BAB 8 PENENTUAN KEDALAMAN

Transcript

1 Pengenalan BAB 8 PENENTUAN KEDALAMAN Proses penentuan kedalaman/penentudalaman perlulah dijalankan dengan seberapa tepat yang boleh kerana jika berlaku kesilapan, ianya akan memberikan gambaran yang salah tentang rupa bentuk dasar laut. Oleh kerana faktor pasang surut, kedalaman yang diukur dari bot hidrografi berubah mengikut masa. Apabila pembetulan telah diberikan, kedalaman tersebut dikenali sebagai peruman terturun (reduced depth/sounding). Kedalaman dasar laut boleh ditentukan dengan dua kaedah berikut: 1. Kaedah langsung 2. Kaedah gelombang akustik Kaedah Langsung Kaedah Langsung (samb.) Penggunaan tali perum bagi mengukur kedalaman dasar laut merupakan kaedah pengukuran secara langsung. Sehingga 40 tahun lalu, semua kedalaman di laut diukur menggunakan tali bersenggat di mana pada hujungnya dihubungkan dengan pemberat seperti batu atau timah. Kaedah penggunaannya ialah dengan menurunkan tali bersenggat sehingga pemberat berkenaan mencecah dasar laut. Kedalaman yang diukur dikenali sebagai peruman manakala tali bersenggat beserta dengan pemberat yang digunakan dikenali sebagai tali perum. Panjang tali perum yang dihulurkan ke dasar laut dikira dari aras air. Dengan kaedah ini apa yang diperolehi hanyalah titik-titik selerak sahaja. Kaedah ini boleh juga digunakan untuk menggambarkan rupa bentuk dasar laut tetapi ia akan memakan masa kerana operasi peruman terpaksa dibuat dalam bentuk grid. Oleh yang demikian kaedah ini hanya sesuai digunakan bagi kawasan yang terhad sahaja dan pada dasar laut yang cetek di mana arusnya tidak kuat. Walau pun kaedah ini menyediakan kos peralatan yang murah tetapi kejituan yang dihasilkan adalah rendah. Kaedah Gelombang Akustik Kaedah Gelombang Akustik (samb.) Kaedah ini adalah yang biasa digunakan untuk mengukur kedalaman. Alat yang menggunakan konsep ini dikenali sebagai pemerum gema (echo sounder). Pada masa ini pemerum gema telah menjadi alat asas kepada jurukur hidrografi untuk mengukur kedalaman dasar laut. Pada asasnya, pemerum gema mengukur kedalaman dengan mencatatkan beza masa penghantaran gelombang akustik ke dasar laut dan masa penerimaan semula setelah mengalami proses pembalikan. Kuasa elektrik yang diperolehi daripada bateri ditukarkan kepada kuasa akustik dan dipancarkan ke dasar laut melalui transduser. Gelombang akustik ini akan melalui aliran air sehingga ke dasar laut. Pembalikan dari dasar laut akan diterima semula oleh transduser dan kuasa akustik akan ditukar semula kepada kuasa elektrik. Kuasa elektrik ini disalurkan pula ke jarum lakar yang akan membakar ekogram dan seterusnya membuat satu tanda untuk memaparkan dasar laut tadi. Tanda-tanda yang dibuat oleh jarum lakar pada ekogram akan menunjukkan profil dasar laut yang berterusan. UTM 1

