LGF 1013-Kumpulan Hujan, Jenis-jenis Awan, dan Faktor Cuaca dan IklimStanley James
Proses utama yang membentuk 3 kumpulan utama hujan melalui proses pemeluwapan, perbezaan awan secara vertikal, proses pengangkatan (uplifting) dalam membentuk awan dan faktor2 yang memberi kesan kpd cuaca dan iklim sepanjang tahun.
1. BAB 1
PENGENALAN
Objektif:
Objektif bab ini ialah:
Memperkenalkan subjek serta skop bidang hidrologi kepada para pelajar buat
kali pertama dalam program pengajian kejuruteraan awam dan program
program lain berkaitan air, sumber air dan alam sekitar.
Memberi penjelasan mengenai pertalian diantara ilmu hidrologi dan masalah
praktis berkaitan dengan projek-projek berkaitan dengan pembangunan
sumber air, pengawalan alam sekitar dan ekosistem berasaskan air.
1.1. Definisi Hidrologi
“ Tahukah anda Ilmu hidrologi merupakan ilmu Allah yang termaktub dalam
AlQuran?”
Apa itu ilmu hidrologi. Hidrologi ialah gabungan dua sukukata `hydro’ yang
bermaksud air dan ‘logy’ yang bermaksud kajian. Sukukata hydro berasal daripada
bahasa Greek ‘hudor’ bermaksud air. Oleh itu, subjek hidrologi boleh ditakrifkan
secara ringkas sebagai kajian mengenai air dan sumber air. Skop kajian ini sangat
luas dan dapat dilihat daripada dua sudut iaitu sudut kuantitatif dan kualitatif.
Hidrologi kuantitatif bermaksud kajian atau analisis yang melibatkan data atau
maklumat yang boleh diukur secara kuantitatif. Umpanya jumlah ukur dalam
hujan harian dalam mm, kadar aliran sungai dalam m3
s-1
, kadar penggunaan air
harian dalam Mgh-1
, dsb. Hidrologi kualitatif pula lebih menjurus kepada
penerangan atau penjelasan secara diskriptif mengenai proses atau proses-proses
berlakunya sesuatu kejadian atau fenomena yang berakaitan dengan air dan
2. 2
sumber air. Umpamanya penjelasan bagaimana proses perbandaran mampu
memberi kesan kepada perubahan kadar aliran sungai.
Dalam bidang kejuruteraan, hidrologi kuantitatif lebih diberi keutamaan kerana
ianya merupakan asas utama kepada perancangan dan perencanaan pelbagai
projek pembinaan infrastruktur seperti sistem saliran bandar, projek kawalan
banjir, pembinaan empangan dan takungan, sistem pengairan dan saliran
pertanian, dsb. Hidrologi kualitatif pula diperlukan sebagai pelengkap kepada
kajian hidrologi bagi mendapatkan penjelasan secara analitikal mengenai
perlakuan dan proses berlakunya sesuatu kejadian dan perlu dihujah dengan
menggunakan bahasa dan pendekatan saintifik.
Secara ringkas, ilmu hidrologi boleh di definasikan seperti berikut ‘ Hidrologi
ialah satu bidang sains yang mengkaji air di dunia ini, kewujudannya, kitaran dan
taburannya, sifat fizik dan kimia, tindakbalas dengan persekitaran, termasuk benda
hidup dan benda mati’.
1.2. Air dan tamaddun manusia
“ Tahukah anda kebanyakan tamaddun manusia bermula di kawasan
terdapatnya sumber bekalan air semula jadi?”
Kebanyakan tamaddun manusia bermula dimana terdapatnya sumber bekalan air.
Bermula di tanah suci Mekah, apabila punca air telaga zam-zam dijumpai, maka
bermulalah tamaddun manusia disitu. Apabila tamadun manusia bermula maka
berlakulah pelbagai kegiatan ekonomi berkaitan dengan air seperti pertanian dan
penternakan, pelayaran dan perdagangan serta rekreasi. Sejarah telah
membuktikan kebanyakan pusat-pusat pertumbuhan tamaddun manusia di
sesebuah Negara bermula dimana terdapatnya kemudahan bekalan air secara
semulajadi. Umpamanya, Lembangan Sungai Nile di Mesir dan Lembangan
Sungai Tigris-Euprathes di Iraq, Lembangan Sungai Hwang Ho dan Yangtze di
China, Sungai Mississippi dan Colorado di USA, Sungai Thames di England,
Sungai Rhine di Germany, Sungai Amazon di Brazil, merupakan kawasan
pertumbuhan tamaddun termaju di Negara masing-masing. Di Negara kita pun
berlaku trend yang sama. Antaranya Lembangan Sungai Klang-Gombak di Kuala
Lumpur, Sungai Segget di Johor Bahru, Sungai Muda di Kedah, Sungai Pinang di
Pulau Pinang, Sungai Kinta di Perak, Sungai Kelantan di Kelantan, merupakan
bermulanya penempatan manusia terawal di setiap negeri berkenaan.
3. 3
1.3 Statistik Imbangan Air Dunia
Tahukah anda bahawa jumlah isipadu air yang wujud di dunia ini adalah kekal,
iaitu tidak bertambah atau berkurang mengikut masa dari dahulu sehingga
sekarang
Berikut adalah statistik umum taburan air dunia. sejak dahulu hingga sekarang,
statistik ini didapati tidak berubah, suatu bukti bahawa isipadu air dunia kekal.
Anggaran jumlah keseluruhan: 1.36 x 1018
m3
Pecahan Taburan air dunia:
Lautan dan tasik (masin) 97.2%
Litupan ais dan glasier (tawar) 2.15%
Air bumi (tawar) 0.64%
Tasek dan sungai (tawar) 0.0085%
Atmosfera dan biosfera 0.00015%
Selain air laut untuk tujuan pelayaran dan perikanan, pada dasarnya hanya
sumber air permukaan (tasek dan sungai) dan air bumi sahaja dianggap
sebagai air bersih (fresh water) untuk kegunaan manusia.
Gambarajah 1.1 menunjukan secara umum trend peningkatan keperluan air
dunia dalam pelbagai sektor.
Jadual 1.1 pula ialah statistik bekalan-penggunaan sumber air dunia mengikut
benua
1.4 Statistik Imbangan Air di Malaysia
Tahukah anda Malaysia ialah antara negara di dunia yang paling kaya dengan
sumber air semula jadi
Berikut adalah anggaran pecahan sumber air di Malaysia:
Jumlah keseluruhan: 990 billion m3
360 billion kembali ke atmosfera dalam bentuk wap
566 billion dalam bentuk air larian permukaan
64 billion dalam bentuk air bumi
4. 4
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040
Tahun
PenggunaanAir(Km
3
)
Pertanian Industri Perbandaran Empangan
Gambarajah 1.1. Trend anggaran penggunaan dan keperluan air dunia
Jadual 1.1. Bekalan sumber air dunia mengikut kawasan
Benua Keluasan
(juta
km2
)
Penduduk
(juta)
Sumber bekalan air (km3
/tahun) Potensi
bekalan air
*1000
m3
/tahun
Purata Maksimum Minimum Per
km2
Per
kapita
Eropah 10.46 685 2900 3410 2254 277 4.23
Amerika
Utara
24.3 453 7890 8917 6895 324 17.4
Afrika 30.1 708 4050 5082 3073 134 5.72
Asia 43.5 3445 13510 15008 11800 311 3.92
Amerika
Selatan
17.9 315 12030 14350 10320 672 38.2
Australia 8.95 28.7 2404 2880 1891 269 83.7
5. 5
Anggaran permintaan bekalan air (termasuk kegunaan domestik, industri,
pertanian dan hidro-elektrik) pula adalah seperti berikut:
1993: 11.6 billion m3
2020: 30.0 billion m3
1.5 Unit Pengukuran air
“Tahukah anda air boleh di ukur dengan menggunakan pelbagai unit mengikut
tujuan dan penggunaannya”
Sebelum kita mempelajari bab-bab seterusnya, pelajar mestilah terlebih
dahulu mahir menggunakan pelbagai unit pengukuran air.
Pelajar juga harus mahir menukar antara satu unit dengan unit yang lain
khususnya dari unit Imperial ke unit Metrik dan sebaliknya. Sesuai dengan era
globalisasi, penukaran unit daripada sistem metrik ke Imperial dan sebaliknya
adalah penting kerana tidak semua negara di dunia ini menggunakan system
yang sekata. Selain menggunakan buku jadual dan kalkulator saintifik untuk
menukar daripda satu unt ke satu unit, pelajar boleh menggunkan saintifik
kalkulator yang terdapat di internet (contohnya pelajar boleh mencuba alamat
berikut: http://www.worldwidemetric.com/)
1.5.1. Dalam bentuk ukur dalam (L)
Unit: mm, cm, m, inci, kaki
Contoh:
Hujan purata harian yang menyebabkan banjir kilat ialah 300mm
Kedalaman maksimum Sg. Sekitar ialah 10 m
Keperluan air tanaman pokok durian untuk sehari ialah 0.5 cm
6. 6
1.5.2. Dalam bentuk isipadu (L3
)
Unit: cm3
, m3
, liter, kaki padu, meter hektar (m-ha)
Contoh:
Isipadu air hujan yang perlu di salirkan untuk mengelakan banjir kilat
102000 liter
Isipadu air Sg. Golok bagi 10 m panjang ialah 1000 m3
1000 liter air diperlukan untuk mengairi 10 pokok durian sehari.
1.5.3. Dalam bentuk kadar alir (L3
T-1
)
Unit: liter se saat/minit/jam (lps, lpm, lph), m3
/s (cumec)
Contoh:
Kadar alir Sungai Muda pada kedalaman 10 m ialah 10 lps atau 0.01 m3
/s.
1.6 Skop Kajian Hidrologi
“ Tahukah anda bidang hidrologi mempunyai skop yang sangat luas yang
berkaitan dengan perkara berkaitan biotik dan abiotik dan semakin penting dalam
kehidupan moden dan mencabar masa kini”
Pembangunan Sumber Air: Membantu menentukan kedapatan (availability)
sumber air dalam suatu kawasan tadahan. Berapa banyak air dan bila air boleh
didapati. Penting untuk merancang dan merekabentuk bekalan air untuk
pertanian, industri, domestik, rekreasi, pelayaran sungai, pengangkutan, perikanan
dan jana kuasa hidro.
Ramalan dan Rekabentuk Kawalan Banjir: Membantu meramalkan
kemungkinan berlaku banjir di suatu kawasan, dari segi masa, kekerapan dan
magnitud. Maklumat ini digunakan untuk mengelakkan dan mengurangkan
kerosakan akibat banjir, merancang dan merekabentuk struktur berkaitan seperti
7. 7
sistem perparitan dan saliran (pertanian dan perbandaran), jambatan, kulvet,
empangan, kolam takungan, terusan dan struktur kawalan banjir yang lain.
Merancang pembangunan sumber air alternatif (air bumi): Mengetahui
perkembangan air bumi. Penting diketahui sebagai sumber air tambahan dan
alternatif kepada air permukaan khususnya semasa musim kemarau berpanjangan
dan juga kesan kewujudannya terhadap muka bumi.
Merancang Pengekalan dan Pemuliharaan Ekosistem: Kebanyakan ekosistem
semula jadi bergantung kepada keadaan rejim hidrologi suatu kawasan tadahan.
Umpamanya populasi hidupan air seperti ikan dan tumbuhan akuatik bergantung
kepada tahap rejim hidrologi lembangan sungai.
1.7 Kitaran Hydrologi (Hydrological cycle)
“ Tahukah anda di manakah letaknya titik permulaan bermulanya proses
kitaran hidrologi”
Definisi: “Kitaran hidrologi ialah satu kitaran peralihan air (water transfer) yang
berlaku di muka bumi (earth) secara berterusan dan semula jadi”.
Tiga fasa penting berlaku (Gambarajah 1.2)
Proses pengwapan/sejatan (evaporation) dan perpeluwapan
(evapotranspiration)
Curahan/Kerpasan (precipitation)
Air Larian (runoff)
Penjelasan:
Bumi terdiri dari 1/3 darat, 2/3 laut
Proses sejatan (laut, tasek, sungai, tanah basah) dan sejatpeluhan (pokok,
tanaman) berlaku secara semulajadi.
Air bertukar menjadi wap air. Wap air naik keudara dan berlaku pengentalan
(condensation) sebelum bertukar menjadi awam dalam bentuk butiran. Awan
8. 8
`
Gambarajah 1.2: Kitaran Hidrologi
Hutan
Pertanian
Perbandaran
Lautan
Sungai &
tasek
P
F
R
R
R
ET
E
E
DF
Takungan air bawah tanah
P: Hujan; ET: Sejatpeluhan; E: Pengwapan; R: Air larian Permukaan
F: Susupan; DF: Susupan dalam; I: Pintasan; GW: Air bawah tanah
I
GW
9. 9
akan mencair (melt) dan terjadi pelbagai bentuk kerpasan (hujan, salji, embun)
bergantung kepada kawasan setempat.
Sebahagian daripada hujan mengalir dalam bentuk air larian permukaan
(memasuki tasek, sungai, laut) dan sebahagiannya menyejat semula dan
sebahagiannya menyusup ke dalam tanah dan membentuk air bumi.
Proses ini berulang-ulang tanpa henti.
1.8 Data hidrologi
“ Tahukah anda tahap ketamadunan sesebuah Negara boleh diukur dari segi
kuantiti dan kualiti data hidrolgi yang terdapat di negara tersebut”
Bagi melaksanakan analisis hidrologi secara kuantitatif, data hidrologi berkaitan
diperlukan. Data-data hidrologi boleh didapati melalui proses cerapan,
pengrekodan, pengumpulan dan analisis sebelum boleh digunakan dalam
rekabentuk kejuruteraan atau applikasi lain. Selain melalui proses cerapan data-
data hidrologi boleh didapati daripada jabatan-jabatan kerajaan berkenaan.
Data hujan boleh didapati daripada Jabatan Perkhidmatan Kajicuaca Malaysia
(JKC), Jabatan Pengairan dan Saliran (JPS).
Data aliran sungai boleh didapati daripada JPS, Jab Alam Sekitar (JAS)
Data meteorology; pengwapan, suhu, angin, kelembapan, sinar suria boleh
didapatkan daripada JKC
Rekod paras air bumi boleh didapati daripada Jabatan Kaji Bumi (JKB)
Porla tanaman, tumbuhan boleh didapati daripada Jabatan Pertanian (JP),
Jabatan Perhutanan, Jabatan pemetaan
Data sifat-sifat fizikal kawasan projek (keluasan, bentuk, topografi, kecerunan,
ketumpatan sungai) boleh didapati daripada Jabatan pemetaan, Jabatan
Remote Sensing Negara.
