MENGHITUNG EVAPORASI DAN EVAPOTRANSPIRASI REFERENSI DENGAN MENGGUNAKAN PANCI PENGUAPAN

Gambar 1. Panci Penguapan (Open Pan Evaporimeter)

Panci penguapan merupakan efek gabungan dari suhu, kelembaban udara, kecepatan angin dan sinar matahari terhadap evapotranspirasi pada tanaman referensi. Masalah yang umum suatu panci penguapan tingkat penguapannya akan berbeda pada suatu lahan yang berumput tergantung pada karakteristik tempat dan keadaan cuaca/iklimnya. Penelitian yang rinci tentang neraca energi, perilaku dinamis berhubungan dengan parameter iklim dan menjelaskan proses yang menentukan tingkat penguapan (evaporasi) masih sangat kurang, hanya kebanyakan terfokus pada menentukan Eo, evapotranspirasi dan koefisien empiris Kpan (Molina et al., 2006). Tulisan ini menjelaskan tentang proses evaporasi pada alat panci pengupan kelas A dari segi neraca air dan neraca energi dan menjelaskan beberapa metode penentuan nilai koefisien alat (Kpan) untuk mendapatkan nilai evapotranspirasi referensi pada panci penguapan.

Proses evaporasi dari sisi hidrometeorologi

Proses evaporasi adalah proses yang terjadi di permukaan vegetasi yang berhubungan dengan dua macam persamaan yang mendasarinya yaitu neraca air dan neraca energi sebagai berikut :

Neraca air :

Neraca energi :

Dimana P adalah hujan (mm), Eact, Esoil, Etrans dan Einter masing-masing adalah evaporasi aktual (mm), evaporasi dari tanah, transpirasi dan evaporasi yang diintersepsi dari hujan, Q adalah runoff rata-rata, ΔS adalah perubahan penyimpanan kelembaban tanah. R adalah radiasi neto yang diterima tanah/tanaman di permukaan (MJ²/hari), H adalah fluks panas yang sensibel, λEact adalah energi yang keluar dan G adalah konduksi panas di dalam tanah dan  λ adalah panas laten dari hasil penguapan (Mc Mahon et al., 2012).

Model yang dipergunakan memprakirakan evaporasi dapat menggunakan model neraca air dan energi ini. Panci penguapan (Ep) juga dapat digunakan untuk memprakirakan evapotranspirasi referensi (ETo). Permasalahannya tingkat penguapan yang terjadi di panci penguapan berbeda dengan di permukaan rumput standar, maka digunakanlah nilai koefisien, akan sangat tergantung keadaan tempat dan cuaca setempat (Jacobs et al., 1998).

Karakteristik panci penguapan

Panci penguapan terbagi atas dua macam yaitu panci evaporasi kelas A dan panci Colorado Sunken. Panci evaporasi kelas A berbentuk lingkaran dengan diameter 120,7 cm dan kedalaman 25 cm. Panci dipasang pada rangka kayu terbuka yang berjarak 15 cm di atas permukaan tanah. Tanah ditinggikan sekitar 5 cm dari dasar panci. Panci haruslah rata dengan ketinggian air minimal 5 cm dari pinggir dan ketinggian air tak boleh turun lebih dari 7,5 cm dari pinggir. Air harus diperbaharui secara teratur, panci harus dicat rutin setiap tahunnya. Pengukuran tinggi air di panci berbarengan dengan pengukuran hujan di pagi hari. Pengukuran dilakukan di stilling well. Stilling well adalah silinder logam yang berdiameter 10 cm dan kedalamannya 20 cm (Allen et al., 1998).

