BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Komposisi dan Tipe Kimia Air …Tipe kimia air tanah yang dominan pada daerah endapan aluvial (lumpur, tanah liat, dan pasir berlumpur) adalah tipe Ca2+–HCO

10

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Komposisi dan Tipe Kimia Air Tanah

Air tanah memiliki komposisi zat terlarut di dalamnya yang dapat

dikelompokkan menjadi 4 kelompok, yaitu (Todd, 1980):

1. Unsur utama (major constituents), dengan kandungan 1,0 – 1.000 mg/l, yaitu:

natrium (Na), kalsium (Ca), magnesium (Mg), bikarbonat (HCO3–), sulfat

(SO42–

), klorida (Cl–), dan silika (Si).

2. Unsur sekunder (secondary constituents), dengan kandungan 0,01 – 10 mg/l,

yaitu: besi (Fe), strountium (Sr), kalium (K), karbonat (CO32–

), nitrat (NO3–),

flourida (F–), boron (B).

3. Unsur minor (minor constituents), dengan kandungan 0,0001 – 0,1 mg/l, yaitu:

antimon (Sb), aluminium (Al), arsen (As), barium (Ba), brom (Br), cadmium

(Cd), krom (Cr), kobalt (Co), tembaga (Cu), germanium (Ge), yodium (I),

timbal (Pb), litium (Li), mangan (Mn), molibdenum (Mo), nikel (Ni), fosfat

(PO43–

), rubidium (Rb), selenium (Se), titanium (Ti), uranium (U), vanadium

(V), seng (Zn).

4. Unsur langka (trace constituents), dengan kandungan kurang dari 0,001 mg/l,

yaitu: berilium (Be), bismut (Bi), cerium (Ce), cesium (Cs), galium (Ga), emas

(Au), indium (In), lantanium (La), niobium (Nb), platina (Pt), radium (Ra),

ruthenium (Ru), scandium (Sc), perak (Ag), thalium (Tl), tharium (Th), timah

(Sn), tungsten (W), ytterbium (Yb), yttrium (Y), zirkonium (Zr).

11

Faktor-faktor utama pengendali komposisi kimia air tanah meliputi (Toth,

1984; Kodoatie, 1996):

1. Mobilitas elemen.

Mobilitas elemen dalam hidrosfer merupakan kecenderungan untuk bergerak

dalam suatu lingkungan kimia. Gerakan ini bisa terjadi untuk setiap elemen

dalam bentuk padat, gas, cairan, atau larutan encer. Mobilitas ini tergantung

pada kelarutan dari elemen untuk macam-macam persenyawaan,

kecenderungan ion-ion untuk turut dalam proses pertukaran ion, dan tingkat

penyadapan unsur kimia dari hidrosfer dalam proses organik.

2. Suhu.

Semakin ke dalam suhu di dalam tanah (batuan) semakin tinggi, sehingga

mempengaruhi komposisi kimia air tanah dan efeknya terhadap kelarutan

garam. Kelarutan garam akan makin besar dengan makin tingginya suhu

misalnya CaSO4 dan NaCl, kecuali CaCO3 dan (CaMg)CO3 akan mengecil bila

suhu naik.

3. Tekanan.

Tekanan umumnya mempengaruhi besarnya kelarutan garam. Efeknya

terhadap tekanan parsial dari gas-gas yang ada dalam air tanah, misalnya

tekanan terhadap CO2 menaikkan kadar larutan karbonat.

4. Daerah dimana air dan batuan berhubungan.

Daerah ini tergantung pada tipe dan diskontinyuitas batuan seperti pori-pori,

sambungan, ataupun patahan. Semakin besar daerah ini, semakin banyak

12

volume air bereaksi dengan batuan. Semakin cepat air berhubungan dengan

batuan semakin besar konsentrasi larutan kimia.

5. Lamanya waktu berhubungan.

Semakin lama waktu air dan batuan berhubungan semakin besar derajat

kejenuhannya. Suatu daerah dengan kadar salinitas tinggi akibat air tanah diam

di daerah tersebut.

6. Panjangnya perjalanan dari aliran air.

Semakin panjang jalannya aliran air semakin besar mineralisasi air tanah.

7. Jumlah dan distribusi larutan garam dalam batuan.

Jumlah dan distribusi larutan garam dalam batuan berpengaruh terhadap

konsentrasi ion terlarut dari garam tersebut.

8. Kualitas air awal.

Komposisi kimia dari air sebelum tiba pada suatu titik dalam kerangka batuan

menentukan jenis, laju, dan arah reaksi kimia antara air dan batuan pada titik

tersebut. Kondisi kualitas air awal menentukan perubahan dan perkembangan

komposisi sesudahnya.

Selama proses perjalanannya aliran air tanah cenderung mengubah secara

perlahan komposisi kimia air yang ada dari hulu ke hilir dan mengarah pada

komposisi kimia air laut. Unsur-unsur kimia yang larut dalam air tanah berjalan

dan berevolusi lewat jalan aliran air tanah. Evolusi ini diikuti oleh perubahan

regional dari spesies anion yang dominan seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.1

di bawah ini (Chebotarev, 1955; Kodoatie, 2012).

13

Proses perjalanan air tanah dari hulu (gunung) ke hilir (laut)

(

)

(

)

( )

Hulu (gunung) Tengah Hilir (laut)

Gambar 2.1

Perubahan spesies anion akibat perjalanan air tanah menurut Chebotarev (1955) Sumber: Chebotarev (1955); Kodoatie (2012)

Untuk melihat diagram di atas harus berdasarkan skala dan penentuan suatu

kondisi spesifik geologi. Pengertian ini menyangkut skala dimensi ruang dan

dimensi waktu. Dalam skala dimensi ruang, daerah aliran berdasarkan Gambar 2.1

dapat diuraikan dalam 3 daerah utama yang berkaitan dengan kedalaman serta

hubungan antara kimia air tanah dan sistem aliran regim hidrolik seperti berikut

ini (Toth, 1990; Kodoatie, 1996, 2012):

1. Daerah hulu mengalami pembilasan air tanah yang aktif dari air hujan melalui

batuan yang mudah merembeskan air. Tekanan dan temperatur naik sesuai arah

aliran. Daerah ini berada di daerah pegunungan dan sering disebut daerah isian

air tanah (recharge area). Proses yang terjadi meliputi disolusi, hidrasi,

oksidasi, attack by acids, dan pertukaran dasar. Nilai total padatan terlarut

(TDS) rendah. Unsur yang dominan adalah Ca2+

, Mg2+

, HCO3–, CO3

2–, dan

SO42–

. Unsur-unsur ini mudah bertambah dan batuannya bermacam-macam.

