Siklus Hidrologi

SIKLUS HIDROLOGI

Siklus Hidrologi

Jumlah air di bumi sangat besar, kira-kira 1,36 milyar km3. Dari jumlah tersebut sekitar 97,2% merupakan air yang berada di laut, 2,15% berupa es dan salju, sedang sisanya yang 0,65% merupakan air yang terdapat di danau, sungai, atmosfer dan air tanah. Meskipun persentase dari bagian yang terakhir ini sangat kecil, tetapi jumlahnya sangat besar.
Air merupakan komponen yang sangat penting bagi kehidupan di muka bumi. Dengan meningkatnya kebutuhan akan air, para ilmiawan memberikan perhatian yang sangat besar terhadap kelangsungan perubahan air di atmosfer, laut dan daratan. Sirkulasi suplai air di bumi yang tidak putusnya disebut siklus hidrologi. Siklus ini merupakan pancaran sistem energi matahari atmosfer merupakan rantai yang menghubungkan lautan dan daratan. Air dari laut, secara tetap mengalami evaporasi menjadi uap air yang berada di atmosfer. Angin akan mengangkut uap air ini. Kadang pada jarak yang sangat jauh. Uap air ini akan berkumpul membentuk awan. Apabila awan sudah jenuh, maka akan berubah menjadi hujan.


Hujan yang jatuh di laut mengakhiri siklus ini dan akan mulai dengan siklus yang baru. Hujan yang jatuh di daratan akan melalui jalan yang lebih panjang untuk mencapai laut.
Apa yang terjadi apabila hujan jatuh di daratan ? Sebagian air hujan akan meresap ke dalam tanah dan sebagian lagi akan mengalir di permukaan ke darah yang lebih rendah, dan kemudian akan berkumpul di danau atau sungai dan akhirnya mengalir ke laut. Bila curah hujan lebih besar daripada kemampuan tanah untuk menyerap air, maka kelebihan air tersebut akan mengalir dipermukaan menuju ke danau atau sungai. Air yang meresap ke dalam tanah (infiltrasi) atau yang mengalir di permukaan (run off) akan menemukan jalannya untuk kembali ke atmosfer, karena adanya evaporasi dari tanah, danau dan sungai. Air yang meresap ke dalam tanah juga akan diserap oleh tumbuhan dan akan kembali menguap melalui daunnya kembali ke atmosfer. Proses ini disebut transpirasi.
Apabila hujan jatuh di daerah beriklim dingin, airnya tidak langsung meresap ke dalam tanah atau mengalir sebagai run off, atau menguap. Air tersebut akan menjadi salju atau es, yang merupakan cadangan air yang cukup besar di daratan. Apabila salju atau es ini mencair, dapat menyebabkan naiknya muka air laut dan menggenangi daerah pantai.
Meskipun jumlah uap air di bumi waktu tertentu sangat sedikit dibandingkan dengan jumlah total suplai air di bumi, tetapi jumlah absolut dalam siklus yang melalui atmosfer setiap tahunnya sangat besar, kira-kira 380.000 km3, jumlah yang cukup untuk menutupi permukaan bumi sampai kedalaman sekitar satu meter. Karena jumlah total dari uap air di atmosfer kira-kira tetap sama, maka curah hujan tahunan rata-rata di permukaan bumi harus sama dengan jumlah air yang menguap. Tetapi untuk semua daratan, jumlah curah hujan lebih banyak daripada penguapan, sebaliknya di laut, jumlah penguapan lebih banyak daripada curah hujannya. Karena muka air laut tidak mengalami penurunan, maka curah hujan di daratan sebanding dengan penguapan di laut.
Siklus hidrologi menggambarkan gerakan air yang terus menerus dari laut ke atmosfer, dari atmosfer ke daratan, dan dari daratan kembali ke laut.

Air Yang Mengalir Di Permukaan
Diantara proses geologi, air yang mengalir merupakan proses yang sangat penting bagi manusia. Manusia tergantung pada sungai sebagai sumber energi, transportasi dan irigasi; dan dataran sungai yang subur merupakan tempat yang paling baik untuk tempat tinggal manusia sejak dulu kala. Sebagai agen yang dominan untuk merubah bentang alam, aliran air telah membentuk lingkungan fisik manusia.
Meskipun manusia sangat tergantung pada air yang mengalir, tetapi tidak pernah mengetahui sumber air tersebut. Hal ini berlangsung sampai pada abad ke 16 ketika manusia menyadari bahwa air berasal dari aliran permukaan dan airtanah, yang keduanya bersumber dari air hujan dan salju. Air permukaan yang mengalir akan terkumpul pada torehan-torehan kecil, yang akhirnya sampai ke sungai. Ada dua istilah yang sering digunakan untuk aliran air permukaan yang terkumpul ini, yaitu stream dan river. Walaupun keduanya mempunyai pengertian yang sama, stream digunakan untuk sungai dalam segala ukuran, dari torehan kecil sampai yang berukuran seperti Amazone, sedangkan river digunakan untuk sungai utama yang mempunyai banyak cabang.

