هیدروگرافی چیست؟

مقدمه مقاله هیدروگرافی چیست؟

پس از کشف قطب نما اولین نقشه دریایی در قرن چهاردهم میلادی و توسط ایتالیایی ها تهیه شد.این نقشه با توجه به اطلاعات زمان خود؛ ارتباط بین سواحل جزایر و نقاط کم عمق و خطرناک موجود در بستر دریا را که برای کشتیرانی و دریانوردی خطرناک بود را نمایش می داد. در سال ۱۷۲۰ جمع آوری و چاپ اطلاعات مربوط به حوزه دریا و دریانوردی توسط مقامات دولتی کشور فرانسه صورت گرفت و درنهایت به تهیه نقشه های دریایی تحت عنوان چارت منجر گردید.

هیدروگرافی

شاخه‌ای از علوم کاربردی است که درباره اندازه‌گیری و توصیف عوارض فیزیکی دریاها و منابع آبی دیگر و مناطق ساحلی مجاور آن ها و پدیده ‌های مرتبط با دریا نظیر جزر و مد، جریان‌های آبی، حفاظت از محیط زیست و… بحث می‌کند.

مهمترین و کاربردی ترین دستاورد عملیات هیدروگرافی در جهت حفظ ایمنی تردد شناورها در مناطق دریایی، تهیه نقشه های دریایی، اکتشاف معادن و منابع موجود در زیر آب، زمین شناسی بستر دریاها و مطالعه جنس رسوبات است.

سازمانی که اطلاعات هیدروگرافی را در اختیار دارد با نام International Hydrography Organization (IHO) سازمان بین المللی آبنگاری نامیده می شود. در ایران بزرگ ترین مرجع برای تهیه نقشه های آبنگاری و نظارت بر داده های آن سازمان نقشه برداری است.

کاربردهای هیدروگرافی

– ناوبری تجاری و نظامی
– ماهیگیری
– مدیریت سواحل و بندرها
– کنترل عملیات لایروبی  (dredging)
– صنعت نفت و گاز
– نصب سکوها
– نصب لوله های گاز و نفت در بستر و زیر بستر دریا
– اکتشاف و استخراج
– نصب لوله آب
– ناوبری

وظایف و اهداف هیدروگرافی

۱) ایجاد نقاط کنترل ساحلی از شبکه ژئودتیک

۲) تعیین موقعیت

۳) تعیین عمق

۴) مشاهدات نوسانات آب

۵) عمل جاروب نمودن و تعیین و آشکار نمودن عارضه های خطرناک زیرآبی

۶) بررسی جریان های آبی و جزر و مد

۷) نمونه برداری از بستر دریا

۸) بررسی توپوگرافی و ژئومورفولوژی کف

مقیاس عملیات نقشه برداری

– بندرها و کانال ها (Harbours and Channels)

• مقیاس : ۱:۱۰۰۰۰

– آب های ساحلی نزدیک با عمق کمتر از ۲۷ متر (Inshore Waters With Depth <27)

•   مقیاس : ۱:۷۵۰۰۰

 * در چارت های ناوبری علاوه بر موقعیت و عمق، موارد زیر نیز باید موردنظر باشد:

۱) موقعیت علائم کمک ناوبری (Navigational)

۲) تعیین جنس کف دریا (  Sea Floar Matrial)

۳) تعیین جزئیات توپوگرافی : عوارض مشخص و برجسته (Coaspicuous) در ساحل برای استفاده در دریانوردی.

۴) رسم خطوط پائین و بالای آب (Low and Hight Water Line)

۵) توصیه های مفید و لازم برای درج در راهنمای دریانوردی (Sailing Direction) به منظور دریانوردی بی خطر در منطقه نقشه برداری شده.

مفاهیم اولیه هیدروگرافی

چارت دیتوم (Chart Datum)

  سطحی که ساندینگ ها بر روی نقشه ناوبری به آن ارجاع داده می شود را چارت دیتوم گویند و این سطح، سطح مبنای مورداستفاده در هیدروگرافی است که نزدیک به M.S.L  نیز است و آن را باCD   (نزدیک به پائین ترین موقع جذر) نشان می دهند.

