AIR TANAH

pergerakan air dalam rongga pori batuan di bawah permukaan bumi merupakan proses geologi yang tidak mudah untuk diamati, karenanya perlu upaya untuk memahaminya. Air tanah (groundwater) merupakan bagian integral dari sistem hidrologi dan merupakan sumber daya alam yang vital.

8.1 Porositas dan Permeabilitas.

Air dapat masuk ke bawah permukaan (infiltrate) karena solid bedrocks seperti juga tanah (soil), pasir dan gravel yang lepas-lepas memiliki rongga pori. Terdapat empat tipe rongga pori (Hamblin dan Christiansen, 1995), yaitu: (1) ruang antar butiran mineral, (2) rekahan (fractures), (3) rongga pelarutan solution cavities), dan (4) vesicles.

           Pada endapan pasir dan gravel rongga pori dapat mencapai 12 – 45% dari total volume. Bila diantara butiran kemudian diisi oleh butiran yang lebih kecil dan terisi oleh semen, maka porositas (porosity) menjadi tereduksi. Semua batuan terpotong karena rekahan dan pada batuan yang padat seperti granite dapat memiliki porositas yang signifikan bila dikontrol oleh rekahan. Aktivitas pelarutan terutama di batugamping membawa material terlarut membentuk lubang-lubang (pits dan holes). Beberapa batugamping memiliki porositas yang sangat tinggi karena air dapat berpindah sepanjang rekahan dan bidang perlapisan pada batugamping. Aktivitas pelarutan membesarkan rekahan dan mengembangkannya menjadi gua (caves). Pada basalt dan batuan volkanik, vesicles terbentuk karena terperangkapnya gelembung gas yang sangat mempengaruhi dalam porositas. Umumnya vesicles terkonsentrasi pada bagian permukaan aliran lava dan membentuk zona dengan prositas tinggi. Zona ini dapat terhubungkan oleh columnar joints.

            Permeabilitas (permeability) adalah kapasitas batuan untuk meloloskan fluida sangat beragam bergantung dari viskositas fluida, tekanan hidrostatik, ukuran bukaan dan terutama adalah tingkat bukaan yang saling terhubung (porositas efektif). Jika rongga pori sangat kecil, maka batuan dapat mempunyai porositas yang tinggi tetapi permeabilitasnya rendah karena air sukar melewati bukaan yang kecil.

Batuan yang umumnya memiliki permeabilitas tinggi adalah konglomerat, batupasir, basalt dan batugamping tertentu. Permeabilitas yang tinggi pada batupasir dan konglomerat dikarenakan rongga pori yang berada diantara butiran berukuran besar dan saling terhubung. Basalt dapat permeabel karena sering terekahkan dengan ekstensif yakni columnar jointing dan karena bagian atas dari aliran lavanya adalah vesicular. Batugamping terekahkan juga menjadi permeabel. Batuan dengan permeabilitas rendah adalah shale, granite yang tidak terekahkan, quartzite dan batuan padat dan kristalin lainnya.

8.2 Permukaan air tanah (water table)

Ketika air merembes kebawah permukaan, gravitasi menariknya turun dua zona tanah dan batuan. Zona bagian atas (upper zone) adalah rongga pori didalam batuan yang hanya jenuh sebagian dan air berbentuk seperti lapisan tipis (thin film) yang melekat (clinging) pada butiran karena tarikan permukaan (surface tension). Pada zona ini rongga pori terisi sebagian oleh udara dan sebagian lain oleh air disebut sebagai zona aerasi (zone of aeration). Pada batas tertentu, semua bukaan akan terisi oleh air sehingga daerah ini disebut sebagai zona jenuh (zone of saturation). Permukaan air tanah merupakan bagian paling atas dari zona jenuh ini dan merupakan elemen penting pada sistem air tanah (gambar 8.2.).

            Kajian permukaan air tanah walaupun tidak dapat diamati secara langsung, tetapi dapat dipetakan berdasarkan data yang dikumpulkan dari sumur, mata air dan permukaan pengairan. Pergerakannya dapat diteliti menggunakan isotop radioaktif, pewarna (dyes) dan unsur penjejak lainnya.

            Terdapat hubungan antara permukaan air tanah dan permukaan topografi. Permukaan air tanah berkecenderungan mengikuti permukan topografinya. Bila permukaan topografinya datar, maka permukaan air tanah juga akan datar. Bila permukaan topografinya bergelombang, maka permukaan air tanah juga akan bergelombang. Perched water table adalah air tanah (groundwater) yang terperangkap diatas permukaan air tanah karena keberadaan lapisan impermeabel seperti serpih pada zona aerasi (gambar 8.3.).

