pemanfaatan pemodelan dan sistem dinamik untuk penyusunan
TRANSCRIPT
Pemanfaatan Pemodelan dan Sistem Dinamik untuk PenyusunanStrategi PengendalianPencemaran Udara
Dr. Asep Sofyan
Dosen Teknik Lingkungan ITB
Email: [email protected],
HP/WA : 081-322-902-009
Sumber Pencemaran Udara
MonitoringAmbient
PemodelanPencemaran Udara
Analisis Data &Interpretasi
Perencanaan Strategi Pengendalian & Pengembangan
Hukum dan PeraturanPembangunan
Inventarisasi
Emisi
Tahapan PengelolaanKualitas Udara Perkotaan
1. Penegakan hukum
2. Sumber pencemar potensial
3. Inventarisasi Emisi
4. Monitoring (Pemantauan)
5. Pemodelan Transport Pencemar
6. Analisis Data dan interpretasi
7. Perencanaan dan Strategi
Monitoring (pengukuran)
Inventarisasi Emisi
Area bisnis dan transportasi Area industri
Inventarisasi Emisi
Beban emisi (ton/tahun) Grid 1 km x 1 km
Sumber Pencemaran Udara
MonitoringAmbient
PemodelanPencemaran Udara
Analisis Data &Interpretasi
Perencanaan Strategi Pengendalian & Pengembangan
Hukum dan PeraturanPembangunan
Inventarisasi
Emisi
Peran Pemodelan Pencemaran Udara adalah sebagai alat (tools) untuk menganalisis dan mengintepretasi hasil inventarisasi emisi dan pemantauan (monitoring) kualitas udara untuk menyusun strategi pengendalian pencemaran udara.
PemodelanUdara?
Pemodelan Pencemaran Udara
Definisi
Pemodelan pencemaran udaraadalah penggambaran proses pergerakan pencemar udarabeserta hubungan antarkomponen/variabelpembentuknya menggunakan representasi logika dan matematika.
Reaksi kimia di atmosfer
Manfaat Pemodelan Lingkungan Memahami interaksi antar komponen sistem
Membuat berbagai skenario kebijakan
Membuat simulasi desain
Membantu interpretasi hasil pengukuran (sampling)
x
Perkiraan Model Pengukuran di 24 titik
Proses Pemodelan Lingkungan
Tahapan proses pemodelan pencemaran udara
Konseptualisasi dan Identifikasi Menyusun hipotesis dasar teori (fisika, kimia,
biologi, manajemen)
Identifikasi struktur model (model 1D, 2D, 3D, dsb)
Representasi matematika Biasanya dalam bentuk diferensial atau persamaan
aljabar
Untuk sistem pakar dapat pula menggunakanaturan bahasa (linguistic rules)
Implementasi numerik Menyusun algoritma solusi numerik
Melakukan perhitungan menggunakan komputer
Estimasi parameter dan Kalibrasi Pengaturan parameter model berdasarkan data
pengukuran
Kalibrasi sehingga seluruh data pengukuran danparameter model sesuai
Pengujian hipotesis Pengujian keluaran model terhadap kondisi uji yang
telah ditentukan untuk hipotesis tertentu
Validasi Memastikan kualitas model yang dihasilkan dengan
membandingkannya dengan data pengukuran
Tahapan proses pemodelan pencemaran udara (2)
Adveksi adalah pergerakan partikel searah gerakan media, contoh pencemar air bergerak searah aliran sungai, pencemar udara bergerak searah angin
Difusi/dispersi adalah pergerakan partikel acak yang disebabkan oleh gaya tarik antar molekul (gerak brown), contoh ketika tinta diteteskan ke air, maka tinta akan menyebar kesegala arah
Deposisi/sedimentasi adalah pergerakan partikel ke arah permukaan bumi karena adanya gaya gravitasi
Reaksi adalah reaksi kimia antar molekul yang menyebabkan perubahan senyawa molekul
Persamaan Fisik/Kimia/Biologi
Proses Metode Numerik Proses metode numerik adalah proses penyelesaian
persamaan matematika menggunakan bahasa komputer.
Model biasanya menggunakan metode grid atau segmen.