خطوط عمق یابی (Sounding Line)

  مجموعه ای از خطوط از پیش طراحی شده که عملیات ساندینگ بر روی آن انجام می شود. به این خطوط، خطوط عمق یابی نیز گفته می شود. کار پروفیل برداری کف آب توسط دستگاه اکوساندر بر روی این خطوط صورت می گیرد. فاصله این خطوط در مقیاس باید بین ۰٫۵ تا ۲ سانتیمتر روی نقشه باشد.

خط مبنا (Base Line)

  خطی است که مرزهای دریایی نسبت به آن سنجیده می شود که پایین ترین خط وقوع جزر و مد در نقشه های دریانوردی است.

سطح متوسط دریا (Mean Sea Level ( MSL

   یا سطح متوسط آب های آزاد عبارت است از میانگین طولانی مدت مشاهدات نوسانات دریاهای آزاد و اقیانوس ها حداقل به مدت ۱۸.۶  سال.

سطح متوسط جزر و مد MTL (Mean Tide Level)

  عبارت است از میانگین نوسان سطح آب در یک پروژه مشخص مانند یک هفته و یا یک ماه.

ترانسدیوسر (Transducer)

  امواج الکتریکی را به امواج صوتی تبدیل کرده و به کف دریا ارسال می کند.

اکوساندر (Echo sounder)

  اکوساندرها وسایلی بوده که از طریق امواج اکوستیکی(صوتی) کار می کنند و از طریق این امواج عمق بستر کف دریا تعیین می گردد. در این روش بر اساس زمان رفت و برگشت امواج صوتی طبق فرمول زیر می توان عمق بستر دریا را به دست آورد و نقشه توپوگرافی را تهیه نمود.

• خطوط کنترل: برای کنترل درستی ساندینگ های اندازه گیری شده، دسته ای از خطوط عمق یابی را به گونه ای طراحی کرده که با خطوط اصلی زاویه معین ۹۰ درجه بسازد.
• GPS: در سیستم جدیدتر GPS دو فرکانسه را به سر اکوساندر می بندند. امواج رادیویی روی GPS های دو فرکانسه سوار می شوند که این امواج رادیویی برای ارتباط بین گیرنده ها است .

 مراحل انجام پروژه هیدروگرافی

۱/ ایجاد و گسترش شبکه نقاط اصلی

  این نقاط به عنوان مبنای کار در تعیین موقعیت مسطحاتی (x,y) به کار می روند. مختصات سایر نقاط و عوارض با اتکا به این نقاط اصلی و مبنا تعیین می گردند. در حقیقت شبکه به وجود آمده توسط این نقاط نقش اسکلت و استخوان بندی کار را در کلیه عملیات ژئودتیکی عهده دار است. این نقاط ابتدا با مطالعه عکس های هوایی منطقه و نقشه های کوچک مقیاس موجود  طراحی می گردد که در طراحی آن ها می بایست موارد زیر را در نظر گرفت:

– برقراری دید بین دو ایستگاه مجاور

– تحت پوشش قرار گرفتن کلیه منطقه توسط این نقاط و تسلط کامل بر محل با استقرار بر روی آن ها.

– قرار گرفتن این نقاط در محل مناسب به طوری که عوامل و شرایط مختلف باعث تخریب یا تغییر موقعیت این نقاط نگردد.

– شبکه موردنظر دارای شکل هندسی مناسب باشد که معمولاً این شکل را با استفاده از روش های پری آنالیز تعیین می کند.

   پس از طراحی اولیه بنچ مارک های اصلی، با حضور در محل به طور عینی عوامل و شرایط مختلف را موردبررسی قرار داده و سپس محل نهایی نقاط را مشخص می نمایند. پس از ایجاد این نقاط به انجام مشاهدات طول و زاویه پرداخته می شود. لازم به ذکر است می توان موقعیت نقاط مذبور را از طریق مشاهدات GPS نیز تعیین نمود و سپس با اجستمنت کردن مختصات نهایی نقاط مبنا را یافت، که این مختصات ممکن است در سیستم محلی (Local) یا سیستم جهانی (Global) باشد.

