Drainase Adalah: Jenis Saluran dan Rumus Debit Rencana

Drainase adalah prasarana yang berfungsi mengalirkan kelebihan air, terutama air hujan, dari suatu kawasan ke badan air penerima seperti sungai, danau, atau laut. Wujudnya berupa saluran terbuka atau tertutup beserta bangunan pelengkapnya, dan tujuannya satu: kawasan tidak tergenang setelah hujan.

Definisi itu cukup untuk menjawab soal ujian. Namun pertanyaan berikutnya lebih menarik: seberapa besar saluran yang dibutuhkan sebuah kawasan? Artikel ini mulai dari pengertian dan jenis-jenis drainase, lalu naik ke cara insinyur menghitung debit rencana dengan metode rasional, memeriksa kapasitas saluran dengan rumus Manning, dan menutupnya dengan contoh hitungan saluran trapesium untuk perumahan seluas 5 ha.

Drainase adalah apa menurut peraturan

Rujukan resmi paling jelas ada di Peraturan Menteri Pekerjaan Umum Nomor 12/PRT/M/2014 tentang Penyelenggaraan Sistem Drainase Perkotaan, yang bisa diunduh di JDIH PU. Pasal 1 dan Lampiran I peraturan itu memuat tiga definisi yang saling melengkapi:

• Drainase adalah prasarana yang berfungsi mengalirkan kelebihan air dari suatu kawasan ke badan air penerima.
• Drainase perkotaan adalah drainase di wilayah kota yang berfungsi mengelola atau mengendalikan air permukaan sehingga tidak mengganggu atau merugikan masyarakat.
• Prasarana drainase adalah lengkungan atau saluran air di permukaan atau di bawah tanah, baik yang terbentuk secara alami maupun dibuat oleh manusia, yang berfungsi menyalurkan kelebihan air dari suatu kawasan ke badan air penerima.

Jadi, kalau kamu mencari "drainase artinya" atau "saluran drainase adalah", inti jawabannya sama: jalur yang membawa air berlebih keluar dari kawasan, menuju tempat yang sanggup menampungnya.

Peraturan yang sama membagi jaringan menjadi sistem drainase lokal (saluran awal yang melayani kawasan tertentu seperti kompleks, pasar, perkantoran, dan industri, dikelola masyarakat atau pengembang) dan sistem drainase utama (saluran primer, sekunder, dan tersier yang melayani sebagian besar masyarakat, menjadi tanggung jawab pemerintah kota). Urutan alirannya berjenjang: saluran tersier menerima air dari saluran penangkap, mengalirkannya ke saluran sekunder, lalu ke saluran primer, dan akhirnya ke badan air penerima.

Selain saluran, Tabel 1 Lampiran III Permen PU 12/2014 mendaftar prasarana dan sarana drainase lain yang perlu dioperasikan dan dipelihara: gorong-gorong, bangunan terjun, pintu air, kolam retensi dan detensi, pompa, sumur resapan, bak pemeriksaan (manhole), sampai tali air atau lubang inlet di tepi jalan.

Jenis-jenis drainase

Pembagian jenis drainase paling mudah dipahami lewat tiga pertanyaan: terbentuk alami atau dibuat? Di atas atau di bawah tanah? Terbuka atau tertutup?

Drainase alami dan buatan

Definisi prasarana drainase di Permen PU 12/2014 secara eksplisit menyebut saluran yang "terbentuk secara alami maupun dibuat oleh manusia". Drainase alami adalah alur yang terbentuk sendiri oleh aliran air, misalnya parit alam dan anak sungai. Drainase buatan dirancang dan dibangun, mulai dari parit tanah di tepi sawah sampai saluran beton bertulang di pusat kota. Pada saluran trapesium, peraturan yang sama bahkan membedakan saluran yang terbentuk alami (kemiringan talud mengikuti tanah asli) dari saluran yang taludnya diperkuat pasangan batu kali atau beton.