2. Daerah tengah mengalami sirkulasi dan pembilasan air yang lebih rendah dari

daerah hulu. Tekanan mendekati hidrostatis dan temperaturnya cenderung

konstan. Daerah ini merupakan daerah dataran agak tinggi, sedang, sampai

rendah. Proses yang terjadi meliputi disolusi, pengendapan kimia, pengurangan

sulfat, dan pertukaran dasar. Nilai TDS lebih kecil dari daerah hulu, dimana

14

perbedaan nilai TDS antara suatu daerah dengan daerah lain cukup tinggi.

Unsur yang dominan adalah Na+, Ca

2+, Mg

2+, HCO3

–, CO3

2–, SO4

2–, dan Cl

–.

3. Daerah hilir merupakan kebalikan dari daerah hulu, mempunyai sifat aliran air

tanah lebih lembam (sluggish), larutan mineral cukup banyak karena

pembilasan air rendah. Daerah ini terjadi di pantai, sering disebut daerah

pembuangan (discharge area). Proses yang terjadi meliputi: pengendapan

kimia, pengurangan sulfat, dan filtrasi selaput. Nilai TDS pada daerah ini

tinggi. Unsur yang dominan adalah Na+, SO4

2–, dan Cl

–.

Komposisi kimia air tanah (kandungan kation dan anion) menentukan tipe

kimia air tanah. Tipe kimia air tanah dapat diidentifikasikan dengan prinsip

interpretasi berdasarkan hubungan ion-ion penyusun air tanah. Model Diagram

Trilinier Piper (Piper, 1944) merupakan metode yang banyak digunakan secara

luas di dalam penelitian-penelitian terdahulu dan masih relevan hingga saat ini.

Penggunaan metode ini didasarkan atas kandungan ion-ion seperti Na+, K

+, Mg

2+,

Ca2+

, Cl–, HCO3

–, CO3

2–, dan SO4

2– dalam air tanah. Berdasarkan metode ini,

telah teridentifikasi karakteristik kimia air tanah di berbagai negara (Martinez dan

Bocanegra, 2002; Gómez et al., 2006; Dhiman dan Keshari, 2006; Olobaniyi et

al., 2007; Hussein, 2008; Mukherjee et al., 2008; Hajalilou dan Khaleghi, 2009;

Han et al., 2009; Kagabu et al., 2010; Nwankwoala dan Udom, 2011; Wu et al.,

2012; Hagras, 2013; Khan et al., 2014; Nyende et al., 2014; Barik dan Pattanayak,

2014; Srinivas et al., 2014; Nag dan Das, 2014; Barick dan Ratha, 2014).

Model Diagram Trilinier Piper ini merupakan alat bantu yang sangat efektif

untuk studi tentang pemisahan sumber unsur terlarut dalam air tanah, perubahan

15

atau modifikasi sifat–sifat air yang melewati suatu wilayah tertentu, serta

hubungannya dengan permasalahan geokimia. Prosedur analisis model tersebut

didasarkan pada diagram segitiga yang telah dikembangkan secara bertahap

melalui percobaan dan modifikasi bentuk (Piper, 1944). Diagram ini terdiri atas

dua segitiga sama sisi yang terletak di bawah kanan dan kiri, dimana masing-

masing segitiga untuk pengeplotan kation di satu pihak dan anion di pihak lain.

Pada bagian atas kedua segitiga itu dibuat jajaran genjang dan pada jajaran

genjang tersebut titik-titik kation dan anion ditarik ke atas ke dalam jajaran

genjang. Berdasarkan kedudukan titik pada jajaran genjang dapat diinterpretasikan

tipe kimia air tanah tersebut (Suharyadi, 1984).

