Secara garis besar konfigurasi dasar dibagi menjadi empat kategori sebagai berikut:

  1. planed bed (tidak terjadi pergerakan butiran sedimen),
  2. ripples,
  3. dunes,
  4. antidunes,

Tahap perubahan konfigurasi dasar dibagi menjadi dua tahap yakni perubahan dari kondisi dasar plane bed sampai ke dunes disebut dengan Lower Flow Regime, dan perubahan dari kondisi sheet bed ke antidunes disebut dengan Upper Flow Regime.

1. Lower Flow Regime

  1. Tahap Plane Bed (Dasar Rata)

Kondisi permukaan dasar masih rata karena regime kedalaman dan kecepatan aliran yang menghasilkan tegangan gesek aliran yang bekerja pada butiran sedimen dasar belum melebihi tegangan gesek dasar kritis dari butiran sehingga butiran sedimen dasar tidak bergerak. Pada kondisi ini, permukaan aliran dalam keadaan tenang dan nilai bilangan Froude kecil.

2. Tahap Ripples

Pertambahan regime aliran akan menyebabkan tegangan gesek dasar melebihi tegangan gesek kritis butiran sehingga butiran mulai bergerak. Pergerakan butiran dapat berupa menggelinding, menggeser dan meloncat. Setelah butiran bergerak, butiran akan membentuk gundukan-gundukan pasir secara random. Gundukan-gundukan tersebut akan menyatu dan membentuk gelombang pasir teratur, simetris dengan amplitudo gelombang relatif kecil terhadap panjang gelombang, Hr << Lr. Ripples dibentuk pada kondisi tegangan gesek dasar kecil dan sedimen terangkut sebagai bed load. Butiran yang bergerak dari hulu akan berhenti pada sisi hilir gelombang dan tidak bergerak kembali sampai terjadi pembongkaran sisi hulu ripples yang dikenal dengan perpindahan ripples ke hilir sangat lambat.

Darwin (1883) dalam Garde dan Ranga Raju (1987) memperkirakan bahwa ripples pada dasar saluran disebabkan oleh suatu formasi dari vortex dasar yang merupakan hubungan antara air dan pasir. Vortex yang dibentuk sebagai akibat dari tingginya gradien kecepatan. Anderson (1953) menegaskan bahwa gelombang air dibawah kedalaman yang rendah dapat menyebabkan gelombang pada dasar yang diinterprestasikan dengan kurva hubungan antara bilangan Froude, terhadap ratio tinggi dan panjang gelombang. Sedangkan Liu (1957) menunjukkan secara eksperimental bahwa ripples dapat terbentuk saat tidak terjadi gelombang muka air.

Pembentukan formasi gelombang ripples dapat terpenuhi jika dua kondisi dibawah ini terpenuhi (Liu (1957) dalam Garde dan Ranga Raju (1987)):

  1. aliran mampu untuk mengangkut material,
  2. akibat interfensi aliran ke dasar menyebabkan kondisi dasar (movable bed) menjadi tidak stabil.

Parameter yang dipergunakan untuk mengembangkan kondisi ini adalah U*/W dan U*d/v. Pada material berbutir halus terjadi tegangan gesek yang mana terdapat pergerakan sedimen secara umum dan kondisi dasar masih berupa planed bed. Sedangkan untuk material berbutir kasar dengan U*d/v > 100, Liumenunjukan bahwa gelombang terbentuk saat material bergerak. Simons & Richardson (1962) dalam Garde & Ranga Raju (1987) menemukan bahwa material dengan diameter 0,45 mm formasi ripples segera terbentuk saat material bergerak.

Raudkivi (1963) dalam Garde dan Ranga Raju (1987) melakukan penelitian tentang aspek-aspek yang berkenaan dengan pembentukan formasi ripples. Hasil penelitian menunjukkan bahwa formasi ripples terbentuk pada suatu titik dimana terjadi pembentukan gundukan pasir pada dasar saluran dan berkembang kearah hilir. Kecenderungan terjadi pembentukan gundukan tersebut akibat ketidak seragaman dari butiran dan turbulensi eddy yang tidak kontinu didekat dasar. Akibatnya terjadi pemisahan aliran yang diikuti dengan terjadinya gerusan dasar ke arah hilir pada zona seperasi tersebut. Dengan demikian berkurangnya intensitas turbulensi, terjadi pengendapan material sehingga berbentuk ripples.

Ukuran butiran yang berpengaruh pada pembentukan ripples dengan material tidak seragam dan berrapat massa 2,6, seperti yang disimpulkan oleh Chaubert & Chauvin (1963) dalam Garde dan Ranga Raju (1987) adalah:

  1. ripples akan terbentuk jika d60 lebih kecil dari 0,6 mm,
  2. ripples local akan terbentuk jika d60 > 0,6 mm dan d30 < 0,55 mm,
  3. ripples tidak terbentuk jika d30 > 0,55 mm.

