(Kutipan: 10. Penetapan Kadar Air Tanah dengan Neutron Probe ...

Penetapan Kadar Air Tanah dengan Neutron Probe
10. PENETAPAN KADAR AIR TANAH
DENGAN NEUTRON PROBE
1. PENDAHULUAN
Fahmuddin Agus, Robert L. Watung, dan Deddy Erfandi
111
Penetapan kadar air tanah dengan neutron probe adalah salah
satu cara pengukuran kadar air tanah tidak langsung (Gambar 1). Cara ini
bersifat tidak destruktif, sehingga pengukuran dapat dilakukan sangat
intensif. Dengan menggunakan neutron probe, kadar air tanah dapat
ditetapkan pada titik-titik yang sama pada berbagai kedalaman tanah
secara berulang-ulang. Oleh karena itu, metode ini sering digunakan
dalam penelitian neraca air tanah, penelitian penyerapan air, penelitian
pergerakan air tanah, dan lain-lain. Keunggulan lain metode ini adalah
secara praktis tidak tergantung pada suhu dan tekanan udara. Walaupun
demikian, metode ini mempunyai beberapa keterbatasan antara lain: (1)
mahalnya peralatan; (2) rendahnya tingkat resolusi spasial, karena bagian
tanah yang diukur cukup besar; (3) tidak akuratnya pengukuran kadar air
pada lapisan permukaan tanah (0-15 cm); dan (4) dapat membahayakan
kesehatan karena radiasi neutron (Hillel, 1982; Tan, 2005).
Neutron probe sering juga disebut hidrogen probe atau soil
moisture depth probe. Akan tetapi, nama terakhir ini kurang tepat karena
alat jenis lain juga dapat menentukan kadar air tanah pada berbagai
kedalaman.
Gambar 1. Neutron probe dengan kabel akses

112
2. PRINSIP ANALISIS
Agus et al.
Inti atom hidrogen (H) mempunyai daya menyebar dan melemahkan
(memperlambat kecepatan pergerakan) neutron. Sifat inilah yang
dimanfaatkan dalam metode penentuan kadar air dengan menggunakan
neutron probe. Neutron yang mempunyai energi tinggi (5,05 MeV) yang
dikeluarkan oleh zat yang bersifat radioaktif seperti radium-beryllium atau
americium-beryllium akan melemah dan pergerakannya berbelok arah
apabila bertabrakan dengan inti atom H atau atom lain yang bermassa
rendah. Proses ini disebut dengan thermalization atau attenuation,
maksudnya neutron dilemahkan tenaganya setara dengan tenaga termal
atom yang ada di dalam zat yang ditabrak.
Efektivitas suatu atom dalam melemahkan tenaga neutron
tergantung kepada massa atomnya. Semakin tinggi massa atom, semakin
tidak efektif atom tersebut melemahkan tenaga neutron, sehingga
dibutuhkan lebih banyak tabrakan antara neutron dengan atom tersebut
supaya neutron melemah (berubah menjadi neutron lambat = slow
neutron). Untuk melemahkan tenaga neutron cepat (fast neutron) menjadi
elektron lambat, dibutuhkan tabrakan sebanyak 18 kali dengan atom H,
atau 67 kali dengan atom lithium, 86 kali dengan atom beryllium, 114 kali
dengan atom karbon atau 150 kali dengan atom oksigen. Secara umum,
untuk atom yang massanya tinggi, jumlah tabrakan yang dibutuhkan
untuk merubah atom cepat menjadi atom lambat adalah sembilan kali
massa atom + 6. Ini berarti bahwa hidrogen yang mempunyai massa dan
ukuran inti hampir sama dengan neutron, paling efektif dalam
melemahkan tenaga neutron. Di dalam tanah, atom H kebanyakan
bersenyawa dengan atom O membentuk air (Hignett and Evett, 2002).
Apabila sumber neutron cepat berada di dalam tanah lembap,
neutron cepat itu akan menyebar ke segala arah dan dalam
penyebarannya akan terjadi tabrakan dengan berbagai atom lainnya
termasuk dengan atom H. Hal ini menyebabkan di sekitar sumber neutron
cepat itu akan segera tersebar neutron lambat. Jumlah neutron lambat
tersebut sangat ditentukan oleh konsentrasi atom yang efektif dalam
melemahkan neutron cepat (dalam hal ini terutama atom H). Jumlah atau
densitas dari neutron yang sudah melemah diukur dengan suatu detektor
neutron lambat yang terletak berdekatan dengan sumber neutron dan
dicatat pada suatu layar. Jumlah neutron lambat ini berbanding lurus
dengan konsentrasi atom H yang berada di dalam tanah. Skema sebaran
neutron cepat dan neutron lambat diberikan pada Gambar 2.