8.3 Pergerakan air tanah

Perbedaan elevasi antar permukaan air tanah dikenal sebagai hydraulic head. Hal ini disebabkan karena air mengalir mengikuti bentuk topografi. Bila kita mengikuti perjalanan air, maka mulanya gravitasi menarik air dari zona aerasi menuju ke permukaan air tanah kemudian pergerakan turun terjadi karena gravitasi dari daerah dengan permukaan air tanah tinggi menuju daerah dengan permukaan air tanah rendah (danau, sungai, rawa-rawa). Secara mendasar, pergerakan air tanah mengarah kebawah karena terdorong untuk menuju daerah dengan tekanan yang lebih rendah (gambar 8.3.).

8.4 Penyaluran alami dan artifisial

Penyaluran alami bagi air tanah adalah melalui sungai, danau dan rawa-rawa yang merupakan jalinan utama antara reservoir air tanah dan bagian lain dari sistem hidrologi. Bila penyalurannya tidak berasal dari air tanah maka sungai-sungai akan mengalami kekeringan selama paruh waktu tertentu dalam satu tahun.

            Penyaluran artifisial merupakan hasil dari pengambilan air melalui sumur (wells) yang dapat dilakukan dengan cara menggali atau mengebor sumur hingga zona jenuh. Banyaknya sumur bor ternyata telah mampu mengubah sistem hidrologi, misalnya adalah turunnya permukaan air tanah.

8.4.1 Penyaluran Alami

Beberapa kondisi geologi telah memberikan penyaluran alami dalam bentuk rembesan (seeps) dan mata air (springs). Jika lapisan permeabel berselingan dengan lapisan impermeabel, maka air tanah dipaksa mengalir secara lateral menuju singkapan lapisan permeabel (gambar 8.4.). Kondisi demikian biasa ditemukan pada mesa dan plateau dimana batupasir permeabel berselingan dengan serpih impermeabel. Penjajaran mata air (spring line) biasanya ditandai dengan penjajaran pepohonan. Mata air lainnya didapatkan karena migrasi sepanjang columnar joint dan vesicular pada basalt; muncul sepanjang sisi sungai, misalnya Thausand Springs di Idaho yang muncul di sisi Snake River Valley; dan muncul disepanjang sesar.

            Ringkasnya, mata air terbentuk karena permukaan air tanah terpotong oleh permukaan tanah atau air tanah merembes keluar ke permukaan sepanjang rekahan dan sesar. Umumnya mata air terjadi sepanjang dinding lembah (valley walls) dikarenakan sungai telah mengerosi lembah hingga bagian bawah kedudukan permukaan air tanah regional.

8.4.2 Sumur

Bandingkanlah sumur gali dan sumur pemboran! Air mengalir dari rongga pori menuju sumur mengisi kedudukan permukaan air tanah dan selanjutnya ketika air dipompa keluar, maka permukaan air tanah mengalami penurunan (drawn down) disekitar sumur dalam bentuk kerucut (cone) sehingga sering disebut sebagai kerucut depresi (cone of depression). Jika air turun dengan cepat maka akan segera terisi kembali, kerucut depresi terus tumbuh hingga pada akhirnya sumur menjadi kering. Kerucut depresi disekitar sumur besar yang digunakan untuk kebutuhan rumah tangga dan pabrik industri dapat mencapai ratusan meter diameter. Semua sumur yang berada dalam kerucut depresi akan terpengaruh. Hal ini akan dapat memicu pertengkaran di kalangan masyarakat. Untuk itulah, simulasi model komputer berdasarkan data permeabilitas, arah pengaliran dan kedudukan air tanah seharusnya sudah dapat memperkirakan jumlah air yang keluar berdasarkan periode waktu tertentu (Gambar 8.5.).

8.4.3 Air Artesis (artesian water)

Air tanah pada lapisan permeabel yang tertekan diantara lapisan impermeabel mengalami tekanan sehingga bila dilakukan pemboran, maka air akan keluar sendiri tanpa bantuan pompa (Gambar 8.6.). Kondisi geologi yang diperlukan untuk menjadi sumur artesis adalah sebagai berikut:

1.       Sikuen batuan harus mengandung lapisan permeabel dan lapisan impermeabel. Sikuen ini biasa terjadi pada kondisi alamiah sebagai perselingan antara serpih dan batupasir. Lapisan permeabel disebut sebagai  aquifer (lapisan pembawa air).

2.       Pada daerah tinggian, batuan harus memiliki kedudukan perlapisan yang miring dan tersingkap sehingga air dapat masuk kedalam aquifer.