Drainase permukaan dan bawah permukaan

Drainase permukaan menangani air yang mengalir di atas tanah: limpasan dari atap, jalan, dan halaman yang dikumpulkan ke saluran. Drainase bawah permukaan menangani air yang berada atau dialirkan di bawah tanah, misalnya lewat saluran atau pipa yang ditanam. Dalam daftar sarana Permen PU 12/2014 juga ada sumur resapan dan kolam resapan, yang tugasnya bukan membuang air secepatnya, tetapi memberinya kesempatan meresap ke dalam tanah.

Saluran drainase terbuka dan tertutup

Saluran terbuka lebih mudah diperiksa dan dibersihkan daripada saluran tertutup. Menurut Lampiran III Permen PU 12/2014, saluran terbuka di permukiman, perdagangan, industri, dan perkantoran umumnya berbentuk trapesium atau segi empat dengan talud pasangan batu atau beton bertulang.

Saluran tertutup dipakai di tempat yang permukaannya tidak memungkinkan saluran terbuka, misalnya kawasan pasar dan pertokoan. Peraturan membedakan dua macam: saluran terbuka yang ditutup plat beton, dan saluran tertutup sungguhan (aliran bebas atau bertekanan). Keuntungannya, bagian atas saluran bisa dimanfaatkan untuk berbagai keperluan. Kerugiannya, pemeliharaan jauh lebih sulit, sehingga harus disediakan lubang kontrol (manhole) dan saringan sampah di bagian hulu lubang kontrol.

Drainase jalan

Drainase jalan adalah saluran terbuka di kiri dan kanan jalan yang menampung air hujan dari badan jalan. Permen PU 12/2014 mencatat dimensinya biasanya distandarkan menurut lebar jalan, kecuali bila saluran itu juga menerima air dari lingkungan sekitarnya. Dalam kasus itu, ukurannya harus dihitung dari luas daerah tangkapan, kala ulang, dan bentuk daerah tangkapan, persis seperti saluran kota lainnya. Pada foto di awal artikel, galian parit memanjang itu dikerjakan dengan excavator. Untuk saluran berdinding beton, cara membaca kelas mutu betonnya dibahas di artikel mutu beton K dan fc'.

Bentuk penampang saluran drainase

Lampiran I Permen PU 12/2014 menyebut bentuk saluran drainase umumnya trapesium, segi empat, bulat, setengah lingkaran, dan segitiga, atau kombinasinya.

Bentuk penampang berkaitan erat dengan bahan dindingnya. Menurut Lampiran III Permen PU 12/2014, saluran trapesium bisa terbentuk alami dengan kemiringan talud mengikuti jenis tanah asli, atau taludnya diperkuat pasangan batu kali maupun beton bertulang. Saluran segi empat berdinding tegak, sehingga lebar atasnya sama dengan lebar dasar, tetapi harus dibuat dengan perkuatan talud, kecuali tanahnya padat atau keras (cadas).

Lampiran I Permen PU 12/2014 juga memuat penampang ekonomis (Tabel 16), yaitu penampang dengan keliling basah minimum yang memberikan daya tampung maksimum. Untuk trapesium, segi empat, dan setengah lingkaran, jari-jari hidrolis penampang ekonomisnya sama, yaitu $R = \tfrac{1}{2}y$, dengan $y$ kedalaman air (m). Pada segi empat, artinya lebar dasar sama dengan dua kali kedalaman air ($A = 2y^2$, keliling basah $P = 4y$). Penampang ekonomis tidak selalu dipakai di lapangan, karena galian dalam atau lahan sempit sering lebih menentukan, tetapi berguna sebagai titik awal coba-coba.

