52889391-HIDROLOGI

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 10 18 m 3 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

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: Anggaran permintaan bekalan air (termasuk kegunaan domestik, industri, pertanian dan hidro-elektrik) pula adalah seperti berikut:

1993: 11.6 billion m 3 2020: 30.0 billion m 3

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/)

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 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.

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 datadata 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. 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.

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)

Hujan Olakan

Udara panas yang berketumpatan rendah ditiup angin keudara dan disejukan melalui proses adiabatik untuk membentuk awam. Kadar penyejukan ialah pada kadar 5 o 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

Hujan Orografi

Hujan yang terbentuk akibat pergerakan udara panas ke kawasan pergunungan dan proses penyejukan berlaku.

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.

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

Rumus:

) ( 1 D C B A x P P P P n P + + + = (2.1) di mana P x = rekod hujan stesen X P A , P B , P C , P D = 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 (2.2) di mana, n = jumlah stesen hujan berdekatan yang terlibat P x = hujan bulanan bagi stesen X yang ingin dianggar N X = hujan purata tahunan bagi stesen X N A , N B , N C = hujan purata tahunan bagi stesen-stesen A, B, C P A , P B , P C = hujan bulanan bagi stesen-stesen A, B, C 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).

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 f. Laraskan rekod hujan bagi stesen X menggunakan rumus berikut: Yang mana berkenaan, di mana Y' 1 , Y' 2 = rekod hujan stesen X selepas di laras S 1 = kecerunan garisan lurus sebelum berlaku perubahan S 2 = kecerunan garisan lurus selepas berlaku perubahan Y 1 , Y 2 = rekod hujan stesen X sebelum di laras

Berpandukan kepada gambarajah 7.6.

a. Dapatkan sebuah hidrograf asli yang kita hendak asingkan aliran dasarnya b. Gunakan kordinat pada lengkung susutan sahaja untuk langkah seterusnya bagi mendapatkan satu titik di mana berlakunya titik kecerunan maksimum c. Terbitkan satu ordinat baru Q dengan nilai Q nya di ambil daripada (Q + dt) d. Plotkan nilai-nilai Q/(Q+dt) melawan t di bahagian atas kanan hidrograf asli, tetapi nilai t nya dianjakan sejarak dt e. Dapatkan titik pertemuan diantara 2 garisan lurus yang mempunyai kecerunan yang berbeza.

f. Anjakan titik pertemuan tadi ke kanan sejarak dt/2 untuk mendapatkan titik kecerunan maksimum yang di kehendakki.

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 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.

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

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

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

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.

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 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 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 Faktor Radiasi bersih, R n : R n ialah perbedaan diantara R n yang diterima dan R n yang dipantulkan. R n boleh di kira menggunakan data pancaran matahari, suhu udara dan kelembapan udara. Jadual 3.5 dan 3.6 boleh digunakan untuk membuat anggaran.

Jadual Penyelesaian

Kaedah E pan

Kehilangan air yang berlaku pada kancah sejatan (E pan ) 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

ET = c [ W R n + (1-W) f(u) (e a -e d )]

a).

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).

CONTOH SOALAN DAN PENYELESAIAN

Gunakan koodinat-koordinat pada lengkung susutan untuk analisis seterusnya, untuk mencari satu titik di mana berlakunya perubahan kecerunan secara grafik.

Gunakan sebarang sela masa untuk analisis. Dalam contoh ini saya gunakan sela masa dt = 4 Jam (Q +dt) = (Q+4). Secara grafik, isipadu Q e ialah jumlah keluasan di bawah lengkung Q tjumlah isipadu di bawah garisan aliran dasar.

Keluasan diantara lengkung Q t dan garisan aliran dasar Q b boleh dikira menggunakan kaedah trigonometri berikut:

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 10 4 m 3 , 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

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.

Masa

t (jam)

Keamatan hujan (i), susupan (f) (mm/j)

Setelah diketahui persamaan Horton, ukur dalam hujan yang menyusup, F p , pada sebarang tempoh masa boleh dianggar dengan mengkamirkan persamaan tersebut.

penentuan parameter Horton f o dan K juga boleh dilakukan dengan menyelesaikan persamaan tersebut menggunakan kaedah cuba dan ralat.

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).

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, turunnaik 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.

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?

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, t c

Faktor-faktor mempengaruhi ALP

Keluasan kawasan (area): semakin luas kws tadahan ⇒ ALP semakin besar Kecerunan (slope): semakin curam ⇒ R semakin besar ⇒ t c 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)

Gambarajah 5.1: Konsep Kawasan Tadahan

Sifat-sifat hujan (rainfall characteristics) Bentuk tadahan dinyatakan menggunakan faktor berikut:

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 (m 3 /s, lps, ft 3 /s, dsb).

Pemilihan stesen cerapan

Stesen cerapan kadar aliran sungai perlu dipilih berdasarkana kepada faktor-faktor berikut:

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.

Kaedah Luas-halaju (Area-velocity)

Melibatkan pengukuran keratan rentas, A, dan halaju sungai, V. e. Kira kadar aliran (luahan) sungai menggunakan kaedah seksyen purata (mean section) atau seksyen pertengahan (mid section).

Kaedah Mean Section

Gambarajah 5.4 : Kaedah Mean Section

Rumus am hidraulik:

Gambarajah 5.5: Kaedah Seksyen Mid (mid)

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

(5.8) n = pekali manning, C = pekali Chezy

Kaedah Enceran (Dilution gauging)

Menentukan kadar aliran sungai dengan mengukur darjah pencairan suatu larutan perunut (tracer) yang dimasukkan ke dalam sungai

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 C 1 (kg/m 3 ) dilepaskan pada kadar q (m 3 /s) ke dalam sunngai yang mengalir pada kadar Q (m 3 /s) pada titik cerapan 1. Selepas beberapa ketika, kepekatan bahan perunut iaitu C 2 (kg/m 3 ) ditentukan semula pada titik cerapan 2.

Berpandukan gambarajah di atas,

-Hukum keabadian jisim, kadar jisim pada titik 1= titik 2

Kaedah suntikan integrasi (integration/sudden injection)

Prosidur:

Sejumlah bahan perunut yang diketahui isipadunya, V m 3 dan mempunyai kepekatan C 1 (kg/m 3 ) dilepaskan ke dalam sungai yang mengalir pada kadar Q (m 3 /s) pada titik cerapan 1 sekali gus. Selepas beberapa ketika, kepekatan bahan perunut ditentukan semula pada titik cerapan 2 iaitu C 2 (kg/m 3 )

Berpandukan gambarajah, dapat dirumuskan

Dimana V = isipadu bahan perunut (m 3 ) C 1 = kepekatan bahan perunut pada titik 1 C 2 = kepekatan bahan perunut pada titik 2 Q = kadar aliran sungai (m 3 /s) t 2 = masa di mana bahan perunut telah larut sepenuhnya

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 H 3/2

Q = kadar alir sungai C = pekali luahan yang melalui struktur B = lebar `crest' struktur H = ketinggian turus/head

Pelarasan Data Cerapan

Kerja cerapan kadar aliran sungai perlu dilakukan banyak kali untuk menerbitkan lengkung perkadaran sungai. Hasilnya ialah banyak titiktitik 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.

Dimana Q m ialah kadar alir cerapan dan A ialah keratan rentas sungai.