2 Transduser Transduser (samb.) Transduser bagi pemerum gema direka bentuk bagi menghasilkan alur kuasa bunyi pelbagai bentuk. Biasanya tenaga ditumpukan sepanjang paksi ortogon ke permukaan sinaran. Faktor penentu ialah saiz permukaan dalam bentuk panjang gelombang pada frekuensi talun (penghantaran). Oleh itu permukaan yang panjang dan sempit akan menghasilkan alur sempit pada satah yang ortogon dengan dimensi panjang. Transduser bulat pula akan menghasilkan alur berbentuk kon. Lebar alur menunjukkan pencapaian darjah terarah iaitu keupayaan transduser menumpukan kepada kuasa bunyi. Lebar alur bagi transduser bulat diberikan oleh ungkapan berikut (λ dan d dalam unit yang sama) : λ β = 65. (8.1) d iaitu: λ ialah panjang gelombang frekuensi penghantaran atau penerimaan, dan d ialah diameter permukaan sinaran. Transduser (samb.) Lebar alur bagi transduser segi empat tepat diberikan oleh ungkapan berikut (λ dan d dalam unit yang sama): λ β = 50 L iaitu:. (8.2) L ialah dimensi permukaan sinaran yang ortogon dengan satah alur. Nilai purata halaju perambatan gelombang akustik dalam air laut (halaju bunyi) ialah 1500 ms-1. Lebar alur bagi transduser bulat Frekuensi Adalah jelas bahawa panjang gelombang (dan oleh itu frekuensi) penghantaran memainkan peranan yang besar. Bagi pengukuran yang tepat, peleraian yang tinggi dan alur yang sempit diperlukan. Oleh itu lagi tinggi frekuensi maka lagi pendek panjang gelombang dan lagi sempit lebar alur bagi saiz transduser tertentu. Lebar alur bagi transduser segi empat tepat UTM 2

3 Peleraian Tempoh Denyut Peleraian atau keupayaan pengesanan pemerum gema mempunyai kesan secara langsung kepada ketepatan pengukuran kedalaman. Lima faktor yang terlibat dalam perkara ini ialah [Ingham dan Abbott, 1992]: 1) Tempoh denyut 2) Sudut tuju muka gelombang akustik ke sasaran 3) Kepekaan dan peleraian media perakam 4) Jenis sasaran 5) Lebar alur penghantaran Denyut sekatan mempunyai panjang terhad bergantung kepada frekuensi, tempoh denyut dan halaju perambatan. Jika isyarat 15 khz mempunyai denyut 1 ms dan halaju perambatan adalah 1500 ms-1, panjang gelombang 0.1 m dan 15 kitaran akan menghasilkan panjang denyut 1.5 m. Sudut Tuju Muka Gelombang Akustik Ke Sasaran Kepekaan dan Peleraian Media Perakam Jika dua objek berjauhan sehingga satu setengah panjang denyut berada pada laluan gelombang akustik, gema tunggal akan dikembali dan direkod. Jika objek tersebut berjauhan lebih jauh, dua pantulan berasingan akan diterima. Oleh itu peleraian ialah 0.75 m atau satu setengah panjang denyut. Terdapat had bagi panjang denyut terutamanya dalam perkara berkaitan dengan peleraian media perakam. Perakam analog konvensional mengalami masalah ini manakala perakam digital tidak mengalami kelemahan ini. Jenis Sasaran Lebar Alur Penghantaran Jenis sasaran diungkapkan sebagai kepantulannya atau kekuatan sasarannya. Kuasa akustik yang dikembalikan oleh sasaran bergantung kepada kepadatan bahan sasaran, saiz dan kecondongannya dengan transduser. Semua faktor ini adalah penting bagi interpretasi kualitatif pengukuran dalam membezakan antara sifat bahan dasar laut dan gema palsu (daripada ikan, rumpai, organisma marin dan lain-lain lagi). Bagi pengukuran kedalaman, titik yang dikehendaki pada permukaan dasar laut berada tegak di bawah transduser. Walau bagaimanapun pemerum gema merekod balikan terawal daripada gelombang akustik. Dalam kes alur yang lebar, ini boleh jadi daripada sasaran dalam lingkungan muka gelombang akustik tetapi bukannya tegak di bawah transduser. UTM 3

