,

waduk dan estuari, seperti fungsi rekreasi, pemancingan, wisata dan nilai estetika.

Dari uraian di atas, eutrofikasi dapat kita kategorikan menjadi dua, yaitu:

II - 9

1) Eutrofikasi alamiah

Eutrofikasi yang terjadi secara alamiah akibat adanya nutrisi dan mikroorganisme akuatik

yang berasal dari badan air itu sendiri atau pertambahan nutrisi melalui air limpasan tanpa

adanya pengaruh aktivitas manusia. Eutrofikasi ini berjalan sangat lambat, bisa

berlangsung ratusan bahkan ribuan tahun (Novendra, 2002).

2) Eutrofikasi kultural

Eutrofikasi yang dipengarui oleh kegiatan manusia. Beberapa kegiatan manusia yang dapat

menyebabkan eutrofikasi di antaranya adalah pembuangan limbah domestik ke dalam

badan air, kegiatan pertanian, peternakan, budidaya ikan, pembuangan limbah industri, dan

lain-lain.

2.3.2 Akibat dari eutrofikasi

Proses perkembangbiakan tumbuhan air dengan cepat pada eutrofikasi dapat

menimbulkan beberapa konsekuensi yang berhubungan dengan fungsi badan air :

1. Gangguan estetika, rekreasi dan perikanan, seperti karpet algae, rumpun alga yang

melayang-layang, bau busuk, dan perubahan warna.

2. Konsentrasi DO yang bervariasi secara diurnal dapat mengakibatkan rendahnya level

DO di malam hari. Hal ini dapat menyebabkan kematian spesies ikan pada badan air.

3. Fitoplankton dan rumput-rumput liar mengendap di dasar badan air dan

menimbulkan suatu sedimen DO (SOD). Hal ini akhirnya akan menyebabkan

rendahnya nilai DO pada lapisan hipolimnion danau, reservoir dan dasar suatu

estuari.

4. Sejumlah besar diatom (jenis fitoplakton yang membutuhkan silika) dan algae

berfilamen dapat menyumbat saringan pada bangunan pengolahan air minum. Hal ini

menyebabkan saringan perlu lebih cepat di-backwash.

5. Perkembangbiakan tumbuhan air makrophyta yang berakar pada dasar badan air

dapat mengintervensi navigasi, proses aerasi dan kapasitas suatu saluran.

6. Algae toksik seringkali diasosiasikan dengan proses eutrofikasi di daerah pesisir dan

timbulnya suatu “red tide”. Hal ini menyebabkan peracunan pada kerang.

Jika kondisi eutrofik pada waduk dan danau tidak segera ditanggulangi maka selain

akan membunuh ikan-ikan, juga akan turut mempercepat proses pendangkalan yang

mengakibatkan badan air berubah menjadi rawa-rawa dan akhirnya menjadi tanah kering

II - 10

2.3.3 Mekanisme Dasar Terjadinya Eutrofikasi

Pertumbuhan dan perkembangbiakan flora akuatik merupakan hasil dari penggunaan

dan konversi dari nutrien anorganik menjadi material organik tanaman melalui mekanisme

fotosintesis. Faktor pendorong yang paling mendasar dalam proses eutrofikasi adalah

radiasi sinar matahari, sebagai sumber energi bagi reaksi fotosintesis.

Biomassa fitoplankton meningkat sejalan dengan meningkatnya temperatur air, dan

selanjutnya nutrien yang terlarut digunakan oleh fitoplankton. Mekanisme itu terus

berlanjut sampai nutrien mencapai tingkat di mana ia tidak dapat lagi mendukung

pertumbuhan biomassa fitoplankton. Meningkatnya masukan nutrien ke dalam waduk akan

memacu pertumbuhan flora air dan bila pertumbuhannya masal akan mengubah

karakteristik biologi perairan waduk. Kadar nitrogen dan fosfat dalam air sangat dinamis

karena nutrien tersebut dapat digunakan, ditimbun, ditransformasikan serta diekskresikan

dengan cepat dan berulang-ulang oleh berbagai macam organisme akuatik.

Peningkatan kadar nutrien dan zat organik akan menimbulkan perpindahan status

trofik dari oligotrofik di mana aktivitas organisme rendah kualitas air baik dan jernih,

menjadi eutrofik di mana aktivitas organisme tinggi dan kualitas air menjadi buruk, keruh

dan berbau. Penambahan air buangan secara ekstrem akan meningkatkan pertumbuhan

alga, dan pada akhirnya akan merusak kesetimbangan rantai makanan dalam danau. Satu

dari efek terburuk adalah oksigen digunakan di semua area di atas kedalaman antara 5

sampai 10 m. Di tengah danau, massa alga berkumpul dan menciptakan masalah ekologis

dengan menghalangi sinar matahari sampai ke dasar dan dari waktu ke waktu alga ini

mengambang ke permukaan sampai ketebalan tertentu.