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. Bahan perunut: NaCl (sodium chloride) q = 7.5 ml/s C 1 = 5.67 g/l C 2 = 0.05 mg/l ⇒ q = 7.5 ml/s = 0.0075 l/s ⇒ C 2 = 0.05 mg/l = 0.00005 g/l (

Contoh 5.5

Kerja mencerap kadar aliran sungai pada titik O, semasa air sedang pasang telah dilaksanakan. Nilai kadar aliran cerapan, Q m ialah 3160 m 3 /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 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. Sebelum suatu projek infrastruktur (perumahan, Bandar baru, lapangan terbang, lebuhraya, pusat rekreasi, dsb.) dilaksanakan, maklumat mengenai Q p 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 Q p 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.

Kaedah formula empirikal

Kaedah empirical ialah suatu kaedah yang diterbitkan berasaskan kajian suatu kawasan tertentu.

Secara amnya formula empirikal adalah dalam bentuk berikut:,

Q p = 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. Lengkung IDF juga boleh dinyatakan dalam bentuk persamaan polynomial umum seperti berikut:

Kaedah Rational (Rational method)

Kaedah Rasional Terubah (Modified Rational Method)

Kaedah rational standard (kaedah yang telah dibincangkan sebelum ini) dianggap benar-benar berlaku apabila aliran puncak, Q p dianggap mempunyai nilai yang bersamaan dengan hujan bersih/berlebihan selepas tempoh masa t c .

Walaubagaimana pun keadaan sebenar yang berlaku adalah seperti berikut. Sebelum berlakunya hujan yang menyebabkan Q p , realitinya telah sedia ada simpanan air di dalam sungai atau saluran (kecuali semasa kemarau panjang). Maka untuk membuat anggaran nilai Q p yang lebih tepat kita perlu mengambil kira simpanan tersebut, dengan memperkenalkan pekali simpanan, C s . Maka formula rational standard diubah menjadi formula rationa terubah (modified rational method)

Cara untuk mendapatkan nilai t c dan t d adalah sama seperti yang telah diterangkan dalam kaedah rational standard.

Kaedah Masa-keluasan (Isochrones)

Kaedah ini ialah lanjutan dari kaedah rational standard

Kaedah ini lebih tepat dan realistik sebab mengambil kira faktor keluasanmasa (spatial-temporal) secara terperinci. Syarat keseragaman hujan untuk keseluruhan kawasan tadahan yang diperlukan dalam kaedah rational standard tidak diperlukan. Sebaliknya keseragaman hujan untuk subtadahan 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 satusatu `isochrones'.

Berpandukan gambarajah 6.5, kadar aliran yang disumbangkan oleh setiap sub-tadahan yang disempadani oleh 2 isochrones (t 1 dan t 2 ) ialah keamatan hujan, i diantara t 1 dan t 2 didarabkan dengan keluasan subtadahan, dA

Maka, jika terdapat n sub-kawasan tadahan, jumlah Kadar aliran puncak tadahan keseluruhan, Qp, ialah,

i n ialah keamatan hujan yang berlaku selepas tempoh t c (n) 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.

BAB 7 ANALISIS HIDROGRAF

Objektif Bab ini adalah:

Mempelajari kaedah menentukan kuantiti pelbagai komponen hidrograf

Membuat analisis pertalian diantara hujan berkesan/bersih (effective rainfall) dan air larian-larian permukaan (surface runoff)

Membuat anggaran (estimation) isipadu air yang terhasil dpd suatu kejadian hujan untuk digunakan dalam reka bentuk projek berkaitan kejuruteraan sumber air.

Definisi Hidrograf

Dalam bab-bab yang lepas anda telah mempelajari beberapa kaedah menganggar satu nilai kadar aliran sungai pada satu titik tumpuan, O menggunakan kaedah Rational standard, Rational Terubah dan kaedah isochrone. Kaedah-kaedah tersebut hanya boleh menganggar Q p sahaja.

Dalam bab ini, analisis kadar aliran sungai secara berterusan akan dibincangkan menggunakan konsep hidrograf. Analisis hidrograf boleh menentukan secara kuantitatif magnitud dan taburan perubahan air larian serta komponen komponennya berbanding masa selepas suatu kejadian-kejadian ribut bermula. Komponen-komponen Q (unit: m 3 /s, ft 3 /s, l/s) Telah dijelaskan, Q didapatkan dari kerja pengukuran sebenar atau melalui proses anggaran, Q berlaku pada satu titik cerapan.

Sebelum, semasa atau selepas berlaku suatu kejadian hujan, Q yang terdapat di dalam aliran sungai terbahagi kepada 3 komponen: a.

Air hujan yang terus masuk ke dalam sungai (direct rainfall) b.

Air hujan limpahan permukaan (overland flow) c.

Air dari punca bawah permukaan tanah (groundwater flow)

Pengasingan Aliran dasar, Q b (base flow separation)

Untuk mengetahui berapa banyak aliran terus (iaitu komponen a & b hidrograf) yang boleh dihasilkan oleh satu kejadian hujan, maka perlu diasingkan aliran dasarnya, Q b . Perlu diingatkan bahawa aliran dasar ialah aliran yang bukan dihasilkan oleh hujan pada ketika itu, sebaliknya aliran yang samaada lebihan daripada hujan sebelumnya atau daripada sumber air bumi.

Terdapat beberapa teknik pengasingan aliran dasar: Kaedah ini melibatkan proses penentuan titik infleksi (titik berlaku perubahan kecerunan), N, pada lengkung susutan suatu hidrograf Setelah titik infleksi dikenal pasti, garisan aliran dasar boleh dibina dengan menyambungkan titik infleksi, N dan titik naik mendadak, P.

e. Kaedah Garisan lurus mudah

Membina garisan lurus tangen kepada kedua-dua lengkung menaik dan menyusut, a-b atau a-c-b.

aliran dasar pada masa k

Isipadu Q e dan Q b hidrograf hujan

Untuk sesebuah hidrograf hujan, setelah pengasingan Q e dan Q b dilakukan, maka isipadu Q e dan Q b dapat ditentukan dengan mengira keluasan graf di bawah lengkung-lengkung berkenaan. Pengiraan boleh dilakukan secara grafik. h. Plotkan ordinat UH-Tjam melawan masa dan tentukan nilai-nilai Q p , t p dan t b .

Hidrograf Unit (Unit Hydrograph) -UH

Menukar Tempoh Hidrograf Unit -Kaedah lengkung S

Sungguhpun T-UH suatu kawasan tadahan diterbitkan berdasarkan tempoh hujan berkesan selama T jam, namun maklumat mengenai aliran terus yang dihasilkan oleh hujan berkesan yang berlainan tempoh seringkali diperlukan.

Kaedah Lengkung S digunakan untuk mengubahsuai tempoh UH (eg. T 1 -UH kepada T 2 -UH).

Prosidur Merujuk Gambarajah 7.12

Andaikan satu UH bertempoh T 1 jam untuk ditukar kepada UH bertempoh T 2 jam bagi kawasan tadahan yang sama, maka:

a. Terbitkan satu lengkung-S dengan menambahkan ordinat-ordinat UH yang bertempoh T 1 jam, setiap satu dilewatkan (lagged) selama T 1 jam. Ini bersamaan dengan hidrograf aliran terus yang terhasil dari hujan berkesan berterusan yang berkeamatan 1/T 1 mm/Jam. Gambarajah 7.12: Menukar tempoh UH kaedah Lengkung S b. Anjakan (shiff) lengkung-S sejarak tempuh T 2 jam untuk membentuk satu lagi lengkung S (Selepas ini dipanggil lengkung S').

c. Tolakan ordinat-ordinat diantara kedua-dua lengkung-S (S -S'), untuk mendapatkan ordinat hidrograf yang terhasil oleh hujan berkesan 1/T 1 mm/jam tetapi berlaku selama T 2 jam. d. Tukarkan lengkung semula S' kepada T 2 -UH, dengan mendarabkan dengan nisbah T 1 /T 2 untuk menghasilkan unit hidrograf T 2 -UH e. Adalah tidak mustahil jika lengkung S boleh mencapai nilai maksimum dan kemudian berayun (oscillate) pada nilai yang hampir sama disebabkan oleh terdapatnya kesilapan tempuh hidrograf asli.