Klasifikasi Model Kualitas Udara
Klasifikasi model berdasarkan periode waktu:
Model jangka pendek (short-term) – untuk beberapa jam sampai hari; untuk skenario kondisi terburuk
Model jangka panjang (long-term) – untuk memprediksi konsentrasi rata-rata tahunan; menghitung paparan thd kesehatan
Klasifikasi model berdasarkan reaksi kimia:
Model tidak reaktif (non-reactive) – contoh untuk pencemar PM, SO2 dan CO
Model reaktif – untuk pencemar O3, NO2, dsb.
7/17/2020 15
Klasifikasi Model Kualitas Udara (2) Klasifikasi model berdasarkan sistem koordinat
yang digunakan:
Berbasis Grid Wilayah dibagi menjadi sel array
Contoh Eulerian Multibox Model
Trajectory Mengikuti pergerakan plume searah angin
Contoh Lagrangian model
Klasifikasi model berdasarkan kompleksitas
Screening: estimasi sederhana, digunakan data meteorologi
untuk memprediksi
Refined: memiliki proses fisika dan kimia atmosfer yang lebih
detail, memerlukan input data yang lebih kompleks
7/17/2020 16
http://www.epa.gov/scram
001/images/grid4.jpg
Klasifikasi Model Kualitas Udara (3)
Klasifikasi model berdasarkan sumber pencemar:
Gas beracun, gas berbau, gas bertekanan, partikulat
Sumber tunggal, banyak sumber (multi)
Sumber titik (cerobong), sumber garis (lalu lintas), sumber area (landfill), sumber volumes (conveyor, vent di gedung bertingkat)
Klasifikasi model berdasarkan sumber data:
Pendekatan analisis sumber
Pendekatan analisis reseptor
Klasifikasi model berdasarkan aplikasi:
Model meteorologi, model emisi, model fotokimia, model dispersi, model reseptor
7/17/2020 17
KonsentrasiAmbient
Hasil Perhitungan
KarakteristikDispersi
KarakteristikEmisi
Model Sumber (Source Model)
Pendekatan Analisis Sumber
✓ Identifikasi lokasi sumber
pencemar (kawasan
industri, jalan raya, dsb)
✓ Identifikasi sumber potensial
sbg emisi primer (PM, NOx,
SO2, dsb)
✓ Deskripsikan proses fisik
dan kimia yang sesuai
✓ Catat potensi pembentukan
emisi sekunder (O3)
✓ Identifikasi sumber yang
paling efektif dapat
dikendalikan
Bottom Up
Dampak Sumber Hasil Perhitungan
KarakteristikAmbien
KarakteristikSumber
Model Reseptor (Receptor Model)
Pendekatan Analisis Reseptor
✓ Cari lokasi pemantauan
yang memiliki tingkat
pencemaran tinggi
✓ Identifikasi komposisi kimia
dari PM
✓ Deskripsikan perkiraan
dampak sumber
✓ Catat PM primer dan
sekunder
✓ Identifikasi sumber yang
paling efektif dapat
dikendalikan
Top Down
Contoh Model Kualitas Udara US EPA
7/17/2020 20
Klasifikasi model berdasarkan skala spasial
Microscale (10 - 100 m) dan Middle-scale (100 -500 m) – bau, debu, pencemar B3.
Neighborhood scale (500 m - 4 km) – emisi kendaraan, rumah tangga, emisi primer industri.
Urban scale (4 - 100 km) – ozone, sulfat dan nitrat sekunder, kebakaran hutan.
Continental scale (1.000 – 10.000 km) – debu gurun sahara, gurun asia, kebakaran hutan skala besar.
Global scale (> 10.000 km) – GRK, halocarbons, black carbon.
21
Eulerian Vs Lagrangian Model
Eulerian vs. Lagrangian
Eulerian Fixed coordinate
Focus on the statistical properties of fluid velocities
Eulerian statistics are readily measurable
Directly applicable when there are chemical reactions
Closure problem – no generally valid solutions
Lagrangian Moving coordinate
Focus on the statistical properties of the displacements of groups of particles
No closure problem
Difficult to accurately determine the required particle statistics
Not directly applicable to problems involving nonlinear chemical reactions
Eulerian Model
Eulerian Model
Skema Lagrangian Model
Lagrangian output15/02/02 12TU 9.5-10.5km
19/02/02 12TU 8-9km
Lagrangian
7/17/2020 29
Contoh Output Model Gauss
Sumber Titik
Model Gauss merupakan model dispersi kepulan
pencemar dari cerobong yang paling sederhana
dan paling banyak dipergunakan.