4 Kalibrasi Pemerum Gema Kalibrasi Pemerum Gema (samb.) Sebelum pemerum gema boleh digunakan untuk operasi peruman, proses kalibrasi perlu dilakukan. Ini untuk memastikan kedalaman yang tercatat pada ekogram adalah kedalaman yang betul. Halaju bunyi dalam air mempunyai kaitan dengan halaju pergerakan jarum lakar. Mengikut teori, halaju bunyi dalam air mesti diketahui dengan jitu dan pengukuran jangka masa penghantaran gelombang akustik mesti betul untuk menghasilkan kedalaman yang tepat. Tetapi daripada segi praktisnya, halaju bunyi dianggap mempunyai nilai yang malar. Oleh kerana pengukuran jangka masa penghantaran gelombang akustik dipengaruhi oleh pergerakan jarum lakar maka pembetulan halaju diperlukan. Pembetulan ini akan melaraskan halaju pergerakan jarum lakar dengan halaju bunyi yang sebenar. Jika pelarasan ini tidak dilakukan, ianya akan memberi kesan yang paling nyata pada kedalaman yang maksimum. Ini adalah kerana kesalahan kedalaman bertambah secara linear terhadap masa. Halaju Perambatan Gelombang Halaju Perambatan Gelombang (samb.) Gelombang akustik yang dipancarkan oleh pemerum gema dari bot hidrografi ke dasar laut akan terpantul semula ke bot hidrografi. Dengan mengetahui halaju perambatan gelombang c(t) pada setiap titik sepanjang laluan gelombang dan mengukur masa perjalanan dua hala, kedalaman ditentukan oleh [Thomson dll, 1986] : tr 1 d = c() t dt. (8.3) 2 tt iaitu : tt ialah masa penghantaran serta-merta, dan tr ialah masa penerimaan gema serta-merta. Pada praktisnya, c(t) tidak diketahui tetapi halaju perambatan min, c m, boleh ditentukan. Dengan menggunakan sela masa, Δt=tr-tt, kedalaman yang diukur ialah: d = 1 cm Δt.. (8.4) 2 Nilai c m pada lokasi dan masa tertentu boleh dinilai menggunakan salah satu daripada kaedah berikut : a) Semakan bar. b) Pengukuran suhu, kemasinan dan kedalaman sepanjang turus air bagi hitungan cm melalui jadual atau formula. c) Pengukuran halaju bunyi secara langsung sepanjang turus air menggunakan velosimeter. Semakan Bar Semakan Bar (samb.) Kaedah ini adalah yang paling biasa digunakan. Semakan bar adalah proses menurunkan bar besi di bawah bot hidrografi pada kedalaman yang diketahui dan merekodkan kedalaman yang diukur pada ekogram. Kaedah ini biasanya terhad bagi operasi di kawasan air cetek (kurang daripada 30 meter) dan mesti dilakukan dengan berhatihati. Semakan bar diguna bagi melaraskan halaju jarum lakar supaya menunjukkan rekod kedalaman yang sama dengan kedalaman sasaran yang diturunkan. Kelemahan semakan bar adalah apabila bar besi berada pada kedudukan cerun menyebabkan penandaan yang salah pada ekogram terutamanya pada kedalaman maksimum. Pada masa yang berbeza, perubahan pada halaju bunyi boleh dijangkakan bagi tempoh peruman seharian. Perubahan pada halaju bunyi boleh juga berlaku dari satu tempat ke tempat lain dalam satu kawasan pengukuran yang sama. Penyelesaiannya adalah dengan melakukan kalibrasi pada sela masa tertentu atau sekurang-kurangnya dua kali iaitu sebelum sebarang peruman dilakukan dan selepas semua peruman selesai. UTM 4