Kegunaan Hidrograf Unit

Setelah T-UH bagi suatu kawasan tadahan telah diterbitkan, ianya boleh digunakan sebagai fungsi alihan (transfer function) untuk mendapatkan semula hidrograf asli bagi suatu kejadian hujan atau beberapa kejadian hujan secara berturutan. Dalam banyak hal, jurutera dan saintis ingin mengetahui aliran puncak (Q p ) untuk reka bentuk strukutur kawalan banjir, sumber air dan ekosistem, dsb., namun sesetengah projek memerlukan maklumat yang lebih terperinci seperti jumlah isipadu dan tempoh aliran bersih dan aliran dasar. UH mampu memberikan perincian kadar aliran secara berterusan.

Mendapatkan Hidrograf Asli daripada UH

Prinsip: Ordinat-ordinat UH didarabkan dengan ukur dalam hujan berkesan dan di campurkan serta di lewatkan secara berturutan untuk membentuk komponen Q e hidrograf asli. Aliran dasar, Q b , boleh ditambahkan kemudian untuk membentuk hidrograf hujan jumlah (Q t ). Perhatian perlu diambil bagi memastikan julat masa bagi hujan berkesan mestilah bersamaan dengan tempoh UH. Persamaan yang terlibat dalam bentuk diskrit dipanggil persamaan konvolusi (convolution equation). Q n = ordinat hidrograf asli P i = hujan berkesan U j (j = n-i + 1) = ordinat UH Prosidur kebelakang membolehkan kita menentukan UH daripada hidrograf asli yang terhasil oleh pelbagai tempoh hujan berkesan. Sebagai contoh, untuk 4 tempoh hujan berkesan (P 1 , P 2 , P 3 , P 4 ), persamaan konvolusinya boleh ditulis seperti berikut: n =1, 2,3,4,5,6,7,8,9,10 Q 1 = P 1 U 1 Q 2 = P 2 U 1 + P 1 U 2 Q 3 = P 3 U 1 + P 2 U 2 + P 1 U 3 Q 4 = P 4 U 1 + P 3 U 2 + P 2 U 3 + P 1 U 4 Q 5 = P 4 U 2 + P 3 U 3 + P 2 U 4 + P 1 U 5 Q 6 = P 4 U 3 + P 3 U 4 + P 2 U 5 + P 1 U 6 Q 7 = P 4 U 4 + P 3 U 5 + P 2 U 6 + P 1 U 7 Q 8 = P 4 U 5 + P 3 U 6 + P 2 U 8 Q 9 = P 4 U 6 + P 3 U 7 Q 10 = P 4 U 7 Dan di jelaskan dalam Gambarajah 6.13 Gambarajah 7.13: Proses konvolusi UH

Hidrograf Unit Sintetik (synthetic UH)

UH biasanya diterbitkan dpd hidrograf asli yang dicerap (gauged data)

Tidak semua kawasan tadahan mempunyai data cerapan (ungauged data) P 1 P 2 P 3 P 4

Tetapi kita masih perlu maklumat mengenai UH kawasan tadahan tanpa data cerapan untuk memulakan suatu projek infrastruktur hidraulik.

Maka kita buat UH rekaan yang diasaskan daripada UH kawasan tadahan yang mempunyai persamaan sifatnya: Kaedah Snyder, SCS,

Kaedah Snyder (1938)

Satu kaedah empirikal yang diasaskan daripada kajian di kawasan tadahan Pergunungan Appalachian (10-10 000 batu persegi)

Sifat penting adalah seperti di dalam gambarajah 7.14.

Tempoh aliran dasar (base time), T b T b = 3 + 3 (T p /24) hari atau T b = 5 T p

Jika tempuh hujan berkesan tidak sama T r tetapi T r ' maka T p ' = T p + (T r ' -T r )/4 Plotkan hidrograf hujan menggunakan koordinat yang telah diberikan.

Contoh 7.3

Koordinat-koordinat sebuah hidrograf asli yang dihasilkan oleh satu kejadian hujan bertempuh 1 Jam diberikan pada jadual dibawah. Jika keluasan kawasan tadahan ialah 10 000 km 2 , terbitkan UH berkenaan bagi tadahan tersebut. Berapakah isipadu air larian yang dihasilkan. Berapakah tempoh aliran dasar UH. 0 250 3 300 75 375 4 275 250 0 525 5 200 300 75 575 6 100 275 250 0 625 7 75 200 300 75 650 8 50 100 275 250 0 675 9 25 75 200 300 75 675 10 0 50 100 275 250 675 Sekarang merujuk kepada Jadual 2 e. Kolum 1 dan 2 merupakan koordinat lengkung S f. Anjakan ordinat lengkung S sejarak 3 jam sekali sahaja (kolum 3) g. Tolakan ordinat lengkung S (kolum 2) dengan lengkung S anjak 3 jam (kolum 4) untuk membentuk lengkung S' (kolum 4).

h. Dapatkan nilai ordinat UH yang baru (UH-3J) dengan mendarabkan ordinat pada kolum 4 dengan nisbah 2/3 (kolum 5).

i. Plot UH-2J dan UH 3-J dalam satu kertas graf yang sama untuk mengetahui perbezaan parameter-parameter UH tersebut.

j. Kesemua proses menukar tempoh UH boleh digambarkan dalam dalam bentuk gambarajah.

k. Bandingkan cirri-ciri UH-2J dengan UH-3J yang terhasil. UH-2J mempunyai kadar aliran puncak 300 m 3 /s berlaku pada jam yang ke-3, berbanding UH-3J mempunyai kadar aliran puncak 300 m 3 /s juga tetapi berlaku pada jam yang ke-4. perbezaan cirri ini boleh mempengaruhi rekabentuk banjir dan kejuruteraan sumber air berkaitan.

Jadual 2: Mendapatkan lengkung S' dan UH-3J

(1) 1 75 75 50 2 250 250 167 3 375 0 375 250 4 525 75 450 300 5 575 250 325 217 6 625 375 250 167 7 650 525 125 83 8 675 575 100 67 9 675 625 50 33 10 675 650 25 17 11 ∑ Q n = P n U 1 + P n-1 U 2 + P n-2 U 3 + ….P 1 U n Q 1 = P 1 U 1 Q 2 = P 2 U 1 + P 1 U 3 Q 3 = P 3 U 1 + P 2 U 2 + P 1 U 3 Q 4 = P 4 U 1 + P 3 U 2 + P 2 U 3 + P 1 U 4 Q 5 = P 4 U 2 + P 3 U 3 + P 2 U 4 + P 1 U 5 Q 6 = P 4 U 3 + P 3 U 4 + P 2 U 5 + P 1 U 6 Q 7 = P 4 U 4 + P 3 U 5 + P 2 U 6 + P 1 U 7 Q 8 = P 5 U 4 + P 3 U 6 + P 2 U 7 + P 1 U 8 Q 9 = P 1 U 1 + P 1 U 1 + P 1 U 1 Q 10 = P 4 U 7 + P 3 U 8 Q 11 = P 4 U 8 Selesaikan setiap persamaan untuk mendapatkan nilai-nilai bagi ordinat UH-1J. Perhatian, adalah perlu menyelesaikan hanya 8 persamaan pertama sahaja. Yang selebihnya boleh digunakan untuk menguji hasilnya.