3.       Precipitasi yang cukup dan pengaliran permukaan harus terjadi pada daerah yang tersingkap sehingga aquifer terus terisi.

Air yang tertekan didalam aquifer dapat keluar seperti air yang keluar dari pipa dikarenakan tekanan hidrostatik mampu mendorongnya sehingga rekahan atau pipa yang memotong lapisan dapat menjadi media keluarnya air menjadi mata air artesis atau sumur yang airnya mengalir sendiri (flowing wells).

            Artesian-pressure surface adalah permukaan yang merupakan batas kemampuan air artesis untuk naik ke atas (artesian water). Permukaan ini dari daerah tangkapan (recharge area) akan miring mengikuti kelerengan. Bila kita melakukan pemboran pada aquifer tertekan maka air akan naik dengan sendirinya. Bila permukaan sumur berada diatas artesian pressure surface, maka air tidak bisa mengalir ke permukaan, namun bila permukaan berada dibawah artesian pressure surface, maka air akan mengalir sendiri ke permukaan.

8.4.4 Mata air panas (thermal springs) dan geysers

Manifestasi menakjubkan dari air tanah adalah fenomena mata air panas (thermal spring) atau geyser dimana air dan uap tersembur ke udara. Fenomena ini hasil dari pemanasan air tanah karena aktifitas magmatik aktif.

            Contoh daerah yang sangat terkenal karena fenomena ini adalah Yellowstone National Park, di Amerika Serikat. Kondisi pembentukan geyser yaitu :

1. Tubuh batuan yang panas harus dekat dengan permukaan.

2. Sistem rekahan tidak beraturan hadir dan menerus kebawah dari permukaan.

3. Pasokan air tanah yang relatif konstan dan besar harus selalu ada.

Semburan geyser terjadi ketika air tanah mengalami tekanan dalam rekahan, gua-gua atau lapisan batuan yang porous hingga mencapai titik kritis kesetimbangan tekanan-temperatur. Temperatur meningkat akan mengubah air menjadi uap. Karena itu air pada bagian bawah akan tertekan lebih kuat dari air yang berada di permukaan dan air akan panas sekali hingga uap akan tersembur ke udara. Setelah tekanan mengalami pelepasan, maka gua-gua akan terisi kembali dan preses semula akan berulang kembali (Gambar 8.7.)

8.4.5 Energi geotermal

Energi panas dari air tanah atau energi geotermal saat ini banyak dimanfaatkan sebagai salah satu sumber energi. Sebagai contoh, Islandia telah memanfaatkan energi ini dengan sukses sejak 1928. Sumur yang dibor di daerah geotermal akan mengambil air dan uap yang disalurkan menuju tangki penampung dan kemudian dialirkan ke rumah-rumah dan gedung pemerintah untuk keperluan pemanas dan air panas. Biaya yang diperlukan untuk pemanasan langsung ini sebesar 60% dari biaya bila menggunakan pemanas berenergi minyak bumi dan sekitar 75% dari harga metode pemanas listrik yang termurah. Uap dari energi geotermal juga dimanfaatkan untuk pembangkit tenaga listrik. Hanya saja masalah korosi muncul karena airnya mengandung asam dan sejumlah garam terlarut karenanya muncul biaya tinggi pada perawatan sistem pemipaan.

8.5 Erosi air tanah

Air tanahjuga bisa menyebabkan erosi yang biasanya terkait dengan proses pelarutan terutama pada batugamping. Material terlarut akan dibawa dan akan diendapkan pada tempat lain, misalkan pada rongga pori batuan. Erosi air tanah dimulai sejak perkolasi air tanah melalui rekahan, sesar dan bidang perlapisan batuan dan melarutkan batuan yang mudah larut. Rekahan yang membesar akan membentuk jarian gua-gua bawah tanah yang dapat mencapai beberapa kilometer. Bila gua-guan semakin besar maka suatu ketika akan terjadi keruntuhan atap (roof collapse) dan terbentuklah depresi yang mirip kawah yang disebut sebagai sinkhole. Aktivitas pelarutan yang berjalan terus akan membesarkan sinkhole dan menjadi lembah pelarutan yang pada akhirnya akan mengerosi seluruh batuan yang mudah larut (Gambar 8.8.).

            Topografi karst adalah bentangalam yang khas hasil dari erosi air tanah. Sistem pengalirannya unik karena di beberapa tempat ditemukan sungai, namun kemudian hilang dan masuk kedalam sinkholes menjadi disappearing stream. Air mengalir melalui jaringan gua-guan membentuk sungai bawah tanah (underground stream). Mata air seringkali dijumpai karena munculnya air tanah ke permukaan.