10. 10
1.9 Data Meteorologi (Meteorological Data)
Data-data meterologi sering kali diperlukan bersama-sama data hidrologi dalam
analisis tertentu. Antaranya ialah,
Suhu (temperature):
Alat pengukur: jangkasuhu (thermometer)
Unit: o
C, o
F
Suhu Max: Tmax o
C 31-32
Suhu Min: Tmin o
C 21-22
Suhu Purata: T avg o
C 26-27
Kelajuan angin (wind speed)
Alat pengukur: anemometer (kelajuan), cawan anemometer (arah angin), unit:
m/s, km/hari
Sinaran suria (sunshine)
Alat: meter sinar suria
Unit: Joule (J), KJ, MJ
Kelembapan bandingan (relative humidity)
Alat: Termohidrograf (Thermohydrograph)
unit: peratus (%)
1.10 Persamaan Am Hidrologi (Hydrological Water Balance)
“ Tahukah anda persamaan am hidrologi merupakan persamaan yang paling
asas dalam menyelesaikan sebarang masaalah berkaitan sumber air ”
Persamaan hidrologi ialah satu kenyataan mengenai hukum Pengabadian dan
keseimbangan terhadap kuantiti air,
OI
dt
dS
−= 1.1
11. 11
di mana:
dS/dt = kadar perubahan air dalam satu system takungan/simpanan
I = jumlah air masuk
O = jumlah air keluar
Persamaan ini menyatakan untuk satu jangkamasa tertentu, keseimbangan air akan
berlaku dan jumlah kadar air masuk mestilah sama dengan jumlah kadar alir air
keluar ditambah dengan kadar perubahan yang terdapat dalam takungan. Peroses
keseimbangan ini dijelaskan dalam gambarajah 1.3. Gambarajah 1.3a mewakili
kawasan tadahan atau takungan yang telah diketahui keluasan atau saiznya,
manakala gambarajah 1.3b menggambarkan perubahan kadar alir yang berlaku
dalam tadahan tersebut disebabkan oleh perubahan simpanan dalam takungan.
Gambarajah 1.3: Konsep Persamaan Am Hidrologi
Q
O
dS/dtI
Takungan/ Kawasan Tadahan
t
I
O
(a) (b)
12. 12
BAB 2
CURAHAN
Objektif:
Memperkenalkan kepada pelajar tentang satu komponen kitaran hidrologi
yang paling penting, iaitu curahan atau kerpasan.
Mengenali jenis-jenis curahan
Mempelajari pelbagai kaedah menentukan kuantiti curahan
Mempelajari bagaimana kuantiti hujan digunakan dalam rekabentuk
kejuruteraan
2.1 Definasi Curahan atau Kerpasan
Curahan terbahagi kepada 2 kumpulan
Curahan bentuk cecair (liquid) – hujan
Curahan bentuk pejal (frozen) – salji, hail, sleet, dsb
Hujan: titisan air bergarispusat 0.5 – 6.0 mm yang jatuh dari udara.
< 2.5 mm/jam – hujan renyai (light rain)
2.5-7.5 mm/jam – sederhana lebat (moderate)
> 7.5 mm/jam – hujan lebat (heavy)
Dalam konteks Negara kita, oleh kerana tidak terdapat salji, maka curahan atau
kerpasan yang kita maksudkan ialah hujan.
13. 13
2.2. Jenis-jenis Hujan
Jenis hujan pada dasarnya ditentukan mengikut faktor yang bertanggungjawab
bagi mengangkut udara lembab ke udara sebelum membentuk hujan.
Hujan olakan (covective)
Hujan Orografi (Orographic)
Hujan perenggan (frontal)
Hujan putting beliung (cyclone)
Hujan Tiruan-pembenihan Awan (Cloud Seeding)
2.1.1. Hujan Olakan
Udara panas yang berketumpatan rendah ditiup angin keudara dan disejukan
melalui proses adiabatik untuk membentuk awam. Kadar penyejukan ialah pada
kadar 5o
C/100m ketinggian, sehingga udara lembab mencapai suhu embun (dew
point). Jika proses penyejukan terus berlaku, maka awan akan terlerai dan
terjadilah hujan.
Gambarajah 2.1. Hujan Olakan
2.1.2 Hujan Orografi
Hujan yang terbentuk akibat pergerakan udara panas ke kawasan pergunungan dan
proses penyejukan berlaku.
Tanah lembab
Udara lembab
14. 14
Gambarajah 2.2. Hujan Orografi
2.1.3. Hujan Perenggan
Hujan yang berlaku akibat pertembungan jisim-jisim udara yang mempunyai suhu
dan ketumpatan yang berbeza dan berlaku proses pengwapcairan.
2.1.4. Hujan putting beliung (cylone rain):
Berlaku apabila udara lembab bergerak menumpu kepada kawasan bertekanan
rendah. Angin akan bertiup berputar ke dalam mengikut pusingan lawan jam
(bagi kawasan di hemisfera utara), dan mengikut pusaingan jam (bagi kawasan di
hemispfera selatan). Putting beling tropika dipanggil juga hurricane, typhoon,
dsb.
Gambarajah 2.3. Hujan putting beliung
PENINSULAR
MALAYSIA SABAH
SARAWAK
KALIMANTAN
BRUNEI
SOUTH CHINA SEA
Garisan Khatulistiwa
Angin Laut
Pasifik
Angin Laut
China Selatan
Garisan Tekanan Udara
15. 15
2.1.5. Hujan Tiruan/Pembenihan Awam
Terangkan, proses bagaimana hujan tiruan dan pembenihan awan di bentuk?
2.3. Pencerapan Data Hujan
Peralatan
Alat yang diguna: tolok hujan
jenis tolok hujan: bukan automatik dan automatik, rain logger
Mengandungi beberapa komponen: jam perakam waktu mekanikal, drum serta
kertas graf, pen untuk mencatat carta hujan
Tolok hujan bukan automatik (non-recording):
tidak boleh buat bacaan sendiri. Kena periksa dan ukur jumlah setiap hari
Tolok hujan automatik
jenis; Tipping bucket dan weighing
data logger
Automatik radio reporting rain gauge
bagi kawasan pendalaman
Radar-satellite
signal pada radar yang terpantul oleh hujan dapat menentukan banyaknya
hujan dan taburannya
16. 16
Gambarajah 2.4:. Tolok Hujan Automatik
2.2.2. Kedudukan tolok hujan
kawasan yang rata dan lapang
kedudukan mestilah >4 h meter dari bangunan atau pokok yang tingginya h
meter
diletakkan pada ketinggian 75 cm dari permukaan tanah
Gambarajah 2.5: Kedudukan tolok hujan yang betul
2.2.3. Rangkaian tolok hujan yang diperlukan
• kawasan rata: 600-900 km persegi/stesen
• kawasan berbukit: 100-250 km persegi/stesen
h
h
>2h
<30o
Tolok
hujan
17. 17
2.4 Analisis Data Hujan
Rekod hujan perlu kemaskini sebelum boleh dianalisis secara saintifik dan
boleh digunakan dalam reka bentuk kejuruteraan. Analisis data hujan bermula
dari dua konsep: Hujan Tititk dan Hujan Kawasan.
Hujan Titik (point rainfall): rekod hujan yang satu stesen hujan, biasanya
mewakili <50 km persegi bergantung kepada rupa bentuk kawasan
Hujan Kawasan (areal rainfall): rekod hujan yang mewakili satu kawasan
pada keluasan tertentu yang diterbitkan daripada rekod-rekod hujan titik.
Menganggar data hujan yang tidak lengkap (Missing data)
Untuk penjelasan selanjutnya saya akan gunakan Stesen X sebagai stesen yang
bermasalah atau tidak lengkap
Data hujan mungkin tak dapat dikutip atau hilang kerana tolokk hujan rosak
atau diperbaiki, pekerja cuti, dsb. Akibatnya data tidak lengkap. Telah
dijelaskan sebelum ini, data hujan mesti lengkap sebelum rekabentuk
hidrologi dapat diteruskan.
4 kaedah saintifik digunakan untuk melengkapkan data
a. Kaedah purata kira-kira (simple arithmatic)
b. Kaedah purata berpemberat normal (normal weight average)
c. Kaedah interpolasi garisan-garisan sehujan (isohyet interpolation)
d. Kaedah empat sukuan (quadrant method)
Kaedah purata kira-kira
Menggunakan rekod hujan stesen berhampiran
Sesuai jika hujan tahunan normal bagi stesen X mempunyai nilai + 10%
daripada nilai hujan tahunan stesen-stesen berhampiran yang digunakan dalam
penganggaran.
18. 18
Rumus:
)(
1
DCBAx PPPP
n
P +++= (2.1)
di mana
Px = rekod hujan stesen X
PA, PB, PC, PD = rekod hujan stesen A, B, C, D
Gambarajah 2.6: Menganggar data hujan tidak lengkap-lengkap kaedah
purata kira-kira
Kaedah purata berpemberat normal
Menggunakan data hujan stesen berhampiran
Sesuai digunakan untuk menganggar data hujan yang tidak lengkap bagi
jangkawaktu yang lebih panjang, contoh: hujan bulanan.
sesuai jika hujan tahunan normal bagi stesen X mempunyai nilai
>10% dpd nilai hujan tahunan stesen-stesen berhampiran yang digunakan
dalam penganggaran
Prosidur:
a. Dapatkan bacaan hujan bagi bulan ? bagi stesen-stesen yang berdekatan
(Stesen A, B, C,,,) dengan stesen X
A
B
D
C
X
19. 19
b. Dapatkan bacaan hujan purata tahunan bagi semua stesen yang terlibat
termasuk stesen X
c. Anggarkan bacaan hujan bagi Stesen X untuk bulan X menggunakan rumus
berikut:
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
++= .......)()(
1
B
B
X
A
A
X
X P
N
N
P
N
N
n
P (2.2)
di mana,
n = jumlah stesen hujan berdekatan yang terlibat
Px = hujan bulanan bagi stesen X yang ingin dianggar
NX = hujan purata tahunan bagi stesen X
NA, NB, NC = hujan purata tahunan bagi stesen-stesen A, B, C
PA, PB, PC = hujan bulanan bagi stesen-stesen A, B, C
Kaedah interpolasi garisan sehujan
Sesuai digunakan untuk menganggar data hujan bagi jangkawaktu yang
lebih panjang contohnya hujan tahunan.
Prosidur:
a. Dapatkan data- data hujan bagi stesen hujan yang berhampiran, atau
dapatkan garisan - garisan sehujan bagi kawasan yang terlibat .
b. Lakaran garisan sehujan [ isohyet ] iaitu garisan yang menghubungkan
kawasan yang menerima hujan yang sama.
c. Menggunakan kaedah interpolasi, anggarkan nilai hujan bagi stesen yang tidak
dapat dikutip menggunakan garisan-garisan isohyet tersebut.
20. 20
Gambarajah 2.7: Menganggar data hujan tidak lengkap Kaedah interpolasi
garisan sehujan
Kaedah empat sukuan (quadrant method)
Kaedah-kaedah yang telah dibincangkan sebelum ini tidak mengambilkira
faktor-faktor berikut,
Jarak tolok-tolok lain dengan tolok yang bermasalah
Keamatan (density) tolok-tolok hujan
Kaedah purata berpemberat (normal ratio average) memerlukan hujan purata
tahunan bagi stesen-stesen berhampiran
Kaedah interpolasi isohyet memerlukan rangkaian tolok hujan yang intensif
untuk membentuk isohyet yang lengkap
Kesemua kaedah tersebut mempunyai kelemahan
Kaedah empat sukuan dapat mengatasi masalah ini
40cm
30cm
20cm
10cm
•Stn X
21. 21
Prosidur
Katakan Stesen Q ialah stesen bermasalah,
a. Plotkan sempadan kawasan tadahan dan kedudukan stesen-stesen hujan yang
terlibat termasuk stesen Q menggunakan teknik koordinat (X,Y)
b. Bahagikan kawasan tadahan kepada empat sukuan, (X-X, Y-Y). Pastikan
garisan pembahagi mengenai tepat pada stesen Q.
c. Tentukan jarak tolok Q dengan tolok-tolok yang digunakan dalam analisis (d).
d. Pilih hanya satu tolok sahaja daripada dalam satu sukuan, iaitu tolok yang
paling hampir dengan tolok Q.
e. Dapatkan pemberat bagi setiap tolok, Wi
∑
=
)(1/d
1/d
2
i
2
i
iW (2.3)
di = jarak tolok i dari tolok Q
f. Darabkan setiap pemberat (Wi) dengan ukur dalam hujan stesen berkenaan (Pi)
g. Jumlah hasil darab setiap tolok hujan (ΣWiPi) untuk mendapatkan anggaran
ukur dalam stesen Q
2.5 Menguji keseragaman rekod hujan titik
Keseragaman rekod hujan bagi satu stesen perlu diuji dari masa kesemasa
Ketidak seragaman rekod hujan bagi suatu kawasan boleh berlaku disebabkan:
lokasi tolok hujan berubah
perubahan sekitaran (bangunan, pokok-pokok, dsb)
perubahan peralatan dan prosidur
22. 22
Gambarajah 2. 8: Menganggar data hujan tidak lengkap-kaedah empat
sukuan
Kaedah lengkung jisim berganda (double mass curve)
Analisis lengkung jisim berganda (LJB) ialah satu kaedah untuk menguji
keseragaman rekod suatu stesen hujan. LJB ialah geraf himpunan data hujan bagi
satu stesen yang ingin kita uji melawan himpunan data hujan bagi beberapa stesen
yang mempunyai persamaan sifat hidrometeorologikalnya. Sekali lagi Stesen X
merupakan stesen yang ingin kita uji.
Prosidur:
a. Dapatkan nilai hujan tahunan (beberapa tahun) bagi stesen X
b. Dapatkan nilai hujan tahunan purata (beberapa tahun) bagi beberapa
stesen yang mempunyai persamaan dengan stesen X
c. Plotkan himpunan hujan tahunan stesen X melawan himpunan hujan
purata tahunan stesen-stesen berhampiran
X X
Y
Y
B
Q=?
C
A
F
DE
d
23. 23
d. Daripada plot tersebut, tentukan tahun dimana persekitaran stesen hujan
didapati berubah melalui perubahan kecerunan dua garisan kecerunan
yang terbentuk.
e. Tentukan nisbah diantara kecerunan garis lurus sebelum perubahan
sekitaran (S1) dan kecerunan garis lurus selepas perubahan sekitaran (S2).