Selanjutnya pada dasar suatu danau atau waduk yang eutrofik, suatu kondisi anoksis

atau defisiensi oksigen akan terjadi karena proses dekomposisi senyawa organik oleh

bakteri. Pada saat terjadi upwelling, biasanya pada musim hujan atau musim dingin kering,

air pada lapisan hipolimnion dengan defisiensi oksigen yang besar akan nampak pada

permukaan. Kondisi ini dapat menyebabkan kematian ikan.

II - 11

Nutrisi N dan P di air limpasan masuk ke badan air

Sinar matahari

Nutrisi menyuburkan tumb.air yg mengapung

Jumlah vegetasi aquatik mengambang berkurang

Tumbuhan mati lalu berdekomposisi, air menjadi kekurangan oksigen

Beberapa ikan mati

karena kurang oksigen

Gambar 2.3 Mekanisme terjadinya eutrofikasi.

2.3.4 Hubungan Limpasan Permukaan dengan Eutrofikasi

Danau yang masih jernih dengan produktivitas rendah disebut dengan danau

oligotrofik, danau yang memiliki produktivitas sedang disebut dengan danau mesotrofik,

dan danau yang sangat kaya dengan nutrisi disebut dengan danau eutrofik.

Limpasan permukaan dapat mengakibatkan erosi tanah dengan membawa partikel-

partikel tanah seperti mineral-mineral tanah, bahan organik, serta nutrisi tanah lainnya

dalam bentuk larutan. Dalam partikel-partikel tanah yang terbawa tersebut mengandung

senyawa nutrisi fosfat dan nitrogen yang mana kedua senyawa nutrisi tersebut merupakan

faktor penyebab terjadinya eutrofikasi. Kondisi eutrofik sangat memungkinkan ganggang,

tumbuhan air berukuran mikro, untuk tumbuh berkembang biak dengan pesat akibat

ketersediaan fosfat dan nitrogen yang berlebih serta kondisi lain yang memadai.

2.4. Senyawa Nitrogen

Nitrogen N dapat ditemui hampir di setiap badan air dalam bermacam-macam

bentuk. Bentuk unsur tersebut tergantung dari tingkat oksidasinya, antara lain sebagai

berikut:

-3 0 +3 +5

NH3 2N

2NO 3NO

Biasanya senyawa-senyawa nitrogen tersebut adalah senyawa terlarut.

II - 12

Nitrogen netral berada sebagai gas N2 yang merupakan hasil suatu reaksiyang sulit

untuk bereaksi lagi; N2 lenyap dari larutan sebagai gelembung gas, karena kadar

kejenuhannya agak rendah. Namun gas N2 juga dapat diserap oleh air dari udara dan

digunakan oleh ganggang dan beberapa jenis bakteri untuk pertumbuhannya. Biasanya

pengetahuan mengenai kadar yang N2 terlarut tidak begitu penting.

Amoniak NH3, merupakan senyawa nitrogen yang menjadi NH4+ pada pH rendah

dan disebut amonium; amoniak sendiri berada dalam keadaan tereduksi (-3). Amoniak

dalam air permukaan berasal dari air seni dan tinja; juga dari oksidasi zat organis

(HaObCcNd) secara mikrobiologis, yang berasal dari air alam atau air buangan industri dan

penduduk, sesuai reaksi sebagai berikut:

organikzat

dNHOHda

cCOdba

cNCOHbakteridcba

_

)2

3

2()

4

3

24( 322

Dapat dikatakan bahwa amoniak berada di mana-mana, dari kadar beberapa mg/l

pada air permukaan dan air tanah, sampai kira-kira 30 mg/l lebih pada air buangan. Air

tanah hanya mengandung sedikit NH3, karena NH3 dapat menempel pada butir-butir tanah

liat selama infiltrasi air ke dalam tanah, dan sulit terlepas dari butir-butir tanah liat tersebut.

Kadar amoniak yang tinggi pada sungai selalu menunjukkan adanya pencemaran. Rasa

NH3 kurang enak, sehingga kadar NH3 harus rendah.; pada air minum kadarnya harus nol

dan pada air sungai harus di bawah 0,5 mg/l N (syarat mutu air sungai di Indonesia). NH3

tersebut dapat dihilangkan sebagai gas melalui aerasi atau reaksi dengan asam hipoklorik,

HOCl, atau kaporit dan sebagainya, sehingga menjadi kloramin yang tidak berbahaya atau

sampai menjadi nitrit, N2.