Hasilnya, ordinat UH-1J yang terbentuk oleh empat hujan berkesan adalah seperti dalam jadual berikut: Cara penyelesaian ialah, dengan menggunakan ordinat UH, kita dapatkan ordinat-ordinat hidrograf asli untuk ketiga-tiga hujan berkenaan. Ingat, setiap hujan bermula pada masa permulaan yang berbeza.

Dalam masaalah ini, andaian konsep UH ke-2, iaitu proses `super position' digunakan.

Prosidur: Merujuk kepada Jadual penyelesaian di bawah. 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.

Penghalaan banjir ialah suatu proses bagi menentukan secara jajangan masa (progressively) tahap gelombang air/banjir yang berlaku di dalam sebuah takungan atau sungai. Dalam tajuk ini, takungan boleh dimaksudkan samaada sebagai empangan (dam or reserviour) atau kolam penahanan (detention pond). Masalah utama para jurutera ialah untuk meramal dan mengenal pasti dengan tepat hidrograf pasang-surut takungan atau sungai pada bahagian-bahagian tertentu. Tujuannya untuk menentukan tahap simpanan maksimum serta ketinggian struktur limpahan pada takungan dan juga bagi menentukan ketinggian benteng kawalan banjir. Dua kaedah diperkenalkan iaitu penghalaan sungai (stream routing) dan penghalaan takungan (reserviour routing).

Konsep Penghalaan Banjir

(2 S/∆t + O) O

Pertalian O-S pula hanya boleh diterbitkan setelah mengetahui pertalian diantara paras air dan isipadu takungan H-S (Elevation-Storage)

Pertalian H-S untuk suatu takungan boleh di terbitkan daripada peta topo takungan berkenaan menggunakan rumus berikut:

Jumlah isipadu simpanan, S di bawah paras satu-satu garisan kontor, i ialah jumlah kesemua isipadu simpanan di bawah paras I tersebut.

Dengan mengetahui formula umum struktur hidraulik di titik luahan O (eg. Q = K r g 2 L w H 3/2 ) maka pertalian H-O dapat diterbitkan.

Kaedah Muskingum (McCarthy -1938)

Merupakan satu kaedah penyelesaian konsep simpanan pada baji dan prisma dengan menggunakan persamaan keselanjaran.

Pada dasarnya prosedur penghalaan sungai melibatkan penyelesaian persamaan 7.18 yang boleh ditulis secara umum seperti berikut: Di mana O n-1 , I n-1 , I n diketahui dan hanya O n tidak diketahui dan akan ditentukan dalam proses penghalaan.

Pemalar Simpanan, K dan x (Storage constant)

Nilai K dan x dalam formula Muskingum dipanggil pekali Muskingum atau pekali simpanan. K secara teorinya dianggar menggunakan maklumat mengenai tempoh pergerakan gelombang banjir yang melalui satu bahagian sungai. Walau bagaimana pun secara praktiknya, jika kedua-dua hidrograf I dan O telah diketahui, maka nilai K dan x boleh dianggar secara grafik.

BAB 9 ANALISIS FREKUENSI (Frequency analysis)

Data dan rekod hidrologi perlu dianalisis dan di jelaskan dalam bentuk kebarangkalian, kerana data-data yang diambil bersifat rawak. Umpamanya adalah mustahil untuk mengetahui dengan tepat apakah kuantiti kadar aliran sungai yang akan berlaku dimasa akan datang semata-mata berdasarkan pengamatan yang lepas sahaja. Dalam erti kata lain kita sebenarnya tidak tahu keadaan sebenar yang akan berlaku dimasa akan datang. Kaedah statistik bertujuan untuk menjawab soalan-soalan seperti ini berasaskan konsep kebarangkalian. Kaedah statistik diperlukan untuk mengurus, mempersembah dan memperbaiki data-data cerapan bagi mempermudahkan interpretasi dan penilaian terhadapnya. Dalam bab ini penekanan diberikan kepada analisis kadar alir sungai, Q.

Pembolehubah rawak (random variables)

Kebanyakan data hidrologi adalah dalam bentuk pembolehubah rawak samada diskret (discrete) atau selanjar (continuous). Pembolehubah diskret ialah parameter individu manakala pembolehubah selanjar ialah data-data berterusan. Rekod kejadian banjir adalah contoh pembolehubah diskret manakala rekod hidrograf aliran sungai ialah contoh pembolehubah selanjar.

Soalan utama yang timbul dalam analisis frekuensi ialah apakah pembolehubahpembolehubah tersebut akan berlaku pada satu kuantiti yang sama atau lebih daripada suatu kunatiti yang ditentukan dan berlaku dalam satu tempoh masa tertentu.

Jenis analisis Q yang Q purata (average flow) -hidro elektrik Q puncak (peak flow) -berguna untuk ramalan banjir Q rendah (low flow) -bekalan air, kemarau, pelayaran

Persembahan data secara umum

Data hidrologi boleh di persembahkan secara grafik sebelum dianalisis secara statistik. Tujuannya untuk mendapatkan gambaran awal mengenai sifat dan cirri-ciri luaran data tersebut. Lazimnya persembahan di buat dalam bentuk histrogram. Prorsidur berikut boleh digunakan sebagai asas untuk menerbitkan sebuah histogram atau gambarajah kekerapan. Prosidur 1. Dapatkan rekod hidrologi (Q, P, dsb) yang ingin kita analisis untuk beberapa tahun (N tahun).

2. Susunkan data berkenaan secara susunan menurun (descending order).

Buat pengkelasan mudah.

Umum, jika k ialah nilai sela yang kita pilih, k = 5 log 10 N k = bilangan sela pengkelasan (class interval) N = jumlah set data (tahun) 4. Kira bilangan kekerapan bagi setiap kumpulan/kelas 5. Kira kumulatif setiap kekerapan 6. Tentukan kekerapan relatif 7. Plot kekerapan sela melawan kelas untuk membentuk histrogram.

8. Daripada histogram, kita dapat gambaran awal trend susatu data hidrologi yang sedang di analisis.

Risiko dan Kebolehpercayaan (Risk and Reliability) dan Taburan Binomial (Binomial Distribution)

Risiko dan kebolehpercayaan suatu projek (khususnya projek yang berkaitan dengan bencana alam) boleh dianggarkan atau diramal menggunakan kaedah statistik taburan Binomial (Binomial Distribution).

Taburan binomial mengunakan konsep Bernoulli Trials, adalah satu kaedah menguji satu turutan peristiwa bebas untuk mengetahui samada suatu peristiwa itu berlaku (success) atau tidak berlaku (failure). Kaedah kebarngakalian ini sesuai untuk pembolehubah diskrit.

Contohnya, Banjir pada kala kembali `r' (T r ) akan berlaku atau tidak?