Penetapan Kadar Air Tanah dengan Neutron Probe
113
Gambar 2. Skema neutron probe, tabung akses, sumber neutron,
penyebaran neutron cepat dan neutron lambat
Volume tanah yang diukur kadar airnya sangat tergantung
kepada kadar air tanah itu sendiri. Apabila tanah berada dalam keadaan
jenuh air, awan neutron akan beredar pada bulatan dengan jari-jari sekitar
15 cm, sedangkan apabila tanah sangat kering, neutron menyebar pada
bulatan dengan jari-jari 70 cm (lihat skema pada Gambar 3). Secara
umum, jari-jari bulatan penyebaran 95% dari neutron adalah:
R = 100 cm/(1,4 + 10 m)
dimana m adalah kadar air dalam satuan g cm -3 . Oleh karena besarnya
perbedaan ruang penyebaran neutron, maka pengukuran kadar air tanah
untuk kedalaman

114
Agus et al.
2. Bor tanah untuk memasang tabung akses berdiameter sedikit lebih
kecil dari diameter tabung agar kontak antara tabung dengan tanah
cukup rapat.
3. Tabung akses terbuat dari aluminium (Gambar 4) atau dari plastik
(PVC). Diameter tabung hendaklah sedemikian rupa, sehingga hanya
sedikit lebih besar dari diameter tabung sumber neutron. Jika
pengamatan kadar air yang terdalam adalah 1 m, panjang tabung
akses yang digunakan adalah sekitar 1,3 m; 0,1 m muncul di
permukaan tanah dan 0,2 m adalah rongga yang harus disisakan
pada dasar tabung akses. Bagian bawah tabung harus tertutup rapat,
sehingga tidak dapat dimasuki air dan bagian atas terbuka untuk
melewatkan sumber neutron. Dalam keadaan tidak digunakan, bagian
atas tabung ditutup dengan karet penutup (rubber stopper) atau
dengan kaleng susu kosong atau penutup lainnya untuk mencegah
agar air hujan tidak memasuki tabung.
4. Kurva kalibrasi. Kurva kalibrasi diperlukan untuk setiap jenis tanah,
terutama apabila kandungan bahan organik tanahnya tinggi.
5. Film badges dan alat pengukur kebocoran (leak test kit).
6. Surat izin penggunaan (jika diperlukan oleh pemerintah).
Permukaan tanah
Sumber neutron cepat dan
detektor neutron lambat
Neutron probe
Tabung akses
aluminium
Bulatan yang mengalami
proses atenuasi
Gambar 3. Skema radius tanah yang atom H-nya terdeteksi dengan
menggunakan neutron probe

Penetapan Kadar Air Tanah dengan Neutron Probe
115
Gambar 4. Tabung akses dari aluminium dengan penutup dari kepingan
karet
4. PROSEDUR
1. Buat lubang dalam tanah untuk pemasangan tabung akses dengan
menggunakan bor tanah. Pasang tabung akses. Sekitar 10 cm dari
panjang tabung akses harus muncul di atas permukaan tanah.
2. Jika hendak melakukan pengukuran, letakkan neutron probe di atas
tabung akses. Tentukan lama waktu pengukuran, biasanya 30 atau
60 detik untuk setiap titik pengamatan. Lakukan satu atau dua kali
pengukuran standar, Io, sewaktu sumber neutron belum diturunkan
dari unit neutron probe. Pengukuran Io sebaiknya dilakukan pada awal
dan akhir dari serangkaian pengukuran. Hitung nilai rata-rata dari Io.
Pengukuran Io berguna untuk mengoreksi jika ada perubahan
elektronis di dalam pengukuran, karena hal ini dapat membaurkan
pengukuran.
3. Lakukan pengukuran, I, pada kedalaman yang diinginkan. Kedalaman
terdangkal hendaklah > 0,15 m, sedangkan jarak suatu kedalaman
dengan kedalaman berikutnya hendaklah < 0,15 m. Hal ini
disebabkan karena neutron beredar pada bundaran dengan jari-jari
0,15 m pada tanah basah, dan jari-jari 0,7 m pada tanah kering.
4. Hitung rasio I/Io, dan gunakan persamaan (2) untuk menghitung kadar
air tanah.

116
5. PROSEDUR KALIBRASI
Kurva kalibrasi dapat ditentukan dari:
Agus et al.
(a) Beberapa tabung akses yang ada di lapangan. Apabila sifat tanah
sangat berbeda untuk setiap kedalaman dan posisi di lapangan,
misalnya karena perbedaan kandungan bahan organik, maka
diperlukan kurva kalibrasi yang terpisah untuk setiap kedalaman.
(b) Di dalam suatu drum yang diisi tanah (Gambar 5) dengan jenis tanah
yang sama dengan tanah di lapangan, ditengahnya dipasang tabung
akses. Penggunaan tanah dalam drum ini, walaupun lebih mudah,
tetapi berbeda dengan keadaan lapangan, terutama karena struktur
tanahnya sudah berubah.
Gambar 5. Kalibrasi dengan menggunakan tanah di dalam drum
(c) Lakukan pengukuran Io dan I pada beberapa kedalaman dan
beberapa kali pengukuran. Waktu pengukuran hendaklah sedemikian
rupa, sehingga sebaran air tanah bervariasi menurut variabel waktu
mulai dari sangat kering sampai mendekati jenuh. Jika kalibrasi
dilakukan pada musim kemarau, jenuhkan tanah dan tentukan Io dan I
satu kali sehari sampai tanah sangat kering. Jika struktur tanah
sangat berbeda, antara satu titik dengan titik lain, atau antara satu
kedalaman dengan kedalaman lain, lakukan kalibrasi terpisah antara
titik-titik dan kedalaman tersebut.