Cara insinyur menentukan ukuran saluran

Ukuran saluran tidak bisa distandarkan, kata Permen PU 12/2014, karena bergantung pada luas daerah tangkapan, periode ulang hujan, dan bentuk daerah tangkapannya. Alur hitungannya selalu sama: tentukan berapa air yang datang (debit rencana), lalu cari penampang yang sanggup mengalirkannya.

Rumus debit rencana metode rasional

Metode rasional disebut Chow, Maidment, dan Mays dalam Applied Hydrology (1988, subbab 15.1) sebagai metode yang kemungkinan masih paling banyak dipakai untuk desain saluran air hujan perkotaan. Buku itu menulisnya sebagai $Q = CiA$, dalam satuan Amerika. Dalam satuan SI, dengan luas dalam km², bentuknya menjadi:

Keterangan: $Q$ debit puncak rencana (m³/detik); $C$ koefisien limpasan (tanpa satuan, 0 sampai 1); $I$ intensitas hujan selama waktu konsentrasi (mm/jam); $A$ luas daerah tangkapan (km²).

Konstanta 0,278 bukan angka empiris, melainkan konversi satuan. Hujan 1 mm/jam yang jatuh di 1 km² setara $0{,}001 \text{ m} \times 1.000.000 \text{ m}^2$ per 3.600 detik, yaitu $1.000/3.600 = 0{,}2778$ m³/detik. SNI 2415:2016 (persamaan 32) dan Lampiran I Permen PU 12/2014 memakai luas dalam hektare, sehingga konstantanya 100 kali lebih kecil:

Keterangan: $Q_p$ debit puncak banjir (m³/detik); $C$ koefisien limpasan; $I$ intensitas hujan selama waktu konsentrasi (mm/jam); $A$ luas daerah aliran (ha).

SNI 2415:2016 menyatakan metode rasional praktis berlaku untuk luas daerah aliran sungai hingga 5.000 hektare. Chow dkk. mencatat tiga asumsinya: debit puncak di titik tinjau merupakan fungsi intensitas hujan rata-rata selama waktu konsentrasi, waktu konsentrasi adalah waktu yang dibutuhkan air dari titik terjauh untuk mencapai titik tinjau, dan intensitas hujan dianggap konstan selama durasi hujan. Dasar hubungan debit dengan luas dan kecepatan aliran ($Q = A \cdot v$) dibahas terpisah di artikel rumus debit.

Waktu konsentrasi dan intensitas hujan

Lampiran I Permen PU 12/2014 memakai rumus Kirpich untuk waktu konsentrasi:

Keterangan: $t_c$ waktu konsentrasi (menit); $L$ panjang saluran dari titik terjauh sampai titik yang ditinjau (m); $S$ kemiringan dasar saluran (tanpa satuan, m/m).

Intensitas hujan dihitung dari curah hujan harian dengan rumus Mononobe:

Keterangan: $I$ intensitas curah hujan (mm/jam); $R_{24}$ curah hujan harian maksimum tahunan untuk kala ulang $t$ tahun (mm); $t_c$ waktu konsentrasi (jam).

Kala ulang dipilih dari Tabel 1 Lampiran I Permen PU 12/2014:

Sumber: lihat bagian Sumber artikel.

Tabel koefisien limpasan C

Koefisien limpasan adalah bagian hujan yang menjadi aliran permukaan. Atap dan aspal hampir tidak meresapkan air, sehingga C-nya tinggi; rumput di tanah berpasir meresapkan banyak air, sehingga C-nya rendah. Tabel berikut dikutip dari Tabel 13 (Nilai Koefisien Limpasan) Lampiran I Permen PU No. 12/PRT/M/2014, kolom sifat permukaan tanah:

Sumber: lihat bagian Sumber artikel.

Tabel yang sama juga memberi nilai per kondisi daerah: perdagangan di daerah kota 0,70-0,95, industri ringan 0,50-0,80, industri berat 0,60-0,90, taman dan kuburan 0,10-0,25, serta daerah tidak terawat 0,10-0,30. Untuk permukiman, Tabel 8 SNI 2415:2016 lebih praktis karena memberi satu nilai per kepadatan rumah:

Sumber: lihat bagian Sumber artikel.