Tipe kimia air tanah yang dominan pada akuifer bebas dengan komposisi

batuan lanau dan pasir halus adalah Ca2+–HCO3

– di bagian hulu dan Na

+–HCO3

–

di bagian hilir (Martinez dan Bocanegra, 2002). Air tanah pada formasi batuan

utama granit dan schist di bagian atas (kedalaman <100 m) dominan bertipe Ca2+–

HCO3–, di kedalaman menengah (100–150 m) dominan bertipe Na

+-Ca

2+–HCO3

–,

dan di kedalaman >450 m dominan bertipe Na+–HCO3

– (Gómez et al., 2006). Air

tanah pada akuifer tertekan di daerah aluvial dengan formasi batuan pasir kasar

dan kerikil, lempung, lempung berpasir (kedalaman 78–162 m), didominasi oleh 3

tipe kimia yaitu tipe Na+–HCO3

–, tipe Ca

2+–HCO3

–, dan tipe Mg

2+–HCO3

–

(Dhiman dan Keshari, 2006). Air tanah di daerah dengan kondisi batuan tidak

terkonsolidasi, pasir dengan dasar gembur, dengan campuran kerikil dan lempung

(kedalaman >60 m) memiliki tipe kimia jenis klorida yang bervariasi dari Ca2+–

Cl–, ke Ca

2+-Mg

2+–Cl

–, ke Mg

2+-Ca

2+–Cl

–, ke Na

+-Ca

2+–Cl

–, dan Na

+–Cl

–

16

(Olobaniyi et al., 2007). Air tanah di daerah dengan formasi endapan aluvial,

dataran fluvial, dan sedimen eolian memiliki tipe kation Na+-Mg

2+-Ca

2+ dengan

tipe anion SO42–

di daerah isian, tipe kation Mg2+

-Na+-Ca

2+ dengan tipe anion Cl

–-

SO42–

di daerah transisi, dan tipe kation Mg+-Ca

2+-Na

+ dengan tipe anion Cl

–-

SO42–

atau tipe kation Ca2+

-Mg2+

-Na+ dengan tipe anion Cl

–-SO4

2– di daerah

pelepasan (Husein, 2008). Tipe kimia yang dominan dari air tanah pada akuifer

semi tertekan dan tertekan di dataran aluvial pada kedalaman <50 m adalah Ca2+–

HCO3–, kedalaman 50–150 m adalah Mg

2+–Cl

– atau Mg

2+-Ca

2+–Cl

–, dan

kedalaman >150 m adalah Na++K

+–HCO3

– (Mukherjee et al., 2008). Air tanah

pada akuifer aluvial dengan batuan utama kerikil dan pasir koarsa dengan

kedalaman 80 – 200 m didominasi oleh tipe kimia Ca2+

-Mg2+–HCO3

– (Hajalilou

dan Khaleghi, 2009). Air tanah pada daerah dengan formasi batuan magmatik,

metamorf, dolomit, kapur, karbon berlapis batu pasir, basal tersier, endapan

sedimen termasuk aluvial dan endapan pasir, pasir berlempung-lanau, dan

lempung berdebu didominasi oleh tipe anion HCO3–

dan tipe kation Ca2+

(Han et

al., 2009). Air tanah dangkal pada batuan pasir, konglomerat, dan lempung

memiliki tipe kimia dominan Ca2+–HCO3

–, air tanah dalam pada batuan campuran

pasir-breksi dan lempung memiliki tipe kimia dominan Na+–HCO3

–, dan air tanah

di daerah pantai memiliki tipe kimia dominan Na+–Cl

– (Kagabu et al., 2010). Air

tanah pada formasi batuan pasir yang sebagian besar butiran sedang sampai kasar,

berkerikil, dan liat didominasi tipe kimia Ca2+

-Mg2+–Cl

–-SO4

2– dan tipe kimia

Na++K

+–Cl

–-SO4

2– (Nwankwoala dan Udom, 2011). Air tanah yang mengalir

melalui pori-celahan pada batuan tersier-cretaceous dan yang mengalir melalui

17

pori pada batuan sedimen kuarter didominasi oleh tipe kimia Na++K

+–HCO3

– (Wu

et al., 2012). Tipe kimia air tanah yang dominan pada daerah endapan aluvial

(lumpur, tanah liat, dan pasir berlumpur) adalah tipe Ca2+–HCO3

– (Hagras, 2013).

Air tanah di daerah dengan formasi batuan utama aluvial kuarter (batuan tidak

terkonsolidasi yang didominasi pasir kuarsa, dengan campuran liat dan debu) dan

endapan aeolian, dimana pada 33% luas daerahnya berpotensi salinitas tinggi,

didominasi tipe Ca2+–HCO3

– diikuti tipe Na

+–Cl

– (Khan et al., 2014). Air tanah

pada daerah dengan batuan fraksi granit didominasi tipe Ca2+

-Mg2+–HCO3

–

dimana semakin ke dalam terjadi peningkatan kandungan ion Mg2+

, sedangkan

pada daerah aluvial didominasi tipe Na+–HCO3

– (Nyende et al., 2014). Air tanah

pada lapisan batuan yang mengandung bijih besi, dolomit, dan batubara,

didominasi oleh tipe kimia Ca2+

-Mg2+–HCO3

– (Barik dan Pattanayak, 2014). Air

tanah pada formasi batuan pasir, pasir kerikil, peninsular gneisses, charnickites,

khondalit, granit, dan pegmatit didominasi oleh tipe kimia Ca2+

-Mg2+–Cl

–-SO4

2–

dan Ca2+

-Mg2+–HCO3

– (Srinivas et al., 2014). Air tanah pada formasi batuan

pasir, lanau, lempung, lempung keras, laterit, dan granit gneiss (kedalaman 2 – 21

m) saat post monsoon didominasi tipe kimia Ca2+–HCO3

– sedangkan saat pre

monsoon didominasi tipe kimia Ca2+

-Mg2+–Cl

–-SO4

2– (Nag dan Das, 2014). Air

tanah di daerah dengan kondisi batuan keras (khondalit, granit, gneisses, batuan

kalk–silika, anorthosit, kuarsa) pada akuifer tertekan maupun akuifer bebas

didominasi tipe kimia Mg2+–HCO3

– dan Ca

2+–HCO3

– (Barick dan Ratha, 2014).

Berdasarkan hasil penelitian terdahulu tersebut dapat ditunjukkan bahwa tipe

kimia air tanah dipengaruhi oleh formasi geologi dan keberadaan dari akuifer.

18

2.2 Kualitas Air Tanah untuk Irigasi

Kesesuaian kualitas air untuk irigasi ditentukan berdasarkan tingkat bahaya

salinitas, tingkat bahaya alkalinitas, dan kandungan unsur beracun (toksisitas)

(Khan et al., 2014). Analisis kualitas air untuk irigasi dapat dilakukan berdasarkan

parameter-parameter terukur seperti daya hantar listrik (DHL), TDS, derajat

keasaman (pH), konsentrasi kation terlarut (Na+, K

+, Ca

2+, Mg

2+), konsentrasi

anion terlarut (HCO3–, CO3

2–, SO4

2–, Cl

–, NO3

–), dan kandungan unsur Boron (B).