Gambar 2. Panci penguapan kelas A (Allen et al., 1998)

Gambar 3. Unsur iklim yang terkait dengan panci penguapan (evaporation pan) (Brouwer dan Heibloem, 1986)

Menurut web https://www.kean.edu/~csmart/Hydrology/Lectures/ prinsip panci penguapan sebagai berikut :

1. Panci dipasang di lapangan terbuka.
2. Panci diisikan dengan jumlah air yang diketahui (luas permukaan diketahui, kedalaman air diukur secara rutin).
3. Air dibiarkan menguap (biasanya 24 jam). Misalnya diukur pada pukul 7 pagi apabila ada hujan diukur secara bersamaan.
4. Setelah 24 jam, air yang tersisa kedalamannya diukur.
5. Jumlah evaporasi per satuan waktu (perbedaan kedalaman dua keadaan air) diukur, hasilnya adalah evaporasi panci (Epan dalam mm/hari).
6. Epan dikalikan dengan koefisien panci untuk mendapatkan nilai ETo.

Pertukaran energi di panci penguapan

Panci penguapan dapat dibandingkan secara kasar dengan suatu badan air yang kecil. Secara umum evaporasi adalah peristiwa perubahan fase cair menjadi uap. Proses evaporasi terjadi karena adanya ketersediaan energi panas (bahang) dan gradient/ defisit tekanan uap air yang tergantung pada faktor cuaca seperti suhu udara, kecepatan angin, tekanan atmosfer, radiasi matahari, kualitas air dan bentuk serta sifat dari permukaan yang berevaporasi (Trinah wati et al., 2015). Model neraca energi yang terjadi pada panci penguapan, digambarkan pada skema saat siang hari (daytime) dan malam hari (nighttime) sebagai berikut di Gambar 3. 

Gambar 4. Skema neraca energi pada siang hari (daytime) dan malam hari (nighttime) yang terjadi di panci penguapan (Jacobs et al., 1998)

Jacobs et al., 1998 menjelaskan kekuatan pendorong (driving force) pada siang hari adalah radiasi gelombang pendek (incoming short wave radiation) yang masuk ke permukaan air. Radiasi matahari atau gelombang pendek tersebut diserap, penyerapan tak hanya tergantung panjang gelombang tapi juga pada kekeruhan air. Di permukaan air terjadi proses pertukaran gelombang radiasi (incoming and outgoing radiation) dan terjadinya bahang terasa (sensible heat) maupun bahang laten (latent heat).

Molina et al., 2006 menjelaskan proses pertukaran energi di dalam panci penguapan saat siang hari dan malam hari pada Gambar 4. Beliau membagi lapisan air di dalam panci menjadi lima lapisan dengan kedalaman identik δ = 0,04 m.

Gambar 5. Proses pertukaran energi yang terjadi di dalam panci penguapan (a) saat siang hari (b) saat malam hari

Neraca energi di dalam panci penguapan dibagi menjadi 2 proses yaitu neraca energi di lapisan permukaan dan di dalam panci penguapan.

Persamaan neraca energi pada lapisan permukaan panci penguapan sebagai berikut :

Dimana : Sab adalah radiasi gelombang pendek yang diserap oleh lapisan (W/m²), Ln adalah radiasi gelombang panjang neto, Hs adalah panas yang terasa (sensible heat) di antara udara dan permukaan air, E adalah kerapatan fluks evaporasi (kg air/m²/detik),  λ adalah panas penguapan laten (J/kg), Gw adalah jumlah fluks konduksi dan konveksi pada lapisan yang berdekatan (W/m²) dan Qw adalah variasi kandungan energi di dalam lapisan selama interval waktu  (W/m²).

Persamaan yang terjadi di dalam lapisan lainnya sebagai berikut :

Dimana  ΔGw adalah jumlah pertukaran panas konduksi dan konveksi pada lapisan berdekatan.

Perhitungan ETo dari panci penguapan dan estimasi evaporasi dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu :

A. Metode FAO-24 (Allen dan Pruitt)

Menurut Doorenbos dan Kassam (1977), nilai ETo dapat diestimasi menggunakan nilai dari data perhitungan panci penguapan (Ep) dan koefisien panci. Menurut Allen dan Pruitt, 1991 nilai Kp dapat dihitung dengan rumus :

ETo = Kp X Ep

Dimana :
ETo  : evapotranspirasi referensi (mm/hari)
Kp    : koefisien panci (normalnya 0,75 untuk panci kelas A)
Epan : evaporasi panci (mm/hari).