Andaikan `n' ialah bilangan percubaan bebas untuk satu turutan, Jika x = bilangan kali berlaku maka (n-x) ialah bilangan kali tidak berlaku

Kebarangkalian `x' berlaku diikuti oleh (n-x) tidak berlaku boleh dianggarkan menggunakan formula berikut:

x n x p p − − ) 1 ( (9.1) Secara umum, bilangan kemungkinan berlaku `x' daripada `n' percubaan ialah,

Nilai kebarangkalian `x' berlaku daripada n percubaan pula ialah, Jumlah bilangan peristiwa `T r ' berlaku bagi `n' tahun secara berturutan pula ialah; B(n, p r ) Definisi Risiko (risk): berapakah kebarangkalian berlaku suatu peristiwa (T r ) sebanyak 1, 2, 3, 4,….., n kali untuk tempoh n tahun secara berturutan.

Risiko

= 1 -p r (tidak berlaku) = 1 -p r (x=0) = 1 -p r (0)

Analisis kekerapan (Frequency Analysis)

Tujuan analisis frekuensi dalam kajian hidrologi ialah untuk mengetahui berapa kerap suatu kejadian hidrologi berlaku dalam tempoh tertentu. Matlamat analisis ialah untuk menjangka atau meramal bila suatu peristiwa yang sama munkin akan berlaku.

Data-data peristiwa hidrologi yang telah berlaku terdahulu digunakan.

Data-data hidrologi di kelaskan mengikut tujuan suatu analisis frekuensi dilakukan. Contoh: Hujan maksimum tahunan, hujan minimum tahunan, suhu maksimum, suhu minimum, kadar aliran sungai maksimum, dsb. (annual maximum series, annual minimum series).

Oleh sebab data-data hidrologi bersifat rawak, maka kita perlu menggunakan konsep kebarangkalian dalam analisis kekerapan.

Jika suaatu peristiwa `x' berlaku setiap T r tahun, bermakna ulang kembali `x' ialah `T r ' tahun. Bermakna juga kekerapan berlakunya peristiwa `x' ialah `T r '.

Kebarangkalian berlakunya `T r (x)' ialah `P r (x)'.

ialah kebarangkalian tidak berlaku `x'.

Fungsi Ketumpatan Kebarangkalian (Probability Density Function)-PDF

Dalam ruangan 9.3 data-data hidrologi boleh dipersembahkan secara grafik untuk membentuk satu histogram kekerapan relative, iaitu nilai `x' melawan nilai kekerapan relative `x' (Gambarajah 9.1).

Jika sela kekerapan yang kita pilih terlalu kecil, maka, histogram tersebut akan membentuk satu lengkung yang dipanggil Fungsi Ketumpatan Kebarangkalian (Probability Density Function-PDF) (Gambarajah 9.2).

Jumlah keluasan di bawah lengkung PDF bersamaan dengan ∫P(x)dx=1. Jika persamaan PDF F(z) digunakan untuk menyelesaikan sebarang peristiwa z dalam terma-terma P(z) atau Tr (z), maka diperkenalkan faktor kekerapan (frequency factor), K(z) seperti persamaan berikut:

Maka nilai z bagi sebarang T r (z) boleh di tentukan sebagai, σ ).

Plot Kekerapan Gumbel

Magnitud suatu peristiwa melampau boleh di anggarkan menggunakan kaedah yang telah diterangkan dalam bahagian 9.7. Walau bagaimana pun, taburan magnitud berbanding dengan kekerapan (ulang kembali) boleh di plotkan dalam kertas geraf kebarangkalian (Plot Gumbel) seperti dalam gambarajah 9.5. Persamaan 9.7, 9.8 dan 9.9 boleh digunakan untuk tujuan ini. Empangan akan melimpah tepat sekali sahaja dalam tempoh 3 tahun.

Empangan akan melimpah sekurang-kurangnya sekali dalam tempoh 3 tahun.

Contoh 9.3

Data kadar aliran purata bagi Sungai X daripada 1950-1964 adalah seperti berikut:

PENGENALAN HIDROLOGI AIR BUMI

Air bumi merupakan sebahagian daripada komponen penting dalam kitaran hidrologi. Sebenarnya, air bumi lebih berpotensi untuk bekalan air bersih secara lebih konsisten berbanding dengan air permukaan. Namun, kaedah untuk mendapatkannya lebih sukar. Air bumi wujud apabila himpunan air hujan meresap ke tanah melalui proses graviti dan bertemu dengan lapisan batuan tak telap air yang dipanggil akuifer. Oleh yang demikian, sumber air bumi dianggap sebagai alternatif kepada bekalan air bersih. Di Negara kawasan beriklim temperat, sebahagian besar sumber air bersih didapati daripada air bumi. Air bumi boleh didapati pada kedalaman 30 -1500 m daripada permukaan bumi.

Sifat-sifat batuan akuifer (takungan air bumi)

Beberapa parameter penting menentukan sifat akuifer:

Sifat-sifat Akuifer

Kebolehterusan (

Telaga Tak mantap (unsteady)

Bagi telaga yang baru di bina, kadar alir air bumi ke aras telaga masih belum mantap. Maka kita perlu gunakan teori aliran tidak mantap. Dalam kuliah ini kita akan mempelajari kaedah Thesis (C.V. Thesis, 1935) yang menggunakan analogi pemindahan haba dan kadar alir telaga. Walau bagai mana pun kaedah ini lebih sesuai untuk akuifer terkurung.

Kaedah ini juga menggunakan konsep telaga ujian (observation well).

Masalah hidraulik bagi aliran tak mantap boleh diterangkan menggunakan persamaan pebedaan berikut:

Pengenalan

Air yang berkualiti penting untuk memastikan keselamatan pengguna dan kesihatan ekosistem. Kriteria penilaian kualiti air berbeza-beza bergantung kepada tujuan kegunaannya. Sebagai contoh kualiti yang tidak sesuai untuk air minum mungkin sesuai untuk kegunaan lain seperti pengairan, penjanaan kuasa hidro, pengangkutan, rekreasi dan sebagainya. Secara umum tiga kelas kualiti air diambil kira iaitu: fizikal, kimia dan biologi. Sebahagian ciri-ciri fizikal dapat dilihat dari keadaan jasad air umpamanya dari segi warna dan kekeruhan. Kecuali pepejal terampai, parameter fizikal lain iaitu kekeruhan, warna, suhu dan kekonduksian eletrik mudah dianalisis dan boleh ditentukan di lapangan (insitu measurement). Faktor utama yang mempengaruhi kualiti fizikal air permukaan ialah keadaan morfologi sungai seperti lengkungan (meandaring), cerun, jeram; tumbuhan; kederasan aliran dan gangguan tanah. Dari segi kesan, kualiti fizikal banyak menjejaskan nilai astetik air, meningkatkan kos rawatan dan menjejaskan habitat akuatik.

Berbanding ciri-ciri fizikal, parameter kimia dapat memberi penilaian kualiti yang lebih tepat dan menyeluruh. Perubahan sifat kimia boleh menjejaskan kualiti estetik seperti bau dan rasa. Ia juga boleh mengesan kehadiran toksid seperti plumbum, raksa, kromium dan cadnium. Parameter kimia yang asas ialah pH, alkaliniti, nitrat, nitrit, ammoniakal-nitrogen, ortho-fosfat, oksigen terlarut, permintaan oksigen bio-kimia (Bio-chemical oxygen demand, BOD), permintaan oksigen kimia (Chemical Oxygen Demand, COD), nutrien, kandungan logam dan pestisida. Dengan meningkatnya aktiviti perindustrian dan meluasnya penggunaan bahan kimia dewasa ini, berbagai-bagai bentuk pencemaran kimia telah dikesan.