DHL digunakan untuk menunjukkan konsentrasi total unsur terionisasi dalam air

secara alami dan merupakan ukuran bahaya salinitas pada air irigasi. TDS

merupakan ukuran dari jumlah total materi terlarut yang dibawa oleh air. Nilai pH

merupakan representasi dari tingkat keasaman atau kebasaan dalam air. Kation-

kation seperti Na+, K

+, Ca

2+, dan Mg

2+ adalah kation atau unsur dasar yang

memiliki konsentrasi signifikan dalam air irigasi dan merupakan unsur penting

bagi tanaman. Anion-anion penting yang terdapat pada air irigasi diantaranya

adalah HCO3– dan CO3

2– yang terkait dengan sifat basa dari air, SO4

2– dan NO3

–

yang merupakan nutrisi penting bagi tanaman dan dibutuhkan dalam konsentrasi

wajar, dan Cl– yang tidak diperlukan dalam konsentrasi berlebih karena

merupakan racun bagi beberapa tanaman. Unsur B merupakan unsur yang

ditemukan di hampir semua perairan alami, pada konsentrasi tertentu

keberadaannya penting untuk pertumbuhan tanaman, tetapi pada konsentrasi

hanya sedikit di atas optimal menjadi sangat beracun. Evaluasi kesesuaian kualitas

air tanah untuk irigasi berdasarkan tingkat bahaya alkalinitas dapat dilakukan

19

dengan menggunakan metode persen natrium terlarut (%Na), rasio serapan

natrium (SAR), dan residu natrium karbonat (RSC) (Wilcox, 1955).

Nilai %Na digunakan untuk menyatakan hubungan antara air irigasi dengan

tanah, yang mengindikasikan proporsi ion Na+ dalam larutan dan kaitannya

dengan konsentrasi kation keseluruhan. Hal ini berguna dalam menggambarkan

karakteristik air, dimana nilai yang tinggi menunjukkan air yang lunak sedangkan

nilai yang rendah menunjukkan air keras. Nilai ini adalah indikasi dari bahaya

alkalinitas namun tidak ada ukuran yang baku, seperti halnya SAR (Wilcox,

1955). Nilai %Na yang tinggi dalam air irigasi dapat menghambat pertumbuhan

tanaman dan mengurangi permeabilitas tanah (Srinivasamoorthy et al., 2013;

Srinivas et al., 2014; Joshi et al., 2009; Kanwar dan Khanna, 2014). Konsentrasi

Na+ yang tinggi dalam tanah dapat mempengaruhi pola drainase internal tanah

dalam melepas ion K+ dan Mg

2+ yang diakibatkan penyerapan Na

+ oleh partikel

tanah liat. Hal ini dapat membuat tanah menjadi keras dan tidak layak (Zhu et al.,

2010; Srinivas et al., 2014; Nag dan Das, 2014), sehingga perlu dilakukan

pengelolaan secara khusus seperti perbaikan drainase, pencucian, dan

penambahan bahan organik (Suresh et al., 2014).

Nilai SAR menunjukkan tingkat bahaya alkalinitas dari air irigasi yang

ditentukan oleh konsentrasi absolut dan relatif kation. SAR digunakan untuk

mengekspresikan aktivitas relatif ion Na+ dalam reaksi pertukaran dengan tanah

(Wilcox, 1955). Nilai SAR dari air irigasi memiliki hubungan yang signifikan

dengan kemampuan tanah menyerap ion Na+ (Todd, 1980). Jika air tanah yang

digunakan untuk irigasi memiliki kandungan Na+ tinggi dan K

+ rendah maka

20

kapasitas pertukaran kation menjadi jenuh dengan Na+, sehingga dapat merusak

struktur tanah karena dispersi dari partikel tanah liat (Venkateswaran dan

Vediappan, 2013). Kandungan Na+ yang tinggi dalam air irigasi dapat

menyebabkan pH menjadi sangat tinggi dan meracuni tanaman (Jumin, 2012).

Metode SAR di atas secara prinsip memiliki kegunaan yang sama dengan metode

%Na yaitu untuk menunjukkan tingkat bahaya alkalinitas dari air irigasi dengan

mengedepankan peranan ion Na+. Namun demikian, untuk selanjutnya di dalam

penelitian ini hanya digunakan metode SAR untuk menunjukkan tingkat bahaya

alkalinitas dari air irigasi dikarenakan nilai %Na tidak memiliki ukuran yang baku

seperti halnya nilai SAR (Wilcox, 1955).

Nilai RSC adalah parameter lain yang dapat digunakan untuk

mengklasifikasikan air irigasi (Eaton, 1950). RSC merupakan suatu konsep untuk

menentukan kualitas air irigasi, dengan dasar bahwa konsentrasi ion-ion

bikarbonat dapat menyebabkan pengendapan ion Ca2+

dan ion Mg2+

sebagai

karbonat, sehingga akan meningkatkan ion Na+ dalam air tanah (Eaton, 1950;

Jumin, 2012; Srinivas et al., 2014). Bila air dengan nilai RSC melebihi 2,5

meq/liter maka secara umum air tersebut tidak dapat digunakan untuk air irigasi,

bila air mempunyai nilai RSC 1,25 – 2,5 meq/liter berarti air tersebut berada

dalam ambang kualitas/kualitas cukup, dan bila RSC kurang dari 1,25 meq/liter

menunjukkan bahwa air tersebut aman untuk dijadikan air irigasi (Wilcox, 1955).

Penggunaan air irigasi dalam jangka panjang dapat mempengaruhi

permeabilitas tanah, yaitu akibat keberadaan ion-ion Na+, K

+, Mg

2+, dan HCO3

–

dalam tanah (Venkateswaran dan Vediappan, 2013; Suresh et at., 2014). Pada

21

umumnya kandungan Ca2+

dan Mg2+

dalam air tanah dipertahankan dalam

keadaan keseimbangan (Hem, 1985). Kelebihan kandungan Mg2+

dalam air tanah

dapat mempengaruhi kualitas tanah, yang dapat menyebabkan rendahnya hasil

tanaman (Venkateswaran dan Vediappan, 2013; Suresh et al., 2014), karena tanah

menjadi bersifat lebih salin (Joshi et al., 2009).