Menurut Doorenbos dan Kassam (1977) ada korelasi yang tinggi antara data evaporasi panci dan evapotranspirasi referensi ketika panci penguapan tersebut diperlakukan dan ditafsirkan datanya dengan benar. Rentang koefisien panci untuk panci kelas A nilai Kp dari 0,40 - 0,85 tergantung kecepatan angin harian rata-rata, kelembaban udara relatif terkait dengan karakteristik tempat panci penguapan (Abdel-Wahed dan Snyder, 2008).

Kondisi yang diperhatikan tidak hanya jenis panci, tetapi juga tanah penutup di sekitar stasiun, demikian juga angin di sekitarnya dan kelembaban udara harus juga diperiksa. Penempatan dan lingkungan panci ini akan mempengaruhi hasil khususnya nilai dari koefisien panci, alat yang diletakkan di daerah lahan yang kosong atau daerah yang ada tanaman rumput hijau akan berbeda. Gambar 5 menunjukkan 2 kasus yang berbeda. Kasus A panci penguapan diletakkan di atas rumput hijau pendek dikelilingi oleh lahan yang kosong, sedangkan kasus B panci penguapan diletakkan di lahan yang kosong/bera yang dikelilingi oleh rumput pendek yang hijau.

Tabel 1. Penentuan koefisien panci (K pan) tinggi ataupun rendah (Brouwer dan Heibloem, 1986)

Gambar 6. Keadaan posisi panci penguapan yang berdekatan dengan tanaman rumput pendek (Kasus A) dan berdekatan dengan permukaan yang kering (Kasus B) (Allen et al., 1998)

Tabel 2. Nilai koefisien Kpan pada kasus A dan B berdasarkan kelembaban udara dan kecepatan angin

Nilai Kpan atau Kp dapat tergantung pada jenis panci dan keadaan tanah yang berdekatan dengan alat tersebut.

Menurut Allen dan Pruitt (1991) nilai Kp dapat berbeda pada berbeda pada beberapa keadaan tanah.

1. Keadaan tanah yang hijau (bervegetasi) di sekitar panci penguapan sebagai berikut :

2. Keadaan tanah yang kosong (bera) sebagai berikut :

Dimana U2 adalah kecepatan angin harian rata-rata (m/s), F adalah jarak antara tanah yang bervegetasi dan kosong di sekitar cekungan ke penghalang angin (m) dapat mencapai 1 - 1000 m, RHmean adalah kelembaban udara rata-rata (%) (Abdel-Wahed dan Snyder, 2007; Ahmad et al., 2017).

Persamaan lain untuk Kpan atau Kp telah dikembangkan para ahli. Di antaranya menurut Cuenca (1989), Allen dan Pruitt (1991), Snyder (1992), Raghuwanshi dan Wallender (1998) serta Orang (1998). Persamaan yang dikembangkan oleh Cuenca, Snyder, dan Raghuwanshi-Wallender berdasarkan pada tabel Kp FAO-24. Sementara Allen - Pruitt dan Orang mengembangkan berdasarkan tabel data asli. Snyder mengembangkan persamaan Kp lain, tetapi mendasarkannya pada tabel data asli sebagai persamaan Snyder yang dimodifikasi. Orang menggabungkan teknik regresi linier yang mirip dengan yang digunakan oleh Snyder dengan interpolasi antara mengambil jarak untuk mengembangkan persamaan Kp juga berdasarkan pada tabel Kp asli. Pendekatan regresi indikator yang digunakan oleh Raghuwanshi dan Wallender tidak dipengaruhi oleh perbedaan antara FAO-24 dan nilai tabel asli karena tergantung pada kategori daripada rata-rata, atau nilai-nilai tertentu dalam suatu rentang. Fungsi-fungsi ini berdasarkan pada kelembaban udara rata-rata harian H (%), kecepatan angin harian rata-rata, U (km/hari) dan jarak terhadap daerah kosong/bera (fetch) F(m) yang telah didefinisikan oleh Doorenbos and Pruitt (1977).  Persamaan Kp dirangkum di bawah ini sebagai persamaan sebagai berikut :