Namun dalam persekitaran semula jadi kualiti kimia banyak dipengaruhi oleh proses pereputan bahan organik dan larut resap dari tanah dan batuan dasar.

Kualiti biologi diterangkan oleh jenis dan bilangan organisma yang ada dalam jasad air. Organisma-organisma air sering dikaitkan dengan tahap kualiti sesuatu ekosistem. Air yang tercemar pada lazimnya akan mempunyai komposisi spesis yang rendah berbanding ekosistem yang bersih. Kualiti organisma juga perlu diambil kira. Setengah spesis lebih sensitif terhadap perubahan sifat-sifat kimia dan fisikal air berbanding spesis lain. Ekosistem yang didominasi oleh spesis yang lebih sensitif menunjukkan airnya dalam keadaan bersih. Sebaliknya jika didominasi oleh spesis yang lebih toleran ekosistem itu mungkin telah tercemar.

Parameter asas seperti pH, kekonduksian elektrik, kekeruhan, oksigen terlarut, suhu, pepejal terampai, pepejal terlarut dan warna sering dijadikan penunjuk kualiti air. Ini kerana parameter-parameter ini mudah dianalisa dan boleh dilakukan di lapangan. Kebanyakan analisa kimia dan biologi memerlukan peralatan khas yang agak "sophisticated" dan perlu dilakukan di makmal mengikut kaedah piawai.

Penilaian Kualiti Air

Untuk tujuan pengurusan dan penguatkuasaan, kualiti air perlu dibandingkan dengan piawaian tertentu. Jabatan Alam Sekitar (JAS) Malaysia telah membahagikan kualiti air kepada lima kelas dari sangat bersih hingga sangat tercemar (Jadual 11.1). Pengkelasan ini juga menyatakan kessesuaian kualiti air untuk kegunaan tertentu. Kelas yang lebih tinggi sesuai untuk semua kegunaan dalam kelas yang lebih rendah tetapi tidak sebaliknya.

Kelas kualiti air ditentukan berdasarkan Indek Kualiti Air (WQI) yang dinyatakan dalam unit peratus. Indek ini berdasarkan enam parameter iaitu pH, Oksigen terlarut (DO), Keperluan Oksigen Kimia (COD), Pepejal Terampai (SS), Permintaan Oksigen Bio-Kimia (BOD) dan Ammoniakal-Nitrogen (NH 3 -N). WQI ini ditentukan dengan formula berikut (DOE, 1986) Oleh kerana pH ditentukan berdasarkan log asas 10 (Log10) maka pH 6 adalah 10 kali lebih berasid dari pH 7, pH 5 -100 kali lebih berasid, pH 4 -1000 kali lebih berasid dan pH 3 -10 000 kali lebih berasid dan seterusnya. Begitu juga dengan pH 8 adalah 10 kali lebih beralkali dari pH 7, pH 6 -100 kali lebih beralkali dan seterusnya

Nilai pH yang sesuai juga sangat penting dalam sistem bekalan air, contohnya air yang berasid menyebabkan kakisan ke atas paip dan meningkatkan tahap kelarutan logam. Ini menyebabkan air lebih berisiko mengandungi logam toksid seperti tembaga (Cu), plumbum (Pb), Cadnium (Cd), Chromium (Cr) dan raksa (Hg). pH melebihi 8.0 pula menjejaskan keberkesanan proses pengklorinan dan tidak menjamin air yang telah dirawat bebas dari bakteria bahaya. pH yang sesuai untuk air minum adalah antara 6.5 dan 7.5. Kebanyakan air permukaan mempunyai nilai pH antara 6.5 hingga 8.5. Contoh pH berbagai jenis air/larutan diberi dalam rajah 2.1 berikut:

pH air sungai juga berbeza-beza bergantung kepada jenis batuan dasar, kuantiti bahan organan dan luahan. Tadahan di atas batuan granit biasanya sedikit berasid dengan pH antara 5.5 hingga 6.5, di atas batuan volkanik nilai pH antara 6 hingga 7.5 dan beralkali di atas batu kapor dengan pH antara 8 hingga 10. Hutan paya gambut mempunyai air yang berasid dengan pH antara 3 hingg 5. Ini disebabkan kandungan asid humik yang tinggi.

Kekeruhan

Oksigen Terlarut

Oksigen sangat penting untuk kehidupan flora dan fauna akuatik. Punca utama oksigen dalam air ialah dari atmosfera dan fotosistesis tumbuhan akuatik. Oksigen di atmosfera masuk dan larut dalam air apabila berlaku kocakan semasa air bergerak melalui jeram. Air hanya mengandungi 1% oksigen, jauh lebih kecil berbanding di atmosfera, 21%. Faktor yang mempengaruhi kepekatan oksigen terlarut ialah : Suhu : DO berkurang bila suhu udara tinggi. Kaitan ini ditunjukkan dalam Jadual 10.5 Bahan organik : DO berkurang bila bahan organik bertambah kerana oksigen diperlukan oleh bakteria untuk penguraian Pergerakan arus : air yang bergelora mengandungi DO lebih tinggi berbanding air tenang Cahaya: dengan adanya cahaya suria tumbuhan akuatik melakukan proses fotosintesis menyebakan oksigen terlarut meningkat.

Oksigen terlarut diukur dalam unit mg/l atau % ketepuan. Oleh kerana kandungan oksigen mudah berubah penentuannya hendaklah dilakukan di lapangan. Ekosistem air yang sihat perlukan kandungan oksigen terlarut sekurang-kurangnya 5 mg/l. Di bawah tahap ini akan menimbuklan masalah ke atas banyak organisma akuatik. Walaubagaimanapun air hutan paya gambut mempunyai kepekatan oksigen terlarut yang sangat rendah, selalunya kurang dari 2 mg/l. Tahap oksigen yang rendah juga menunjukkan pemintaan oksigen yang tinggi oleh sistem terutamanya bila terdapat banyak bahan organan. Dalam ekosistem sedemikian hanya hidupan yang mempunyai darjah tolerensi yang tinggi sahaja boleh hidup. Kuantiti oksigen yang diperlukan untuk menguraikan bahan organan dipanggil keperluan oksigen bio-kimia atau bio-chemial oxygen demand (BOD). Kepekatan oksigen terlarut dalam ekosistem yang bersih dan tercemar diberi dalam Jadual 11.6. Jadual 11.5: Kesan suhu ke atas oksigen terlarut

Lain-Lain Parameter

Selain dari parameter asas yang dibincangkan di atas, banyak lagi ciri-ciri kualiti air yang perlu diambil kira jika penilaian secara terperinci hendak dilakukan. Parameter yang dianggap penting disenaraikan seperti berikut:

Pencemaran Air

Bergantung kepada punca bahan cemar dan mekanisme pengerakannya, bahan cemar boleh dibahagi kepada dua, iaitu pencemaran Punca Titik (PT) dan pencemaran Punca Tanpa Titik (PTT). Punca utama pencemaran PT adalah dari kilang-kilang dan kolam rawatan. Pada umumnya pencemaran PT lebih mudah dikenal pasti kerana ia dilepaskan ke punca air melalui paip atau saluran.

Pencemaran PTT pula sering dikaitkan dengan aktiviti pembangunan dan penerokaan tanah. Ia tidak mempunyai satu titik punca yang jelas, sebaliknya tersebar dan melibatkan kawasan yang luas. Pergerakan pencemaran PTT sangat dipengaruhi oleh kejadian ribut di mana kehadirannya dalam sungai boleh meningkat dengan mendadak. Antara bahan cemar yang lazimnya dikategorikan dalam PTT ialah enapan, baja, racun rumpai, racun serangga, dan "leachate" dari tapak pelupusan sampah.

