ANALISIS MODEL JACKSON PADA SEDIMEN BERPASIR
MENGGUNAKAN METODE HIDROAKUSTIK DI GUGUSAN
PULAU PARI, KEPULAUAN SERIBU
SYAHRUL PURNAWAN
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2009
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Analisis Model Jackson pada Sedimen Berpasir Menggunakan Metode Hidroakustik di Gugusan Pulau Pari, Kepulauan Seribu adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Februari 2009
Syahrul Purnawan NIM C551060141
ABSTRACT
SYAHRUL PURNAWAN. Jackson’s Model Analysis on Sandy Sediment using Hydroacoustic Method in Pari Island, Seribu Islands. Under direction of INDRA JAYA and HENRY M. MANIK.
This paper aims to determine the accuracy of Jackson’s Model on sandy sediment. Some parameters of Jackson’s model were modified in this research. This model is parameterized by the mean grain size value to predict physical parameters of sediment, backscattering strength from sediment interface and sediment volume. Field measurement was conducted in Pari Island, Seribu Islands, Jakarta by using 120 kHz frequency of SIMRAD EY60 scientific echosounder. Sediment samples ware taken and analysed at P2O LIPI Laboratory. Measurement of sediment density and backscattering were conducted by comparing with modelling and field measurement. Correlation coefficient is 0.57 with rms error about 2.10 for backscattering and correlation coefficient is 0.65 with rms error 0.30 for density. In general the model effectively predict backscattering strength and density values comparing with field measurement.
Keywords: Jackson’s model, Kirchhoff approximation, bottom backscattering strength, sandy sediment, hydroacoustic method.
RINGKASAN
SYAHRUL PURNAWAN. Analisis Model Jackson pada Sedimen Berpasir Menggunakan Metode Hidroakustik di Gugusan Pulau Pari, Kepulauan Seribu. Dibimbing oleh INDRA JAYA dan HENRY M. MANIK.
Klasifikasi dasar perairan banyak dibutuhkan oleh berbagai bidang pekerjaan. Kebutuhan pada bidang perikanan didasari adanya hubungan antara biota bentik dengan dasar perairan yang ditempatinya. Kehidupan biota ini sangat tergantung dengan keadaan dan tipe dasar perairan yang menjadi habitat mereka. Sehingga klasifikasi dasar perairan dapat membantu dalam pembuatan peta dasar (base maps) ekologis sebagai landasan manajemen lingkungan perairan laut.
Teknik pengambilan sampel menggunakan coring atau grab merupakan cara yang dapat diterima secara luas sebagai metode pemetaan dasar laut. Metode ini bersifat lambat dan labour intensive, menjadikan metode ini tidak lagi efektif dan efisien pada skala spasial yang luas. Semenjak akustik dianggap mampu memberikan solusi dalam pendugaan karakteristik dasar perairan, sejumlah penelitian lanjutan mengenai dasar perairan pun dilakukan. Namun masih banyak hal yang belum jelas dalam pendugaan karakteristik dasar perairan menggunakan metode akustik. Padahal seperti yang diketahui bahwa metode akustik merupakan solusi yang cepat dan efektif untuk menduga objek yang ada di bawah air.
Atas dasar tersebut, penelitian ini melakukan pengamatan terhadap dasar laut, khususnya sedimen berpasir menggunakan metode hidroakustik. Keterkaitan antara sifat geoakustik dan sifat fisik sedimen berpasir menggunakan analisis model Jackson terhadap parameter hambur balik (backscattering) dan densitas sedimen. Survei lapangan dilakukan di Perairan Goba Pulau Pari, Kepulauan Seribu pada tanggal 16 – 18 Mei 2008 untuk mendapatkan data akustik dan sifat fisik sedimen berpasir. Sifat fisik yang diukur adalah ukuran butiran rata-rata dan densitas sedimen. Sedangkan sifat geoakustik diperoleh dari model Jackson, yang sudah dimodifikasi pada penelitian ini.
Model Jackson dapat digunakan untuk memprediksi proses akustik yang terjadi pada dasar laut. Nilai backscattering dasar laut pada model Jackson didapatkan menggunakan pendekatan Kirchhoff (Kirchhoff approximation). Pendekatan Kirchhoff dapat digunakan pada dasar laut berpasir hingga berlumpur. Parameter geoakustik yang digunakan dalam model jackson adalah: rasio densitas, rasio kecepatan suara, loss parameter, spectral exponent, parameter volume, dan spectral strength. Parameter tersebut didapat dari parameter input ukuran butiran rata-rata (d).