Cuenca (1989) :

K_pan = 0.475 - 2.4x10^-4 U + 5.16x10^-3 H + 1.18x10^-3 F - 1.6x10^-5 H² - 1.01x10^-6 F²

- 8.0x10^-9 H²U - 1.0x10^-8 H² F

Allen-Pruitt (1991) :
K_pan = 0.108 - 0.000331 U + 0.0422 ln(F) + 0.1434 ln(H) - 0.000631 [ln(F)]² ln(H)
 

Snyder (1992):

K_pan = 0.482 - 0.000376 U + 0.024 ln(F) + 0.0045 H

Snyder modifikasi:

K_pan = 0.5321 - 0.00030 U + 0.0249 ln(F) + 0.0025 H

Orang (1998):

K_pan =0.51206 - 0.000321 U + 0.002889 H + 0.031886 ln(F) - 0.000107 H ln(F)

Raghuwanshi and Wallender (R-W) (1998):

K_pan =0.5944 + 0.0242X₁ – 0.0583X₂ – 0.1333X₃ – 0.2083X₄ + 0.0812X₅ + 0.1344X₆ 

Dimana : 
X1 = ln(F); X2, X3, X4 = 0 (bila katagorinya tidak ada) atau 1 (bila ada), berhubungan dengan katagori kecepatan angin 175-425, 425-700 dan lebih dari 700 km/hari dan X5, X6 = 0 (bila katagorinya tidak ada) atau 1 (bila ada), berhubungan dengan katagori kelembaban udara rata-rata 40-70 dan di atas 70 %.

B. Model PenPan

Ada beberapa variasi dari model Penman untuk memodelkan evaporasi dari panci penguapan kelas A. Linacre (1994) mengembangkan model fisis yang disebut sebagai persamaan  Penpan. Rotstayn et al., (2006) menambahkan komponen radiasi dari Linacre (1994) dan komponen aerodinamis dari Thom et al., (1981) sehingga menjadi model PenPan (McMahon et al., 2013; Molina et al., 2015). Model PenPan dua huruf dituliskan dengan huruf besar untuk membedakan dari metode yang dibuat oleh Linacre (1994). Model PenPan digambarkan sebagai berikut :

Dimana EpenPan adalah evaporasi panci (mm/hari) dengan model PenPan  f_Pan(u) = 1.202 +1.62U₂ dan R_NPan adalah radiasi matahari neto pada alat panci kelas A evaporimeter dan es - ea adalah defisit tekanan uap air jenuh (kPa).

C. Metode Christiansen

Christiansen (1968) mengembangkan metode sederhana untuk memprakirakan evapotranspirasi (ETo) dari nilai evaporasi panci. Menurut Christiansen menggunakan data evaporasi panci menggunakan korelasi multivariat dengan 3928 bulan dari 80 stasiun cuaca di dunia. Hasil dari metode Christiansen digambarkan sebagai berikut :

Dimana Ep adalah evaporasi pengukuran dari panci penguapan (mm/hari), Tm adalah suhu udara rata-rata (°C), w adalah kecepatan angin pada ketinggian 2 m (km/jam), Hm adalah kelembaban udara rata-rata (%) dan S adalah persentase lama penyinaran matahari Ct2, Cw2, Ch2, Cs2, menggambarkan koefisien suhu, kecepatan angin, kelembaban udara dan persentase cahaya matahari (Ahmad et al., 2017).