8.6 Pengendapan air tanah

Air tanah melarutkan material yang mudah larut kemudian mengendapkannya kembali pada rongga pori dan gua-gua didalam batuan. Proses pelarutan terjadi di zona jenuh, sedangkan pengendapan terjadi di zona aerasi setelah gua-gua dan rongga pori menjadi kering. Endapan yang terbentuk di gua secara kolektif disebut sebagai dripstone. Proses pembentukannya adalah air yang masuk ke gua (biasanya melalui rekahan di atap gua) akan perlahan-lahan menetes mengendapkan calcium carbonate kemudian membentuk bentuk yang silindris dan mengkerucut dari atap gua. Bentukan demikian dinamakan sebagai stalactite. Sedangkan yang terbentuk dari dasar gua disebut stalagmite (gambar 8.9.)

            Precipitasi mineral karena peran air tanah berjalan lambat. Dalam beberapa kasus diketahui bahwa air tanah melakukan pemindahan atom atau molekul material organik dan secara bersamaan menggantikannya dengan ion mineral lain yang dibawanya. Contohnya adalah proses kayu yang membatu (petrified wood). Endapan ini yang terkenal adalah di Petrified Forest National Park di Arizona timur. Disini terdapat akumulasi yang sangat besar dari batang kayu terbatukan yang telah tertimbun oleh endapan sungai purba. Proses pelapukan dan erosi telah menyingkapkannya ke permukaan.

8.7 Alterasi sistem air tanah

Air tanah dapat meningkatkan konsentrasi padatan terlarut didalam air permukaan. Konsentrasi kimia dan sampah buangan berpotensi mengkontaminasi reservoir air tanah. Material yang telah mengalami leached (pelarutan karena perkolasi air tanah) dari tempat pembuangan sampah (waste-disposal site) akan mengandung kontaminan kimia dan kontaminan biologi. Karakter dan besarnya polutan (leachates) bergantung pada lamanya waktu infiltrasi air yang kontak dengan endapan sampah tersebut. Pada daerah yang lembab maka air tanah biasanya dangkal dan bila terus-menerus kontak dengan sampah, maka sangat berpotensi terjadi polusi (gambar 8.10.).

            Pada daerah kepulauan atau daerah semenanjung dengan batuan porous yang bersinggungan dengan laut maka air tanah akan mengapung diatas air asin dibawahnya membentuk lensa air tanah (lens-shaped body of groundwater). Air tanah secara faktual mengambang diatas air asin dalam kondisi yang setimbang. Namun, pemompaan yang berlebihan akan membentuk depresi yang besar pada permukaan air tanah dan akan membentuk kerucut besar pada air asin (gambar 8.11.).

            Amblesan (subsidence) seringkali berkaitan dengan air tanah seperti perkembangan sinkholes di daerah topografi karst. Problem keruntuhan (collapse) berpotensi sukar untuk ditangani. Karena itu pembangunan konstuksi perlu melakukan uji pemboran agar mengetahui kondisi bawah permukaan misal keterdapatan gua-gua bawah tanah. Langkah yang dapat dilakukan bila mendapatkan gua-gua bawah tanah adalah dengan memompakan beton basah (wet concrete) kedalamnya, namum penanganan seperti ini sangat mahal.

            Problem lain adalah seperti yang terjadi di Wyoming ketika suatu dam yang dibangun pada formasi batugamping Madison untuk tujuan irigasi. Ternyata batugampingnya porous dan permeabel sehingga sumua air yang tersimpat akhirnya masuk dan menghilang kebawah permukaan. Reservoir tidak pernah terisi air dan proyek gagal total (gambar 8.12.).

            Di New Orleans, sebagian terbesar kota ini mengalami penurunan 4 meter dibawah permukaan laut. Penurunan secara luas diakibatkan oleh pemompaan air tanah. Akibatnya sungai Mississippi mengalir 5 meter diatas kota dan bila hujan tiba maka airnya dipompa kelua kota sehingga mamakan biaya yang sangat besar.

            Penurunan yang terjadi di Kota Mexico adalah bangunan dibangun diatas daerah yang dahulunya batuan danau (lake-bed). Formasi bawah permukaan terdiri dari lempung jenuh air, pasir dan debu volkanik. Sedimen menjadi memadat ketika air tanah dipompa untuk keperluan domestik dan industri. Penurunan secara luas terjadi. Gedung opera mengalami amblesan lebih dari 3 meter setengah dari lantai pertama gedung berada dibawah permukaan tanah. Struktur besar lainnya juga mengalami pemiringan (lihat gambar 8.13.).