Nitrit dan nitrat merupakan bentuk nitrogen yang teroksidasi, dengan tingkat

oksidasi masing-masing +3 dan +5. Nitrit biasanya tidak bertahan lama dan merupakan

keadaan sementara proses oksidasi antara amoniak dan nitrat, yang dapat terjadi pada

instalasi air buangan, dalam air sungai dan sistem drainase, dan sebagainya.nitrit yang

ditemui pada air minum dapat berasal dari bahan inhibitor korosi yang dipakai di pabrik

yang mendapatkan air dari sistem distribusi PAM. Nitrit sendiri membahayakan kesehatan

manusia karena dapat bereaksi dengan hemoglobin dalam darah, hingga darah tersebut

II - 13

tidak dapat mengangkut oksigen lagi. Di samping ini, NO2- juga menimbulkan nitrosamin

(RR’N – NO) pada air buangan tertentu; nitrosamin tersebut dapat menimbulkan kanker.

Nitrat adalah bentuk senyawa nitrogen yang merupakan sebuah senyawa yang stabil.

Nitat merupakan salah satu unsur penting untuk sintesa protein tumbuh-tumbuhan dan

hewan, akan tetapi nitrat pada konsentrasi yang tinggi dalam air dapat menstimulasi

pertumbuhan ganggang yang tak terbatas (bila beberapa syarat lain seperti konsentrasi

fosfat terpenuhi), sehingga air kekurangan oksigen terlarut yang menyebabkan kematian

ikan. NO3- dapat berasal dari buangan industri bahan peledak, piroteknik, pupuk, cat dan

sebagainya. Kadar nitrat secara alamiah biasanya agak rendah; namun kadar nitrat dapat

menjadi tinggi sekali pada air tanah di daerah-daerah yang diberi pupuk yang mengandung

nitrat. Di dalam usus manusia, nitrat direduksi menjadi nitrit yang dapat menyebabkan

metamoglobinemi, terutama pada bayi.

2.4.1. Nitrogen Tanah

Bersama unsur fosfor (P), dan kalium (K), nitrogen merupakan unsur hara yang

mutlak dibutuhkan oleh tanaman. Bahkan tanaman kering mengandung sekitar 2 sampai 4

% N; jauh lebih rendah dari kandungan C yang berkisar 40 %. Namun hara N merupakan

komponen protein (asam amino) dan khlorofil. Bentuk ion yang diserap oleh tanaman

umumnya dalam bentuk NO3- dan NH4

+ (Russell, 1973 dalam Mukhlis, 2003).

Nitrogen adalah salah satu unsur hara yang bermuatan. Selain sangat mutlak

dibutuhkan, juga dapat hilang dengan mudah atau dengan kata lain menjadi tidak tersedia

bagi tanaman. Ketidaktersediaan N dari dalam tanah dapat melalui proses

pencucian/terlindi (leaching) NO3-, denitrifikasi NO3

- menjadi N2, volatilisasi NH4+

menjadi NO3-, terfiksasi oleh mineral liat atau dikonsumsi oleh mikroorganisme tanah.

Bentuk NO3- -lah yang selalu terlindi dan mudah larut.

2.4.2. Perilaku Nitrogen Pada Danau Atau Waduk

Pada suatu danau atau waduk yang subur, siklus nitrogen tersebut dapat dilihat pada

gambar 2.4 berikut:

II - 14

Gambar 2.4 Siklus nitrogen pada danau.

Sumber: catatan kuliah Konservasi Lingkungan

Nitrogen inorganik masuk melalui air permukaan, baik berupa limpasan maupun

berasal dari sungai utama. Sintesis oleh organisme plankton, baik alga dan bakteri akan

mengubah nitrogen inorganik menjadi nitrogen organik. Pada daerah tropis, peristiwa ini

umumnya terjadi di lapisan epilimnion. Kematian organisme dan dekomposisi akan

melepaskan ammonia yang dapat teroksidasi menjadi nitrat melalui reaksi nitrikasi.

Nitrogen inorganik, baik ammonia maupun nitrat dapat diasimilasi menghasilkan

pertumbuhan sel baru. Selain itu nitrat dapat pula terkonversi menjadi N2 oleh reaksi

denitrifikasi pada lapisan hipolimnion. Kehilangan nitrogen pada danau eutrofik dapat

disebabkan oleh sedimentasi lumpur di dasar danau, keluaran/outflow danau, denitrifikasi

dan penangkapan ikan (Kusumaningtyas, 2003).

Tidak semua senyawa nutrien dalam air berada dalam bentuk yang siap

dimanfaatkan oleh fitoplankton. Total nitrogen terdiri dari 4 komponen utama yaitu

organik nitrogen, ammonia, nitrit (NO2) dan nitrat (NO3). Ammonia, nitrit dan nitrat adalah

bentuk yang dapat dimanfaatkan oleh fitoplankton. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada

gambar 2.5.