Oleh kerana perlepasan bahan cemar PT hanya melibatkan satu outlet, pencemaran jenis ini pada amnya lebih mudah dikawal. Bahan cemar PT boleh dikumpul dan dirawat sebelum dilepaskan ke punca air. Hari ini teknologi rawatan pelbagai jenis bahan cemar industri telah pun dimajukan. Dari segi undang-undang dan penguatkuasaan juga, pengurusan pencemaran PT jauh lebih kehadapan berbanding pencemaran PTT. Di Malaysia pencemaran PT dikawal melalui peruntukan-peruntukan yang terkandung dalam Akta Kualiti Alam Sekeliling 1974.

Jika dibandingkan dengan pencemaran PT, pencemaran PTT lebih sukar dikawal kerana pergerakannya melibatkan kawasan yang luas dan mudah meresap ke dalam tanah. Berdasarkan pengalaman dari USA dan negara-negara di Eropah, pencemar PTT masih menjadi penyumbang utama pencemaran sungai meskipun setelah hampir semua punca PT dapat dirawat dan dikawal. Pendekatan mengawal pencemar PTT ialah dengan melaksanakan amalan pengurusan terbaik (best management pratices). Ini melibatkan perancangan yang rapi sebelum sesuatu projek pembangunan dimulakan. Di antara amalan pengurusan terbaik ialah:

Beban Bahan Cemar

Kepekatan sesuatu juzuk/constituent atau pencemar merupakan cara pengukuran yang paling kerap digunakan untuk menilai kualiti air. Kepekatan ditakrifkan sebagai jisim sesuatu juzuk dibahagi dengan satu unit isipadu air dan boleh dirumuskan sebagai air isipadu juzuk sesuatu jisim atau kuantiti V M C = = (11.1) Unit yang biasa digunakan untuk menyatakan kepekatan ialah mg/L. Penilaian menggunakan kepekatan bahan cemar semata-mata tidak mencukupi untuk menilai kesan pencemaran ke atas ekosistem sungai. Kepekatan bahan cemar sangat bergantung kepada luahan sungai yang kebanyakannya akan dicairkan apabila luahan meningkat semasa berlakunya ribut. Oleh itu beban bahan cemar semasa aliran ribut mungkin lebih besar meskipun dengan kepekatan yang lebih rendah. Ini disebabkan pengaliran masuk pencemaran PTT yang dijana oleh air larian permukaan.

Selain kepekatan, tahap pencemaran boleh dinilai dalam bentuk beban sesuatu bahan cemar iaitu hasil darab kepekatan dan isipadu air, C*V. memandangkan luahan, Q adalah isipadu air untuk suatu sela masa, jumlah beban pencemar, L untuk suatu sela waktu atau tempoh boleh dinyatakan sebagai Q C L * = (11.2) di mana Q adalah jumlah luahan untuk suatu sela masa.

Untuk hidrograf ribut yang sama, beban bahan cemar untuk parameter dengan kepekatan yang hampir malar mempunyai nilai beban puncak yang lebih rendah berbanding bahan cemar yang kepekatanya meningkat seiring dengan nilai luahan (Rajah 11.2).

Min Kepekatan Peristiwa/ Event Mean Concentration (EMC)

Memandangkan bahan cemar mempunyai respons yang berbeza-beza terharap luahan semasa kejadian ribut, nilai min mudah atau min atritmatic tidak sesuai digunakan untuk mengira beban bahan cemar. Sebagai alternatif Min Kepekatan Peristiwa (EMC) adalah lebih sesuai. EMC adalah jumlah beban bahan cemar dibahagi dengan jumlah isipadu larian permukaan semasa suatu kejadian ribut dan boleh ditulis seperti berikut; (11.3) di mana c(t) adalah kepekatan pada masa t, q(t) ialah luahan pada masa t. Perlu dijelaskan bahawa EMC mewakili nilai min berpemberat luahan (flow weighted min) dan bukanya min berdasarkan masa.

Pengambilan sampel untuk penentuan EMC perlu dilakukan semasa kejadian ribut. Sampel hendaklah diambil semasa aras air mula meningkat pada lenkung menaik hidrograf dan diteruskan sehingga luahan kembali ke aras asal (Rajah 10.x). Untuk setiap sampel yang diambil, masa dan nilai luahan perlu direkodkan. Pada masa ini persampelan luahan ribut boleh dilakukan menggunakan penyampel automatik yang juga mencerap data masa, aras air dan luahan. Rajah 11.3: Penyampelan aliran ribut untuk penentuan EMC Seterusnya beban bahan cemar semasa ribut boleh ditentukan V EMC L * = (11.4) di mana L ialah beban bahan cemar (g), dan V adalah isipadu luahan (m 3 ). Unit EMC ialah (g/m 3 ). Isipadu, V boleh ditentukan dari data luahan dan selamasa ∫ = ) ( dt q V (11.5) Discharge/rainfall

Beban Bahan Cemar Rekabentuk

Tujuan utama mendapatkan beban bahan cemar rekabentuk adalah untuk meramal beban maksimum yang mengalir masuk ke dalam sungai atau jasad air semasa berlakunya ribut. Ramalan biasanya dilakukan menggunakan konsep min kala kembali atau 'Average Recurrence Interval' (ARI). Rekabentuk beban bahan cemar ditentukan berdasarkan hujan yang lebih kerap berlaku iaitu dengan nilai ARI 1, 3, 6 dan 12 bulan.

Isipadu luahan boleh dianggarkan dari kaedah rasional atau pemodelan hidrograf. Dalam bab ini hanya kaedah rasional akan dibincangkan. Beban bahan cemar , L boleh dianggarkan menggunakan persamaan 11.6. EMC A Q L * * = (11.6) di mana Q adalah air larian permukaan dalam unit (m), A adalah luas tadahan (m 2 ) dan EMC dalam unit (g/m 3 ). Nilai Q adalah Q = P*C (11.7)

Di mana P adalah hujan rekabentuk (mm) dan C adalah pekali air larian permukaan (Jadual 11.8 (11.8) di mana R I t adalah purata keamatan hujan (mm/jam) bagi ARI, R dan masa, t; R adalah kala kembali; t adalah masa (minit); a,b,c, dan d adalah set pekali untuk ARI yang berlainan. Perlu diingat bahawa pekali a, b, c dan d hanya boleh diguna pakai untuk 30≤ t ≥1000 minit. Nilai t adalah sama dengan masa tumpuan tadahan, t c .

Keamatan hujan untuk ARI 1,3,6 dan 12 bulan dikira dengan persamaanpersamaan berikut; (11.9a-11.9d) di mana D adalah keamatan hujan; 2 I D ialah keamatan hujan 2 tahun ARI; dan 0.083 I D , 0.25 I D , 0.5 I D , 1 I D adalah masing-masing hujan dengan ARI 1, 3, 6 dan 12 bulan ARI. Sejumlah air yang mempunyai kadar aliran 5.0 m 3 /s ditambahkan ke sebuah sawah padi berkeluasan 100 Ha. Berapa lamakah masa yang perlu diambil untuk meningkatkan paras air dari 0.5m ke 1.7m. Jika kadar sejatpeluhan tanaman padi ialah 0.45 cm/hari, berapakah kadar aliran masuk minmum yang diperlukan bagi menampung keperluan sejatpeluhan tersebut?