5 Pengukuran Suhu, Kemasinan dan Kedalaman Dalam keadaan tertentu di mana kaedah semakan bar tidak dapat digunakan, pembetulan perbezaan halaju ini boleh dilakukan dengan mengukur nilai suhu, kemasinan dan kedalaman air. Kaedah ini menghitung c sebagai fungsi suhu, kemasinan, dan kedalaman. Data tersebut boleh diperolehi dengan pengukuran secara langsung di kawasan pengukuran dengan menggunakan botol Nansen dan termometer membalik atau penderia STD (suhu, kemasinan dan kedalaman) dan perakam. Proses semakan bar dan penjelasan rekod pemerum gema Pengukuran Suhu, Kemasinan dan Kedalaman (samb.) Formula Woods Kedua-duanya memberikan data pada limit ketepatan dalam linkungan yang diperlukan bagi tujuan ukur hidrografi. Nilai-nilai ini kemudiannya dimasukkan ke dalam rumus Medwin bagi memperolehi halaju bunyi dalam air. Pengulangan (repeatability) pengukuran masa dengan transponder moden adalah agak baik jika perambatan multipath boleh dihindarkan. Nilai t yang telah didapati (perambatan masa akustik yang telah dibetulkan delays). Wood menghasilkan persamaan berikut dari hasil cerapan suhu dan salinity: v = T T S+0.018Z T = suhu ( 0 C) S = salinity ( ) Z = kedalaman (m) v = halaju (ms -1 ) Kajian yang lebih mendalam oleh Wilson menghasilkan formula yang lebih tepat dan telah digunakan oleh US Hydrographic Office. Notasi formula ini sama dengan Formula Woods, dengan tambahan notasi P, iaitu tekanan (kg cm -2 ): v= v T +v P +v S +v STP di mana, Formula Wilson v T = T x 10-2 T x 10-4 T x 10-6 T 4 v P = x 10-1 P x 10-5 P x 10-9 P x P 4 v S = (S-35) x 10-3 (S-35) 2 Formula Wilson (samb.) v STP = (S-35)( x 10-2 T x 10-7 T x 10-5 P x 10-7 P x 10-8 PT x 10-9 PT 2 ) + P( x 10-4 T x 10-6 T x 10-8 T 3 ) + P 2 ( x 10-7 T x 10 9 T 2 ) + P 3 ( x T) Formula Wilson ini berkemampuan untuk mengganggarkan halaju bunyi dalam lingkungan 0.30 ms -1, dengan julat bagi suhu adalah antara 4 o C dan 30 o C, tekanan adalah antara 1 kg cm -2 dan 1000 kg cm -2 dan salinity adalah antara 0 dan 37. UTM 5

6 Rumus Medwin Formula Ross Rumus Medwin adalah seperti berikut [Ingham dan Abbott, 1992] : v = T-0.055T T 3 + [( T)(S-35)] Z iaitu : v ialah halaju bunyi dalam meter/saat, T ialah suhu dalam darjah Centigrade, S ialah kemasinan dalam ppt (parts per thousand), dan Z ialah kedalaman dalam meter. Rumus di atas boleh digunakan bagi suhu air antara 0 dan 35 C dan kemasinan antara 0 dan 45 ppt iaitu sehingga kedalaman 1000 m. Nilai yang dihitung akan disetkan pada pemerum gema sebagai mewakili halaju bunyi di kawasan kerja tersebut. Menurut kajian Ross (1978), Formula Wilson telah menunjukkan selisih yang besar bagi aplikasi ke atas data kini. Ross telah memberikan dua set rumus bergantung kepada gelombang akustik itu dipancarkan samada dari surface vessel atau submersible di bawah permukaan air. Untuk surface vessel, formula Ross adalah: v a = T T x 10-4 T (S-35) 0.013T(S-35) x 10-4 T 2 (S-35) Untuk submersible pula, Formula Ross adalah: v z = Z x 10-7 Z x 10-5 TZ 8.1 x 10-9 TZ x 10-5 (S-35)Z 2.55 x 10-9 (S-35)Z 2 Penggunaan Velosimeter Velosimeter digunakan untuk mengukur halaju bunyi dalam air secara terus Dengan kaedah ini, c ditentukan secara langsung pada sebarang titik dalam turus air. GENISEA Sound Velocimeter Pembetulan Indeks Pemerum Gema Berdigit Selain daripada itu kesalahan indeks juga perlu dibetulkan. Kesalahan ini wujud kerana penghantaran gelombang akustik dibuat melalui transduser yang berada di bawah aras air sedangkan kedalaman adalah merujuk kepada aras air. Kesalahan indeks adalah malar di mana ia dilaraskan dengan mengambil kira kedalaman transduser dari aras air. Data kedalaman boleh juga direkod secara digital pada pita magnet, pita kertas tebuk atau cakera komputer bersesuaian dengan maklumat digital kedudukan mengufuk yang direkod menggunakan sistem integrasi ukur hidrografi. Alat yang digunakan untuk mendigit dikenali sebagai pendigit. Fungsinya adalah bagi menentukan kedalaman menggunakan sela masa yang diukur dan halaju bunyi dan seterusnya memapar dan merekod kedalaman tersebut. Sela masa diukur dengan mengira bilangan kitaran pengayun terkawal hablur semasa sela perambatan. UTM 6