Akuisisi data akustik menggunakan scientific echosounder Simrad EY60, split beam transducer yang bekerja pada resonant frequency sebesar 120 kHz. Konfigurasi echosounder ditentukan pada transmit power 50 Watt dan pulse length 0.128 ms. Penambilan sampel sedimen diambil sebagai ground truth data menggunakan pipa paralon 2½ inchi. Ketebalan lapisan sedimen yang diambil adalah 15 cm dari permukaan dasar laut. Sampel sedimen ini kemudian dianalisa pada Laboratorium Geologi, Pusat Penelitian Oseanografi LIPI.
Pengolahan data akustik menggunakan perangkat lunak Matlab V.7.0.1. Analisis data akustik menggunakan nilai sv linier dari raw data. Integrasi dilakukan dengan mengambil sampel sebanyak 500 ping pada tiap lokasi
pengambilan data. Berdasarkan algoritma yang disusun, nilai backscattering dasar laut ditentukan berdasarkan nilai maksimum linier sv. Nilai maksimum linier sv tersebut ditransformasikan dalam bentuk bottom volume backscattering strength, SVb [dB] dan bottom surface backscattering, SSb [dB]. Lebih lanjut, nilai SVb [dB]
adalah parameter yang digunakan sebagai nilai bottom backscattering strength (Sb).
Ukuran butiran rata-rata dari sampel sedimen adalah 0.28 hingga 0.85 mm. Berdasarkan klasifikasi terhadap nilai ukuran butiran logaritmik (Mz), jenis sedimen tersebut terbagi atas medium sand dan coarse sand. Analisis model Jackson dilakukan dengan membandingkannya dengan nilai data pengukuran lapangan. Pengukuran terhadap nilai Sb menghasilkan nilai sebesar -16.35 dB
hingga -9.74 dB. Perbandingan nilai Sb memberikan koefisien korelasi antara
model dan data sebesar 0.57 dengan rms error 2.1. Pada dasarnya nilai Sb hasil
pengukuran tidak jauh berbeda dengan Sb dari model. Sehingga secara umum
model dapat digunakan untuk memprediksi nilai Sb pada lokasi penelitian.
Pengukuran densitas pada sampel sedimen memberikan nilai sebesar 2.10 hingga 2.62 g/cm3. Sementara perbandingan densitas dasar laut antara model dan data memberikan koefisien korelasi sebesar 0.65 dengan rms error sebesar 0.3.
Kekasaran permukaan dasar laut, porositas, permeabilitas, dan sejumlah parameter lainnya diduga turut memberikan pengaruh terhadap nilai yang diukur, selain ukuran butiran rata-rata yang digunakan sebagai parameter input pada model yang digunakan. Karakteristik butiran pasir yang mengandung CaCO3 dari
pecahan karang dan cangkang dapat memberikan pengaruh yang cukup variatif pada hasil pengukuran. Selain itu, sampel sedimen telah berada dalam kondisi disturbed saat pengukuran dilakukan. Idealnya sampel harus tetap berada dalam kondisi tidak terganggu (undisturbed) hingga dilakukan pengukuran. Kondisi tersebut memerlukan perlengkapan yang memadai dan tingkat ketelitian yang tinggi sehingga sangat sulit dilakukan dalam penelitian ini.
Kata kunci: model Jackson, pendekatan Kirchhoff, akustik dasar laut, densitas sedimen.
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2009
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebut sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apa pun tanpa ijin IPB.
ANALISIS MODEL JACKSON PADA SEDIMEN BERPASIR
MENGGUNAKAN METODE HIDROAKUSTIK DI GUGUSAN
PULAU PARI, KEPULAUAN SERIBU
SYAHRUL PURNAWAN
Tesis
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi Ilmu Kelautan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2009
Judul Tesis : Analisis Model Jackson pada Sedimen Berpasir
Menggunakan Metode Hidroakustik di Gugusan Pulau Pari, Kepulauan Seribu.
Nama Mahasiswa : Syahrul Purnawan
NIM : C551060141
Disetujui
Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Indra Jaya Dr. Henry Manik
Ketua Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana IPB Ilmu Kelautan
Dr. Djisman Manurung Prof. Dr. Khairil A. Notodiputro
PRAKATA
Puji syukur kepada Allah SWT Yang Maha Kuasa dan Maha Penyayang, sehingga penulisan tesis ini dapat diselesaikan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Ilmu Kelautan, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Tulisan ini berjudul “Analisis Model Jackson pada Sedimen Berpasir Menggunakan Metode Hidroakustik di Gugusan Pulau Pari, Kepulauan Seribu”.
