القنوات channels ناقل مائي ، يستخدم لإيصال المياه من المصدر المائي إلى مكان الاستهلاك

القنوات القناة channel هي ناقل مائي، يكون لمقطعه العرضي شكل معين (الشكل 1). ويستخدم لإيصال المياه من المصدر المائي الذي يمكن أن يكون نبعاً أو بحيرة أو نهراً أو أي مصدر آخر، إلى مكان الاستهلاك أو التجميع. وتعد قنوات الري والجداول وأنابيب الصرف الصحي أمثلة واضحة على القنوات. إن الجريان في القنوات هو جريان حر، لأن السطح العلوي للسائل يكون معرضاً للضغط الجوي، أي على تماس مع الهواء. ويجري الماء في القناة نتيجة لتأثير قوة الثقالة gravity force، لذلك لابد من إعطاء القناة ميلاً طولياً مناسباً، لتشكيل مركبة قوة موازية لقاع القناة تؤدي إلى تحريك الماء.
تعد القنوات من أقدم المنشآت المائية، وقد استخدمها الإنسان للملاحة ولتوفير مياه الري أو الشرب. ففي عام 500 قبل الميلاد أنشئت قناة بطول 600كم، ما بين بابل ومصب نهر دجلة على شط العرب. وفي عام 400 قبل الميلاد بنيت في مصر قناة؛ ربطت بين نهر النيل والبحر الأحمر. وفي مدينة حماة لازالت القنوات الحجرية المرفوعة التي تنقل المياه من نهر العاصي عن طريق النواعير إلى الأراضي الزراعية المجاورة، شاهداً على اهتمام الرومان في هذا المجال.
أنواع القنوات
يمكن التمييز بين أنواع عدة من القنوات، تبعاً لمجموعة معايير. منها حسب الوظيفة كما يأتي:
ـ أقنية الري irrigation channels: تستخدم لنقل المياه من المصدر المائي إلى أماكن استهلاكها في مشروعات الري الزراعية. ويوجد منها في سورية مئات الكيلومترات في مشروعات ري سهول الفرات والغاب والساحل والجزيرة.
ـ أقنية الصرف :drainage channels تستخدم لجر مياه الصرف الزراعي من مشروعات الري واستصلاح الأراضي إلى أماكن تصريفها في الوديان أو الأنهر. كما يجري استخدامها لنقل مخلفات الصرف الصحي المنزلية من المناطق السكنية إلى محطات المعالجة.
ـ أقنية مياه الشرب drinking water channels: تستخدم لنقل المياه من المصدر المائي إلى خزانات مياه الشرب. ومثال على ذلك قناة جر مياه الشرب من نبع الفيجة إلى خزانات مدينة دمشق، وقناة جر المياه من أعالي العاصي إلى مدينة حماة.
وحسب إكساء القناة: ـ القنوات المكساة: يتم إكساء القناة لحماية جوانبها وقعرها من الحت والانجراف، ولتخفيف رشح المياه منها إلى باطن الأرض. ويمكن إكساء القناة بالبيتون أو الرقائق البلاستيكية أو البيتومين. والإكساء البيتوني هو الأكثر استخداماً لديمومته العالية.
ـ القنوات غير المكساة: يكون قعرها وجوانبها ترابية، وغالباً ما تستخدم في المصارف. والمشكلة الكبيرة في هذه القنوات هي النمو الكثيف للأعشاب فيها، مما يجعل تنظيفها باستمرار أمراً ضرورياً، وإلا أصبحت عاجزة عن إمرار المخلفات.
أما حسب المقطع العرضي، فهناك:
ـ القنوات مستطيلة المقطع rectangular channels: حيث يكون عرضها منتظماً وجدرانها الجانبية قائمة (الشكل 2). وتستخدم في حالة الترب الضعيفة، حيث تعمل الجدران الجانبية للقناة كجدران استنادية تقوم بتحمل ضغط التربة الجانبي.
ـ الأقنية على شكل شبه منحرف trapezoidal channels: حيث يكون عرضها من الأسفل منتظماً و جوانبها مائلة (الشكل 3). وهي من أكثر الأنواع انتشاراً في مشروعات المياه، لما تتمتع به من خواص هيدروليكية جيدة وكلفة إنشاء قليلة نسبياً.