D. Persamaan KNF

Metode KNF (Kohler Nordison- Fox) banyak digunakan untuk menentukan nilai evaporasi. Hasil penelitian Kohler et al (1955) di Okla dengan menggunakan komputasi pada 21 panci penguapan  di AS. Dengan menggunakan konstanta psikometrik, beliau mengadaptasikan persamaan Penman (1948) sehingga didapatkan persamaan yang dapat digunakan secara umum yaitu :

Dimana Rn adalah radiasi neto (W/m2), Ɣ adalah konstanta psikometri, Ea adalah komponen aerodinamik (perpindahan massa uap air), ea adalah tekanan uap jenuh saat suhu T derajat, ed adalah tekanan uap air jenuh pada suhu titik embun, Δ adalah kemiringan kurva tekanan uap air jenuh, T adalah suhu udara dan Rs adalah radiasi matahari (Irmak dan Haman, 2003; Wati et al., 2015).

Referensi 

https://www.kean.edu/~csmart/Hydrology/Lectures/Evaporation_pan.pdf  diakses 25 Januari 2020

Abdel-Wahed MH, Snyder RL. 2008.Simple evaluation to estimate reference evapotranspiration from evaporation pans surrounded by fallow soil. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, vol 134 : 425-429.

Ahmad L, Parvaze S, Mahdi SS, Dekhle BS, Parvaze S, Majid M, Wani F. 2017. Comparison of Potential Evapotranspiration Models and Establishment of Potential Evapotranspiration Curves for Temperate Kashmir Valley. Current Journal of Applied Science and Technology, 24(3), 1-10. https://doi.org/10.9734/CJAST/2017/36356

Allen RG, Pruitt WO. 1991. FAO-24 reference evapotranspiration factors. Journal of Irrigation and Drainage Engineering,117(5):758-773

Allen RG, Pereira, LS, Raes, D, Smith, M. 1998. Crop Evapotranspiration Guide Lines for Computing Crop Water Requirements. FAO Irrigation and Drainage, Rome, Italy (Paper 56).

Brouwer, C. and Heibloem, M. 1986. Irrigation Water Management: Irrigation Water Needs. Training Manual, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome.

Irmak S and Haman DZ. 2003. Evaluation of Five Methods for Estimating Class A Pan Evaporation in a Humid Climate. HortTechnology, 13, 500-508.

Jacobs AFG, Heusinkveld BG, Lucassen, DC. 1998. Temperature variation in a class A evaporation pan. J. Hydrol. 206, 75–83, http://dx.doi.org/10.1016/S0022-1694(98) 00087-0.

Lim WH, Roderick ML, Hobbins M, Wong SC, Farquhar, GD. 2013. The energy balance of a US Class A evaporation pan. Agricultural And Forest Meteorology, 182, 314-331. doi:10.1016/j.agrformet.2013.07.001

McMahon TA, Peel MC, Szilagyi J. 2013. Estimating actual, potential, reference crop and pan evaporation using standard meteorological data: a pragmatic synthesis. Hydrology and Earth System Sciences, 17(12), 4865-4867. https://doi.org/10.5194/hess-17-4865-2013

Molina CA, Martínez-Alvarez V, González-Real MM, Baille A. 2006. A simulation model for predicting hourly pan evaporation from meteorological data. Journal of Hydrology 318,  250-261. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2005.06.016.

Molina CA, Vicente-Serrano SM, Sanchez-Lorenzo A, McVicar TR, Morán-Tejeda E, Revuelto J, El Kenawy A, Martín-Hernández N, Tomas-Burguera M. 2015. Atmospheric evaporative demand observations, estimates and driving factors in Spain (1961–2011). Journal of Hydrology 523 (2015) 262–277.

Rotstayn LD, Roderick ML, Farquhar GD. 2006. A simple pan-evaporation model for analysis of climate simulations: Evaluation over Australia. Geophysical Research Letters, Vol. 33, L17715, Doi:10.1029/2006gl027114,

Snyder RL. 1992. Equation for Evaporation Pan to Evapotranspiration Conversions. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 118 (6).

Wati T, Pawitan H, Sopaheluwakan A. 2015. Pengaruh parameter cuaca terhadap proses evaporasi pada interval waktu yang berbeda. J. Meteorologi dan Geofisika 16(3) : 155-165