Gambarajah 2.9: Pelarasan Rekod Hujan kaedah Lengkung Jisim Berganda
Himpunan
hujan tahunan
stesen X
Himpunan purata banyak stesen
Himpunan
hujan tahunan
stesen X
S1
S2
(a)
Himpunan purata banyak stesen
Y1
Y1’
(b)
S2
S1
Himpunan purata banyak stesen
Himpunan
hujan tahunan
stesen X
S2
Y2
’
S1
Y2
24. 24
f. Laraskan rekod hujan bagi stesen X menggunakan rumus berikut:
11
'
YY
1
2
S
S
= atau 2
1
2
'
YY
2S
S
=
Yang mana berkenaan, di mana
Y’1, Y’2 = rekod hujan stesen X selepas di laras
S1 = kecerunan garisan lurus sebelum berlaku perubahan
S2 = kecerunan garisan lurus selepas berlaku perubahan
Y1, Y2 = rekod hujan stesen X sebelum di laras
2.6 Analisis Hujan Kawasan (Areal Rainfall)
Bagi kebanyakan kajian hidrologi kejuruteraan, maklumat mengenai hujan
kawasan diperlukan. Alasannya mudah. Kebanyakan projek kejuruteraan
berkaitan sumber air melibatkan pembangunan kawasan. Contohnya, sistem
saliran untuk suatu kawasan perumahan, kawasan tadahan untuk bekalan air
suatu empangan, sistem pengairan suatu kawasan tanaman, dsb.
Tetapi rekod hujan hanya mampu didapati dalam bentuk hujan titik
Perlu gunakan kaedah tertentu untuk mengubah rekod-rekod hujan titik
kepada hujan kawasan
5 kaedah: Purata kira-kira, Poligon Thiessen, Garisan sehujan, Hipsometrik,
Pelbagai sukuan
Kaedah Purata Kira-Kira (Arithmatic average)
Kaedah paling mudah
Purata hujan bagi tolok-tolok yang terdapat di dalam kawasan tadahan sahaja
Sesuai bagi kawasan yang mempunyai stesen hujan yang banyak dan sekata
25. 25
Rumus,
n
P
P i
p
∑= (2.5)
di mana
Pp = hujan purata kawasan
Pi = hujan stesen i
n = bilangan stesen yang terlibat
Gambarajah 2.11: Hujan Kawasan-kaedah purata kira-kira
Kaedah Poligon Theissen
Kaedah ini dilakukan dengan membahagikan kawasan tadahan kepada
sub-kawasan-sub-kawasan berbentuk polygon. dan stesen hujan yang terlibat
terletak di tengah-tengah poligon berkenaan. Keluasan poligon-poligon
merupakan pemberat kepada setiap stesen hujan yang terlibat. Kelebihan kaedah
ini adalah seperti berikut:
Kaedah yang lebih tepat
Mengambil kira keluasan kawasan yang diwakili oleh setiap stesen
Keadaan topografi tidak diambil kira
Keluasan bagi setiap poligon boleh diukur menggunakan jangka pelan
Sesuai bagi kawasan rata, kurang sesuai bagi kawasan berbukit
Tidak memerlukan taburan stesen yang seragam
A
B
D
C
X
26. 26
Prosidur:
a. Dapatkan pelan kawasan tadahan berserta dengan kedudukan stesen-
stesen hujan yang terlibat
b. Binakan garisan lurus menyambungkan diantara semua stesen hujan
c. Bahagikan garisan lurus tersebut kepada 2 sama
d. Bina garisan tegak (sudut 90o
) pada titik pembahagi 2 garisan lurus
e. Bentukkan poligon-poligon dengan menyambungkan titik-titik pertemuan
diantara garisan tegak
f. Kira keluasan setiap poligon
g. Kira hujan kawasan menggunakan rumus.
∑
∑=
i
ii
A
AP
pP (2.6)
PP = hujan purata kawasan
Pi = hujan stesen i ,
Ai = keluasan poligon i
Gambarajah 2.12: Hujan Kawasan-kaedah Poligon Theissen
A B
C
Sempadan tadahan
Poligon A
Poligon B
Poligon C
27. 27
Kaedah Garisan Sehujan (Isohyetal method)
Dalam kaedah ini, garisan-garisan sehujan suatu kawasan tadahan perlu
disediakan dahulu. Purata pemberat diantara garisan-garisan sehujan digunakan
sebagai pekali anggaran hujan kawasan.
Kaedah ini dianggap lebih tepat kerana mengambil kira kedua-dua aspek
keluasan dan topografi kawasan
Garisan sehujan biasanya disediakan dengan mengambil kira topografi
Prosidur
a. Daripada rekod hujan stesen-stesen hujan yang terdapat dalam kawasan
tadahan, binakan garisan-garisan sehujan
b. Ukur keluasan kawasan yang dirangkumi diantara dua garisan sehujan
c. Kira purata hujan diantara dua garisan sehujan
d. Kira hujan purata kawasan menggunakan rumus berikut:
( ){ }
∑
∑ ++
=
i
iii
p
A
APP
P
*2/1
(2.7)
Dimana,
PP = hujan kawasan
Pi = nilai hujan bagi garisan sehujan i
Pi + 1 = nilai hujan bagi garisan sehujan i + 1
Ai = keluasan yang dirangkumi diantara garisan
sehujan i dan i + 1
28. 28
Gambarajah 2.13: Hujan Kawasan- kaedah garisan sehujan
Kaedah Hipsometrik (Hypsometric)
Mengambil kira topografi kawasan
Sesuai untuk kawasan berbukit
Sesuai untuk tujuan kajian hidrologi secara terperinci untuk petak
percubaan
2.5 Persembahan data hujan
Data hujan boleh dipersembahkan secara grafik dalam pelbagai bentuk untuk
tujuan tertentu:
a) Lengkung jisim (mass curve): Geraf himpunan ukur dalam hujan
melawan masa. Boleh didapati terus dari carta tolok hujan automatik and
rain logger.
b) Keamatan hujan, i : kedalaman hujan per unit masa dan boleh dikira
daripada lengkung jisim hujan, i.e. dP/dt
p
pi-1
pi+1
Ai
29. 29
c) Hitograf (hyetograph): Geraf histogram keamatan hujan melawan masa.
d) Lengkung Keamatan-Tempoh Hujan (Intensity-Duration-Curve)
Jika terdapat hujan yang berbeza keamatan dan tempohnya, maka pertalian
diantara keduanya boleh dianggarkan menggunakan rumus empirikal berikut:
Untuk hujan tempoh 5-120 minit
bt
a
+
=i formula Talbot (2.8)
untuk hujan tempoh >120 minit
x
kti = (2.9)
di mana
i = keamatan hujan
t = tempoh hujan
a, b, k, x = nilai-nilai pemalar bagi suatu kawasan
30. 30
CONTOH SOALAN DAN PENYELESAIAN:
Contoh 2.1
Menganggar rekod hujan yang gagal dicerap
Kaedah purata kira-kira
Gambarajah menunjukkan satu kawasan tadahan hujan berserta kedudukan stesen
hujan. Pada satu bulan tertentu, rekod hujan bagi stesen X tidak didapati.
Menggunakan kaedah purata kira-kira, anggarkan nilai hujan bulan tersebut bagi
stesen X.
Stesen X A B C
Hujan Bulan
November
(cm)
? 12.5 14.5 19.9
Hujan
Tahunan
(cm)
115 125 120 110
Rumus
n
P
P i
p
∑=
n
PPP
P
CBA
p
∑ ++
= cmPp 63.14
3
9.165.145.12
=
++
=
Contoh 2.2
Menganggar rekod hujan yang gagal dicerap
Kaedah purata berpemberat (weighted average)
Tolok hujan bagi stesen X telah rosak pada bulan November. Rekod hujan bagi
bulan November untuk stesen-stesen J, K, L yang terletak berhampiran dengan
stesen X di berikan dalam jadual. Hujan purata tahunan bagi kesemua stesen juga
diberikan. Menggunakan kaedah purata berpemberat normal anggarkan bulan
November bagi stesen X.
A
B
C
X
31. 31
Stesen X J K L
Hujan Bulan
November
(cm)
? 12.5 14.5 19.9
Hujan
Tahunan
(cm)
115 125 145 130
Rumus
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
++= .......)()(
1
B
B
X
A
A
X
X P
N
N
P
N
N
n
P
n = 3
Px = ?
Nx = 115 cm
NJ, NK, NL = 125, 145, 130 cm
PJ, PK, PL = 12.5, 14.5, 19.9 cm
cmPX 53.139.19)
130
115
(5.14)
145
115
(5.12)
125
115
(
3
1
=
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
++=
Contoh 2.3.
Menganggar rekod hujan yang gagal dicerap
Kaedah Interpolasi Garisan Sehujan
Gambarajah menunjukkan satu kawasan tadahan berserta kedudukan stesen-stesen
hujan dan rekod bagi Bulan Julai. Rekod hujan bagi Stesen D tidak didapati
kerana tolok hujan rosak. Anggarkan rekod hujan bulan Julai bagi Stesen D.
Daripada interpolasi garisan sehujan,
Hujan bagi Stesen D dapat dianggarkan sebagai,
J
K
X?L
32. 32
PD = 3.7 cm
Contoh 2.4
Menganggar Data hujan yang gagal dicerap
Kaedah Empat Sukuan
Kedudukan tolok hujan yang terdapat di dalam satu kawasan tadahan serta
bacaannya diberikan dalam bentuk koordinat seperti jadual di bawah. Guna
kaedah empat sukuan untuk menganggar bacaan tolok M yang gagal dicerap.
No
Tolok
M A B C D E
Hujan
(cm)
? 16 18 15 20 17
Kodinat
(X,Y)
(0,0) (2,4) (-1.6) (-3, -2) (3, -3) (2,2)
3.5 cm
3.0 cm
4.0 cm
•D=?
4.0 cm
•D=?
3.5 cm
Intepolasi garisan
33. 33
Jadual Penyelesaian
Sukuan Tolok x-x y-y di
2
di 1/di
2
Pi Wi WiPi
I A 2 4 20 4.47 16
F 2 2 8 2.83 .125 17 .44 7.48
II D 3 3 18 4.24 .055 20 .194 3.88
III C 3 2 13 3.60 0.77 15 .271 4.06
IV B 6 1 37 6.08 .027 18 .095 1.71
Jumlah .284 1.00 17.1
Rumus
)(1/d
1/d
2
i
2
i
∑
=iW
Anggaran Tolok M,
∑ == cmPWP iiM 1.17
Rajah Empat Sukuan
Contoh 2.5
Menguji Keseragaman Rekod Hujan
Kaedah lengkung jisim berganda
Jadual dibawah menunjukkan rekod hujan tahunan bagi stesen X dan hujan
tahunan purata bagi 3 stesen berhampiran. Uji keseragaman rekod hujan bagi
stesen X menggunakan kaedah lengkung jisim berganda. Tentukan tahun
manakah berlakunya perubahan sekitaran pada stesen X dan laraskan rekod hujan
tahunan bagi stesen X.
• Stn M
•A(2,4)
•F(2,2)
•B(-1,6)
•C(-3,-2)
•D(3,-3)
I
II
III
IV
34. 34
Tahun Hujan Tahunan (cm)
A B C X
1979 22 26 23 28
1980 21 26 25 33
1981 27 31 28 38
1982 25 29 29 31
1983 19 22 23 24
1984 24 25 26 28
1985 17 19 20 22
1986 21 22 23 26
Jadual Penyelesaian
Tahun Jumlah Himpunan Jumlah
A+B+C A+B+C X
1979 71 71 28
80 72 143 61
81 86 229 99
82 83 312 130
83 64 376 154
84 75 451 182
85 56 507 204
86 66 573 230
Daripada graf, didapati
S1 = 0.43 , S2 = 0.38
Faktor Pelaras (Adjusment factor)
S2/S1 = 0.88 S1/S2 = 1.13
Didapati mulai 1981 keadaan kesekitaran stesen hujan X telah berubah. Maka
Rekod hujan sebelum 1981 perlu dilaras dengan mendarabkan faktor 0.88 (Jadual
A1). Sebaliknya, rekod hujan selepas 1981 perlu didarabkan dengan faktor 1.13,
jika rekod hujan hendak diselaraskan dengan rekod masa lalu (Jadual A2).
35. 35
Gambarajah ujian keseragaman rekod hujan
Jadual A1 Jadual A2
Tahun Hujan Tahunan X (cm) Tahun Hujan Tahunan X (cm)
Sebelum
penyelarasan
Selepas
penyelarasan
Sebelum
penyelarasan
Selepas
penyelarasan
1979 28 25 1979 28 28
1980 33 29 1980 33 33
1981 38 33 1981 38 38
1982 31 31 1982 31 35
1983 24 24 1983 24 27
1984 28 28 1984 28 32
1985 22 22 1985 22 25
1986 26 26 1986 26 29
0
50
100
150
200
250
0 200 400 600 800
Himpunan (A+B+C)(cm)
HimpunanA(cm)
S1
S2
Tahun berlaku perubahan (1981)
36. 36
Contoh 2.6
Mengira Purata hujan kawasan
Kaedah purata kira-kira
Gambarajah di bawah menunjukkan rangkaian tolok hujan yang terdapat dalam
sebuah kawasan tadahan. Anggarkan nilai hujan kawasan menggunakan kaedah
Purata kira-kira.
Rumus
n
P
P i
p
∑= cmPp 33.1
3
)0.12.18.1(
=
++
=
∑
nota: Dalam kaedah ini, tolok di luar sempadan tadahan tidak boleh diambil kira
Contoh 2.7
Mengira Purata Hujan Kawasan
Kaedah Poligon Theissen
Gambarajah di bawah menunjukkan rangkaian stesen-stesen hujan yang terdapat
di dalam dan berhampiran sebuah kawasan tadahan. Anggarkan nilai hujan
kawasan bagi tadahan tersebut menggunakan kaedah Poligon Theissen.
Tolok Pi(cm) Ai(km2
)
PiAi
A 2.0 8.0 16.00
B 1.5 15.0 22.50
C 1.2 10 12.00
D 1.0 5.0 5.00
Jumlah 38.00 55.50
•A=2.0cm •B=1.5 cm
•C=1.2cm
AA
AB
AC
AD
•J=1.8cm
•K=1.2cm
•X
•L=1.0cm
37. 37
Rumus
∑
∑=
i
ii
A
AP
pP cmPp 35.1
38
5.55
==
nota: Dalam kaedah ini, tolok di luar sempadan tadahan diambil kira
Contoh 2.8
Mengira Purata Hujan Kawasan
Kaedah Garisan Sehujan
Gambarajah di bawah menunjukkan rangkaian stesen-stesen hujan yang terdapat
di dalam dan berhampiran sebuah kawasan tadahan. Anggarkan nilai hujan
kawasan bagi tadahan tersebut menggunakan kaedah Garisan sehujan (Isohyet)
Jadual Penyelesaian
Zon Isohyet
(cm)
Ai
(km2
)
P purata AiP
purata
I >2.0 0.1 2.0 0.20
II 1.5-2.0 8.9 1.75 15.58
III 1.0-1.5 9.4 1.25 11.75
IV 0.5-1.0 3.2 0.75 2.40
V <0.5 0.1 0.25 0.025
Jumlah 21.70 29.96
Rumus
( ){ }
∑
∑ ++
=
i
iii
p
A
APP
P
*2/1
cmPp 38.1
70.21
96.29
==
2.0cm
1.5cm
0.5cm
1.0cm
I
II
III
IV
V
38. 38
BAB 3
SEJATAN DAN SEJATPELUHAN
Objektif bab ini adalah:
Mempelajari pelbagai kaedah empirikal untuk menentukan kadar sejatan dan
sejatpeluhan, merupakan komponen penting dalam kitaran hidrologi
khususnya dalam bidang pengairan dan keperluan air tanaman.
