Ditulis oleh:

Malaysia merupakan antara negara pengeluar padi sebagai tanaman strategik untuk memastikan keselamatan makanan negara. Kawasan penanaman padi utama seperti Kedah, Perlis, dan Sekinchan menyumbang secara signifikan kepada pemenuhan keperluan beras negara. Walau bagaimanapun, penggunaan baja kimia, racun perosak, dan pelbagai bahan agrokimia secara berlebihan, meskipun bertujuan meningkatkan hasil pengeluaran padi, telah menimbulkan kebimbangan terhadap kualiti alam sekitar, terutamanya air bawah tanah. Bahan pencemar yang meresap ke dalam tanah boleh bergerak bersama aliran air bawah tanah dan akhirnya mencemarkan sumber air yang digunakan oleh manusia serta ekosistem sekeliling.

Untuk menganalisis interaksi ketiga-tiga proses ini, model matematik Persamaan Adveksi-Difusi-Tindak Balas (ADR) digunakan. Model ini membolehkan pergerakan dan perubahan kepekatan bahan pencemar diramalkan mengikut masa dan ruang. Walau bagaimanapun, penyelesaian analitis persamaan tersebut sering menjadi kompleks, terutamanya dalam konteks keadaan sebenar yang merangkumi variasi sifat tanah, kadar pereputan yang dinamik, serta sumber pencemaran yang tidak seragam. Sehubungan itu, kaedah berangka diaplikasikan untuk memperoleh penyelesaian penghampiran.

Kaedah berangka ialah teknik matematik yang membolehkan penyelesaian masalah kompleks melalui simulasi berkomputer. Dalam kajian pemodelan pencemaran air bawah tanah di kawasan sawah padi, kaedah Perbezaan Terhingga (Finite Difference Method, FDM) sering digunakan kerana keupayaannya menukarkan persamaan pembezaan separa kepada bentuk algebra yang lebih mudah dikira. Melalui pembahagian domain ruang dan masa kepada grid-grid diskret, perubahan kepekatan bahan pencemar dapat dikira secara berperingkat, justeru memberikan gambaran menyeluruh mengenai pergerakan bahan pencemar.

Dua kaedah perbezaan terhingga yang lazim digunakan ialah kaedah Forward-Time Central-Space (FTCS) dan kaedah Crank-Nicolson. Kaedah FTCS merupakan kaedah eksplisit yang mudah difahami dan dilaksanakan. Dalam pendekatan ini, nilai kepekatan pada lelaran masa hadapan dihitung secara langsung berdasarkan maklumat dari lelaran masa semasa. Walau bagaimanapun, kaedah ini terhad oleh kestabilannya yang bergantung pada pemilihan saiz langkah masa yang kecil. Jika saiz langkah masa tidak sesuai, keputusan simulasi boleh menjadi tidak stabil dan menghasilkan ketidaktepatan.

Dalam konteks sawah padi, pemodelan menggunakan kedua-dua kaedah ini membolehkan penyelidik menilai pergerakan bahan pencemar dari zon aplikasi baja ke kawasan hiliran melalui air bawah tanah. Hasil simulasi menunjukkan bahawa bahan pencemar yang memasuki tanah tidak bergerak serta-merta ke kawasan lain; sebaliknya, terdapat selang masa tertentu sebelum ia mencapai lokasi sasaran. Tempoh ini dikenali sebagai masa penembusan atau breakthrough time. Dalam kajian ini, masa penembusan dianggarkan kira-kira 60 hari bagi bahan pencemar untuk bergerak sejauh 100 meter dalam sistem air bawah tanah.

Penemuan ini adalah kritikal kerana ia menyediakan peluang kepada pihak berkuasa dan petani untuk melaksanakan langkah pencegahan sebelum pencemaran mencapai sumber air yang sensitif. Sebagai contoh, sistem amaran awal boleh dibangunkan berdasarkan masa penembusan yang dijangka. Di samping itu, strategi seperti pengurangan kadar penggunaan baja, pembinaan zon penampan, dan implementasi teknologi pertanian lestari boleh dilaksanakan bagi meminimumkan risiko pencemaran.

Keputusan simulasi turut menunjukkan bahawa kedua-dua kaedah FTCS dan Crank-Nicolson menghasilkan profil kepekatan pencemar yang hampir serupa. Perbezaan yang minimal antara kedua-dua kaedah ini mengindikasikan tahap ketepatan yang tinggi bagi kedua-duanya. Walau bagaimanapun, dari aspek kecekapan pengiraan, kaedah Crank-Nicolson mempamerkan prestasi yang lebih unggul, disebabkan oleh keperluan bilangan langkah masa yang lebih rendah dan masa pemprosesan yang lebih singkat.