Aliran Air Sungai (streamflow)
Air yang mengalir menuju ke laut sangat dipengaruhi oleh gravitasi. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai laut tergantung pada kecepatan aliran, yang merupakan jarak yang ditempuh oleh aliran air dalam satuan waktu tertentu. Ada sungai yang mempunyai kecepatan aliran hanya 0,8 km/jam dan adapula yang sangat cepat sampai 30 km/jam. Kecepatan biasanya diukur pada beberapa lokasi memotong saluran sungai yang kemudian dirata-ratakan. Pada saluran yang tegak lurus, kecepatan terbesar terdapat di tengah saluran sedikit dibawah permukaan, dimana terdapat tahanan yang terkecil. Tetapi pada sungai yang berkelok, kecepatan maksimum terdapat pada bagian luar kelokan.
Kemampuan sungai untuk mengerosi dan mentransport material berhubungan langsung dengan kecepatan aliran, jadi kecepatan merupakan ciri yang paling penting. Variasi kecepatan aliran akan berhubungan langsung dengan perubahan material sedimen yang ditransport oleh air. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi kecepatan aliran yang tentunya juga mengontrol jumlah erosi oleh sungai. Faktor-faktor tersebut adalah :
1. Kemiringan Sungai
2. Bentuk, ukuran dan kekasaran dari dasar saluran
3. Debit sungai

Faktor yang terutama mengontrol kecepatan aliran sungai adalah gradient atau kemiringan lereng sungai. Gradien sungai dinyatakan dengan perbandingan beda tinggi dengan jarak atau panjang mendatar dari sungai. Gradien sungai sangat bervariasi antara satu sungai dengan yang lainnya. Semakin besar gradien antar satu sungai semakin besar kecepatan alirannya. Jika kedua sungai yang mempunyai karakteristik sama kecuali gradiennya, maka sungai yang mempunyai gradien lebih besar akan mempunyai kecepatan aliran yang lebih besar pula.
Bentuk penampang melintang saluran menentukan jumlah air yang bersentuhan dengan saluran dan ini akan mempengaruhi tahanan gesernya. Saluran yang paling efisien adalah yang mempunyai perimeter yang paling kecil. Meskipun luas penampang dari ketiga saluran tersebut sama, tetapi bentuk saluran yang setengah lingkaran mempunyai persentuhan air dengan saluran paling kecil, sehingga mempunyai tahanan geser yang paling kecil. Jadi apabila faktor lain dari ketiga saluran tersebut sama, maka air akan mengalir lebih cepat dalam saluran setengah lingkaran.
Ukuran dan kekasaran dasar saluran berpengaruh juga terhadap besarnya tahanan saluran. Bila ukuran saluarn bertambah, maka perbandingan perimeter dengan penampang melintang saluran akan berkurang, sehingga efisiensi aliran bertambah besar. Efek dari kekasaran dasar saluran berpengaruh terhadap macam aliran dalam saluran. Bila salurannya halus akan menghasilkan aliran seragam (uniform flows), sedang bila dasar saluran kasar, seperti misalnya banyak bolder, akan menghasilkan aliran turbulen.
Debit (discharge) sungai adalah jumlah air yang mengalir pada jarak tertentu pada satuan waktu tertentu, biasanya diukur dengan meter kubik per detik. Debit sungai biasanya diperoleh dari perkalian antara luas penampang melintang saluran dengan kecepatan alirannya.
Debit sungai selalu berubah-ubah. Hal ini disebabkan oleh curah hujan dan pencairan salju yang tidak selalu tetap. Jika debit sungai berubah, maka faktor-faktor yang berpengaruhpun akan mengalami perubahan. Bila debit bertambah, maka lebar dan kedalaman dari saluran akan bertambah besar atau air mengalir lebih cepat. Dari penelitian yang pernah dilakukan menunjukkan bahwa dengan bertambahnya jumlah air yang mengalir, maka lebar, kedalaman dan kecepatan akan meningkat pula. Jadi untuk mengimbangi peningkatan debitnya, sungai akan mengalami proses pelebaran dan pendalaman saluran sungai.