Mengenal pelbagai jenis jadual meteorologi yang telah diterbitkan untuk
digunakan dalam pengiraan kadar sejatan dan sejatpeluhan
3.1. Sejatan, E (Evaporation)
Proses di mana air dalam bentuk cecair berubah bentuk menjadi wap dan
bercampur dengan udara
Maklumat mengenai sejatan diperlukan untuk mengira kadar kehilangan air
dari dalam takungan atau permukaan tadahan
Kadar sejatan dipengaruhi oleh:
pancaran suria
suhu air dan udara
kelembapan bandingan udara
kelajuan angin
Kaedah menentukan kadar sejatan
39. 39
a) Kaedah `water budget’
sesuai untuk menganggar kadar kehilangan air pada takungan
GWOPIdSE −−++−= (3.1)
E = sejatan
dS = perubahan pada simpanan
I = kadar aliran air masuk
O = kadar aliran air keluar
P = hujan
GW = aliran air ke bumi
b) Kaedah Perpindahan Jisim (mass transfer)
berdasarkan konsep perpindahan alunan wap air dpd permukaan
air ke udara
merupakan satu kaedah empirikal
Hukum Dalton
))(( buaeeE ao +−= (3.2)
E = sejatan (cm/hari)
eo = tekanan wap pada permukaan air (mb)
ea = tekanan wap di atas permukaan air (mb)
u = kelajuan angin (m/saat)
a, b = pemalar empirikal
c) Kaedah `Energy Budget’
kaedah yang lebih tepat
VoenN QQQQQ −=−− (3.3)
40. 40
)1( RpLe
QQQ
E OVN
+
++
= (3.3)
di mana,
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
−
−
=
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
−
−
=
as
as
as
as
ee
TT
x
ee
PTT
R
)1000)(
))((
66.0 (3.4)
di mana
E = sejatan (cm/hari)
P = ketumpatan air (g/cm3
)
P = tekanan udara kasa (mb)
Ta = suhu udarao
C
Ts = suhu permukaan airo
C
ea = tekanan wap udara (mb)
es = tekanan wap tepu (mb)
x = pemalar psychometrik = (0.66 P)/1000
d). Kaedah Kancah Sejatan (pan)
kaedah yang lebih realistik dan pengukuran cara terus
kancah kelas A, kancah Colorado
- di letak di stesen kajicuaca
- kadar sejatan di rekod setiap hari
- kadar sejatan kancah > sejatan sebenar
Gambarajah 3.1: Kancah Sejatan
H
H
US Class A pan: D=1.21m, H=255mm
British Standard: D=1.83m, H=610mm
41. 41
Pekali kancah,
)(Ekancahsejatan
)(Esebenarsejatan
p
a
=pk
bagi Malaysia, kp = 0.75, bergantung pada lokasi
Persamaan untuk Kancah Kelas A ialah dengan menganggap suhu
udara dan air adalah sama,
)0029.042.0()( 88.0
paoa UeeE +−= (3.5)
di mana
Ea = sejatan harian (mm/hari)
Up = hajalu angin pada ketinggian 150mm di atas kancah (km/hari)
(eo – ea) = perbezaan tekanan wap (mb)
Td ≥ - 27o
C
})8072.000738.0()8072.000738.0{(86.33 88
+−+=− daao TTee
(3.6)
Td = dew point temp o
C
Ta = suhu udara o
C
e). Kaedah PENMAN
Juga satu kaedah menggunakan persamaan aerodinamik dan
imbangan tenaga
Kaedah ini adalah lanjutan dari kaedah Kancah sejatan
)Eγ∆(Q
γ∆
1
an +
+
=E (3.7)
42. 42
∆ = kecerunan saturation vapor pressure vs temp curve
pada suhu udara Ta
Ea = sejatan pada kancah
Qn = net radiant energy
γ = nisbah Bowen = [0.61p/1000)
p = tekanan udarakasa (mb)
)(1000
)(
61.0
ao
oo
ee
TTP
B
−
−
= (3.8)
di mana nilai-nilai To, Ta, eo, ea perlu diketahui
3.2. Perpeluhan, T (Transpiration)
Peroses pengeluaran wap air oleh tumbuhan melalui proses fotosintesis
Maklumat yang cukup penting untuk reka bentuk sistem pengairan
pertanian, rekreasi, padang golf, dsb.
a). Kaedah Blaney-Criddle
BkU s= (3.9)
U = kadar penggunaan air untuk semusim (in)
ks = pekali tanaman (crop coefficient) (Jadual )
B = jumlah faktor penggunaan air bulanan
∑= p/100)(tB (3.10)
t = suhu purata bulanan ( o
F)
p = jumlah jam siang (%) (Jadual )
43. 43
3.3. Sejatpeluhan, ET (Evapotranspiration)
Dalam kajian hidrologi kejuruteraan, konsep ET lebih diberi keutamaan
berbanding E dan T secara individu. Konsep ini lebih sesuai kerana
hidrologi kejuruteraan lebih banyak membincangkan konsep kawasan
tadahan yang lebih bersifat pembangunan kawasan. Sebaliknya dalam
hidrolgi sekitaran, konsep E dan T
ET ialah jumlah kadar air yang hilang melalui gabungan proses sejatan (E)
drp permukaan tanah dan perpeluhan (T) oleh tanaman
2 konsep ET:
a. Sejatpeluhan potensi, ETp (Potential ET): nilai kehilangan air
daripada kawasan yang tidak mempunyai masalah air (air tidak
terhad)
b. Sejatpeluhan sebenar, ETa (Actual ET): nilai kehilangan air yang
sebenar daripda suatu kawasan tadahan.
Faktor-faktor mempengaruhi ET
a. Pancaran Suria (N) (Sunshine)
- sumber tenaga untuk menukar air kepada wap
- ET siang > ET malam
b. Halaju Angin (u) (wind velocity)
- kelajuan angin lebih tinggi menyebabkan ET lebih tinggi, sebab
kadar peralihan wap tepu meningkat
c. Kelembapan bandingan udara (RH) (Relative humidity)
- RH lebih tinggi menyebabkan wap tepu lebih tinggi dan potensi
air untuk menjadi wap semakin kurang kurang. Akibatnya ET
rendah
44. 44
d. Suhu udara (T) (Air temperature)
- suhu semakin tinggi menyebabkan ET lebih tinggi, sebab
keupayaan udara untuk memegang wap lebih tinggi
e. Jenis tanaman dan peringkat tumbesaran tanaman (Type and growth
stages of vegetation)
f. Kelembapan tanah (Soil moisture)
Kaedah Menentukan Kadar ET
a. Kaedah teoretikal - aerodinamik
459.4T
)u)(ue17.1(e 1221
+
−−
=ET (3.11)
e1, e2 = tekanan wap (in Hg) pada paras 2’ dan 28.6’
u1, u2 = halaju angin (batu/jam) pada paras 2’ dan 28.6’
T = suhu o
F
b. Kaedah pengukuran terus- Lisimeter
Perkaitan diantara ETa dan ETp
pca ETkET = kc ialah pekali tanaman (3.12)
Gambarajah 3.2: Lisimeter mudah untuk mengukur kadar ET
Tabung
bekalan
air
45. 45
Gambarajah 3.3: Contoh Lengkung Pekali Tanaman
c. Kaedah Anggaran menggunakan data-data meteorologi dan
sifat fizikal tanah
Beberapa kaedah menganggar ET akan dijelaskan. Antaranya
kaedah Kaedah Penman, kaedah Blaney-Criddle, kaedah Epan
dan kaedah US-ARS. Pemilihan kaedah bergantung kepada
kewujudan data-data meteorology di kawasan berkenaan.
Kaedah Penman (1948)
Kaedah ini memerlukan data-data suhu, kelembapan udara,
halaju angin
Rumus Penman:
)})(()1({ dan eeufWWRcET −−+= (3.13)
Terma Radiasi Terma aerodinamik
ET = Sejat peluhan (mm/hari)
W = faktor pemberat berkaitan suhu
Rn = radiasi bersih yang bersamaan dengan sejatan (mm/hari)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 2 4 6 8
Bulan selepas menanam
pekalitanaman
46. 46
f(u) = fungsi berkaitan dengan halaju angin
(ea-ed) = berbezaan diantara tekanan wap tepu pada suhu udara
purata dan purata tekanan wap tepu sebenar (mbar)
c = faktor pelaras untuk kompensat kesan perubahan siang
dan malam
Nilai (ea-ed) boleh terus dibaca daripada Geraf 3.1 dan Jadual 3.2.
Geraf 3.1. Pertalian antara ea suhu udara
Fungsi angin f(u): kesan halaju angin ke atas ET boleh di
hubungkaitkan dengan rumus berikut:
)
100
1(27.0)(
U
uf += (3.14)
U = jumlah perjalanan angin selama 24 jam pada ketinggian
2m daripada permukaan tanah (km/hari)
Faktor pemberat (1-W): iaitu faktor pemberat kesan angin dan
kelembapan udara, dan boleh dibaca terus dalam Jadual 3.3.
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
50.00
10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00
Suhu (o
C)
ea(mbar)
47. 47
Jadual 3.2. Tekanan wap (ed) daripada Psychrometer data, Altitude 0-1000m
Bulb
kering
To
C
Depression Wet bulb To
C Altitud 0-1000 m
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
40 73.8 64.9 56.8 49.2 42.2 35.8 29.8 24.3 19.2 14.4 10.1 6.0
38 66.3 58.1 50.5 43.6 37.1 31.1 25.6 20.5 15.8 11.4 7.3
36 59.4 51.9 44.9 38.4 32.5 26.9 21.8 17.1 12.7 8.6 4.9
34 53.2 46.2 39.8 33.8 28.3 23.2 18.4 14.0 10.0 6.2
32 47.5 41.1 35.1 29.6 24.5 19.8 15.4 11.3 7.5 4.0
30 42.4 36.5 30.9 25.8 21.1 16.7 12.6 8.8 5.3
28 37.8 32.3 27.2 22.4 18.0 14.0 10.2 6.7 3.4
26 33.6 28.5 23.8 19.4 15.3 11.5 8.0 4.7 1.6
24 29.8 25.1 20.7 16.6 12.8 9.3 6.0 2.9
22 26.4 22.0 18.0 14.2 10.6 7.4 4.3 1.4
20 23.4 19.3 15.5 12.0 8.7 5.6 2.7
18 20.6 16.8 13.3 10.0 6.9 4.1 1.4
16 18.2 14.6 11.4 8.3 5.4 2.7
14 16.0 12.7 9.6 6.7 4.0 1.5
12 14.0 10.9 8.1 5.3 2.8
10 12.3 9.4 6.7 4.1 1.7
8 10.7 8.0 5.5 3.1 0.8
6 9.3 6.8 4.4 2.1
4 8.1 5.7 3.4 1.6
2 7.1 4.8 2.8 0.8
0 6.1 4.0 2.0
Faktor pemberat W: faktor kesan radiasi ke atas ET. Boleh terus dibaca
dalam Jadual 3.4.
Faktor Radiasi bersih, Rn: Rn ialah perbedaan diantara Rn yang diterima dan
Rn yang dipantulkan. Rn boleh di kira menggunakan data pancaran matahari,
suhu udara dan kelembapan udara. Jadual 3.5 dan 3.6 boleh digunakan untuk
membuat anggaran.
1nnsn RRR −=
50. 50
Rns ialah radiasi yang diterima dan Rn1 ialah radiasi yang hilang. Untuk
membuat anggaran Rn, langkah berikut di gunakan (rujuk juga gambarajah
3.4):
Untuk bulan-bulan tertentu, pilih Ra (Radiasi jumlah) daripada Jadual 3.5
bagi kawasan yang mempunyai latitude tertentu,
Rns Rnl Net longwave
longwaveshortwave
Net shortwave
Rsα
Rn = Rns – Rnl = (1-α) Rs - Rnl
Gambarajah 3.4: Keseimbangan Radiasi
57. 57
Jadual 3.9. Faktor p untuk Kaedah Blaney-Criddle
Latititud
Utara
Selatan
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Jul Aug Sep Okt Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun
60o
.15 .20 .26 .32 .38 .41 .40 .34 .28 .22 .17 .13
58 .16 .21 .26 .32 .37 .40 .39 .34 .28 .23 .18 .15
56 .17 .21 .26 .32 .36 .39 .38 .33 .28 .23 .18 .16
54 .18 .22 .26 .31 .36 .38 .37 .33 .28 .23 .19 .17
52 .19 .22 .27 .31 .35 .37 .36 .33 .28 .24 .20 .17
50 .19 .23 .27 .31 .34 .36 .35 .32 .28 .24 .20 .18
48 .20 .23 .27 .31 .34 .36 .35 .32 .28 .24 .21 .19
46 .20 .23 .27 .30 .34 .35 .34 .32 .28 .24 .21 .20
44 .21 .24 .27 .30 .33 .35 .34 .31 .28 .25 .22 .20
42 .21 .24 .27 .30 .33 .34 .33 .31 .28 .25 .22 .21
40 .22 .24 .27 .30 .32 .34 .33 .31 .28 .25 .22 .21
35 .23 .25 .27 .29 .31 .32 .32 .30 .28 .25 .23 .22
30 .24 .25 .27 .29 .31 .32 .31 .30 .28 .26 .24 .23
25 .24 .26 .27 .29 .30 .31 .31 .29 .28 .26 .25 .24
20 .25 .26 .27 .28 .29 .30 .30 .29 .28 .26 .25 .25
15 .26 .26 .27 .28 .29 .29 .29 .28 .28 .27 .26 .25
10 .26 .27 .27 .28 .28 .29 .29 .28 .28 .27 .26 .26
5 .27 .27 .27 .28 .28 .28 .28 .28 .28 .27 .27 .27
0 .27 .27 .27 .27 .27 .27 .27 .27 .27 .27 .27 .27
Kaedah Epan
Kehilangan air yang berlaku pada kancah sejatan (Epan) adalah hasil daripada
proses radiasi, halaju angin, suhu udara dan kelembapan udara secara integrasi
ke atas permukaan air.
Oleh yang demikian, nilai ET sebenar secara tak langsung boleh di perolehi
daripda data-data kancah sejatan.