Bila satu kawasan terdiri dari beberapa permukaan, hitung koefisien ekuivalen dengan rata-rata berbobot luas:

Keterangan: $C_{eq}$ koefisien limpasan ekuivalen (-); $C_i$ koefisien limpasan subdaerah ke-$i$ (-); $A_i$ luas subdaerah ke-$i$ (ha).

Kapasitas saluran dengan rumus Manning

Setelah debit rencana diketahui, penampang dicoba-coba sampai kapasitasnya sama dengan atau lebih besar dari debit itu. Lampiran I Permen PU 12/2014 memakai rumus Manning:

Keterangan: $V$ kecepatan aliran rata-rata (m/detik); $n$ koefisien kekasaran Manning (-); $R$ jari-jari hidrolis (m), yaitu $R = A/P$; $A$ luas penampang basah (m²); $P$ keliling basah (m); $S$ kemiringan dasar saluran (-).

Kapasitas saluran adalah $Q = A \cdot V$ (m³/detik). Untuk trapesium dengan lebar dasar $b$ (m), kedalaman air $h$ (m), dan kemiringan talud $1 : m$ (vertikal : horizontal), geometri penampang basahnya:

Keterangan: $A$ luas basah (m²); $P$ keliling basah (m); $b$ lebar dasar (m); $h$ kedalaman air (m); $m$ angka kemiringan talud (-).

Nilai $n$ diambil dari Tabel 15 Lampiran I Permen PU 12/2014 (sumber tabel di peraturan: buku Hidraulika karya Bambang Triatmodjo):

Sumber: lihat bagian Sumber artikel.

Kapasitas saja belum cukup. Kecepatan yang terlalu rendah membuat sedimen mengendap dan tanaman air tumbuh, sedangkan kecepatan terlalu tinggi menggerus dinding. Lampiran I Permen PU 12/2014 (Tabel 17 dan teks penyertanya) memberi batas berikut:

Sumber: lihat bagian Sumber artikel.

Di atas muka air rencana disediakan ruang bebas atau tinggi jagaan. Teks Lampiran I menyebut kisaran 0,30 sampai 1,20 m tergantung kedalaman dan lebar saluran, sedangkan Tabel 17 memberi angka minimum 0,20 m untuk saluran berlapis dengan debit 0,5 sampai 1,5 m³/detik.

Contoh hitungan saluran trapesium untuk perumahan 5 ha

Sebuah kompleks perumahan baru seluas 5 ha di kota sedang akan dilayani satu saluran pembuang di tepi jalannya. Tata guna lahannya: atap 1,5 ha, jalan aspal 1,0 ha, dan halaman berumput di tanah keras yang datar 2,5 ha. Jalur aliran terpanjang 300 m dengan kemiringan dasar saluran 0,002. Curah hujan harian maksimum kala ulang 2 tahun diasumsikan 100 mm. Angka ini asumsi latihan, bukan data stasiun hujan tertentu; dalam proyek nyata, $R_{24}$ diperoleh dari analisis frekuensi data hujan minimal 10 tahun terakhir, sesuai ketentuan Permen PU 12/2014.

Contoh hitungan

Langkah 1 sampai 4: debit rencana kawasan 5 ha

1. Kala ulang (Tabel 1, kota sedang, luas < 10 ha): 2 tahun, R24 = 100 mm (asumsi)

2. C atap = 0,85 (rentang 0,75-0,95); C aspal = 0,80 (rentang 0,70-0,95); C rumput tanah keras datar = 0,15 (rentang 0,13-0,17)