Perubahan Sungai Ke Arah Hilir (downstream)
Salah satu jalan untuk mempelajari suatu sungai adalah penampang memanjang sungai (longitudinal profile). Profil ini menggambarkan penampang sungai mulai dari bagian hulu (head atau headwater) sampai ke muara sungai. Kenampakan utama dari tipe profil memanjang sungai adalah penurunan gradien sungai dari hulu ke muara. Secara umum bentuk penampang tersebut adalah busur yang cekung ke atas.
Ada hubungan terbalik antara gradien dan debit sungai. Bial kemiringan sungai besar, maka debitnya kecil, dan bila debit besar maka gradien sungai kecil. Atau bisa dikatakan bahwa di bagian hulu sungai dapat mempunyai kecepatan yang besar walaupun kemiringannya kecil, karena debit yang besar, saluran yang lebar dan dasar sungai yang relatif halus.

Bidang Datum (Base Level) & Keseimbangan Sungai (Graded Stream)
Satu hal yang penting yang mengontrol aliran sungai adalah bidang datum (base level), yang merupakan titik terendah dimana aliran air dapat melakukan erosi (pengikisan). Dua tipe umum dari base level, muka air laut (sea level) yang disebut ultimata base level, yang merupakan batas terendah dari proses erosi oleh sungai, dan temporary atau lokal base level, yang ditunjukkan oleh danau. Batuan yang resisten, dan sungai utama, yang merupakan base level bagi cabang-cabang sungainya.
Sungai selalu akan menyesuaikan dirinya dengan perubahan yang terjadi. Pada suatu kondisi tertentu sungai akan berada pada suatu keadaan dimana sungai tidak melakukan proses erosi ataupun deposisi. Sungai pada kondisi demikian disebut dalam kondisi kesetimbangan atau graded stream.

Proses Yang Dilakukan Oleh Aliran Air Di Sungai
Proses yang dilakukan oleh sungai adalah erosi, transportasi dan pengendapan. Proses tersebut berjalan bersama-sama pada setiap sungai, walaupun di bawah ini akan dibahas satu persatu.

1. Proses Pengikisan (erosi)
Meskipun sebagian besar material yang diangkut oleh sungai berasal dari material yang diangkut oleh air tanah, aliran air permukaan dan mass wasting, sungai juga menambah jumlah angkutannya dengan mengerosi batuan yang dilaluinya. Bila batuan yang dilalui sangat kompak (bedrock), maka proses erosi dilakukan dengan cara abrasi yang dilakukan oleh material sedimen yang diangkut oleh air. Material yang berukuran kasar biasanya dilepas dari batuannya dengan melakukan pengeboran oleh air pada dasar saluran yang disebut potholes. Tetapi bila batuannya tidak kompak (lepas), maka pengikisan dilakukan oleh air sendiri.

2. Proses Pengangkutan (transportasi)
Sungai akan mengangkut material hasil erosinya dengan cara pelarutan (dissolved load), suspensi (suspended load) dan sepanjang dasar saluran (bed load).
Material terlarut diangkut ke sungai oleh air tanah dan sebagian kecil berasal dari batuan yang mudah larut sepanjang sungai. Jumlah material yang terlarut sangat bervariasi dan sangat tergantung pada iklim dan kondisi geologinya.
Kebanyakan sungai mengankut material hasil erosinya dengan suspensi. Material yang diangkut dengan cara suspensi ini umumnya berukuran pasir halus, lanau dan lempung. Pada waktu banjir, material yang ukurannya besar dapat juga diangkut dengan cara suspensi. Juga pada waktu banjir material suspensi akan meningkat jumlahnya.
Banyak juga material sungai yang ukurannya terlalu besar untuk diangkut dengan cara suspensi. Material kasar ini akan bergerak pada dasar sungai sebagai bedload. Material ini mengerosi dasar sungai, sehingga sungai menjadi bertambah dalam.
Material bedload bergerak sepanjang dasar sungai dengan cara menggelinding (rolling), meluncur (sliding) dan meloncat (saltasi). Sedimen yang bergerak dengan saltasi akan meloncat sepanjang dasar sungai. Hal ini terjadi karena material tersebut ditabrak oleh sedimen yang diangkut sehingga akan terangkat dan akan turun kembali ke dasar karena gaya beratnya. Sedimen yang terlalu besar untuk bergerak.
Tidak seperti sedimen suspensi dan terlarut yang bergerak tetap pada sungai, sedimen bedload hanya bergerak apabila kekuatan air cukup besar untuk menggerakannnya. Sedimen bedload sangat sulit diukur, karena terjadi pada waktu banjir.
Kemampuan sungai untuk mengangkut material hasil erosinya diukur dengan dua kriteria. Yang pertama, kompetensi sungai, yaitu ukuran maksimum dari sedimen yang dapat diangkut. Kompetensi sungai sangat tergantung pada kecepatan aliran sungai. Jika kecepatan aliran sungai meningkat dua kali lipat, maka gaya impak yang dilakukan oleh air akan meningkat sampai empat kali. Jika kecepatan meningkat sampai tiga kali lipat, maka gaya impak dari air akan meningkat sampai sembilan kali. Jadi pada kecepatan yang rendah, bolder akan tetap diam, dan akan bergerak pada waktu banjir ketika kecepatan aliran meningkat. Yang kedua, kapasitas sungai, yaitu jumlah maksimum sedimen yang mampu diangkut oleh aliran sungai. Kapasitas sungai sangat berhubungan dengan debit sungai. Semakin besar debit sungai, semakin besar juga jumlah sedimen yang dapat diangkut.