Identifikasi terhadap kelayakan berbagai tipe kimia air tanah sebagai sumber

air irigasi telah dilakukan oleh para peneliti terdahulu. Di daerah yang didominasi

oleh air tanah dengan tipe kimia Ca2+

-Mg2+–Cl

–-SO4

2– dan tipe kimia Na

++K

+–Cl

–

-SO42–

, kualitas airnya baik untuk digunakan sebagai sumber air irigasi

berdasarkan kriteria nilai SAR (Nwankwoala dan Udom, 2011). Air tanah dari

sumur dalam dengan kedalaman rata-rata 60 m pada daerah dengan kondisi batuan

kuarsa memiliki tingkat bahaya salinitas kategori sedang (nilai DHL 251–750

S/cm) hingga tinggi (751–2250 S/cm), nilai SAR dalam kategori sangat baik (<

10), dan nilai RSC dalam kategori aman (Reddy, 2013). Air tanah dengan tipe

kimia Ca2+–HCO3

– berdasarkan indikator nilai DHL dan nilai SAR berada dalam

kategori baik sampai diijinkan untuk digunakan sebagai air irigasi (Hagras, 2013).

Berdasarkan indikator yang sama pula, Khan et al. (2014) mengungkapkan bahwa

sebanyak 68% dari contoh air tanah yang diteliti dengan kedalaman >90 m tanpa

tipe kimia yang dominan adalah sesuai untuk irigasi. Barick dan Ratha (2014)

melaporkan bahwa air tanah dengan tipe kimia Mg2+–HCO3

– dan Ca

2+–HCO3

–,

berdasarkan kriteria SAR dan DHL memiliki tingkat bahaya alkalinitas rendah

dan bahaya salinitas tinggi, sedangkan 80% dari contoh air tanah yang diteliti

berada dalam kategori aman berdasarkan nilai RSC. Hasil identifikasi yang

22

dilakukan Srinivas et al. (2014) terhadap contoh-contoh air tanah yang didominasi

oleh tipe kimia Ca2+

-Mg2+–Cl

–-SO4

2– dan Ca

2+-Mg

2+–HCO3

– menunjukkan bahwa

71% contoh dalam kategori baik hingga cukup berdasarkan nilai RSC, sedangkan

berdasarkan nilai SAR dan DHL 85% contoh memiliki kategori bahaya alkalinitas

rendah dan bahaya salinitas sedang hingga tinggi. Pada daerah dimana air

tanahnya pada saat post monsoon memiliki tipe kimia yang dominan Ca2+–HCO3

–

100% contoh memiliki kualitas sangat baik berdasarkan nilai SAR, berdasarkan

nilai DHL 77% contoh dalam kategori sangat baik, dan berdasarkan nilai RSC

61% contoh aman, sedangkan saat pre monsoon yang didominasi tipe kimia Ca2+

-

Mg2+–Cl

–-SO4

2– memiliki kualitas berdasarkan nilai SAR sangat baik (100%

contoh), nilai DHL sangat baik (54% contoh), dan nilai RSC aman (54% dari

contoh) (Nag dan Das, 2014). Berdasarkan hasil penelitian terdahulu tersebut

dapat ditunjukkan bahwa tipe kimia air tanah tidak menunjukkan derajat

kualitasnya untuk irigasi dan air tanah yang mengandung bahaya salinitas tidak

selalu mengandung bahaya alkalinitas, begitu pula sebaliknya.

2.3 Aliran Air Tanah

Freeze dan Cherry (1979) menyatakan bahwa ada 6 parameter sifat-sifat

fisik dasar untuk menjelaskan aliran air tanah secara hidrolik. Parameter-

parameter tersebut dikategorikan dalam dua kelompok, yaitu 3 parameter untuk

air yang meliputi kerapatan air (ρ), viskositas dinamik air (), dan kompresibilitas

(), serta 3 parameter untuk media porus yang meliputi permeabilitas (k),

kompresibilitas (), dan porositas (n). Berdasarkan 6 parameter tersebut dapat

23

dijabarkan parameter-parameter tentang sifat hidrolik akuifer yang meliputi

(Kodoatie, 1996; 2012): tampungan spesifik (S0), transmisivitas (T), storativitas

(S), dan specific yield (Sy). Tampungan spesifik adalah volume air yang keluar

dari tampungan oleh satuan isi akuifer akibat satu unit penurunan dari ketinggian

hidrolik (Freeze dan Cherry, 1979). Transmisivitas adalah banyaknya air yang

mengalir melalui suatu bidang vertikal setebal akuifer, selebar satu satuan

panjang, dengan satu landaian hidrolik (Todd, 1980). Storativitas adalah volume

air yang dilepaskan atau diambil dalam tampungan tiap unit permukaan area

akuifer tiap unit perubahan dalam komponen dari tinggi hidrolik sampai pada

permukaan tersebut (U.S. Department of the Interior, 1995). Specific Yield adalah

volume air yang keluar dari tampungan oleh satuan luas dari akuifer bebas akibat

satu unit penurunan dari muka air (parameter tampungan untuk akuifer bebas)

(Kodoatie, 1996; 2012). Ilustrasi aliran air tanah ditunjukkan dalam Gambar 2.2.

Gambar 2.2

Ilustrasi aliran air tanah (Sumber: Bouwer, 1978)

24

Air tanah dalam keadaan sebenarnya gerakannya tidak berubah dan selalu

berdasarkan prinsip-prinsip hidrolika, dengan mengikuti Hukum Darcy dan

persamaan kontinuitas (Bisri, 1991). Debit aliran air tanah di dalam Hukum Darcy

dinyatakan dengan persamaan (Kodoatie, 1996):

(2.1)

dimana :

Q = debit aliran air (m3/s)

K = konduktivitas hidrolik (m/s)

i = gradien hidrolik (perbandingan beda tinggi potensial h dengan jarak l)

A = luas penampang yang dilalui aliran (m2)

Berdasarkan Hukum Darcy, persamaan kecepatan aliran dapat dituliskan sebagai

berikut (Bisri, 1991):

(2.2)

Dalam sistem koordinat kartesian dengan asumsi pada lapisan geologi tanah yang

homogen isotropis, persamaan di atas dapat dituliskan :

(2.3)

(2.4)

(2.5)

Persamaan kontinuitas aliran air tanah secara 3 dimensi dapat dituliskan :

(2.6)

25

Substitusi persamaan (2.3), (2.4), dan (2.5) ke dalam persamaan (2.6)

menghasilkan persamaan dasar aliran air tanah pada akuifer tertekan dalam

keadaan steady yang merupakan penggabungan antara Hukum Darcy dan

persamaan kontinuitas aliran dalam bentuk persamaan Laplace sebagai berikut :

(2.7)

(2.8)

Dengan anggapan bahwa pada akuifer tertekan aliran mendatar (arah x dan y)

lebih berperan dari pada aliran tegak (arah z) maka persamaan (2.8) menjadi :

(2.9)

Persamaan (2.9) adalah persamaan aliran air tanah kondisi steady, untuk fluida tak

termampatkan, dalam formasi geologi homogen isotropis (Kodoatie, 2012).