ـ الأقنية المثلثية المقطع triangular channels: ليس لها عرض من الأسفل وجوانبها تكون مائلة (الشكل 4). وغالباً ينحصر استخدامها في حالة الأقنية الصغيرة، لأن مقطعها يشغل حيزاً كبيراً.
ـ الأقنية الدائرية circular channels: مقطعها على شكل دائرة ( الشكل 5). وهي تعد من أفضل الأقنية على الإطلاق من الناحية الهيدروليكية. كما أن شكلها المغلق يعطيها ميزة استخدامها تحت سطح الأرض، لذلك تستخدم على نحو رئيس في أنابيب الصرف الصحي.
ـ الأقنية المركبة compound channels: تستخدم هذه الأقنية عندما يتغير التصريف في القناة عل نحو كبير. ويتم تشكيل المقطع العرضي من أكثر من مقطع، مثلاً: شبه منحرف مع شبه منحرف (الشكل 6)، أو مستطيل مع شبه منحرف.
العناصر الهندسية للقناة
يقصد بالعناصر الهندسية للقناة ما يأتي:
ـ y: عمق الماء في القناة water depth : وهو المسافة الشاقولية ما بين سطح الماء وأخفض نقطة من القاع.
ـ A: مساحة المقطع العرضي للقناة cross-sectional area: وهي مساحة المقطع الذي يشغله الجريان.
ـ m: الميل الجانبي للقناة. حيث يمثل تظل زاوية جوانب القناة.
ـ b: عرض القناة من الأسفل channels width.
ـ B: عرض المقطع المائي من الأعلى surface width.
ـ p: المحيط المبلل wett perimeter: وهو طول المحيط من المقطع العرضي الذي يلامس الماء.
ـ y_m: العمق المتوسط الهيدروليكي hydraulic mean depth: وهو نسبة مساحة مقطع الجريان إلى عرض المقطع المائي من الأعلى، أي: ـ β: العرض النسبي relative width: وهو نسبة عرض القناة إلى عمق الماء فيها، أي: ـ R_h: نصف القطر الهيدروليكي hydraulic radius وهو بالتعريف نسبة المساحة إلى المحيط المبلل، أي: الحساب الهيدروليكي للأقنية
يمكن أن يكون الجريان في القنوات مستقراً أو غير مستقر. فالأول منهما هو الجريان المستقر steady flow الذي لا يتغير فيه التصريف مع الزمن، أي إن جميع عناصره (سرعة ـ مقطع الجريان) تظل ثابتة من زمن إلى آخر. أما الجريان غير المستقرunsteady flow فهو الجريان الذي يتغير فيه التصريف مع الزمن، ومن ثم تتغير جميع عناصره مع تغير الزمن. ومثال ذلك الجريان في أنابيب الصرف الصحي، حيث يتغير التصريف على مدار اليوم تبعاً لاستهلاك الماء في المنازل.
كذلك يمكن للجريان المستقر في القنوات أن يكون منتظماً أو غير منتظم. ففي الجريان المنتظم uniform flow يكون مقطعه ثابتاً على طول القناة، وبالتالي لا يتغير عمق الماء وسرعة الجريان من مقطع لآخر. أما في حالة الجريان غير المنتظم nonuniform flow، فيتغير المقطع المائي ومن ثم يحدث تغير في عمق الماء وسرعة الجريان على طول القناة.
بالنسبة للجريان المستقر والمنتظم، يتم حساب سرعة الجريان V في القناة من معادلة مانينغ: كما يجري حساب التصريف المار في القناة من العلاقة: حيث إن:
ـ V: السرعة الوسطى للجريان في القناة (m/s).
ـ Q: التصريف المار في القناة (m³/s).
ـ R_h: نصف القطر الهيدروليكي (m).
ـ S_o: الميل الطولي للقناة.
ـ A: مساحة المقطع العرضي للجريان.
ـ n: معامل خشونة القناة. وتتعلق قيمته بنوع إكساء القناة، وتبلغ قيمته n = (0.013-0.015) للقنوات البيتونية.