Ucapan terima kasih dan penghargaan penulis sampaikan kepada para pembimbing, yaitu Prof. Dr. Indra Jaya dan Dr. Henry Manik. Komisi pembimbing telah sangat banyak membantu dengan memberikan arahan dan masukan selama penelitian dan penulisan. Terima kasih dan penghargaan juga penulis sampaikan untuk Dr. Vincentius P. Siregar atas masukan dan kritik yang sangat membangun sebagai penguji luar komisi pada ujian tesis. Penulis merasa sangat bersyukur dikelilingi oleh orang-orang yang sangat bersahabat dan selalu memberikan dukungan selama masa kuliah dan penelitan; Sri Ratih Deswati, Iwan Hasri, Acta, Weycrut, Iqbal, Willy, serta seluruh sahabat yang tak dapat penulis sebutkan satu per satu. Secara khusus, penghargaan dan terima kasih yang tak terhingga diberikan kepada Mama, Ayah, Puput dan Inna atas segala doa, keikhlasan, dan kasih sayangnya selama penulis menempuh masa pendidikan. Kiranya Allah SWT sendiri yang akan membalas kebaikan kalian semua.
Penulis menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu segala kritik dan saran yang membangun dari semua pihak sangat penulis harapkan demi menyempurnakan penelitian yang telah dilakukan. Semoga tulisan ini dapat memberi manfaat yang luas bagi pengembangan ilmu kelautan di Indonesia pada masa yang akan datang. Amin.
Bogor, Februari 2009
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir pada tanggal 12 Juni 1984 di Banda Aceh, Nanggroe Aceh Darussalam dari pasangan Purwadi Arifin, M.Kes dan Dra. Cut Suryani. Penulis merupakan anak sulung dari dua bersaudara. Pada tahun 2001, penulis menempuh pendidikan sarjana di Program Studi Ilmu Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan IPB dan menamatkannya pada tahun 2006. Kesempatan menempuh pendidikan magister di Program Studi Ilmu Kelautan pada Program Pascasarjana IPB diperoleh pada tahun 2006.
Selama mengikuti program S2, penulis menjadi asisten mata kuliah Dasar-Dasar Akustik pada tahun ajaran 2007/2008. Tulisan berjudul Pengukuran Sifat Fisik Sedimen Berpasir Menggunakan Metode Hidroakustik disajikan pada Seminar Nasional Peran Iptek dalam Pengembangan Kelautan dan Perikanan di Bogor pada bulan Oktober 2008.
x
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR LAMPIRAN ... xiv
GLOSSARY ... xv 1 PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 2 1.3 Kerangka Pemikiran ... 3 1.4 Tujuan Penelitian ... 5 1.5 Manfaat Penelitian ... 5 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 6 2.1 Metode Akustik ... 6
2.2 Transmisi Gelombang Akustik ... 6
2.2.1 Absorption loss ... 7
2.2.2 Spreading loss ... 7
2.2.3 Time varied gain ... 9
2.3 Pendekatan Akustik terhadap Dasar Perairan ... 9
2.4 Proses-Proses Akustik pada Dasar Perairan ... 13
2.4.1 Refleksi dan transmisi ... 14
2.4.2 Backscattering dasar laut ... 16
2.5 Model Jackson ... 19
2.5.1 Parameter input model Jackson ... 19
2.5.2 Pendekatan Kirchhoff ... 22
3 METODOLOGI PENELITIAN ... 23
3.1. Waktu dan Lokasi Penelitian ... 23
3.2. Alat dan Bahan Penelitian ... 23
3.3. Metode Pengukuran Akustik Dasar Laut ... 24
3.4. Pengolahan Data ... 25
3.5. Persamaan Bottom Backscattering Strength ... 26
3.6. Pengolahan Data Sedimen ... 27
3.7. Hubungan Model-Data ... 29
4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 30
4.1. Ukuran Butiran ... 30
4.2. Nilai Backscattering Strength pada Sedimen Berpasir ... 31
xi
V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 39
5.1. Kesimpulan ... 39
5.2. Saran ... 40
DAFTAR PUSTAKA ... 41
xii
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Persamaan sifat akustik dan sifat sedimen ... 12
2. Model input dalam batas jenis sediment. ... 21
3. Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian akustik sedimen ... 24
4. Spesifikasi teknis transduser seri ES 120-7C ... 24
5. Ukuran butiran dan fraksi sedimen dalam pengukuran sifat fisik sediment ... 28
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Kerangka pemikiran yang digunakan dalam penelitian ... 4