3. Proses Pengendapan
Ketika kecepatan sungai menurun, maka kompetensi sungai juga menurun. Akibatnya, sedimen suspensi akan mulai mengendap. Endapan sedimen ini disebut dengan aluvial. Meskipun sebagian sedimen terendapkan sementara di sungai, sebagian lainnya akan mencapai laut. Bila sungai mencapai tubuh air yang tetap seperti laut atau danau, kecepatannya menurun dengan cepat, dan akan mengendapkan sedimen yang diangkutnya di mulut sungai yang disebut delta. Sedimen halus yang berukuran lanau dan lempung akan terendapkan agak jauh dari muara sungai dengan membentuk lapisan yang hampir mendatar yang disebut lapisan bottomset. Kelanjutan dari lapisan bottomset, mulai terendapkan lapisan foreset. Lapisan ini disusun oleh sedimen kasar, yang diendapkan begitu aliran mancapai laut atau danau, membentuk lapisan yang miring. Lapisan foreset biasanya ditutupi oleh lapisan mendatar yang tipis yang terbentuk pada waktu banjir yang disebut topset. Pertumbuhan dari delta menyebabkan gradien sungai akan mengalami penurunan, sehingga sungai mencari jalan yang lebih pendek untuk mencapai base level. Akibatnya delta akan berkembang membentuk segitiga seperti huruf Yunani delta. Itulah sebabnya endapan di muara sungai ini disebut delta.
Sungai-sungai besar seperti Nil, Mississippi dan Mahakam membentuk delta yang telah berkembang mulai jutaan tahun yang lalu sehingga membentuk delta yang sangat luas. Selain itu sungai utama membaginya menjadi beberapa saluran yang disebut distributaries, kenampakan yang terlihat pada delta yang besar.
Meskipun delta sering terbentuk pada sungai besar, tidak semua sungai besar dapat membentuk delta. Sedimen yang besar jumlahnya, oleh kekuatan arus dan ombak disekitar muara sungai akan disebarkan kembali begitu diendapkan di muara. Kadang-kadang sungai besar juga tidak mengangkut sedimen dalam jumlah yang cukup besar untuk membentuk delta.
Kipas aluvial (aluvial fan) adalah endapan sungai yang bentuknya seperti delta yang terbentuk di daratan. Sungai-sungai yang mengalir di gunung, setelah mencapai dataran, gradien sungai akan turun dengan drastis, sehingga akan mengendapkan material yang diangkutnya. Biasanya material kasar diendapkan dekat kemiringan lereng, sementara yang halus terendapkan lebih jauh pada pedataran.
Sungai yang lebar dengan lembah yang datar, kadang-kadang membentuk tanggul alam (natural level), merupakan endapan yang sejajar lembah. Tangggul alam ini dibentuk oleh endapan banjir yang terjadi secara periodik selama bertahun-tahun. Ketika banjir, air sungai akan melewati tebing sungai dan kecepatan menurun drastis, sehingga akan meninggalkan endapan sedimen kasar pada tepi sungai. Ketika air melimpah, sedimen halus terendapkan di dasar lembah. Penyebaran sedimen yang tidak merata ini akan membentuk kemiringan yang landai dari tanggul alam. Daerah di belakang tanggul alam dicirikan oleh drainase yang jelek dan air tidak dapat mengalir kembali ke sungai, sehingga terbentuk rawa-rawa yang disebut back swamp. Cabang-cabang sungai yang terbentuk sejajar dengan sungai utama dan memotong tanggul alam disebut dengan yazzo tributaries.