3.Tahap Dunes

Pertambahan kecepatan aliran akan menyebabkan ripples berkembang menjadi dunes. Dunes merupakan gelombang tiga dimensi didasar dan lebih besar dari ripples. Gelombang yang terbentuk mempunyai sisi hulu lebih landai dan sisi hilir lebih curam yang membentuk sudut sekitar 30-40 derajat. Bilangan Froude yang ada lebih kecil dari satu sehingga kondisi aliran tergolong subkritis. Akibat adanya pengaruh dasar dengan muka air maka terbentuk gelombang muka air yang turun pada puncak dunes. Butiran sedimen yang halus akan terangkut sebagai suspensi dan aliran menjadi keruh. Terjadi pemisahan butiran pada kondisi dunes ini yakni butiran lebih halus pada puncak dunes dan butiran lebih kasar pada sisi hulu. Menurut Einstein dan Chein (1953) dalam Garde dan Ranga Raju (1987), kondisi yang dibutuhkan agar terjadi pemisahan butiran dasar adalah sebagai berikut:

  1. penyebaran ukuran partikel secara meluas,
  2. dunes yang mempunyai panjang gelombang pasir yang besar,
  3. kedua kondisi tersebut diatas berlangsung secara menerus dan proses deposisi terjadi tinggi.

2. Upper Flow Regime

  1. Tahap Sheet Bed

Perubahan pada kondisi sheet bed ini dikenal dengan regime transisi sangat cepat. Hal ini disebabkan karena terjadi pertambahan debit aliran sehingga terjadi pertambahan panjang gelombang dunes dan sebaliknya terjadi pengurangan amplitudo dunes. Dasar menjadi rata kembali dengan material dasar relatif lebih halus. Sehingga regime sheet bed ini merupakan kondisi yang tidak stabil dalam arti akan terjadi perubahan bentuk secara menerus. Kekasaran dasar yang terbentuk dianggap sama dengan diameter butiran lolos 50% atau k = d50 dan bilangan Froude aliran berkisar 1, sehingga aliran menjadi aliaran kritis.

2. Tahap Antidunes

Pertambahan debit aliran menyebabkan gelombang tegak akan bergerak kehulu dan pecah. Kondisi aliran menjadi superkritis dengan bilangan Froude lebih dari 1. Interaksi gelombang muka air pada dasar menghasilkan gelombang antidunes dengan bentuk gelombang yang relatif simetris. Terjadinya deposisi pada sisi hulu dan erosi pada sisi hilir memperlihatkan gelombang dasar bergerak kehulu.

Debit aliran yang semakin besar menyebabkan gelombang antidunes yang ada akan terkikis dan menjadi datar kembali yang selanjutnya kegiatan antidunes dengan kondisi gelombang muka air membentuk chutes dan pool.

Sedimen

1. Karakteristik Angkutan Sedimen

1.1. Klasifikasi Ukuran Butiran

Pengertian ukuran butiran sedimen yang umum digunakan adalah sebagai berikut (Przedwojski & Blazejeweski, Pilarczyk (1995), dan Kironoto (1997)):

  1. Diameter ayakan (Sieve diameter) yakni ukuran lubang bukaan ayakan dimana partikel sedimen dapat lolos.
  2. Diameter nominal (Nominal diameter) yakni diameter butiran berbentuk bola yang mempunyai volume yang sama dengan volume butiran sedimen.
  3. Diameter sedimentasi yakni diameter butiran berbentuk bola yang mempunyai kesamaan berat jenis spesifik dan kecepatan endap dalam air dan kondisi yang sama dengan butiran sedimen.

Metode penentuan diameter lempung atau lanau biasanya digunakan metode sedimentasi, meskipun sebenarnya diameter sedimentasi merupakan diameter fiktif tetapi dalam pekerjaan-pekerjaan praktis sangat banyak membantu karena menggambarkan ukuran fisik sesungguhnya. Ukuran diameter pasir dan kerikil dapat ditentukan dengan metode ayakan dan material berdiameter lebih besar digunakan pengukuran langsung di lapangan.

The Subcomitte on Sediment Terminology dari American Geophysical Union (AGU) mengklasifikasikan ukuran butiran sedimen berdasarkan pada ukuran saringan seperti pada tabel berikut.

Tabel Klasifikasi jenis ukuran butiran

Nama kelas Ukuran (mm) Nama kelas Ukuran (mm)
Boulders ≥ 256 Sand 0,064 – 2
Cobbles 64 – 256 Silt 0,004 – 0,064
Gravel 2 – 64 Clay ≤ 0,004

Sumber : Marjikoen (1987), Kironoto (1997)

1.2. Kecepatan Endap (Settling Velocity)

Interaksi antara partikel butiran sedimen terhadap aliran zat cair dipengaruhi oleh adanya kecepatan endap butiran tersebut. Bentuk konfigurasi dasar saluran dipengaruhi oleh nilai kecepatan endap dari butiran sedimen seperti yang ditunjukkan pada beberapa hasil penelitian serta dalam studi sedimen suspensi, bahwa kecepatan endap mempunyai pengaruh yang sangat penting.

Kecepatan endap dapat diturunkan dari persamaan Navier Stokes dengan tanpa memperhitungankan pengaruh gaya inersia aliran yang bekerja pada suatu butiran sedimen berbentuk bola. Turunan persamaan ini menghasilkan persamaan hambatan selama butiran mengendap.