MODEL GAUSS
Model Dispersi Gauss
Menggunakan asumsi bahwa
penyebaran pencemar dari cerobong mengikuti persamaan difusi molekular
Konsentrasi pencemar secara horisontal dan vertikal berdistribusi normal (double Gaussian distribution)
Penyebaran dan bentuk kepulan pencemar mengikuti kondisi meteorologi
7/17/2020 30
H
X
Y
Z
u
QModel Gauss tidak
cocok untuk
• Model regional,
• Topografi yang
komplek
• Terjadi konveksi
• Terjadi pencemar
dari ground
31
PERSAMAAN MODEL GAUSS
( )( )
−+
−
=
2
2
2
2
2
1exp
2,,
zyzy
Hzy
u
QzyxC
Model Dispersi dan TrajektoriPencemaran Udara HYSPLIT
HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Langrangian Integrated Trajectory) adalah model trajectory pencemaran udara buatan Air Resources Lab, NOAA, Amerika Serikat.
HYSPLIT menggunakan pendekatan Langrangian, yaitu perhitungan hanya dilakukan sepanjang trajectory, tidak semua grid.
𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑡 + ∆𝑡= 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑡
+1
2𝑉 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛, 𝑡 + 𝑉 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑡 + 𝑉 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛, 𝑡 ∆𝑡 , 𝑡 + ∆𝑡 ∆𝑡
𝑋𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑡 + ∆𝑡 = 𝑋𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑡 + ∆𝑡 + 𝑈′ 𝑡 + ∆𝑡 ∆𝑡
𝑍𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑡 + ∆𝑡 = 𝑍𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑡 + ∆𝑡 +𝑊′ 𝑡 + ∆𝑡 ∆𝑡
Persamaan umum yang digunakan untuk Trajektori
3D Model, model dispersi persamaan ditunjukan dengan
menambahkan komponen turbulensi
Contoh output
Eulerian 3D
Eulerian Multi-box Model
Ilustrasi Multi-Grid Contoh Output Model Eulerian 3D
Pengaturan Domain dan Grid Model Grid horisontal dan
vertikal (3 dimensi)
Sistem Dinamikuntuk PengelolaanPencemaran Udara
Sistem dinamik memecahkan permasalahanpencemaran udara dengan menggunakan pendekatanteknik dan manajemen berdasarkan metode analisislogika dan model matematika.
Pemanfaatan Sistem Dinamik
Fenomena fisik
contoh siklus air
Fenomena fisikadalah fenomenayang tidakmelibatkan campurtangan manusiaatau keputusanmanusia
Fenomena sosialcontoh pencemaran udara dari industri, transportasi dan domestik
Fenomena sosialadalah segalasesuatu yang dipengaruhi oleh kegiatan atauaktivitas manusiayang diwujudkanoleh keputusan-keputusannya
Struktur :
unsurpembentukfenomena dan pola keterkaitanantar unsurtersebut
Perilaku:
perubahan suatubesaran/variabeldalam suatukurun waktutertentu, baikkuantitatifmaupunkualitatif
Sistem :
Suatu sistem adalah suatufenomena yang strukturnyatelah diketahui
• Suatu sistem adalah suatu fenomena yang strukturnya telah diketahui
• Suatu sistem merupakan suatu gabungan daribeberapa bagian yang bekerja untuk tujuan bersama.
• Suatu sistem dapat terbentuk dari sejumlah orang dan/atau sejumlah komponen fisik
Persoalan (Problem)
• Suatu fenomena yang kehadirannya tidak diinginkan, contoh: jumlah pencemar udara terus meningkat.
• Suatu fenomena yang ingin diwujudkan. Contoh: target udara bersih dan segar yang ingin dicapai pada tahun 2022.
• Suatu kesenjangan (gap) antara keadaan sebenarnya(actual state) dengan keadaan yang diinginkan (goal).
Thompson, 2007
Struktur FenomenaFenomena
Sumber: M. Tasrif,
2015
Pola Karakteristik Perilaku Sistem
Sumber: M. Tasrif, 2015
Indigeneous variabel Indigeneous variabel
Exogeneus variabel
Overview of the system dynamics modeling approach
Jia, 2017
Jia, 2017
Jia, 2017
Jia, 2017
Terima kasih