۲/ چگونگی تعیین سطوح مبنای ارتفاعی (Chart Datum)

    تعیین سطح مبنا در دریاهای آزاد با آبهای محصور در خشکی متفاوت است. معمولاً در آب های محصور مانند مخازن سدها اشل مخصوصی وجود دارد که سطح آب را نسبت به این اشل  می سنجند و بر اساس آن سطح مبنا را تعریف می کنند، بنابراین اختلاف سطح مربوط به عمق های لحظه ای را پس از اندازه گیری محاسبه کرده و برای عمق لحظه ای تصحیحاتی را اعمال می کنند، تا عمق مطلوب به دست آید. سطح مبنا یا سطح صفر در دریاهای آزاد با سدها متفاوت است. برای سواحلی که چارت دیتوم برای آن ها وجود ندارد از اشل های مخصوص استفاده می شود. سطح صفر در این دریاها معمولاً چند سانتیمتر کمتر از پایین ترین حد جزر است، بنابراین در هر شرایطی حداقل به اندازه عمق درج شده در چارت، آب در نقطه موردنظر وجود دارد. نصب اشل در زمان جزر انجام می شود و صفر آن پایین تر از سطح معمول آب است. مشاهدات هر ساعت یک بار انجام می شود (برای کارهای اجرایی معمولاً از پریود یک ماهه استفاده می کنند)، بنابراین مشاهدات طولانی باید صورت گیرد. حداکثر دقت یک چارت دیتوم حدود ۴۰ مایل است، بنابراین در مورد مناطقی که فاصله آن ها از اشل موردنظر بیش از این مقدار باشد سطح صفر جداگانه ای را باید تعیین نمود.

 ۳/ برداشت توپوگرافی منطقه

  برای این کار بر روی نقاط اصلی شبکه مستقر شده و به برداشت و تعیین موقعیت عوارض و سایر نقاط نسبت به این نقاط اصلی پرداخته می شود. همچنین خطوط ساحلی نیز برداشت می شوند.

 ۴/ محاسبات و تعیین مختصات نقاط و تهیه نقشه یا چارت از محل مربوطه

    آخرین مرحله انجام محاسبات بر روی اطلاعات برداشت شده و به دست آوردن مختصات نقاط و سپس تهیه نقشه از این اطلاعات است.

 ۵/ تصحیحات مربوط به عمق

    برای اینکه بتوان وضعیت توپوگرافی کف آب را به درستی تعیین نمود، باید تصحیحاتی بر روی عمق هایی که به عنوان خام اندازه گیری می شوند، انجام گیرد. عمده این تصحیحات عبارت است از :

  تصحیح سرعت صوت:  در عمق یابی میانگین سرعت در لایه های مختلف آب به کار گرفته می شود. بر روی سرعت صوت عوامل زیر نقش عمده ای دارند که عبارت اند از:

• درجه حرارت آب : که با افزایش درجه حرارت سرعت صوت افزایش می یابد.
• میزان شوری آب : که با افزایش غلظت آب، سرعت صوت افزایش می‌یابد.
• میزان عمق آب : که با افزایش عمق نیز سرعت صوت نیز افزایش می یابد.

 ۶/ خط موقعیت (Line of Position)

  عبارت است از خطی که قسمتی از موقعیت روی آن قرار دارد و آن بر اساس مشاهده یک کمیت منفرد، جهت تعیین ارتباط مشاهده کننده با یکی یا مجموعه ای از نقاط معلوم است (رفرنس در بیشتر حالات تعیین موقعیت یک نقطه در دریا، تقاطع دو خط موقعیت را ایجاب می کند).

  سه نوع خط موقعیت که در دریا استفاده می شود وجود دارد، که این خطوط موقعیت در یک حالت خطی و در دو حالت دیگر دایره ای هستند.

۷/ طراحی خطوط ساندینگ

۱) تهیه و نمایش توپوگرافی بستر دریا با بهترین روش، دقت و اقتصادی ترین طریق. گرایش عمومی خطوط عمق یابی می بایست عمود بر منحنی عمق یا شیب توپوگرافی بستر دریا باشد. خطوط عمق یابی بایستی تمام منطقه عمق یابی را بپوشاند و منظم و به فاصله مساوی از یکدیگر باشند.

۲) نقشه ها و چارت های تهیه شده باید برای امر ناوبری اطمینان بخش و بی خطر باشند.

 Interline: خطوطی می باشند که در صورت لزوم برای پر نمودن فاصله های (Gaps) موجود بین خطوط اصلی عمق یابی انتخاب می شوند. از این خطوط برای کارهای زیر استفاده می شود:

– برای تکمیل کار

– بررسی بیشتر عمق های کم (shoal)

– پر کردن گپ های حاصل از یک کار بد

Cross line: این خطوط بر خطوط اصلی عمق یابی عمود هستند. بیشتر به دلایل زیر استفاده می شوند:

… آنجایی که خطوط اصلی عمق یابی نمی توانند به طور صریح توپوگرافی بستر دریا را نشان دهند.