Laju bersih transport massa air tanah menurut prinsip hukum kekekalan

massa adalah sama dengan bertambah atau berkurangnya massa dalam kontrol

volume. Laju bersih transport massa sama dengan massa keluar (Mkeluar) dikurangi

dengan massa masuk (Mmasuk). Persamaan dasar aliran air tanah pada akuifer

tertekan didasarkan atas akuifer yang merupakan lapisan geologi dengan kondisi

kedap air di bagian atas dan bawahnya. Transport massa air pada sistem akuifer

tertekan hanya berlaku ke arah x dan y saja yang mempengaruhi keseimbangan

sesuai dengan hukum kekekalan massa, untuk transport massa ke arah z tidak ada

karena lapisan atas dan bawahnya kedap air (Kodoatie, 1996, 2012). Kontrol

volume dalam sistem transport massa air pada akuifer tertekan seperti ditunjukkan

dalam Gambar 2.3.

26

Gambar 2.3

Kontrol volume pada sistem akuifer tertekan Sumber : dimodifikasi dari Bisri (1991) dan Kodoatie (1996) untuk sistem akuifer bebas

Kapasitas massa di dalam kontrol volume dipengaruhi oleh besarnya tampungan

spesifik (S0). Persamaan dasar aliran air tanah pada akuifer tertekan adalah

(Kodoatie, 1996, 2012):

(

)

(

) S

t (2.10)

Pada kondisi untuk akuifer tertekan yang horizontal dan homogen isotropik (Kx =

Ky = K) dengan tebal h, storativitas (S) = S0 . h dan transmisivitas (T) = K . h,

sehingga persamaan (2.10) dapat berubah menjadi :

S

T

t (2.11)

dimana:

K = konduktivitas hidrolik, merupakan kemampuan lapisan akuifer untuk

meluluskan air (m/hari)

S0 = tampungan spesifik (angka tak berdimensi)

h Akuifer Tertekan

M x + [( M x / x ).

x ]

M y + [( M y / y ). y ]

x

y

M x

M y

x y

z bidang elevasi z1

bidang elevasi z2

Lapisan Kedap Air

Lapisan Kedap Air

Satuan isi akuifer

27

h = ketebalan akuifer (m)

S = storativitas (angka tak berdimensi)

T = transmisivitas merupakan besarnya konduktivitas hidrolik dikalikan dengan

ketebalan akuifer (m2/hari)

Keberadaan dan pergerakan air tanah dalam sistem akuifer serta adanya

prinsip-prinsip hukum fisika yang mengatur, menjadikan aliran air tanah hampir

tidak mungkin dilacak dengan menggunakan analisis sistem. Untuk kondisi

seperti ini, analisis yang dapat dilakukan adalah dengan mengandaikan bahwa

proses yang terjadi mengikuti aturan-aturan tertentu. Aturan-aturan yang

ditetapkan harus sedekat mungkin dengan proses yang terjadi dalam sistem

tersebut yang disusun dalam sebuah model (Sri Harto, 2000).

Kompleksitas sistem akuifer yang berkaitan dengan ruang/wadah tempat air

tanah berada, menjadikan aliran air tanah harus dihitung dalam tiga dimensi.

Deskritisasi geometri dan prosedur iterasi dapat dilakukan dengan model numerik

metode beda hingga terintegrasi (Tirtomihardjo dan Setiawan, 2011). Metode

beda hingga adalah metode numerik untuk memecahkan persamaan diferensial

dengan pendekatan melalui persamaan yang berbeda, dimana perbedaan yang

terbatas tersebut mendekati turunannya. Metode ini merupakan metode diskritisasi

(Wikipedia, 2015). Pemecahan permasalahan aliran air tanah dengan metode

numerik memerlukan diskritisasi domain solusi dengan membagi daerah

kasus/sistem akuifer menjadi sel-sel (Putranto, 2011). Diskritisasi spasial sistem

akuifer dapat dilakukan dengan membagi sistem tersebut menjadi sel-sel, yang

menjelaskan bagian tersebut tersebut sebagai baris, kolom, dan lapisan dengan

28

menggunakan sistem pengindeks i, j, k (McDonald and Harbaugh, 1988) seperti

ditunjukkan dalam Gambar 2.4.

Gambar 2.4

Diskritisasi sistem akuifer (Sumber : McDonald and Harbaugh, 1988)

Diskritisasi sistem akuifer dalam Gambar 2.4 tersebut dapat dijelaskan sebagai

berikut: rj merupakan dimensi sel sepanjang arah baris (J) yang menunjukkan

jumlah kolom, ci merupakan dimensi sel sepanjang arah kolom (I) yang

menunjukkan jumlah baris, dan vk merupakan dimensi sel sepanjang arah

vertikal (K) menunjukkan jumlah layer/lapisan (McDonald and Harbaugh, 1988).