1.7

Air sedalam 30cm telah menyejat daripada sebuah takungan yang berkeluasan 20 batu persegi dalam jangka masa 24 jam. Dalam jangkamasa yang sama, hujan telah turun pada keamatan 15 mm/minit. Jika paras air di dalam takungan adalah sama pada awal dan akhir tempoh 24 jam tersebut, berepakah isipadu air yang telah mengalir keluar dari takungan tersebut.

BAB 2: HUJAN DAN ANALISIS HUJAN

2.1.

Tolok hujan di stesen kaji cuaca UTM telah rosak pada sebahagian bulan April, menyebabkan rekod hujan bulan tersebut tidak lengkap. Bacaan tolok hujan bagi 7 stesen berhampiran iaitu stesen A, B, C, D, E, F dan G ialah masing-masing 15, 16, 16.5, 15.8, 17.2, 16.4 dan 17.7 cm. Hujan purata tahunan bagi stesen UTM, A, B, C, D, E, F dan G pula msing-masing 250, 245, 248, 258, 260, 256, 262 dan 252 cm. Anggar rekod hujan bulan April bagi stesen UTM menggunkan kaedah purata kira-kira dan purata berpemberat.

2.2.

Ulang soalan (2.1) menggunkan kaedah empat sukuan, jika kedudukan stesen-stesen hujan yang terlibat adalah seperti kodinat dalam jadual di bawah.

Stn

A UTM B C D E F G Kod. (x,y) (3,4) (2,2) (5,2) (5,-5) (2, -5) (-2,-1)

(-2,3)

2.3.

Menggunakan maklumat yang terdapat pada solan (2.1) dan (2.2), anggar nilai hujan kawasan tahunan, jika sempadan kawasan tadahan merangkumi titiktitik pada kordinat dalam jadual di bawah. Gunakan ketiga-tiga kaedah purata kira-kira, Poligon Thessen dan garisan sehujan. Gambarajah Soalan 2.4 merupakan peta sebuah kawasan tadahan dan rangkaian tolok hujan berserta dengan data hujan bulanan dalam ukuran inci. Dapatkan nilai hujan purata tadahan tersebut menggunakan kaedah poligon theisen dan garisan sehujan. Gunakan sekala pilihan anda sendiri.

2.5.

Gambarajah di bawah menunujukan sebahagian carta hujan bagi satu stesen hujan yang dimabil menggunakan tolok hujan automatik. Plot hitograf hujan dan tentukan keamatan hujan maksimum dan minimum dalam unit cm/jam. Carta hujan Soalan 2.5.

2.6.

Data hujan tahunan di antara tahun 1986-1995 untuk stesen-stesen hujan P, Q, R, S dan T diberikan dalam jadual di bawah. Uji keseragaman data hujan tersebut dengan menggunkan kaedah lengkung jisim berganda. Laraskan data-data hujan yang berkenaan mengikut suasana masakini.

Tahun

Hujan tahunan (

2.7.

Penyelesaian masalah yang melibatkan hujan titik (point rainfall) dan hujan kawasan (areal rainfall) melibatkan proses iterasi dan ulangan. Proses pengiraan ini boleh dilakukan dengan bahasa komputer (Basic, Fortran, Quick basic, Pascal, dsb). Selesaikan salah satu rumus-rumus hujan titik dan kawasan menggunakan bahasa komputer yang anda telah mahir.

BAB 3: SEJATAN DAN SEJATPELUHAN

3.1.

Pilih satu stesen kajicuaca yang terdapat di Malaysia. Dapatkan nilai-nilai data kajicuaca yang diperlukan dan anggar nilai ET bagi stesen berkenaan menggunakan ketiga-tiga kaedah Penman, Blaney-Criddle dan E pan . Bandingkan nilai ET yang telah di dapati dan bincangkan Perbezaannya.

3.2.

Menggunakan kemahiran bahasa komputer yang anda tahu, tulis skrip komputer untuk menyelesaikan rumus Penman dan Blaney-Criddle.

BAB 4: SUSUPAN

4.1.

Kapasiti susupan mula bagi sebuah kawasan tadahan ialah 3.0 cm/j dan pekali K ialah 0.29. Terbitkan formula Horton kawasan tadahan tersebut jika kapasiti susupan akhir ialah 0.55 cm/j. Aggar jumlah isipadu air susupan dalam tempoh 10 jam pertama.

4.2.

Kadar susupan disebabkan oleh hujan berlebihan yang menimpa sebuah kawasan tadahan ialah 4,5 cm/j pada permulaan hujan dan mengurang secara ekponen ke arah kadar tetap 0.5 cm/j. Jika sejumlah ukur dalam air 30cm telah menyusup dalam tempoh 9 jam pertama, tentukan pekali Horton K bagi tadahan tersebut.

4.3.

Satu peristiwa hujan yang mempunyai taburan keamatan seperti dalam jadual di bawah telah menimpa sebuah kawasan tadahan seluas 500 ekar.

Tempoh hujan (j) 0.5 0.5 0.5 0.5 Keamatan hujan (in/j) 4.0 2.0 6.0 5.0 a). tentukan ukur dalam hujan jumlah keseluruhan b). tentukan indek susupan jika hujan bersih ialah 3.0 in.

4.4.

Jadual di bawah ialah rekod keamatan hujan yang telah menimpa sebuah kawasan tadahan. Sebuah empangan yang dilengkapi dengan sebuah alur limpah jenis weir tanpa kawalan 10m lebar (L w ) dengan pekali luahan, K r = 0.45. Data pertalian diantara luas permukaan (A) dan ketinggian air (h) empangan yang diterbitkan daripada topografi empangan diberikan dalam jadual 7.3(a) di bawah. Jika pertalian diantara ketinggian air (H) dan kadar aliran (Q) pada weir menggunakan persamaan berikut. Q = K r g 2 L w H 3/2 Menggunakan kaedah lengkung petanda simpanan, halakan kadar aliran masuk I (Jadual 7.3(b) , dengan menggunakan sela masa 1 jam. Pada permulaan penghalaan, ketinggian permukaan air dalam empangan ialah 544.0m. Struktur hidraulik alur limpah sebuah takungan penahan (detention pond) terdiri daripda 2 unit saluran konkrit, garis pusat 1.22m, panjang 61.0m, kecerunan 0.01 dan n=0.013. Pekali kehilangan aliran masuk dan keluar ialah masing-masing 0.5 dan 1.0. Aggap ukur dalam air di hilir saluran (y t ) tetap pada paras di bawah saluran pada sebarang kadar alir. Petalian diantara ketinggian (H)-luas permukaan (A) takungan adalah dalam Jadual 7.4(a). Menggunakan maklumat di atas, halakan hidrograf dalam Jadual 7.4(b) dan tentukan kadar aliran maksimum (Qp) serta ketinggian paras air maksimum takungan. Ketinggian paras air pada permulaan penghalaan ialah 152.4m.

BAB 9: ANALISIS FREKUENSI DAN RAMALAN

9.1 Nilai kadar aliran purata dan sisihan standard sungai X adalah masing masing 14776 m 3 /s dan 5242 m 3 /s. Anggar nilai kebarangkalian dan ulang kembali untuk kadar aliran 25,000 m 3 /s menggunakan model taburan Normal dan Gumbel.

9.2

Berapa lamakah sebuah stesen pencerap kadar aliran sungai perlu dikekalkan supaya kebarangkalian terhadap pemerhatian kejadian banjir bersamaan atau lebih besar dpd banjir10 tahun ialah 0.80.