… کنترل عملیات عمق یابی که توسط خطوط اصلی عمق یابی انجام گرفت.

… پیدا نمودن عمق های کم (shoal) که با خطوط میانی پیدا نشده اند.

۸/ اجرای عملیات

  عملیات هیدروگرافی در طی دو روز که در روز اول، عملیات بستن پلیگون و میخ کوبی خطوط و برداشت خط ساحلی و توپوگرافی منطقه و در روز دوم عملیات عمق یابی بر روی خطوط تعیین شده در روز اول انجام شد.

 پلیگون بندی:

وسایل لازم:

۱- دوربین توتال استیشن

۲- سه پایه

۳- رفلکتور

اجرای عملیات :

  پس از رفتن به محل و شناسایی منطقه، اولین مرحله عملیات که می بایست انجام گیرد، بستن پلیگون است. تعداد اضلاع پلیگون می بایست به نحوی انتخاب شود که بتواند تا حد امکان منطقه موردنظر را پوشش دهد. پس از بررسی محل، یک پلیگون سه ضلعی که دو رأس آن در یک طرف آب و رأس دیگر آن در طرف دیگر آب قرار می گیرد، انتخاب خواهد شد. سپس زوایای داخلی پلیگون و همچنین طول اضلاع آن توسط دوربین توتال استیشن قرائت شده و  با در نظر گرفتن یک شمال تقریبی برای شبکه، ژیزمان یکی از امتدادها  به دست خواهد آمد.

 میخ کوبی خطوط :

وسایل لازم:

۱- دوربین  توتال استیشن

۲- سه پایه

۳- متر فلزی

۴- میخ چوبی

۵- اسپری رنگ

۶- رفلکتور

اجرای عملیات:

   پس از بستن پلیگون مرحله بعد میخ کوبی خطوط است، برای این منظور ابتدا محل قرار گرفتن میخ اول را مشخص کرده  و سپس با قرار دادن دوربین و قفل کردن آن در یک امتداد مشخص توسط متر کشی در فواصل بیست متری، میخ کوبی خطوط انجام می شود.

   پس از اتمام عملیات میخ کوبی، شروع به برداشت میخ ها از یکی از رئوس پلیگون کرده تا توسط مختصات رئوس پلیگون میخ ها نیز دارای مختصات شوند.

   درنهایت عملیات برداشت خط ساحلی و توپوگرافی منطقه، انجام خواهد گرفت که این کار توسط دوربین توتال استیشن و رفلکتور انجام خواهد گرفت.

 عمق یابی:

وسایل لازم:

۱- دستگاه اکوساندر (مشخصات  skipper 417)

۲- ترانسدیوسر KHZ 200  مخصوص دستگاه skipper 417

۳- قایق

۴- دوربین توتال استیشن

۵- پرچم

۷- سه پایه

  در این مرحله، ابتدا دوربین روی اولین نقطه مستقر شده و به نقطه دوم صفر صفر کرده، به اندازه زاویه محاسبه شده دوربین باز شده و روی نقطه قفل خواهد شد. این امتداد در طرف دیگر ساحل، نقطه انتهایی خط را نشان می دهد. به این ترتیب امتداد خط مورد نظر با روش طول و زاویه مشخص شده است.

  دستگاه اکوساندر و ترانسدیوسر نیز به قایق وصل شده است و در همان ابتدا میزان draft به وسیله متر اندازه گیری شده، که برابر با ۴۰ سانتی متر است.

  سپس قایق را به ابتدای خط اول برده و به آرامی در امتداد خط شروع به حرکت می کند. عمل امتداد دادن به قایق توسط یکی از اعضای گروه که با پرچم درنقطه انتهایی خط مستقر شده، انجام گرفت.

   پس از آنکه قایق در مسیر موردنظر شروع به حرکت کرد، دستگاه اکوساندر را روشن کرده و همزمان با آن پروفیل کف دریاچه روی نوار کاغذ دستگاه ترسیم می شود و سپس با عمل مارک کردن در فواصل مشخص یک خط راست را با پروفیل رسم شده توسط دستگاه اکوساندر قطع داده تا عمق مربوط به لحظه مارک کردن در مراحل بعدی ( کار دفتری ) به دست آید.