وغالباً ما ينطوي الحساب الهيدروليكي للجريان المستقر والمنتظم في القناة على تطبيق معادلة مانينغ. ويعد اختيار القيمة المناسبة لمعامل خشونة سطح القناة حرجاً بالنسبة إلى دقة نتائج المسألة. ويوجد عادة نوعان من المسائل التي يجري حلها. في النوع الأول حيث تكون العناصر الهندسية للقناة إضافة إلى عمق الماء فيها معروفة، والمطلوب حساب التصريف المار في القناة أو سرعة الجريان. وفي هذا النوع يكون حل المسألة مباشرة. أما النوع الثاني فيكون المطلوب فيه حساب عمق الماء في القناة الموافق لتصريف معين. وفي هذا النوع من المسائل يكون الحل بطريقة المحاولة والخطأ.
أما حساب الجريان المستقر وغير المنتظم فهو أعقد من الجريان المنتظم، ولايوجد حل مباشر للمسألة، ويجري حلها بالطرائق العددية التي تستغرق وقتاً أطول.
أما حل مسائل الجريان غير المستقر، فهي معقدة جداً وتتم غالباً بمساعدة الحاسوب.
الترسيب والحت في الأقنية
ـ الترسيب
معلوم أن المياه التي يتم نقلها في الأقنية هي مياه غير نقيةغالباً، ومحملة بكثير من العوالق الصلبة مثل حبات الرمل والغضار. وتترسب هذه العوالق في قاع القناة إن لم تكن سرعة الجريان كافية لجرفها. وينجم عن الترسيب المستمر للعوالق نقصان في المقطع المائي، وبالتالي انخفاض في تصريف القناة. إن قدرة الجزيئات الصلبة على الترسيب في قاع القناة يتعلق بحجم هذه الجزيئات من جهة وبسرعة الجريان من جهة أخرى. وتحسب السرعة الدنيا الواجب توافرها في القناة لمنع حدوث الترسب من العلاقة: حيث إن:
ـ y: عمق الماء في القناة.
ـ k: ثابت يتعلق بقطر الذرات المحمولة وتراوح قيمته بين k = (0.5-1.0).
ـ الحت
إذا ما أنشئت قناة من مواد قابلة للحت، كما هي الحال في أقنية الري الترابية أو الحصوية الناعمة، فمن الممكن عند ذلك أن تتعرض جدران وقاع القناة للحت والتآكل إذا كانت سرعة الجريان كبيرة. ومع الزمن ينجم عن الحت المستمر تغير في مقطع الجريان، وربما حصول انهيارات في القناة. ومن الضروري عند تصميم القناة ألا تتجاوز سرعة الجريان فيها السرعة العظمى التي يبدأ عندها الحت. وتتعلق السرعة العظمى المسموحة في القناة بنوع مادة القناة، حيث تراوح ما بين V_max=0.5m/s للأقنية الترابية، إلى V_max=xx5m/s للأقنية البيتونية.
صيانة وإصلاح القنوات
تنفذ أعمال الصيانة دورياً أو باستمرار. والغاية منها تجنب الآثار السلبية التي يمكن أن تنتج من تقادم القناة، ومن العمليات التي تحدث في مجراها كالحت والرشح، ومعالجة الانهيارات الصغيرة التي تحدث في طبقات الإكساء أو في تربة السفوح الجانبية. كما تتطلب أعمال الصيانة القيام في الأوقات المناسبة بجرف الطمي المترسب في مجاري القنوات، وتنظيف الأعشاب التي يمكن أن تنمو فيها.
أما أعمال الإصلاح فتقسم إلى:
ـ أعمال ترميم مؤقتة: وهي تضم الإصلاحات الصغيرة أو تبديل بعض العناصر الإنشائية أو البيتونية. وتشمل أيضاً الإصلاحات المحلية المتعلقة بتبديل بعض أجزاء التقوية أو التكتيم.
ـ أعمال ترميم شاملة: تضم أشغالاً أكبر، غالباً ما تتطلب تفريغ جزء من القناة من المياه. مثل: إصلاح المنشآت الملحقة بالأقنية كالبوابات والمصارف أو تبديل طبقات الإكساء.
ـ أعمال ترميم طارئة: حيث يتم ترميم الأجزاء التي تتعرض للانهيار نتيجة الحوادث الطارئة كالفيضانات والزلازل.
أمجد زينو