Keupayaan untuk melaksanakan simulasi yang cekap adalah esensial dalam aplikasi praktikal. Model pencemaran air bawah tanah sering melibatkan kawasan yang luas dan tempoh masa yang panjang. Justeru, kaedah yang mampu menghasilkan keputusan tepat dalam tempoh yang lebih singkat memberikan keunggulan signifikan kepada penyelidik dan penggubal dasar. Dengan bantuan komputer dan perisian seperti MATLAB, model matematik dapat digunakan untuk meramalkan pelbagai senario pencemaran dan menilai keberkesanan langkah mitigasi sebelum dilaksanakan di lapangan.

Selain menyokong pengurusan pertanian, pemodelan matematik turut menyumbang kepada inisiatif pemeliharaan alam sekitar. Melalui simulasi, pihak berkepentingan dapat mengenal pasti kawasan yang berisiko tinggi terhadap pencemaran dan mengambil tindakan lebih awal. Pendekatan ini bukan sahaja menjimatkan kos pemantauan, malah membantu mengurangkan impak pencemaran terhadap kesihatan manusia dan ekosistem.

Pada masa hadapan, model sedia ada boleh dipertingkatkan melalui penggabungan faktor-faktor yang lebih realistik, seperti perubahan musim, variasi jenis tanah, corak pengairan, dan tindak balas kimia yang lebih kompleks. Di samping itu, pembangunan model dua dimensi dan tiga dimensi berupaya memberikan representasi yang lebih tepat mengenai pergerakan pencemar dalam situasi lapangan yang sebenar. Penggunaan kaedah berangka yang lebih maju seperti Kaedah Unsur Terhingga (Finite Element Method) dan kaedah Runge-Kutta juga berpotensi meningkatkan ketepatan simulasi.

Secara ringkasnya, pencemaran air bawah tanah akibat aktiviti pertanian merupakan cabaran signifikan yang memerlukan perhatian serius bagi memastikan kelestarian sektor padi negara. Penggunaan model matematik dan kaedah berangka seperti FTCS dan Crank-Nicolson membolehkan pergerakan bahan pencemar diramal dengan lebih tepat. Hasil simulasi bukan sahaja menyumbang kepada pemahaman mekanisme pencemaran, malah menyediakan asas saintifik untuk merangka strategi pengurusan yang lebih berkesan. Integrasi teknologi, matematik, dan kesedaran alam sekitar membolehkan sektor pertanian Malaysia berkembang secara lestari tanpa mengabaikan kepentingan pemeliharaan sumber air dan kesejahteraan generasi akan datang.

Rujukan

1. Purnaditya, N. P., Herr, S., Dwinanty, M., & Jessica, S. (2018). The Finite Difference Model of Fully Saturated Groundwater Contaminant Transport. International Journal of Engineering & Technology, 7(4.35), 629–634. https://doi.org/10.14419/ijet.v7i4.35.24377 

2. Rashmi, R., & Singh, M. K. (2023). Axial Groundwater Contaminant Dispersion Modeling for a Finite Heterogeneous Porous Medium. Water, 15(14), 2676. https://doi.org/10.3390/w15142676 

3. Törnqvist, R., Jarsjö, J., & Karimov, B. (2011). Health Risks from Large-Scale Water Pollution: Trends in Central Asia. Environment International, 37(2), 435–442. https://doi.org/10.1016/j.envint.2010.11.006 

4. Bear, J., Cheng, A. H.-D. (2010). Modeling Groundwater Flow and Contaminant Transport. Dordrecht: Springer Science & Business Media. ISBN: 978-1402086681. 

5. Fetter, C. W. (2018). Applied Hydrogeology (5th Edition). New York: Pearson Education. ISBN: 978-0134750648. 

6. Food and Agriculture Organization (FAO). (2022). Sustainable Rice Production and Water Management. Rome: FAO. Available at: Food and Agriculture Organization (FAO) 

7. Jabatan Pengairan dan Saliran Malaysia (JPS). (2023). Laporan Status Kualiti Air dan Pengurusan Sumber Air Malaysia. Available at: Jabatan Pengairan dan Saliran Malaysia 

8. Jabatan Pertanian Malaysia. (2024). Garis Panduan Amalan Pertanian Baik (myGAP) untuk Tanaman Padi. Available at: Jabatan Pertanian Malaysia