      همزمان با عمل مارک کردن در قایق، یک نفر توسط پرچم به شخص مستقر در پشت دوربین  علامت می دهد تا در همان لحظه، رفلکتور درون قایق که دقیقاً در بالای ترانسدیوسر دستگاه قرار گرفته، قرائت گردد. با انجام این کار مختصات (x,y) مربوط به نقاطی که روی آن ها عمل مارک کردن صورت گرفته، می آید.

      در پایان هر خط یک نفر مسئول این است که چک کند دوربین به تعداد نقاط مارک شده در قایق توسط دستگاه اکوساندر، قرائت زاویه ای انجام داده باشد، چون در غیر این صورت برداشت آن خط باید تکرار گردد. این عمل برای تمامی خطوط تکرار می گردد.

تعیین موقعیت با انواع اکوساندر

تعیین موقعیت با اکوساندر Multi Beam

در این روش با یک سری دسته اشعه سروکار است که این اشعه ها به کف دریا فرستاده شده و پس از برخورد به کف دریا همان اشعه ها بر می گردد. این روش کمی پیچیده است، چون اکوساندر باید بتواند تشخیص دهد، که کدام اشعه را گرفته است. تعیین موقعیت با اکوساندر Multi Beam دید بیشتری از توپوگرافی به ما می دهد ولی از لحاظ دقت شاید از تک بیم کمتر باشد.
مزیت این روش جلوگیری از افتادن گپ است و یکی از معایب آن گران بودنش است.

تعیین موقعیت با Side Scan Sonar (S.S.S)

این دستگاه به صورت مایل به کشتی نصب شده، عکس می گیرد و این عکس با درجات خاکستری مشخص می شود و مزیت این روش این است که به صورت On-Line می توان عکس کف دریا را مشاهده کرد و برای تعیین موانع هم از این روش استفاده می شود.
این عکس می تواند بر روی نقشه توپوگرافی Geo Reference شده و یک DTM یا DEM را از سطح دریا تهیه نمود.
اگر هواپیمایی سقوط کرده باشد از این سیستم یعنی S.S.S می توان استفاده کرد، که کف دریا را جاروب می کند و عکس می گیرد و این یکی از کاربردهای این روش است.

تعیین موقعیت با (Laser Interferometer Detection And Ranging (LIDAR) تداخل سنجی ماهواره ها

این روش تقریباً شبیه کارهایی است که در فتوگرامتری صورت می گیرد.
این روش مثل طریقه کار دوربین های عکاسی است که یک لیزری از هواپیما فرستاده می شود و به کف دریا برخورد می کند و به خود هواپیما بر می گردد، سپس کافی است ارتفاع کف دریا تا سطح آب موجود باشد که این ارتفاع با یک وسیله دیگر سنجیده می شود و سپس ارتفاع هواپیما از سطح دریا به دست می آید.

سیستم  PSeudolite

سیستمی است که در آن یک سری پیلار را در فرودگاه نصب می کنند که این پیلارها موقعیت دقیق دارند و برای زمانی که GPS قطع می شود می توان از این روش برای فرود آوردن هواپیما بدون اینکه خلبان فرودگاه را ببیند استفاده کرد و سیستم بسیار دقیقی است. طرز کار به این صورت است که این پیلارها موجی به سمت هواپیما می فرستند و به صورت ترفیع فضایی، هواپیما را فرود می آورند.

مشکلات هیدروگرافی

۱-  تعیین موقعیت در دریا با دقت بسیار پایین انجام می شود، زیرا بر روی نقطه موردنظر ( کشتی یا شناور ) تعادل کافی وجود ندارد.

۲-  حوادث، مشکلات و عوارض در دریا به مراتب بیشتر از روی سطح زمین است.

۳-  وسایل نقشه برداری دریایی بسیار گران قیمت تر از دستگاه های نقشه برداری زمینی است.

۴-  برای عملیات هیدروگرافی با محدودیت زمانی مواجهه می شویم ( امکان نقشه برداری دریایی در شب وجود ندارد).

گردآوری:  فرزانه صادقیان دانشجوی کارشناسی موسسه آموزش عالی حکمت قم