Rumus:
58. 58
panp EkET *= (3.18)
Epan = jumlah kehilangan air daripada kancah sejatan (mm/hari)
kp = pekali kancah
Nilai kp boleh dirujuk terus daripada Jadual 3.9 untuk Kancah kelas A dan
Jadual 3.10 untuk kancah kelas Colorado
Jadual 3.9. Nilai pekali kancah (kp) untuk pan Kelas A
Pan Kelas
A
Kes A: Pan terletak di kawasan
tanaman renek
Kes B: Pan terletak di kawasan
gersang
RHmean % <40 40-70 >70 <40 40-70 >70
Halaju
Angin
Km/hari
Jarak
dari
kawasan
tanaman
(m)
Jarak
dari
kawasan
gersang
(m)
Ringan
<175
1 .55 .55 .75 1 .7 .8 .85
10 .65 .65 .85 10 .6 .7 .8
100 .70 .8 .85 100 .55 .65 .75
1000 .75 .85 .85 1000 .5 .6 .7
Moderat
175-425
1 .5 .6 .65 1 .65 .75 .8
10 .6 .7 .75 10 .55 .65 .7
100 .65 .75 .8 100 .5 .6 .65
1000 .7 .8 .8 1000 .45 .55 .6
Kuat
425-700
1 .45 .5 .6 1 .6 .65 .7
10 .55 .6 .85 10 .5 .55 .65
100 .6 .65 .7 100 .45 .5 .6
1000 .65 .7 .75 1000 .4 .45 .55
Sangat
Kuat
>700
1 .4 .45 .5 1 .5 .6 .65
10 .45 .55 .6 10 .45 .5 .55
100 .5 .6 .65 100 .4 .45 .5
1000 .55 .6 .65 1000 .35 .4 .45
59. 59
Kaedah US-ARS (US- Agricultural Research Service)
• Kaedah yang lebih tepat kerana mengambil kira kelembapan tanah dan
kadar tumbesaran tanaman
Rumus:
x
p
AWC
SAS
EkGIET ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −
= *** (3.19)
GI = index tumbesaran tanaman (growth index) (%
kematangan)
k = nisbah GI : Sejatan Kancah, 1.0-1.2 untuk rumput
pendek, 1.2-1.6 untuk tanaman pada ketinggian bahu, 1.6-
2.0 untuk kawasan hutan
Ep = Sejatan pada kancah (in/hari)
S = jumlah keronggaan tanah (total soil porosity)
S A = keronggaan tanah yang sedia ada (available soil
porosity)
AWC = keronggaan tanah yang hanya boleh dikurangkan oleh
ET
x = AWC/G (G ialah kelembapan tanah yang boleh
disalirkan secara gravity sahaja
60. 60
CONTOH SOALAN DAN PENYELESAIAN
Contoh 3.1
Menggunakan kaedah Penman, anggar nilai ET untuk bulan Julai bagi
sebuah kawasan yang mempunyai rekod cuaca seperti berikut:
Tmax=35o
C; Tmin=22o
C; RHmax=80%; RHmin=30%, Halaju angin, U, pada
ketinggian 3m =250 km/hari; altitud kawasan= 9m dpd paras laut,
Latitude= 30o
N; Pancaran matahari purata 11.5 jam/hari; Halaju purata
angin siang dan malam ialah masing-masing 3.2 dan 2.1 m/s.
ET = c [ W Rn + (1-W) f(u) (ea-ed)]
a). (ea-ed)
Tmean: = (35+22)/2= 28.5 oC
RH mean = (80+30)/2 = 55
ea pada 28.5 o
C (Jadual) = 38.9 mbar
ed = ea * (RHmean/100) = 21.4 mbar
(ea-ed) = 17.5 mbar
b). f(u)
f(u) = 0.27 (1 + U/100)
U = 232 km/hari
f(u) = 0.9
c). Faktor (1-W)
Altitud = 95 m
Tmax = 35 o
C
Tmin = 22 o
C
Tavg = 28.5 o
C
(1-W) dpd Jadual = 0.23
61. 61
d). Faktor pemberat (W)
Tmax = 35 o
C
Tmin = 22 o
C
Tavg = 28.5 o
C
W dpd Jadual = 0.77
e). Faktor Radiasi
Ra dpd Jadual = 16.8 mm/hari
Rs (0.25 +0.50 n/N)Ra,
n= 11.5 jam, N=13.9 jam,
n/N=0.83
dpd Jadual = 11.2 mm/hari
Rns (1-a)Rs =8.4 mm/hari
Rn1 f(T)*f(ed)*f(n/N)
Dpd Jadual f(T)=16.4
f(ed)=0.13
f(N/n)=0.85
= 1.8 mm/hari
Rn = Rns – Rn1 = 6.6 mm/hari
f). Faktor pelarasan, c
Usiang = 3.2 m/s
Umalam = 2.1 m/s
Usiang/Umalam = 1.5
Nilai c dpd jadual = 1.06
g). Rumus
62. 62
ET = c [ W Rn + (1-W) f(u) (ea-ed)]
= 1.01 (0.77 * 6.6 * + 0.23*0.90*17.5)
= 8.8 mm/hari
Contoh 3.2
Menggunakan kaedah Blaney-Criddle, anggar nilai ET bagi bulan Julai
untuk suatu kawasan yang mempunyai kedudukan dan rekod cuaca seperti
berikut;
Latitude = 30o
N; altitude 95 m.sl.;
Rumus,
ET = c [ p(0.46 T + 8)] mm/hari
Tmak = 35 o
C
Tmin = 22 o
C
Tmean harian = 28.5 o
C
p dpd Jadual = 0.31
p(0.46T + 8)=0.31(0.46*28.5 + 8) = 6.6 mm/hari
RHmin = medium
n/N = sederhana ke tinggi
U2 siang = sederhana
ET dpd Gambarajah = 8.0 mm/hari
63. 63
Contoh 3.3
Menggunakan kaedah Epan, anggar nilai ET bagi Bulan Julai untuk sebuah
kawasan yang mempunyai rekod cuaca seperti berikut. Epan = 11.1
mm/hari
RH purata= sederhana tinggi
Halaju angin = sederhana laju
Rumus,
ET = kp * Epan
kp dpd Jadual = 0.75
ET 0.75 * 11.1 mm/hari = 8.3 mm/hari
64. 64
BAB 4
SUSUPAN (Infiltration)
Objektif bab ini adalah:
Mempelajari bagaimana proses susupan berlaku di dalam kawasan
tadahan
Mengira kadar susupan untuk pelbagai jenis litupan bumi
4.1 Proses susupan
Apabila hujan turun, sebahagian air hujan akan menyusup ke dalam tanah
mengikut proses graviti.
Dalam hidrologi kejuruteraan, maklumat mengenai kuantiti air yang
menyusup ke dalam tanah amat penting untuk diketahui kerana ianya mampu
memberikan implikasi kepada pelbagai reka bentuk berkaitan sumber air.
Faktor-faktor utama yang mempengaruhi kadar susupan ialah,
o Keamatan hujan (rainfall intensity)
o Sifat fizik tanah (physical properties of soil; particle size, density,
etc.)
o Litupan kawasan tadahan (watershed cover)
o Kelembapan tanah (soil moisture)
65. 65
Kadar maksimum di mana tanah berupaya menyerap air dipanggil `kapasiti
susupan tanah’ (infiltration capacity), fp
4.2 Hukum Horton (Hortonian Law-1930)
Kadar susupan berbanding dengan masa boleh diterangkan menggunakan
formula Horton dan gambarajah lengkung susupan (Gambarajah 4.1)
)exp()( Ktffff coc −−+= (4.1)
fo = kadar susupan permulaan
fc = kadar susupan akhir
Fc = luas kawasan berlorek
t = masa
K = angkatap = (fo – fc)/Fc
Gambarajah 4.1: Lengkung susupan (lengkung Horton)
Masa
Kadar
susupan
(cm/j)
Susupan mula, fo
Fc
fc
f = fc + (fo - fc) exp (-Kt)
66. 66
Lengkung susupan dan keamatan hujan mempunyai paksi yang sama, i.e.
cm/jam melawan masa
Susupan akan berlaku apabila nilai keamatan hujan bersamaan atau melebihi
kapasiti susupan tanah, fp
4.3 Kaedah menentukan kadar susupan
a. Kaedah pengukuran terus
Guna meter susupan (infiltrometer, permeameter, dsb)
Guna peralatan hujan tiruan (rainfall simulator)
Gambarajah 4.2. Meter susupan
b. Kaedah Anggaran
Model Green-Ampt: berdasarkan hukum Darcy untuk keadaan air larian
yang bertakung (Anda perlu ingat mengenai Hukum Darcy semasa belajar
Subject Hidraulik dan Mekanik tanah)
Nombor Lengkung SCS (Soil Coservation Service) SCS telah
memperkenalkan Nombor Lengkung (Curve Number-CN) untuk
menentukan kadar air larian untuk pelbagai jenis tanah dan jenis litupan.
CN boleh digunakan untuk menganggar kadar susupan.
Air susupan
67. 67
4.4 Indek Susupan Φ (Index phi)
Lengkung susupan ialah lengkung pertalian diantara kadar susupan
melawan masa.
Oleh sebab amat sukar untuk mengukur kadar susupan bagi suatu kawasan
tadahan yang mempunyai keluasan yang besar serta mempunyai pelbagai
jenis gunatanah, litupan bumi serta jenis tanah, maka diperkenalkan
konsep indek susupan Φ.
Indek Φ ialah suatu indek yang nilainya setara dengan keamatan hujan
berkesan pada waktu isipadu hujan berkesan tersebut mempunyai nilai
yang sama dengan isipadu air larian permukaan (air yang tidak
menyusup). Kenyataan ini diiperjelaskan menggunakan gambarajah 4.3.
Gambarajah 4.3: Pertalian di antara Indek Susupan, Lengkung
Susupan dan Hujan Berkesan
Hujan berlebihan yang tidak dapat meresap ke dalam tanah juga dipanggil
hujan berlebihan (Excess rainfall) atau hujan berkesan (effective rainfall)
atau hujan bersih (net rainfall).
Keamatan hujan,
Kadar susupan
(cm/j)
masa
Keamatan hujan,
Kadar susupan
(cm/j)
Hujan
berkesan
masa
Hujan
berkesan
Φ
68. 68
Berbanding dengan konsep lengkung susupan, konsep indek Φ didapati
terkurang anggar semasa permulaan proses susupan tetapi terlebih anggar
semasa penghujung proses susupan.
Parameter Horton untuk beberapa jenis tanah diberikan dalam Jadual 4.1.
Jadual 4.1: Parameter Horton untuk beberapa jenis litupan bumi
Parameter
Horton
Kws
Pertanian
(tanpa
tanaman)
Kws.Pertanian
(bertanaman)
Tanah
Gambut
Tanah
liat
berpasir
(tanpa
tanaman)
Tanah liat
berpasir
(ada
tanaman)
fo
(mm/jam)
280 900 325 210 670
fc
(mm/jam)
6-220 20-290 2-29 2-25 10-30
K
(min –1)
1.6 0.8 1.8 20 1.4
69. 69
CONTOH SOALAN DAN PENYELESAIAN
Contoh 4.1
Jadual dibawah ialah taburan keamatan satu kejadian hujan yang telah turun ke
atas satu kawasan tadahan seluas 50 Hektar. Jika isipadu air larian (hujan bersih)
ialah 3 x 104
m3
, apakah nilai Indek Susupan Φ bagi kawasan tadahan tersebut.
Anggar isipadu air yang menyusup ke dalam tanah.
Difinasi: indek susupan ialah suatu indek pada satu nilai keamatan hujan
di mana isipadu air larian bersamaan dengan isipadu hujan berkesan.
Plot hitograf hujan (graf keamatan hujan melawan masa)
Gambarajah hitograf hujan
Isipadu hujan bersih = 3 x 104
m3
Masa (j) 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7
Keamatan
Hujan (mm/j)
5 10 38 25 13 5 0
5
10
38
25
13
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7
Masa (jam)
Keamatanhujan(mm/j)
I
I
III
IV
Φ
70. 70
Keluasan kawasan tadahan = 50 x 10 000 m2
Ukur dalam hujan bersih =
2
34
m00010x50
m10x3 = 0.06 m = 60mm
Maka kita perlu dapatkan 60mm ukur dalam hujan daripada hitograf di
atas
dpd graf,
Seksyen I = (38 –25)mm/J * 1 J = 13mm
Seksyen II = (25-13)mm/J * 2 J = 24mm
Seksyen III = (13-10)mm/J * 3 J = 9mm
Baki = (60 - 13 - 24 - 9) = 14mm
Seksyen IV = (10-Φ )mm/J * 4J = 14mm
Φ = 6.5 mm/J
maka, Indek susupan Φ = 6.5 mm/J
Isipadu air susupan boleh dikira sebagai Φ * luas kawasan tadahan* sela
masa
Contoh 4.2
Jadual di bawah merupakan rekod kadar susupan bagi satu kawasan tadahan
yang telah di cerap selepas berlaku satu kejadian hujan. Terbitkan lengkung
susupan bagi kawasan tadahan tersebut dan dapatkan persamaan Horton.
Anggar ukur dalam air larian permukaan yang terhasil daripada kejadian hujan
tersebut.
71. 71
Masa
(min)
1 2 3 5 6 8 10 12
Keamatan
hujan
(cm/j)
5 5 5 5 7.5 7.5 7.5 7.5
Kadar
susupan
(cm/j)
3.90 3.40 3.10 2.50 2.30 2.00 1.80 1.54
Masa
(min)
14 16 18 20 22 24 26 28
Keamata
n hujan
(cm/j)
2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5
Kadar
susupan
*cm/j)
1.43 1.36 1.31 1.28 1.25 1.23 1.22 1.20
Penyelesaian boleh dilakukan menggunakan kaedah grafik atau
penyelesaian persamaan secara try and error.
Plot hitograf hujan dan kadar susupan dalam satu paksi yang sama dan
lebelkan parameter Horton
Rumus Horton,
)exp()( Ktffff coc −−+= dan
c
co
F
ff
K
)( −
=
Dpd Plot: Ambil sekala: (1cm/j * 2 min) = 1 petak = 1/30 cm ukur dalam
Hujan keseluruhan, P = 61.25 petak = 61.25 * 1/30 cm = 2.04 cm
72. 72
Kaedah grafik
Hujan bersih, R = 34.75 petak = 34.75 * 1/30 = 1.16 cm
Fc = 8.25 petak = 8.25 * 1/30 cm = 0.275 cm
fo = 4.5 cm/j (interpolate pada jam 0)
fc = 1.2 cm/j
K = (fo-fc)/Fc = (4.5 – 1.2)/0.27 = 12 j-1
)exp()( Ktffff coc −−+= )12exp()2.15.4(2.1 tf −−+=
t
ef 12
3.320.1 −
+=
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
t (jam)
Keamatanhujan(i),susupan(f)(mm/j)
1/30 cm
Fc
fc
fo
73. 73
Setelah diketahui persamaan Horton, ukur dalam hujan yang menyusup,
Fp, pada sebarang tempoh masa boleh dianggar dengan mengkamirkan
persamaan tersebut.
∫=
2
1
t
t
p fdtF ∫
−
+=
2
1
12
)3.320.1(
t
t
t
p dteF
2
1
12
12
3.3
2.1
t
t
t
p etF −
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
+=
Jika nilai fc diketahui, penentuan parameter Horton fo dan K juga boleh
dilakukan dengan menyelesaikan persamaan tersebut menggunakan
kaedah cuba dan ralat.