7 Pemerum Gema Berdigit (samb.) Sekatan Digital Pemerum gema berdigit boleh dikategorikan kepada dua jenis iaitu bagi operasi perairan cetek dan laut dalam. Tujuan reka bentuk yang berbeza ini adalah kerana perbezaan kadar data yang diperolehi. Bagi mengelakkan kedalaman yang salah direkodkan, sekatan digital dipasang dalam pemerum gema berdigit. Kebanyakan pendigit direka bentuk supaya sekatan digital boleh dipasang secara simetri pada kedudukan gema yang terakhir. Lebar sekatan digital ini adalah 10 atau 20 meter bagi sistem pemerum gema laut dalam dan lebih kecil lagi bagi sistem pemerum gema perairan cetek di mana kedudukannya dikemaskinikan bagi mengikuti perubahan permukaan dasar laut. Sekatan digital adalah sangat berkesan bagi mengelakkan litar berhenti dalam pendigit daripada berfungsi disebabkan oleh hingar sinaran bot. Oleh kerana sekatan digital adalah agak kecil, kepadatan gema mestilah tinggi. Ini bagi memastikan gema seterusnya masih berada pada tahap yang dikehendaki setelah kehilangan beberapa gema disebabkan oleh hingar sinaran bot. Semakan Kedalaman Merekod Data Kedalaman Walau pun pemerum gema adalah kaedah yang sesuai digunakan bagi mengukur kedalaman tetapi pada keadaan yang tertentu penggunaan kaedah secara langsung masih diperlukan terutamanya apabila terdapat keraguan tentang interpretasi ekogram. Berikut adalah tiga contoh : 1) Apabila mengukur dasar laut merentasi kelpa atau rumpai. 2) Apabila dasar laut mengandungi lumpur yang begitu lembut sehinggakan lakaran pada ekogram tidak jelas. 3) Apabila kedalaman tercetek pada kawasan batuan atau halangan perlu ditentukan. Setelah memastikan segala setting pada pemerum gema betul dan kalibrasi telah dilakukan maka operasi peruman boleh dimulakan. Pada fiks pertama petugas pemerum gema akan menekan punat fiks pada pemerum gema berkenaan dan akan menulis perkara-perkara berikut bersebelahan dengan garis fiks: a) Tarikh b) Masa c) Nombor garis peruman, misalkan SOL1 bagi mewakili garis d) peruman pertama. Dengan cara yang serupa apabila garis peruman e) pertama selesai diukur, tuliskan EOL1. f) Nombor fiks Pada fiks seterusnya petugas berkenaan akan menekan punat dan hanya menulis nombor fiks sahaja. Pecahan titik Semasa merekod data kedalaman, perkara-perkara berikut perlu juga diberikan perhatian : Tarikh 24/4/95 Masa SOL1 EOL Masa a) Garis kalibrasi tidak berubah. b) Garis lunas dan pasang surut tidak berubah. c) Nombor fiks adalah selari dengan nombor fiks penentududukan. d) Penandaan kedalaman sentiasa terang dan jelas. e) Garis fiks ditandakan dengan terang dan jelas. f) Masa SOL dan EOL dicatat dengan terang dan jelas. g) Pastikan ekogram sentiasa mencukupi. h) Voltan bateri sentiasa mencukupi. i) Sambungan pada bateri sentiasa dalam keadaan baik. j) Tidak ada apa-apa yang tersangkut pada transduser " - 1.5" Rekod data kedalaman UTM 7

8 Pemancar Paras air Lobes sisi Pada 30 m 27% Pada 20 m 10% Pada 120 m 64% Lobes utama Pada 200 m 100% + 7% tindihan Tindihan Lobes Tranduser Pemerum Gema Variasi antara nilai kedalaman yang diberikan dengan peratus permukaan dasar laut yang diliputi oleh tranduser (lebar jalur = 30 0, line spacing = 100 m) Selisih kedalaman disebabkan oleh kecerunan permukaan dasar laut UTM 8