Penggunaan pemodelan dengan pendekatan secara numerik menggunakan

metode beda hingga telah dilakukan dalam beberapa penelitian di bidang

keteknikan di Pulau Jawa, Pulau Madura, dan Pulau Bali. Waspodo (2002)

menggunakan pemodelan aliran air tanah untuk menentukan potensi air tanah di

Batas daerah studi/sistem akuifer

Sel aktif

Sel tidak aktif

29

Kecamatan Kertajati Kabupaten Majalengka (Jawa Barat) berdasarkan parameter-

parameter akuifer dan arah aliran air tanah. Rahardjo (2002) menggunakan

pemodelan aliran air tanah untuk memprediksi muka air tanah pada masa

mendatang di DKI Jakarta. Sementara itu, aplikasi pemodelan aliran air tanah

untuk digunakan sebagai dasar pengendalian pemanfaatan dan pengambilan air

tanah dilakukan Wahyudi (2009) di Kabupaten Bangkalan (Madura) serta

Tirtomihardjo dan Setiawan (2011) di Cekungan Air Tanah Denpasar-Tabanan

(Bali). Berdasarkan sejumlah penelitian tersebut, terdapat kesamaan bahwa aliran

air tanah mengalir dari daerah dengan tinggi tekan (head) yang lebih tinggi ke

daerah dengan head yang lebih rendah. Simulasi aliran air tanah pada sistem

akuifer (daerah studi) yang telah dimodelkan secara numerik dapat dilakukan

dengan bantuan program komputer Visual Modflow (Waspodo, 2002; Rahardjo,

2002; Wahyudi, 2009; Putranto, 2011; Tirtomihardjo dan Setiawan, 2011).

Mekipun telah digunakan di dalam sejumlah penelitian terdahulu, sejauh teknik

pemodelan aliran air tanah belum banyak digunakan untuk penelitian di bidang

pertanian khususnya untuk mengidentifikasi pola evolusi air tanah yang

digunakan sebagai sumber air irigasi.

2.4 Kesesuaian Kualitas Air Irigasi dengan Komoditas Pertanian

Komoditas pertanian yang harus diusahakan pada lahan irigasi air tanah

guna meningkatkan pendapatan petani adalah komoditas bernilai ekonomi tinggi.

Kriteria komoditas pertanian bernilai ekonomi tinggi adalah memberikan

keuntungan lebih besar dari tanaman padi, cara bercocok tanam tanaman tersebut

30

telah dikuasai petani, dan hasil pertanian dapat diserap oleh pasar. Beberapa jenis

komoditas pertanian yang dapat direkomendasikan antara lain jagung, kedelai,

kacang tanah, kacang hijau, semangka, melon, bawang merah, cabai, tembakau,

dan sayur-sayuran. Jenis sayur-sayuran yang diusahakan umumnya adalah sawi,

terong, kangkung, mentimun, dan kol (Haryono et al., 2009).

Kesesuaian antara komoditas pertanian dengan beberapa faktor lingkungan

telah diteliti oleh para peneliti terdahulu. Pewilayahan komoditas pertanian

berdasarkan model iklim telah dirancang oleh Las (1992). Kriteria kesesuaian

lahan untuk komoditas pertanian berdasarkan parameter kualitas lahan telah

disusun oleh Badan Penelitian dan Pengembangan Departemen Pertanian

(Djaenudin et al., 1997). Pewilayahan komoditas pertanian berdasarkan pedo–

agroklimat telah dirancang oleh Djaenudin et al. (2002). Sejauh ini, penelitian

tentang kesesuaian antara karakteristik kimia air tanah yang digunakan sebagai

sumber air irigasi dengan komoditas pertanian pada lahan irigasi air tanah beserta

pewilayahannya belum dilakukan di Indonesia.

Penanaman komoditas pertanian bernilai ekonomi tinggi pada lahan irigasi

air tanah harus memperhatikan kesesuaian antara kualitas air irigasi dengan lahan

tersebut. Meireles et al. (2010) mengusulkan Model IWQI untuk menentukan

kesesuaian kualitas air irigasi dengan lahan pertanian (tanah dan tanaman). Nilai

IWQI merefleksikan bahaya salinitas dan alkalinitas terhadap tanah, serta bahaya

toksisitas terhadap tanaman. Penentuan nilai IWQI didasarkan atas parameter-

parameter: DHL, konsentrasi Na+, konsentrasi HCO3

–, konsentrasi Cl

–, dan SAR

terkoreksi (SAR˚). arakteristik IWQI ang meliputi rentang nilai indeks, batasan

31

penggunaan air, dan rekomendasinya terhadap tanah dan tanaman dapat

ditunjukkan dalam Tabel 2.1.

Tabel 2.1

Karakteristik Indeks Kualitas Air Irigasi IWQI Batasan

Penggunaan Air

Rekomendasi

Tanah Tanaman

85 – 100 Tidak ada (NR) Dapat digunakan untuk sebagian

besar tanah dengan probabilitas

rendah terjadi masalah salinitas

dan sodisitas, direkomendasikan

untuk dilakukan pencucian dalam

pemberian irigasi, kecuali untuk

tanah dengan permeabilitas yang

sangat rendah.

Tidak ada resiko toksisitas

untuk sebagian besar tanaman

70 – 85 Rendah (LR) Digunakan sebagai air irigasi

pada tanah dengan tekstur ringan

atau permeabilitas sedang,

dianjurkan melakukan pencucian

garam. Sodisitas tanah dapat

terjadi pada tanah dengan tekstur

berat, dianjurkan untuk

menghindari penggunaan pada

tanah dengan kandungan liat

tinggi 2:1.

Dihindari resiko pada tanaman

-tanaman yang sensitif terhadap

garam

55 – 70 Sedang (MR) Dapat digunakan pada tanah

dengan permeabilitas sedang

hingga tinggi, dan dianjurkan

melakukan pencucian garam.

Tanaman dengan toleransi

sedang terhadap garam dapat

tumbuh.

40 – 55 Tinggi (HR) Dapat digunakan pada tanah

dengan permeabilitas tinggi tanpa

lapisan dipadatkan. Jadwal irigasi

dengan frekuensi tinggi untuk air

dengan DHL lebih dari 2.000

dS/m dan SAR lebih dari 7,0.

Digunakan untuk irigasi pada

tanaman dengan toleransi

sedang hingga tinggi terhadap

garam, dengan tindakan khusus

untuk pengendalian salinitas,

kecuali untuk air dengan

kandungan Na+, Cl–,dan HCO3–

rendah.