74. 74
BAB 5
AIR LARIAN PERMUKAAN DAN CERAPAN SUNGAI
Objektif bab ini adalah:
Mempelajari proses bagaimana berlakunya air larian permukaan di dalam
suatu kawasan tadahan.
Mempelajari pelbagai kaedah cerapan bagi menganggar kuantiti air larian
permukaan.
Mempelajari kaedah menganggar nilai kadar alir puncak (banjir).
5.1. Definisi Air Larian Permukaan
Sekarang kita akan mempelajari bab yang cukup penting dan utama dalam
kajian hidrologi kejuruteraan, iaitu air larian permukaan (ALP). ALP
amat penting untuk diketahui kerana tanpa maklumat mengenainya, segala
projek atau aktiviti yang berkaitan dengan sumber bekalan air serta
kawalan banjir sukar untuk direalisasikan.
ALP merupakan komponen hidrologi yang paling penting kerana
kaitannya terus dengan kuantiti sumber bekalan air, kejadian banjir, turun-
naik kadar aliran sungai dan seterusnya rekabentuk empangan dan
berbagai struktur kawalan hidraulik.
Kuantiti bagi ALP untuk satu tempoh tertentu ialah “ bersamaan dengan
kuantiti hujan (P) yang berlaku dalam suatu kawasan tadahan setelah
dikurangi oleh kuantiti susupan (F), sejatan (E) dan sejatpeluhan(ET)”.
Anda telah mempelajari bagaimana menentukan kuantiti P, F, E dan ET
dalam bab-bab yang lepas.
75. 75
Secara semula jadi ALP bergerak menuju ke arah sungai, tasek dan
seterusnya ke laut secara aliran graviti. Menggunakan teori mekanik
bendalir, anda perlu tahu untuk memberi penjelasan secara saintifik
bagaimana aliran graviti aliran air boleh berlaku?
5.2 Konsep kawasan tadahan
Telah dijelaskan sebelum ini, hidrologi kejuruteraan adalah kajian
terhadap komponen-komponen kitaran hidrologi yang berlaku dalam suatu
kawasan tertentu yang dipanggil kawasan tadahan atau legeh.
Kawasan tadahan boleh didefinasikan sebagai keseluruhan kawasan di
mana kesemua ALP menuju ke sistem sungai yang terdapat dalam
kawasan tersebut. Kawasan tadahan ilaha kawasan penyumbang air
kepada sistem sungai, tasek atau sebarang `water body’ yang lain yang
terdapat dalam kawasan tersebut.
Titik terakhir di mana ALP tertumpu dan dicerap dipanggil titik tumpuan,
O (concentration point/outlet)
Masa yang diambil untuk ALP bergerak dari sebarang titik ke titik
tumpuan O, dipanggil masa tumpuan, tc
5.3. Faktor-faktor mempengaruhi ALP
Keluasan kawasan (area): semakin luas kws tadahan ⇒ ALP semakin
besar
Kecerunan (slope): semakin curam ⇒ R semakin besar ⇒ tc semakin
pendek
Orientasi tadahan dan orientasi taburan hujan (watershed and rainfall
orientation)
Bentuk tadahan (watershed shape)
Jenis litupan bumi (land cover)
Kelembapan tanah (soil moisture)
76. 76
Gambarajah 5.1: Konsep Kawasan Tadahan
Sifat-sifat hujan (rainfall characteristics) Bentuk tadahan dinyatakan
menggunakan faktor berikut:
Faktur bentuk, Ff
b
b
f
L
W
F = (5.1)
Wb = lebar kawasan tadahan
Lb = panjang tadahan, iaitu jarak diantara titik yang paling jauh dari titik
tumpuan
Faktor kemampatan (compactness), Cc
5.0
)(
2
A
P
C b
c π= (5.2)
Pb = panjang perimeter
A = keluasan tadahan
Sempadan
tadahan
Titik
tumpuan
Saliran
Utama
Garisan
kontur
A
A
Keratan rentas A-A
Air larian
permukaan
77. 77
Corak Sungai (river pattern)
bilangan sungai, Ns
panjang sungai, Ls
ketumpatan sungai, Ds = Ns/A
Gambarajah 5.2. Pelbagai bentuk kawasan tadahan yang boleh
mempengaruhi ALP
A
Q/luas
B
B
A
C
Masa
C
78. 78
5.4 Mencerap Kadar Aliran Sungai (Stream flow gauging)
Air larian permukaan (ALP) bergerak dan mengalir daripada setiap
penjuru kawasan tadahan ke dalam sistem sungai. Pergerakan ALP
berakhir di satu titik luahan iaitu titik O (discharge point).
Untuk mengetahui kuantiti ALP yang berlaku pada titik O atau pada
sebarang bahagian sungai, kerja cerapan perlu dilakukan. Objektif
bahagian ini ialah untuk mempelajari bagaimana kadar aliran sungai di
cerap.
Kerja cerapan adalah penting untuk mengetahui kadar ALP bersih yang
disumbangkan oleh suatu hujan melalui kawasan tadahan secara
kuantitatif.
Kerja cerapan juga perlu untuk mengujudkan suatu lengkung pertalian
diantara kedalaman sungai dan kadar alir sungai (stage-discharge) secara
berterusan untuk tujuan rujukan dan rekabentuk struktur hidraulik
berkaitan.
Unit kadar aliran sungai ialah isipadu/masa (m3
/s, lps, ft3
/s, dsb).
5.4.1. Pemilihan stesen cerapan
Stesen cerapan kadar aliran sungai perlu dipilih berdasarkana kepada
faktor-faktor berikut:
o Mestilah mewakili kawasan tadahan yang sedang dianalisis.
o Keratan rentas sungai mestilah sekata
o Tebing sungai yang mesti stabil
5.4.2. Kaedah pengukuran
a). Kaedah Luas-halaju (velocity-area)
b). Kaedah luas kecerunan sungai (area-slope)
c). Kaedah penolokan enceran (dilution gauging)
d). Menggunakan struktur hidraulik, plum, weir, dsb
79. 79
4.4.3. Mengukur kedalaman sungai
Usaha pertama bagi melaksanakan pelbagai kaedah pengukuran aliran
sungai ialah dengan mengukur kedalaman sungai pada keratan rentas
yang akan ditentukan kadar alirannya.
Untuk mempastikan rekod cerapan yang konsisten, paras air mestilah
sentiasa diukur berpandukan datum yang dirujuk diperingkat
tempatan/nasional (BM atau TBM). Dengan cara ini, setiap rekod
cerapan boleh dirujuk berdasarkan rujukan yang standard dimasa akan
datang.
Peralatan yang perlu digunakan untuk mengukur kedalaman sungai
ialah tolok staff, perakam paras air automatik, ecosound tape dsb.
5.4.4. Kaedah Luas-halaju (Area-velocity)
Melibatkan pengukuran keratan rentas, A, dan halaju sungai, V.
Jika ukur dalam sungai pada satu titik ialah d, pengukuran halaju
sungai perlu dilakukan pada kedalaman 0.6d, 0.2d atau 0.8d,
bergantung kepada keperluan. 0.6d untuk tempat yang cetek dan 0.2d
dan 0.8d untuk tempat yang dalam. Tujuannya ialah untuk
mendapatkan nilai purata halaju sungai wakil.
Gambarajah 5.2 ialah gambaran taburan halaju keratan rentas sungai.
Halaju maksimum berlaku di 0.6d dan minimum di dasar sungai.
Gambarajah 5.3: Taburan halaju profil sungai
d
halaju
Vmak
0.6d
isovel
80. 80
Alat mengukur halaju sungai
menggunakan pelampong (float) –kaedah lama.
menggunakan meter arus (current flow meter): jenis propeller atau
electromagnetic.
Kaedah Pelampong Meter Arus
5.4.5. Prosedur menolok kedalaman dan halaju sungai
a. Ukur lebar sungai pada titik cerapan daripada tebing ke tebing.
b. Bahagikan lebar sungai kepada beberapa bahagian yang sama atau tidak
sama, mengikut yang lebih mudah.
c. Ukur kedalaman paras sungai, d, pada setiap titik pembahagi.
d. Pada setiap titik pembahagi, ukur halaju sungai menggunakan meter arus
pada kedalaman samada 0.2d, 0.6d atau 0.8d.
e. Kira kadar aliran (luahan) sungai menggunakan kaedah seksyen purata
(mean section) atau seksyen pertengahan (mid section).
81. 81
Kaedah Mean Section
Gambarajah 5.4 : Kaedah Mean Section
Rumus am hidraulik: AVQ =
∑∑ =++++= )*()....( 321 puratapuratai AvqqqqQ (5.3)
)()
2
()
2
( 1
11
−
−−
−
++
= ∑ ii
iiii
bb
ddvv
Q (5.4)
bi = jarak titik i dari tebing (datum)
di = ukur dalam pada titik bi
vi = halaju sungai pada titik bi
Kaedah Seksyen Mid (mid)
∑ ∑== AvQ mid *iq (5.5)
2
))(db(b i1i1i −+ −
= ivQ (5.6)
Vi = halaju sungai pada titik bi
di = ukur dalam sungai pada titik bi
datum bi-1 bi
d i-1 d i
82. 82
Gambarajah 5.5: Kaedah Seksyen Mid (mid)
5.4.6. Kaedah Luas-kecerunan (area-slope)
Satu anggaran kasar
Guna formula Manning atau Chezy
Anda pasti telah mahir menggunakan formula ini dalam subjek
hidraul atau mekanik bendalir
AVQ =
n
SR
V
2/13/2
= Manning (5.7)
2
1
3
2
SCRV = Chezy (5.8)
n = pekali manning, C = pekali Chezy
5.4.7. Kaedah Enceran (Dilution gauging)
Menentukan kadar aliran sungai dengan mengukur darjah pencairan
suatu larutan perunut (tracer) yang dimasukkan ke dalam sungai
datum bi-1 bi bi+1
d i
83. 83
Prinsip: penambahan bahan perunut yang sesuai ke dalam sungai dan
kadar aliran sungai ditentukan melalui nisbah pencairan bahan perunut
Kelebihan: kaedah mutlak, tiada batasan, sbb kadar aliran sungai
ditentukan menggunakan faktor isipadu dan masa sahaja
Kekurangan: sukar mendapatkan bahan perunut yang serap air
sepenuhnya
2 kaedah: Suntikan kadar tetap dan kaedah integrasi
Kaedah Suntikan Kadar Tetap (Constant rate injection)
Prosedur:
Bahan perunut yang mempunyai kepekatan C1 (kg/m3
) dilepaskan
pada kadar q (m3
/s) ke dalam sunngai yang mengalir pada kadar Q
(m3
/s) pada titik cerapan 1. Selepas beberapa ketika, kepekatan bahan
perunut iaitu C2 (kg/m3
) ditentukan semula pada titik cerapan 2.
Berpandukan gambarajah di atas,
- Kadar jisim pada titik 1 = q * C1 (m3
/s)(kg/m3
)
- Kadar jisim pada titik 2 = (Q + q)* C2(m3
/s)(kg/m3
)
Titik 1
Titik 2
Q
C1, q
C2, (q+Q)
84. 84
- Hukum keabadian jisim, kadar jisim pada titik 1= titik 2
q C1 = (Q + q) C2
Q = q (C1 – C2) / C2
Kaedah suntikan integrasi (integration/sudden injection)
Prosidur:
Sejumlah bahan perunut yang diketahui isipadunya, V m3
dan mempunyai
kepekatan C1 (kg/m3
) dilepaskan ke dalam sungai yang mengalir pada
kadar Q (m3
/s) pada titik cerapan 1 sekali gus. Selepas beberapa ketika,
kepekatan bahan perunut ditentukan semula pada titik cerapan2 iaitu C2
(kg/m3
)
Berpandukan gambarajah, dapat dirumuskan
∫=
2
1
21
t
t
dtCQVC (5.9)
Titik 1
Titik 2
Q
V1, C1
Q ∫C2 ∆t
85. 85
∫
= 2
1
t
t
2
1
dt)(C
CV
Q (5.10)
Dimana
V = isipadu bahan perunut (m3
)
C1 = kepekatan bahan perunut pada titik 1
C2 = kepekatan bahan perunut pada titik 2
Q = kadar aliran sungai (m3
/s)
t2 = masa di mana bahan perunut telah larut sepenuhnya
5.4.8. Pengukuran terus menggunakan struktur hidraulik
(Weir dan Flume)
Pengukuran kadar aliran sungai secara berterusan
Kurang sensitif kepada keadaan aliran hilir (downstream), kekasaran
sungai (channel roughness) dan kesan aliran balik (backward flow)
Prinsip: mengukur paras/turus air pada hulu (upstream) struktur
Persamaan perkadaran Umum:
Q = C B H3/2
Q = kadar alir sungai
C = pekali luahan yang melalui struktur
B = lebar `crest’ struktur
H = ketinggian turus/head
86. 86
5.5. Pelarasan Data Cerapan
Kerja cerapan kadar aliran sungai perlu dilakukan banyak kali untuk
menerbitkan lengkung perkadaran sungai. Hasilnya ialah banyak titik-
titik cerapan yang bertaburan apabila dipelot. Kejadian ini terjadi kerana
berlakunya pasang-surut sungai semasa kerja cerapan dilakukan.
Mengikut prinsip hidraul keadaan tersebut disebabkan oleh dua faktor,
iaitu faktor simpanan sementara (temporary storage) dan faktor kecerunan
permukaan air (water surface slope).
Umumnya lengkung kadaran sungai yang selalu kita rujuk ialah lengkung
kadaran normal, iaitu purata diantara nilai kadar aliran semasa air pasang
(high tide) dan air surut (low tide).
Untuk mendapatkan maklumat yang lebih tepat terhadap sifat lengkung
kadaran sungai, pelarasan perlu dilakukan terhadap kedua-dua faktor
tersebut.
Pertalian diantara H dan Q sungai semasa air pasang dan surut di jelaskan
dalam Gambarajah 5.7.
Gambarajah 5.7: Kesan air pasang-surut terhadap
lengkung H-Q
Air pasang
Air surut
Aliran normal
Kadar aliran, Q
Ukur dalam
sungai, H
(m)
QL QN QH
87. 87
Pelarasan terhadap simpanan sementara
Berpandukan kepada gambarajah di atas,
Jika,
Q = kadar aliran normal
∆S = simpanan sementara semasa air pasang (+ve∆S) dan surut (-ve∆S)
Qm = kadar aliran cerapan
Maka
Qm = (Q + ∆S)
Pelarasan terhadap perubahan kecerunan permukaan air
H
Q
∆S
h
h
Titik ‘a’
Titik ‘b’
Cerun ‘S1’
Cerun ‘S2’
Q
hA m2
Keratan rentas sungai pada titik
‘a’ dan ‘b’
Dasar sungai
88. 88
Berpandukan kepada gambarajah di atas dan anggap keratan rentas sungai
di antara titik ‘a’ dan ‘b’ adalah sekata.
pada titik a,
- bacaan paras air = h
- keratan rentas sungai = A
- kecerunan permukaan air = S1
pada titik b,
- bacaan paras air = h
- keratan rentas sungai = A
- kecerunan permukaan air = S2
Menggunakan Persamaan Manning,
n
SRA 1/22/3
== AVQ
Oleh sebab S1 ≠ S2 maka 2 nilai Q yang berbeza terhasil
Tetapi nilai n, A dan R masih tetap sama, maka Q ∝ S1/2
Seterusnya kadar aliran yang dicerap, Qm ∝ (S + ∆S)1/2
dimana ∆S
ialah perubahan pada simpanan semasa air pasang dan surut
Paras air normal pada kecerunan S
Paras gelombang
h
∆h
(h+∆h)
(U ∆t)
∆S
U m/s
89. 89
Berpandukan kepada gambarajah di atas, bayangkan satu gelombang
sungai yang mempunyai halaju U.