II - 15

detritus

partikulat fitoplankton

nitrogen organik terlarut

Total nitrogen ammonia nitrogen

NO2 dan NO3 nitrogen inorganik *)

Keterangan : *) artinya dapat dimanfaatkan untuk pertumbuhan fitoplankton

Gambar 2.5. Komponen utama nutrien fosfor dan nitrogen (Thoman & Mueller, 1997).

2.5. Model Nitrat Pada Waduk

Model-model yang dapat dikembangkan dan diterapkan untuk simulasi nitrat pada

waduk dapat dibedakan menjadi tiga macam berdasarkan tingkat kompleksitas persamaan

yang digunakannya, yaitu model kotak tunggal, model dua kotak, dan model ekologi

(Perdana, 2006).

2.5.1 Model Kotak tunggal

Model kotak tunggal merupakan model sederhana berorde satu untuk memprediksi

konsentrasi konstituen dalam waduk yang diasumsikan tercampur sempurna. Persamaan

yang digunakan dalam model kotak tunggal adalah persamaan kesetimbangan massa

dengan menggunakan asumsi-asumsi:

Percampuran dalam waduk dengan completely mixing,

Debit masuk sama dengan debit keluar sehingga volume air waduk konstan,

Aliran dalam waduk adalah steady state,

Harga K (s-1) konstan.

Berdasarkan aumsi-asumsi yang digunakan di atas, maka persamaan model kotak tunggal

hanya memperhitungkan penambahan konsentrasi konstituen dari aliran yang masuk ke

dalam sistem. Lebih jelasnya mengenai model kotak tunggal untuk waduk tercampur

sempurna dan steady state dapat dilihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6 Model Kotak tunggal untuk danau tercampur sempurna (Limboden, 1974 dalam Perdana, 2006)

II - 16

2.5.2 Model Dua kotak

Model dua kotak merupakan model berorde dua untuk memprediksikan konsentrasi

konstituen pada waduk yang diasumsikan temperatur terstratifikasi pada lapisan-lapisan

kedalaman air waduk.

Pada danau terstratifikasi, lapisan pertama yang disebut epilimnion menerima beban

W1 dan debit Q1 untuk selanjutnya mengalami pencampuran dan pertukaran dengan

lapisan kedua yang disebut dengan lapisan hipolimnion, dimana E’12 adalah koefisien

pencampuran vertikal (m3/hari). Lapisan di bawah danau juga menerima zat yang

bersumber dari dasar danau sebagai hasil penguraian sedimentasi sebesarW2. konsentrasi

pada epilinion (C1) dan hipolimnion (C2) diasumsikan dalam kondisi steady state.

Diasumsikan bahwa panas yang memasuki danau telah dihamburkan pada dasar lapisan

pertama kemudian terjadi kesetimbangan pada lapisan hipolimnion.

W1

Q E'121

2

epilimnion

hipolimnion

W2

Gambar 2.7 Stratifikasi danau pada model dua kotak (Thoman dan Mueller, 1997)

Pada danau terstratifikasi, lapisan satu atau zona epilimnion menerima beban W1 dan

debit sebesar Q, untuk selanjutnya mengalami percampuran dan pertukaran dengan lapisan

dua atau zona hipolimnion, dimana E’12 adalah koefisian pencampuran vertikal (m3/hari).

Lapisan bawah danau juga menerima zat yang bersumber dari dasar danau sebagai hasil

dari penguraian sedimen sebesar W2.

Konsentrasi pada epilimnion (C1) dan hipolimnion (C2) pada keadaan steady state

dapat dinyatakan dengan persamaan (2.3) dan (2.4).

II - 17

QKVQE

QWWC

//'11

/

1112

211

(2.3)

12

212 'E

WCC

(2.4)

Di mana :

2212

12

'

'

KVE

E

(2.5)

Apabila diasumsikan bahwa panas yang memasuki danau telah dihamburkan pada

dasar lapisan pertama, maka dapat disusun suatu persamaan kesetimbangan panas untuk

lapisan hipolimnion sebagai berikut :

21

2212

1'

TTt

TVE (2.6)

Di mana :

T2 = perubahan temperatur di lapisan kedua ( C)

T1 = temperatur pada lapisan pertama ( C)

t = perbedaan waktu (hari)

2.5.3 Model Ekologi

Model ekologi merupakan model berdasarkan diagram konseptual dari suatu proses

ekologi yang saling berkaitan satu sama lain sehingga membentuk suatu siklus nitrogen.

Model ini memiliki kemiripan dengan model tercampur sempuena dengan proses lebih

komplek. Model ekologi merupakan model berorde lima, dapat dilihat dari proses yang

saling berkaitan satu dengan lainnya. Proses-proses yang terlibat dalam model ekologi ini

sebagian besar merupakan proses biologi dan kimia.