Penurunan persamaan kecepatan endap didasarkan asumsi berikut (Kironoto, 1997) :

  1. Gaya-gaya inersia dianggap dapat diabaikan karena bilangan Reynolds yang digunakan sangat kecil sehingga pengaruh gaya viskositas jauh lebih dominan dari pengaruh gaya inersia.
  2. Butiran yang dipergunakan hanya butiran berbentuk bola, sehingga untuk butiran yang berbentuk selain bola kemungkinan terjadi kesalahan bisa saja terjadi.
  3. Antara butiran sedimen dan zat cair tidak ada bidang slip.
  4. Butiran yang mengendap terjadi pada zat cair diam, dan pergerakan butiran tidak dipengaruhi oleh bidang batas.

Kecepatan endap yang memperhitungkan adanya gaya inersia yang bekerja pada butiran masih didasarkan persamaan Navier Stokes tetapi dalam bentuk yang agak berbeda. Pergerakan sedimen dalam zat cair akan mengalami gaya hambat yang ditimbulkan karena adanya gesekan antara zat cair dengan partikel sedimen. Gaya hambat menurut Newton merupakan fungsi dari luas bidang kontak atau luar permukaan butiran yang mendapat  gaya dan kecepatan endap. Sedangkan menurut Stokes gaya hambat yang ditimbulkan oleh partikel sedimen terhadap air merupakan fungsi dari diameter butiran, viskositas dinamik zat cair dan kecepatan endap.

Banyak peneliti yang sudah dilakukan untuk mengetahui besarnya pengaruh bentuk partikel teratur terhadap koefisien hambat, baik secara eksperimental ataupun secara analisis. Sedangkan material berbentuk tidak teratur seperti pasir alam sebagian besar hanya berdasarkan pada eksperimen.

Secara empirik hubungan antara koefisien hambat dengan bilangan Reynolds dapat ditulis sebagai berikut (Kironoto (1997), Graf (1984)):

  1. Partikel bola                            CD = 24 / Re
  2. Partikel disk lingkaran            CD = 20,37 / Re

Persamaan diatas memperlihatkan bahwa baik butiran berbentuk bola dan disk lingkaran, nilai koefisien hambat tidak banyak berbeda, Sehingga dapat disimpulkan bahwa pada daerah Stroke’s range, koefisien hambat tidak dipengaruhi oleh tebal partikel, dengan catatan bahwa butiran tidak terlalu panjang atau terlalu tebal.

Karakteristik bentuk dari butiran sedimen dinyatakan dalam suatu bilangan tak berdimensi yang dikenal dengan faktor bentuk (Shape factor) yang didefinisikan sebagai (Albertson et.al. (1953) dalam Graf (1984)) :

Sf = c / (a b)1/2

Dengan a, b, cmerupakan diameter terpanjang, menengah, kecil. Faktor bentuk untuk pasir alamdari hasil penelitian Schulz, Wilde dan Albertson, dalam Graf (1984) bervariasi berkisar antara 0,6 – 0,7 .

1.3. Distribusi massa sedimen

Distribusi massa partikel sering ditunjukkan dengan pendekatan distribusi probabilitas Normal-Logaritmik (Semilogaritmic). Kurva yang dihasilkan merupakan hubungan antara ukuran butir sebagai absis dan persen lolos kumulatif sebagai ordinat.

Dalam Garde (1997), derajat penyebaran dari suatu ukuran butiran diukur dengan penyebaran baku. Material yang mempunyai nilai penyebaran baku sangat kecil atau mendekati 1 maka material disebut dengan material berbutir seragam.

1.4. Gerak Awal Butiran

Gaya-gaya hidrodinamik yang timbul sebagai akibat adanya aliran, bekerja pada material sedimen dasar yang cenderung menyebabkan butiran sedimen tersebut bergerak. Kondisi dimana gaya-gaya hidrodinamika yang bekerja menyababkan suatu butiran mulai bergerak disebut kondisi kritis atau gerak awal butiran sedimen. Hasil dari penelitian tentang gerak awal suatu butiran sedimen menunjukkan sangat subjektif sekali karena sifat fisik dari material sedimen tidak sama. Seperti material yang mempunyai kandungan fraksi lanau atau lempung yang cenderung mempunyai sifat kohesif, gaya-gaya yang melawan gaya hidrodinamik lebih disebabkan oleh sufat kohesifitasnya. Berbeda dengan material yang sifat kohesifnya kecil seperti pasir atau batuan, gaya perlawanan terhadap gaya hidrodinamik lebih disebabkan oleh gaya berat butiran itu sendiri.

Gerak awal butiran dasar dapat dijelaskan dengan cara seperti (Graf, 1984):

  1. Dengan menggunakan persamaan kecepatan kritis yakni dengan mempertimbangkan pengaruh aliran terhadap butiran.
  2. Dengan kondisi tegangan gesek kritis yakni dengan mempertimbangkan hambatan gesek dari aliran butiran.
  3. Kriteria gaya angkat yakni dengan mempertimbangkan perbedaan tegangan yang menyebabkan terjadinya gradien kecepatan.