0 – 40 Parah (SR) Harus dihindari penggunaannya

untuk irigasi dalam kondisi

normal. Dalam kasus khusus,

dapat digunakan sesekali. Air

dengan kadar garam rendah dan

nilai SAR tinggi memerlukan

pemberian gipsum. Dalam

kondisi air dengan salinitas tinggi

tanah harus memiliki

permeabilitas yang tinggi, dan

kelebihan air harus digunakan

untuk mencegah penumpukan

garam.

Hanya untuk tanaman dengan

toleransi yang tinggi terhadap

garam, kecuali untuk air

dengan Na+, Cl–, dan HCO3–

yang sangat rendah.

Sumber : Meireles et al. (2010)

Model IWQI ini telah dikembangkan penerapannya dalam penelitian-

penelitian di Iraq untuk digunakan dalam menyusun indeks kualitas air tanah

(Khalaf dan Hassan, 2013; Al-Mussawi, 2014). Dalam penelitian-penelitian

32

tersebut diungkapkan bahwa daerah yang diteliti didominasi oleh batasan

penggunaan air tinggi (HR) dan parah (SR) dikarenakan tingginya tingkat bahaya

salinitas di daerah-daerah tersebut. Sejauh ini, penggunaan model IWQI tersebut

untuk tujuan penentuan indeks kualitas air irigasi belum dilakukan di Indonesia.

Karakteristik indeks kualitas air irigasi seperti dikemukakan di atas, belum

secara spesifik memberikan rekomendasi kesesuaian kualitas air irigasi dengan

jenis tanaman tertentu. Rekomendasi tersebut hanya bersifat umum terhadap jenis

tanaman berdasarkan tingkat resiko toksisitas terhadap garam. Untuk mendukung

model IWQI di atas dalam penentuan secara spesifik kesesuaian kualitas air

irigasi dengan jenis tanaman, digunakan kriteria toleransi relatif tanaman-tanaman

pertanian terhadap garam sebagaimana dinyatakan oleh Ayers dan Westcot (1994)

di dalam Tabel 2.2.

Penilaian kesesuaian kualitas air irigasi dengan jenis tanaman juga dapat

dilakukan berdasarkan kandungan unsur B, dimana tingginya kadar B yang dapat

diterima oleh tanaman tergantung dari jenis tanamannya (Danaryanto et al.,

2010). Kelas air irigasi berdasarkan kandungan unsur B seperti ditunjukkan dalam

Tabel 2.3, dimana air irigasi dibagi menjadi 5 kelas yang diperuntukkan bagi

tanaman yang sensitif, semi toleran, maupun toleran terhadap unsur B. Jenis-jenis

tanaman berdasarkan toleransi relatif terhadap kandungan unsur B dalam air

irigasi ditunjukkan dalam Tabel 2.3 (Wilcox, 1955).

33

34

Tabel 2.3

Kelas air irigasi berdasarkan kandungan unsur B Kelas Kandungan unsur B (mg/l)

Tanaman

Sensitif

Tanaman

Semi toleran

Tanaman

Toleran

1 < 0,33 < 0,67 < 1,00

2 0,33 – 0,67 0,67 – 1,33 1,00 – 2,00

3 0,67 – 1,00 1,33 – 2,00 2,00 – 3,00

4 1,00 – 1,25 2,00 – 2,50 3,00 – 3,75

5 > 1,25 > 2,50 > 3,75 Sumber : Wilcox (1955)

Tabel 2.4

Toleransi relatif tanaman terhadap kandungan unsur B dalam air irigasi

Sumber : Wilcox (1955)

Sensitif Semi toleran Toleran

Pecan (Corya illinoensis) Bunga matahari (Helianthus anuus L.) Pohon eshel (Tamarix aphylla L.)

Kacang kenari hitam (Juglans nigra L.) Kentang (Solanum tuberosum L.) Asparagus (Asparagus officinalis L.)

Kacang kenari persia (Juglans regia L.) Kapas Acala (Gossypium hirsutum L.) Palem Phoenix (Phoenix canariensis)

Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) Kapas Pima (Gossypium barbadense L.) Kurma (Phoenix dactylifera L.)

Kacang Navy (Phaseolus vulgaris L.) Tomat (Lycopersicon esculentum L.) Bit gula (Beta vulgaris L.)

Pohon Ulmus Amerika (Ulmus americana L.) Kacang polong manis (Lathyrus odoratus L.) Bit mangel (Beta vulgaris L.)

Prem (Prunus domestica) Lobak (Raphanus sativus L.) Bit taman (B. v. v. vulgaris)

Pir (Pyrus communis L.) Kacang kapri (Pisum sativum L.) Alfalfa (Medicago sativa L.)

Apel (Pyrus malus L.) Bunga Lychnis flos-cuculi (Lychnis flos cuculi L.) Bunga gladiol (Gladiolus communis L.)

Anggur (Vitis vinifera L.) Zaitun (Olea europaea L.) Kacang babi (Vicia faba L.)

Pohon Ara (Ficus carica L.) Jelai (Hordeum vulgare L.) Bawang bombay (Allium cepa L.)

Kesemek (Diospyros kaki L.f.) Gandum (Triticum spp.) Turnip (Brassica rapa var. rapa)

Ceri (Prunus apetala) Jagung (Zea mays L.) Kubis (Brassica oleraceae L.)

Persik (Prunus persica L.) Philodendron (Philodendron sp.) Selada (Lactuca sativa L.)

Aprikot (Prunus armeniaca L.) Oat (Avena sativa L.) Wortel (Daucus carota L.)

Rubus (Rubus sp) Bunga Kertas ( (Zinnia elegans Jacq.)

Jeruk (Citrus sp) Labu (Cucurbita Moschata)

Alpukat (Persea americana) Paprika (Capsicum annuum var Grossum)

Jeruk besar (Citrus paradisi) Ubi jalar (Ipomoea batatas L.)

Jeruk lemon (Citrus limon) Kacang lima (Phaseolus lunatus L.)