Jika,
U = halaju gelombang
h = bacaan awal paras sungai
∆t = sela masa
U ∆t = halaju gelombang selepas tempoh dt
(h + ∆h) = bacaan paras sungai selepas masa ∆t
maka,
∆S = (∆h/U) ∆t = 1/U (∆h/∆t)
(∆h/∆t) = +ve, untuk paras air naik,
(∆h/∆t) = -ve, untuk paras air turun
Q ∝ S1/2
, Qm ∝ (S + dS)1/2
, maka
1/2
1/2
1/2
1/2
a
m
S
(dh/dt)/U][S
S
dS)(S
Q
Q ±
=
±
=
SU
(dh/dt)
1
Q
Q 1/2
a
m
*
+=
di mana Qa = kadar aliran yang dilaras dan Qm kadar aliran cerapan
Halaju gelombang, U sukar diukur, maka ianya boleh dianggar
menggunakan formula Corbett seperti berikut,
U = 1.3 Qm / A …… formula CORBETT (5.11)
Dimana Qm ialah kadar alir cerapan dan A ialah keratan rentas sungai.
90. 90
5.6 Lengkung Perkadaran Sungai (River rating Curve)
Pertalian diantara kedalaman sungai, H (stage) dan kadar aliran sungai, Q
(discharge) yang diterbitkan pada satu stesen cerapan (stage-discharge
relationship).
Kegunaan: untuk digunakan sebagai rujukan dan panduan mengenai
keadaan kadar aliran sungai pada kedalaman tertentu bagi tujuan kawalan
banjir, bekalan sumber air, dsb.
Lengkung perkadaran perlu diuji dari masa kesemasa kerana mungkin
berlaku perubahan keadaan dan rupabentuk fizikal keratan rentas sungai.
Boleh dibentangkan dalam bentuk geraf, jadual atau persamaan
Menerbitkan Lengkung Kadaran Sungai
Telah dijelaskan sebelum ini, pertalian di antara ukur dalam sungai (H)
dan kadar alir (Q) boleh di nyatakan samaada dalam bentuk jadual atau
lengkung kadaran.
Setelah kita dapatkan banyak data H-Q pada julat minimum-maksimum,
kita perlu terbitkan lengkung kadaran berkaitan
Prosidur
a. Plotkan semua titik-titik cerapan H-Q pada satu kertas geraf normal.
b. Dapatkan lengkung yang terbaik (best fit curve). Pastikan hanya titik
cerapan yang terbaik sahaja (+4%) digunakan.
c. Dapatkan persamaan H –Q yang terbaik untuk lengkung yang terbaik tadi.
d. Umumnya, bagi aliran yang seragam (keratan sungai seragam) persamaan
umum Q-H ialah dalam bentuk parabolic.
91. 91
Q = K (H-a)n
(5.12)
Q = kadar aliran sungai (m3
/s)
K = angkatap
H = ukur dalam sungai
A = ketinggian staff gauge pada kadar alir 0
n = ekponen,
≅ 3/2 untuk keratan rentas bentuk rectangular
≅ 2 keratan rentas cembung dan parabolic
≅ 5/2 keratan rentas segitiga dan semi-circular
Lengkung kadaran sungai boleh di pelot dalam geraf log-log, tujuannya
supaya lebih mudah di baca
Maka
• Log Q = Log K + n log (H-a)
y ≅ mx + c
y ≅ log Q,
C = intercept = log K
x = kecerunan = log (H-a)
H
Q
Log H
Log Q
Log Q = Log K + n log (H-a)
Q = K (H-a)n
92. 92
CONTOH SOALAN DAN PENYELESAIAN
Contoh 5.1
Data dalam jadual di bawah dikutip pada satu titik cerapan luahan sungai. Kira
kadar aliran sungai tersebut menggunakan kaedah halaju-luas, Purata dan
Pertengahan (mean section dan mid section),
Data Cerapan
Jarak dari
Tebing (m)
Ukur
Dalam
Sungai (m)
Halaju sungai (m/s) Halaju
Purata
Sungai
(m/s)
0.6d 0.2d 0.8d
0 0 0 0
3 1.4 0.112 0 0 0.112
6 3.3 0.27 0.18 0.225
9 5.0 0.26 0.22 0.240
12 9.0 0.26 0.23 0.260
15 5.4 0.29 0.23 0.240
18 3.8 0.25 0.22 0.235
21 1.8 0.16 0.160
Gambarajah keratan rentas sungai
datum
0 3 6 9 12 15 18 21
d i-1 d i
0
1.4
3.3
5.0
9.0 5.4
3.8
1.8
94. 94
Contoh 5.2
Berikut adalah keputusan pencerapan untuk menganggar kadar aliran sungai
menggunakan kaedah Enceran Suntikan kadar Tetap (Dilution gauging method-
constant rate injection)
Bahan perunut: NaCl (sodium chloride)
q = 7.5 ml/s
C1 = 5.67 g/l
C2 = 0.05 mg/l
⇒ q = 7.5 ml/s = 0.0075 l/s
⇒ C2 = 0.05 mg/l = 0.00005 g/l
⇒ Q = q (C1 – C2)/C2
= 0.0075 (5.67 – 0.00005)/0.00005
= 850.49 l/s
= 0.85 m3
/s
Contoh 5.3.
Berikut adalah keputusan pencerapan kadar alir sungai menggunakan kaedah
Enceran
Suntikan Integrasi
Bahan perunut: NaCl (Sodium chloride)
V = 2.91 x 10-3
m3
C1 = 5.67 g/l
C2 = 0.05 mg/l = 0.00005 g/l
t = 15 minit = 900s
95. 95
Q =
∫
2
1
)( 2
1
t
t
dtC
CV
=
)900(g/l)(s*0.00005
)g/l)5.67(m*10x2.91 33−
= 0.366 m3
/s
Contoh 5.4
Semasa proses cerapan sungai pada kadar aliran 100 m3
/s bacaan paras air sungai
menunjukkan kadar kenaikan air pada kadar 0.2 m/jam. Bacaan ini berlaku
disepanjang 1000m panjang sungai. Jika lebar sungai ialah 100m, berapakah kadar
aliran sebenar yang sepatutnya direkod.
Penambahan pada simpanan, ∆S
∆S = 1000m * 100m * (+ve)0.2 m3
/j
= 20000 m3
/j
= (+ve)5.67 m3
/s
Qm = Q ± ∆S
Q = Qm – dS
= 100 – 5.67 = 94.33 m3
/s
maka bacaan yang betul perlu direkod pada geraf ialah 94.4 bukan 100 m3
/s.
Contoh 5.5
Kerja mencerap kadar aliran sungai pada titik O, semasa air sedang pasang telah
dilaksanakan. Nilai kadar aliran cerapan, Qm ialah 3160 m3
/s. Kerja-kerja
mencerap mengambil masa 2 jam. Dalam tempoh tersebut paras air pada titik
cerapan telah naik dpd 50.40 m kepada 50.52 m. Perbezaan paras air pada dua
titik berasingan, titik A, 400 m ke hulu dan titik B, 300 m ke hilir daripada titik
96. 96
cerapan titik cerapan pula ialah 100 mm. Jika lebar sungai ialah 500 m dan
kedalaman purata ialah 4m, tentukan koordinat-koordinat Q yang harus diplot
pada lengkung kadaran sungai.
Luas keratan rentas Sg = 500m * 4m = 2000 m2
Halaju purata air, V = Qm/A
3160/2000 = 1.58 m/s
halaju gelombang, U = 1.3 Qm/A
= 1.3 (3160/2000) = 0.12 m
dh = 50.52 – 50.40 = 0.12 m
dt = 2 jam = 7200 s
dh/dt = 1.67 x 10-5
m/s
Kecerunan permukaan air, So = 100mm/700m
= +ve 1.43 x 10-4
m/m
Q =
S(dh/dt)/U1
Qm
+
= 3080 m3
/s
Maka bacaan kadar aliran sungai perlu direkod sebagai 3080 m3
/s bukan 3160
m3
/s
Titik A
Titik B
Q
Titik Cerapan
4 m
500 m
400 m
300 m
97. 97
BAB 6
KADAR ALIRAN PUNCAK
Objektif:
Mempelajari pelbagai kaedah menganggar kadar aliran puncak bagi suatu
kawasan tadahan
Memperkenalkan konsep lengkung Keamatan-Tempoh-Kekerapan hujan
dalam rekabentuk saliran bandar
6.1 Menganggar Kadar Alir Puncak, Qp (peak runoff)
Sebelum suatu projek infrastruktur (perumahan, Bandar baru, lapangan
terbang, lebuhraya, pusat rekreasi, dsb.) dilaksanakan, maklumat
mengenai Qp diperlukan. Tujuannya untuk merancang dan mereka bentuk
sistem saliran (khususnya saliran Bandar) yang bersesuaian bagi
menampung kadar alir maksimum yang munkin terhasil disebabkan oleh
suatu kejadian hujan dalam suatu kawasan tadahan. Oleh sebab maklumat
Qp diperlukan sebelum suatu projek itu dilaksanakan, maka nilainya hanya
merupakan satu anggaran dan berkonsepkan kebarangkalian.
Banyak kaedah boleh digunakan untuk menganggar air larian puncak.
Pada dasarnya semua kaedah mempunyai asas yang sama, iaitu pertalian
diantar hujan dan ALP.
98. 98
6.2 Kaedah formula empirikal
Kaedah empirical ialah suatu kaedah yang diterbitkan berasaskan kajian
suatu kawasan tertentu.
Secara amnya formula empirikal adalah dalam bentuk berikut:,
Qp = a P + b (6.1)
atau
Qp = a Pn
(6.2)
di mana,
Qp = kadar air larian puncak
P = ukur dalam hujan
a,b,n = angkatap kawasan tadahan
Secara amnya angkatap-angkatap a,b,n perlu diterbitkan terlebih dahulu
sebelum formula empirical ini sesuai digunakan di kawasan tertentu.
6.3 Kaedah Rational (Rational method)
Mula di perkenalkan pada 1889 oleh Emil Kuichling
Anggaran kasar kadar aliran air permukaan puncak secara lump-sum
sahaja
Sesuai untuk menganggar nilai Qp kawasan tadahan yang seragam dan
kecil kurang 50 km2
, contoh: kawasan Bandar
99. 99
Gambarajah 6.1: Konsep Qp dalam kaedah Rational
Konsep: Satu peristiwa hujan berkeamatan sekata, i cm/jam menimpa
keseluruhan sebuah kawasan tadahan yang berkeluasan, A km2
dan
kawasan tadahan tersebut mempunyai pekali rintangan aliran, C. Maka
magnitud kadar aliran puncak yang berlaku pada titik tumpuan luahan O,
selepas satu masa tumpuan tc ialah Qp.
Rumus:
CiAQp = (6.3)
Qp = anggaran kadar aliran puncak
i = keamatan hujan purata
tc = tempoh masa tumpuan
A = keluasan tadahan
C = pekali air larian
Sempadan
tadahan
Sempadan tadahan
Sistem sungai
Arah aliran sungai
Titik
tumpuan, O
L, tc
100. 100
Andaian-andaian
Kadar aliran puncak berlaku selepas tempoh masa tumpuan, tc
tc ialah masa tumpuan, iaitu satu jangkamasa selepas hujan bermula.
Selepas tempoh ini keseluruhan kawasan tadahan dianggap telah
menyumbang kepada aliran permukaan.
nilai i ialah keamatan hujan purata dan seragam serta mempunyai tempoh
yang sama dengan tc
Pekali air larian, C
C dianggap sebagai daya rintangan sebuah kawasan tadahan terhadap air
lairan permukaan. Nilai C bergantung pada sifat kawasan tadahan
termasuk jenis litupan bumi, jenis tanah dan kecerunan.
Nilai C juga boleh di anggar menggunakan rumus berikut
i
fi −
=C (6.4)
i = keamatan hujan (cm/s)
f = kadar susupan (cm/s)
Nilai C ialah pada julat 0.05 bagi kawasan berpasir dan 0.95 bagi kawasan
tak telap air (jadual 5.1)
Tempoh masa tumpuan, tc
tc ialah tempoh masa yang diambil untuk sebuah gelombang air bergerak dari
titik yang paling jauh dalam sebuah kawasan tadahan ke titik tumpuan, O.
Pada ketika itu, nilai Qp per unit kawasan adalah bersamaan dengan keamatan
hujan bersih. Pada dssarnya, di titik tumpuan inilah kedudukan sebenar
struktur luahan (drainage outlet) bagi suatu kawasan tadahan
101. 101
Jadual 6.1. Contoh nilai C untuk beberapa jenis tadahan
Jenis tadahan Nilai C
Kawasan bandar
- pusat Bandar 0.70-0.95
- sekitar Bandar 0.50-0.70
Kawasan perumahan
- pangsa 0.50-0.70
- Banglo 0.30-0.50
- teres 0.60-0.75
Industri 0.50-0.90
Taman bunga 0.1-0.25
Jalan (bitumen) 0.70-0.95
Gambarajah 6.2: Pertalian diantara i, Qp, lengkung IDF dan tc
Merujuk kepada Gambarajah 6.2,
Telah dinyatakan dalam kenyataan pengenalan bahawa konsep anggaran aliran
puncak adalah berasas konsep kemungkinan atau kebarangkalian. Salah satu
komponen konsep ini termaktub dalam konsep lengkung Keamatan-Tempoh-
Kekerapan (Intensity-Duration Curve- IDF).
i (mm/j),
unit ALP
i
Q/A
tc
Lengkung IDF
pada Tr tertentu
102. 102
Lengkung IDF ialah lengkung pertalian diantara keamatan, tempoh dan
kekerapan suatu keamatan yang diterbitkan berdasarkan rekod hujan jangka
panjang menggunakan kaedah kebarangkalian.
Terma kekerapan juga boleh dinyatakan sebagai Kala Kembali, Tr (Return
Period). Maksudnya, jika kekerapan hujan A yang beramatan 10 mm/jam ialah
sepuluh tahun sekali, maka kala kembali hujan A dikatakan sebagai 10 tahun.