2. Proses spreading pada perambatan suara di dalam air . ... 8
3. Bentuk echo yang berbeda dari dasar yang keras dan lunak ... 10
4. Bentuk suara saat ditransmisikan pada dua medium yang berbeda, impedansi dan kekasarannya. ... 11
5. Hubungan antara sifat-sifat akustik dan sifat-sifat sedimen ... 12
6. Pemisahan dua proses yang memberikan nilai intensitas backscattering yaitu kekasaran permukaan dan keragaman volume sedimen ... 13
7. Geometri refleksi antara dua media. ... 15
8. Gelombang suara yang mengalami proses refleksi dan refraksi saat merambat pada dua medium yang memiliki impedansi berbeda ... 16
9. Variasi nilai backscattering yang dihasilkan dari berbagai frekuensi. ... 18
10. Skema segitiga Folk yang digunakan dalam penentuan jenis sedimen... 21
11. Lokasi pengambilan data di perairan Pulau Pari, Kepulauan Seribu. ... 23
12. Diagram segitiga Shephard. ... 28
13. Persentase bobot per fraksi pada tiap lokasi pengambilan sampel. ... 30
14. Hubungan antara ukuran butiran (d) dan nilai Mz ... 31
15. Pola backscattering SS dan SV yang dihasilkan oleh satu ping. ... 32
16. Echogram yang dihasilkan menggunakan Matlab ... 33
17. Pola backscattering yang dihasilkan pendekatan Kirchhoff. ... 33
18. Perbandingan nilai bottom backscattering strength model dan data pengukuran pada tiap lokasi. ... 34
19. Hubungan nilai backscattering strength antara model-data pada coarse sand dan medium sand . ... 35
20. Perbandingan nilai densitas (g cm-3) antara model dan pengukuran terhadap ukuran butir (Mz). ... 37
21. Hubungan antara model-data densitas pada coarse sand dan medium sand ... 38
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Parameter-parameter pada model Jackson yang dimodifikasi ... 46
2. Listing program yang digunakan pada Matlab ... 47
3. Tampilan echogram pada tiap lokasi pengambilan data ... 54
4. Hasil pengukuran sifat fisik sedimen ... 58
xv
GLOSSARY
Simbol huruf romawi c Kecepatan suara
d Ukuran butiran sedimen, mm
d0 Diameter referensi terhadap ukuran butiran, dalam mm
D kedalaman, dalam meter
DI Directivity Index, dalam dB
dB Logaritma basis 10 dari sebuah rasio, sepersepuluh Bel
EL Echo Level, pulsa akustik yang kembali ke transduser, dalam dB f Frekuensi dari transduser
imp Impedansi dalam pendekatan Kirchhoff
I Intensitas akustik pada sebuah gelombang planar dengan rms tekanan sebanding terhadap 1 mikropascal (referensi 1 μ Pa pada 1 meter)
IOI Index of impedance, perkalian rasio kecepatan suara dan densitas sedimen ka Bilangan gelombang akustik.
r Jarak antara transduser dan target, dalam meter R12 Koefisien refleksi antara dua media
S Salinitas, dalam part per thousand (ppt) Sv Volume backscattering coefficient.
Svb Bottom volume backscattering coefficient
SV Volume backscattering strength (10 log ( Sv) ), dalam dB re 1 μPa. SVb Bottom volume backscattering strength, dalam dB re 1 μPa
Sb Bottom backscattering strength, dalam dB re 1 μPa
ss Surface backscattering coefficient
SS Surface backscattering strength (10 log (ss)) , dalam dB re 1 μPa tbd time bottom detect, awal terdeteksinya dasar perairan
T temperature, dalam derajat Celcius
TL transmission Loss, dalam dB
T12 Koefisien transmisi antara dua media
TVG Time varied gain, memberikan kompensasi terhadap kehilangan energi akustik saat proses perambatan dari dan kembali ke transduser
ν Rasio kecepatan suara
xvi Z impedansi akustik, perkalian dari rasio kecepatan suara dan rasio densitas
Simbol huruf latin
Koefisien absorpsi air lautαb Koefisien absorpsi dasar perairan
Γ Gamma function
ψ Beam angle
Panjang gelombang akustik ρ Densitas dari suatu media.
ρ Rasio densitas τ Lebar pulsa.
σkr koefisien Kirchhoff backscattering
μs Shear viscosity
δ Loss parameter, rasio dari bilangan gelombang imajiner terhadap bilangan
gelombang asli untuk sediment.
γ Eksponen dari power-law, bottom relief spectrum, atau disebut spectral exponent;
Transducer Transduser, instrumen yang bekerja dengan mengkonversi energi