3. Ceq = (0,85 × 1,5 + 0,80 × 1,0 + 0,15 × 2,5) / 5,0 = (1,275 + 0,800 + 0,375) / 5,0 = 0,49

4. tc = 0,0195 × 300^0,77 × 0,002^-0,385 = 0,0195 × 80,79 × 10,94 = 17,2 menit = 0,287 jam

5. I = (100 / 24) × (24 / 0,287)^(2/3) = 4,167 × 19,12 = 79,7 mm/jam

6. Q = 0,00278 × 0,49 × 79,7 mm/jam × 5 ha = 0,543 m³/detik

7. Cek bentuk km²: Q = 0,278 × 0,49 × 79,7 × 0,05 km² = 0,543 m³/detik

8. Debit rencana Q = 0,543 m³/detik

Nilai Ceq 0,49 masuk akal bila dibandingkan dengan Tabel 8 SNI 2415:2016, yang memberi 0,48 untuk permukiman 20 rumah/ha. Pemeriksaan silang seperti ini murah dan sering menangkap salah ketik luas atau koefisien.

Saluran direncanakan dari pasangan batu disemen ($n = 0{,}025$), lebar dasar 0,60 m, talud 1 : 1 ($m = 1$), dengan kemiringan dasar yang sama, $S = 0{,}002$. Kedalaman air dicari dengan coba-coba.

Contoh hitungan

Langkah 5 sampai 7: dimensi saluran trapesium

1. Coba h = 0,55 m: A = (0,60 + 0,55) × 0,55 = 0,633 m²; P = 0,60 + 2 × 0,55 × √2 = 2,156 m; R = 0,293 m

2. V = (1 / 0,025) × 0,293^(2/3) × 0,002^(1/2) = 0,790 m/detik; Q = 0,633 × 0,790 = 0,500 m³/detik < 0,543, tidak cukup

3. Coba h = 0,60 m: A = (0,60 + 0,60) × 0,60 = 0,720 m²

4. P = 0,60 + 2 × 0,60 × √2 = 0,60 + 1,697 = 2,297 m

5. R = 0,720 / 2,297 = 0,313 m; R^(2/3) = 0,461

6. V = 40 × 0,461 × 0,0447 = 0,825 m/detik (di antara 0,60 dan 2,0 m/detik untuk pasangan batu kali, memenuhi)

7. Q kapasitas = 0,720 m² × 0,825 m/detik = 0,594 m³/detik ≥ 0,543 m³/detik, memenuhi

8. Tinggi jagaan dipilih w = 0,30 m (batas bawah kisaran 0,30-1,20 m, di atas minimum 0,20 m Tabel 17)

9. Dimensi akhir: b = 0,60 m, h = 0,60 m, w = 0,30 m, tinggi total H = 0,90 m, lebar atas B = 0,60 + 2 × 0,90 = 2,40 m

Perhatikan bahwa kapasitasnya hanya sekitar 9 persen di atas debit rencana. Itu wajar untuk desain, tetapi tidak menyisakan banyak ruang untuk sampah dan endapan. Kalau saluran ini kelak tersumbat sepertiga, kapasitasnya turun di bawah debit rencana, dan hitungan serapi apa pun tidak menolong. Karena itu, Permen PU 12/2014 memisahkan Lampiran III khusus untuk operasi dan pemeliharaan: saluran yang dihitung benar tetap gagal bila tidak dirawat.

Ringkasnya, dari definisi ke dimensi

Drainase adalah prasarana untuk membuang kelebihan air dari kawasan ke badan air penerima, dan jenisnya bisa dikenali dari asal, letak, dan bentuk salurannya. Untuk menentukan ukuran saluran, insinyur menghitung debit rencana dengan metode rasional dari koefisien limpasan, intensitas hujan, dan luas daerah tangkapan, lalu mencari penampang yang kapasitas Manning-nya cukup dengan kecepatan dalam batas izin. Bagian yang paling menentukan hasil justru pemilihan koefisien limpasan dan data hujan, jadi dua angka itulah yang perlu dicek paling teliti.