Dalam kontek kaedah Rational, bagi suatu IDF untuk kala kembali (Tr)
tertentu, keamatan hujan puncak, ip mesti berlaku pada masa yang sama
berlakunya kadar aliran puncak, iaitu Q/A = Qp. Secara praktikal, keadaan
sedemikian jarang berlaku kerana sukar untuk mendapatkan satu Tr yang sama
bagi kedua-dua i dan Qp.
Menganggar nilai tc
Pelbagai kaedah boleh digunakan untuk menganggar nilai tc.
a. Menggunakan formula empirikal
b. Mengaplikasikan teori hidraul dalam air larian permukaan
Formula Empirikal
Terdapat banyak formula emprikal untuk menganggar nilai tc
tc =L/D (A2
/S)0.2
Bransby-William (6.5)
tc = 0.0195 L 0.77
S –0.385
Kripich (6.6)
tc = masa tumpuan (minit)
L = jarak titik paling jauh dengan titik tumpuan
D = garispusat tadahan
A = luas tadahan (batu persegi)
S = kecerunan purata kawasan tadahan
103. 103
Applikasi Prinsip hidraulik
Kaedah ini dianggap lebih rational khususnya jika formula empirical belum
lagi diterbitkan bagi suatu kawasan tadahan.
Menggunakan konsep ini, nilai tc semasa berlakunya Qp boleh dibahagikan
kepada 2 komponen. Pertama masa yang diambil untuk air yang mengalir
melalui proses aliran atas permukaan tanah (overland flow) dan kedua air
yang mengalir di dalam sungai/saliran itu sendiri (drain flow).
Rumus:
tc = to + td (6.7)
to = aliran atas permukaan tanah
td = aliran sungai atau saliran
Gambarajah 6.3: Konsep `overland flow’ dan `drain flow’
to boleh dianggarkan menggunakan formula atau carta Rantz (Carta Rantz
disertakan dalam Appendix).
Qp
Ld, Sd, td
Lo, So, to
Titik
tumpuan
Titik paling jauh
104. 104
3
)1.1(8.1
S
LC
t o
o
−
= (6.8)
C = pekali air larian
S = kecerunan purata kawasan
Lo= jarak perjalanan air larian permukaan
td pula boleh dianggarkan menggunakan rumus mudah dan jadual 6.2.
d
d
d
V
L
t = (6.9)
Ld = jarak perjalanan air aliran sungai
Vd = halaju purata sungai (Jadual 6.2)
Jadual 6.2: Anggaran halaju aliran permukaan (stream velocity)
Cerun purata sungai (%) 1-2 2-4 4-6 6-10 10-15
Halaju purata (m/s) 0.6 0.9 1.2 1.5 2.4
Keamatan hujan, i
Keamatan hujan, i, ialah satu nilai keamatan hujan di mana berlakunya Qp
pada atau selepas tempoh tc.
Untuk suatu rekabentuk hidraulik, nilai i dipilih bergantung kepada
rekabentuk ulangan kembali aliran, Tr, (Return Period) dan di rujuk pada
lengkung keamatan-tempoh-ulangan hujan (IDF Curve) suatu kawasan
tadahan. Gambarajah 6.4. ialah contoh lengkung IDF untuk Kuala Lumpur
yang diterbitkan oleh pehak Jabatan Pengairan dan Saliran Malaysia.
105. 105
Gambarajah 6.4. Lengkung IDF untuk Kuala Lumpur
Daripada lengkung tersebut, keamatan hujan i, untuk tempoh tc, yang dijangka
berlaku pada kala kembali atau kekerapan Tr tahun boleh didapati.
Lengkung IDF juga boleh dinyatakan dalam bentuk persamaan polynomial
umum seperti berikut:
32
)}{ln()}{ln()ln()ln( ccc tdtctbai +++= (6.8)
i = kematan hujan
tc = tempoh masa tumpuan
a, b, c, d = pekali polinomial
Nilai pekali persamaan polynomial lengkung IDF untuk kebanyakan Bandar
di Malaysia telah diterbitkan. Jadual 6.3 ialah pekali-pekali polynomial untuk
Bandar Kuala Lumpur, Johor Bahru dan Kota Kinabalu, yang diterbitkan oleh
Pehak Jabatan Pengairan dan Saliran Malaysia.
106. 106
Jadual 6.3. Pekali Persamaan IDF, untuk Kuala Lumpur, Johor Bahru dan
Kota Kinabalu, bagi tempoh hujan 30<t<1000 minit
Lokasi Tempoh
data yang
digunakan
Tempoh
Ulang
Kembali
(tahun)
Pekali persamaan polynomial IDF
a b c d
Kuala
Lumpur,
Wilayah
Persekutuan
30 tahun
(1953-
1983)
2 5.3225 0.1806 -0.1322 0.0047
5 5.1086 0.5037 -0.2155 0.0112
10 4.9696 0.6796 -0.2584 0.0147
20 4.9781 0.7533 -0.2796 0.0166
50 4.8048 0.9399 -0.3218 0.0197
100 5.0064 0.8709 -0.8709 0.0186
Johor
Bahru,
Johor
23 tahun
(1960-
1983)
2 3.8645 1.1150 -0.3272 0.0182
5 4.3251 1.0147 -0.3308 0.0205
10 4.4896 0.9971 -0.3279 0.0205
20 4.7656 0.8922 -0.3060 0.0192
50 4.5463 1.1612 -0.3758 0.0249
100 5.0532 0.8998 -0.3222 0.0215
Kota
Kinabalu,
Sabah
23 tahun
(1957-
1980)
2 51968 00414 -0.0712 -0.0002
5 56093 -01034 -0.0359 -0.0027
10 59468 -0.2595 -0.0012 -0.0050
20 52150 0.3033 -0.1164 0.0026
50 51922 0.3652 -0.1224 0.0027
6.4. Kaedah Rasional Terubah (Modified Rational Method)
Kaedah rational standard (kaedah yang telah dibincangkan sebelum ini)
dianggap benar-benar berlaku apabila aliran puncak, Qp dianggap mempunyai
nilai yang bersamaan dengan hujan bersih/berlebihan selepas tempoh masa tc.
Walaubagaimana pun keadaan sebenar yang berlaku adalah seperti berikut.
Sebelum berlakunya hujan yang menyebabkan Qp, realitinya telah sedia ada
simpanan air di dalam sungai atau saluran (kecuali semasa kemarau panjang).
Maka untuk membuat anggaran nilai Qp yang lebih tepat kita perlu mengambil
kira simpanan tersebut, dengan memperkenalkan pekali simpanan, Cs. Maka
formula rational standard diubah menjadi formula rationa terubah (modified
rational method)
107. 107
CiACQ sp = formula rational terubah (6.9)
dc
c
t2t
t2
+
=sC (6.10)
Cara untuk mendapatkan nilai tc dan td adalah sama seperti yang telah
diterangkan dalam kaedah rational standard.
6.5 Kaedah Masa-keluasan (Isochrones)
Kaedah ini ialah lanjutan dari kaedah rational standard
Kaedah ini lebih tepat dan realistik sebab mengambil kira faktor keluasan-
masa (spatial-temporal) secara terperinci. Syarat keseragaman hujan untuk
keseluruhan kawasan tadahan yang diperlukan dalam kaedah rational
standard tidak diperlukan. Sebaliknya keseragaman hujan untuk sub-
tadahan kecil sahaja diperlukan.
Menggunakan konsep `isochrones’ (garisan kontor masa) iaitu, garisan
kontor masa yang mewakili garisan-garisan yang mempunyai perjalanan
masa yang sama (equal travel time).
Aliran puncak pada titi tumpuan O, ialah jumlah aliran yang
disumbangkan oleh sub-tadahan sub-tadahan yang dirangkumi oleh satu-
satu `isochrones’.
Berpandukan gambarajah 6.5, kadar aliran yang disumbangkan oleh setiap
sub-tadahan yang disempadani oleh 2 isochrones (t1 dan t2) ialah
keamatan hujan, i diantara t1 dan t2 didarabkan dengan keluasan sub-
tadahan, dA
Maka, jika terdapat n sub-kawasan tadahan, jumlah Kadar aliran puncak
tadahan keseluruhan, Qp, ialah,
108. 108
Qp = ∑(cn in An )
in ialah keamatan hujan yang berlaku selepas tempoh tc (n)
Gambarajah 6.5: Konsep ‘isochrone’ untuk menganggar Qp
Titik
tumpuan, O
2dt 3dt
4dt
dt
A1
A2
A3
A4
109. 109
CONTOH SOALAN DAN PENYELESAIAN
Contoh 6.1
Anggar kadar aliran permukaan puncak satu kawasan tadahan yang terletak di
Kota Kinabalu, untuk reka bentuk suatu struktur hidraulik yang di asaskan oleh
tempoh ulangan (design return period), Tr ialah 50 tahun. Gunakan sebarang
kaedah empirikal untuk menganggar nilai masa tumpuan, tc.
Keluasan, A = 0.55 km2
Jenis tadahan: taman rekreasi, C = 0.25
Panjang sungai, L= 600 m
perbezaan paras titik paling jauh dengan titik tumpuan, dh =3m
lengkung keamatan-tempoh-kekerapan hujan diberikan pada
gambarajah
Rajah kawasan tadahan
lengkung IDF
Sempadan
tadahan
Titik
tumpuan, O
L, tc
3m
L, tc
i (mm/jam)
t (jam)
Tr =50 th
21 min
188 mm/j
110. 110
Kecerunan tadahan, S = 3/600 = 0.005
Masa tumpuan, tc = 0.0195 L 0.77
S –0.385
= 21 minit
Daripada lengkung keamatan-tempoh-kekerapan, untuk tc = 21 minit dan
Tr = 50 tahun, i = 188 mm/jam
Atau
Menggunakan persamaan polynomial IDF bagi Kota Kinabalu,
32
)}{ln()}{ln()ln()ln( ccc tdtctbai +++=
a = 5.1922; b = 0.3652; c = -0.1224; d = 0.0027
32
)}21{ln(0027.0)}21{ln(1224.0)21ln(3652.01922.5)ln( +−+=i
24.5)ln( =i ; i = 188 mm/j
Formula Rational standard
Q = Ci A
= 0.25*188 mm/j * 0.55 km2
= 7.18 m3
/s
Nilai anggaran aliran permukaan puncak bagi tadahan tersebut ialah 7.18 m3
/s
Ini bermakna reka bentuk struktur hidraulik (contoh: pembentung, jambatan,
longkang, dsb.) yang akan dibina pada titik tumpuan tadahan tersebut mestilah
berkeupayaan menampung kadaralir sekurang-kurangnya 7.18 m3
/s.
111. 111
Contoh 6.2
Berikut adalah ciri-ciri sebuah kawasan tadahan yang dirancang untuk projek
pembangunan bercampur yang terletak di sekitar Johor Bahru. Anggar
berapakah nilai aliran permukaan puncak jika rekabentuk tempoh ulangan
(design return period), Trr 10 tahun digunakan.
Keluasan = 10 km persegi
Jenis tadahan: 60% perumahan (C = 0.5), 20% taman bunga (C =
0.1)
dan 20% pusat bandar (C = 0.7)
Panjang sumgai = 500m
Perbezaan paras diantara titik paling jauh dengan titik tumpuan = 10m
Lengkung IDF bagi kawasan tadahan diberikan diberikan dalam
gambarajah
Kawasan tadahan IDF Curve
kecerunan tadahan, S = 10/500 = 0.002
Masa tumpuan, Tc = 0.0195 L 0.77
S –0.385
= 25.54 minit
Sempadan
tadahan
Titik
tumpuan, O
i
t (jam)
Tr =10 th
112. 112
Daripada lengkung keamatan-tempoh-kekerapan hujan, untuk Tc=
25.54 minit dan Tr = 10 tahun, i = 145 mm/jam
Atau
Menggunakan persamaan polynomial bagi Johor Bahru,
32
)}{ln()}{ln()ln()ln( ccc tdtctbai +++=
a = 4.4896; b=0.9971; c= -0.3279; d=0.0205
97.4)ln( =i i = 145 mm/jam
Pembahagian kawasan: perumahan, A1= 6 km2
, taman, A2= 2km2
dan
A3, Pusat bandar = 2 km2
Ambil nilai C purata
3
3
2
2
1
1
*** C
A
A
C
A
A
C
A
A
Cpurata ++=
7.0*
10
2
1.0*
10
2
5.0*
10
6
++=purataC = 0.46
Q = Cpurata i A m3
/s = 0.46 * 145 mm/jam * 10 km2
Contoh 6.3
Menggunakan kaedah Rational Terubah (modified rational method), anggar
kapasiti sebuah kulvet yang dapat menampung Air Larian Permukaan Puncak,
Qp, yang dijangka akan berlaku setiap 5 kali setahun, bagi kawasan tadahan
yang mempunyai ciri-ciri berikut:
⇒ Keluasan (A) = 650 ekar
⇒ Pekali tadahan purata, C = 0.65
⇒ Jarak aliran limpah (overland), Lo = 500 kaki
113. 113
⇒ Kecerunan permukaan limpah, So = 5%
⇒ Pekali air larian limpah, co = 0.3
⇒ Panjang sungai ke tapak kulvet = 3000 kaki
⇒ Kecerunan sungai, Ss = 5%
Gambarajah kawasan tadahan
1. Q5 = CsC i A
⇒ to,
⇒ Dpd Carta Rantz,
⇒ Lo = 500,
⇒ So = 5% >>>>> To = 22 min
⇒ Co = 0.3
2. td
⇒ Dpd Jadual stream velocity,
⇒ Ss = 5% >>>>> V = 4 ft/s
⇒ Td = Ls/V = 3000 ft/4 ft/s = 12.5 min
3. tc = to + td = 22 + 12.5 = 34.5 min
4. Cs = 2 tc/(2tc + td) = 0.85
Sempadan
tadahan
Titik
tumpuan, O
Ld, td
Lo, to
114. 114
5. i5, dpd geraf IDF berkenaan, tc = 34.5 min >>>tc(5) = 4.3 in/j
6. Q5 = Cs C I5 A
= 0.85 x 0.65 x 4.2 x 650 ft3
/s
= 1508 ft3
/s
Contoh 6.4
Menganggar Aliran permukaan Puncak –Kaedah Masa-keluasan
(Isochrones)
Satu kejadian hujan telah menimpa satu kawasan tadahan dan berlaku selama 4
jam berturut-turut dengan keamatan hujan sekata 1 cm/j. Jika masa yang diambil
untuk air larian bergerak dari garisan-garisan isochrones AA, BB, CC dan DD ke
titik tumpuan utama O ialah masing-masing 1,2, 3 dan 4 jam, anggarkan jumlah
kadar air larian permukaan maksimum pada titik O.
Titik
tumpuan, O
Sempadan
tadahan
A
A
B
D
D
C
B
C
tc=4j
tc=3j
tc=2jtc=1j
i =1 cm/j