Penetapan Kadar Air Tanah dengan Neutron Probe
117
(d) Ambil contoh tanah dengan menggunakan bor tanah atau ring contoh
pada kedalaman dan waktu yang sama dengan penentuan I. Timbang
dan keringkan contoh tanah di dalam oven pada suhu 105 o C selama
24 jam. Hitung kadar air tanah berdasarkan volume, θ (lihat Bab 13
buku ini). Jika menggunakan contoh tanah terganggu, yang diambil
dengan bor, hitung kadar air tanah berdasarkan berat kering, m.
Konversi nilai m, menjadi θ, dengan rumus:
θ = m (Db/ρw) (1)
dimana ρw adalah berat jenis air, dan Db adalah berat jenis tanah.
Ketepatan dalam pengukuran m dan Db sangat menentukan kualitas
data.
(e) Buat kurva hubungan antara rasio I/Io = f dengan θ. Kurva ini
biasanya membentuk hubungan linear. Tentukan nilai parameter a
dan b pada persamaan linear,
θ = a + bf (2)
Nilai f biasanya berkisar antara 0 pada tanah yang sangat kering
sampai sekitar 1,7 pada tanah dalam keadaan jenuh (Gardner, 1986).
Parameter a dan b sangat ditentukan oleh sifat tanah dan nilai Io.
Catatan
Pengguna neutron probe dihadapkan kepada bahaya radiasi.
Namun bila pengguna mematuhi aturan pemakaian yang dikeluarkan
pabrik, kemungkinan bahaya radiasi sangat kecil. Beberapa langkah
pengamanan yang perlu diperhatikan adalah (Gardner, 1986):
(1) Jangan dikeluarkan sumber neutron dari kotaknya, kecuali apabila
unit neutron probe sedang digunakan.
(2) Sewaktu pengukuran, pengguna hanya boleh mendekati alat
sewaktu mengganti kedalaman atau posisi pengukuran. Sewaktu alat
menghitung nilai I dan Io, pengguna seharusnya berdiri sekitar 1 m
dari tabung akses.
(3) Apabila alat dibawa selama beberapa menit ke tempat pengukuran,
gunakan sebuah gerobak sorong atau sebuah tongkat yang
panjangnya 1,5 - 2 m dan bawa alat menggantung pada bagian
tengah tongkat yang masing-masing ujungnya dipegang oleh satu
orang.

118
Agus et al.
(4) Selama transportasi di dalam kendaraan, letakkan alat sekitar 1 m
dari penumpang.
(5) Pengguna neutron probe perlu menggunakan suatu film badge, yaitu
suatu film untuk mendeteksi seberapa banyak tubuh dihadapkan
kepada radiasi.
(6) Apabila alat tidak digunakan, simpan alat pada ruang khusus dan
dikunci.
(7) Lakukan pengujian kebocoran (leak test) dua kali setahun atau
menurut anjuran pabrik.
Untuk berbagai keperluan praktis, kurva kalibrasi yang diberikan
oleh pabrik mungkin dapat digunakan. Akan tetapi, kalibrasi sangat
diperlukan apabila tanah yang akan diukur kadar airnya, mempunyai sifat
mengembang dan mengerut (Jury et al., 1991), mengandung Cl, Fe, Mo,
dan B tinggi (Hanks dan Ashcroft, 1986; Gardner, 1986), atau apabila
tabung akses yang akan digunakan untuk penentuan kadar air berbeda
dari tabung akses yang digunakan pabrik untuk kalibrasi.
Variabilitas tanah yang sangat tinggi, misalnya karena perubahan
komposisi mineral tanah yang drastis, atau perbedaan kadar air tanah
yang tajam antar lapisan tanah, dapat menyebabkan menyimpangnya
pengukuran dari kurva kalibrasi.
6. DAFTAR PUSTAKA
Gardner, W. H. 1986. Water content. p. 493-544. In Methods of Soil
Analysis, Part 1. Second Ed. Agron. 9. Am. Soc. of Agron.,
Madison, WI.
Hanks, R. J., and G. L. Ashcroft. 1986. Applied Soil Physics. Springer-
Verlag. Berlin.
Hignett, C., and S. R. Evett. 2002. Neutron thermalization. p. 501-521. In
Methods of Soil Analysis Part 4, Physical Methods, SSSA Book
Series:5. Soil Science Society of America, Inc., Madison,
Wisconsin.
Hillel, D. 1982. Introduction to Soil Physics. Academic Press, Inc. San
Diego, California.

Penetapan Kadar Air Tanah dengan Neutron Probe
119
Jury, W. A., W. R. Gardner, and W. H. Gardner. 1991. Soil Physics. 5 th Ed.
John Wiley and Sons. Inc., New York.
Tan, K. H. 2005. Methods of Soil Analysis. CEC Press, Boca Raton,
Florida.