برج المياه

برج مياه يعلوه برج اتصالات في ماوستون، ويسكونسن ، الولايات المتحدة الأمريكية

برج مياه مزود بمعدات اتصالات خلوية حول عنقه في بارينغتون، إلينوي ، الولايات المتحدة الأمريكية

برج المياه هو هيكل مرتفع ^{[ 1 ]} يدعم خزان مياه مبني على ارتفاع كافٍ لضغط شبكة توزيع مياه الشرب ، ولتوفير تخزين طارئ لمكافحة الحرائق. ^{[ 2 ]} غالبًا ما تعمل أبراج المياه بالتزامن مع خزانات خدمة تحت الأرض أو سطحية ، والتي تخزن المياه المعالجة بالقرب من أماكن استخدامها. ^{[ 3 ]} قد تخزن أنواع أخرى من أبراج المياه المياه الخام (غير الصالحة للشرب) فقط لأغراض مكافحة الحرائق أو الأغراض الصناعية، وقد لا تكون متصلة بشبكة مياه عامة.

تستطيع أبراج المياه توفير المياه حتى أثناء انقطاع التيار الكهربائي ، لأنها تعتمد على الضغط الهيدروستاتيكي الناتج عن ارتفاع منسوب المياه (بفعل الجاذبية ) لدفع المياه إلى شبكات توزيع المياه المنزلية والصناعية؛ إلا أنها لا تستطيع توفير المياه لفترة طويلة دون كهرباء، إذ يتطلب الأمر عادةً مضخة لإعادة ملء البرج. كما يعمل برج المياه كخزان لتلبية احتياجات المياه خلال أوقات الذروة. ينخفض ​​منسوب المياه في البرج عادةً خلال ساعات الذروة، ثم تقوم مضخة بإعادة ملئه ليلاً. وتمنع هذه العملية أيضًا تجمد المياه في الطقس البارد، نظرًا لأن البرج يُفرغ ويُعاد ملؤه باستمرار. ^{[ 4 ]}

على الرغم من أن استخدام خزانات المياه المرتفعة يعود إلى العصور القديمة بأشكال مختلفة، إلا أن الاستخدام الحديث لأبراج المياه لأنظمة المياه العامة المضغوطة تطور خلال منتصف القرن التاسع عشر، مع ازدياد شيوع ضخ المياه بالبخار، وتطوير أنابيب أفضل قادرة على تحمل ضغوط أعلى. في المملكة المتحدة، كانت أنابيب الرفع تتألف من أنابيب طويلة مكشوفة على شكل حرف N، تُستخدم لتخفيف الضغط وتوفير ارتفاع ثابت لمحركات الضخ البخارية التي كانت تُنتج تدفقًا متقطعًا، بينما يتطلب نظام توزيع المياه المضغوط ضغطًا ثابتًا. كما وفرت أنابيب الرفع موقعًا ثابتًا مناسبًا لقياس معدلات التدفق. وكان المصممون عادةً ما يغلّفون أنابيب الرفع بهياكل زخرفية من البناء أو الخشب. وبحلول أواخر القرن التاسع عشر، توسعت أنابيب الرفع لتشمل خزانات تخزين لتلبية الطلب المتزايد باستمرار للمدن المتنامية. ^{[ 2 ]}

تُعتبر العديد من أبراج المياه القديمة ذات أهمية تاريخية، وقد أُدرجت في قوائم التراث المختلفة حول العالم. وقد حُوِّل بعضها إلى شقق سكنية أو وحدات بنتهاوس فاخرة . ^{[ 1 ]} في بعض المناطق، مثل مدينة نيويورك في الولايات المتحدة، تُبنى أبراج مياه أصغر للمباني الفردية. في كاليفورنيا وبعض الولايات الأخرى، بُنيت أبراج مياه منزلية مُغلَّفة بألواح خشبية ( خزانات ) في الفترة ما بين خمسينيات القرن التاسع عشر وثلاثينيات القرن العشرين لتزويد المنازل الفردية بالمياه؛ وكانت طواحين الهواء تضخ المياه من الآبار المحفورة يدويًا إلى الخزان في نيويورك.

استُخدمت أبراج المياه لتزويد قاطرات البخار على خطوط السكك الحديدية بالمياه . ^{[ 5 ]} كانت قاطرات البخار المبكرة تتطلب التوقف للتزود بالمياه كل 7 إلى 10 أميال (11 إلى 16 كم) . 

يمكن استخدام مواد متنوعة لبناء برج مياه نموذجي؛ ويُستخدم الفولاذ والخرسانة المسلحة أو مسبقة الإجهاد في أغلب الأحيان (مع استخدام الخشب أو الألياف الزجاجية أو الطوب أيضًا)، مع إضافة طبقة داخلية لحماية المياه من أي تأثيرات قد تنتج عن مادة التبطين. قد يكون خزان البرج كرويًا أو أسطوانيًا أو بيضاويًا ، بارتفاع لا يقل عن 6  أمتار ( 20 قدمًا ) وقطر لا يقل عن 4 أمتار ( 13 قدمًا ). ويبلغ ارتفاع برج المياه القياسي عادةً حوالي 40 مترًا (130 قدمًا) .     

يتم توليد الضغط عن طريق الضغط الهيدروستاتيكي الناتج عن ارتفاع منسوب المياه؛ فلكل 102  ملم ( 4.016 بوصة ) من الارتفاع، ينتج ضغط مقداره 1 كيلو باسكال ( 0.145 رطل لكل بوصة مربعة). ينتج ارتفاع 30 مترًا ( 98.43 قدمًا ) ضغطًا مقداره 300 كيلو باسكال ( 43.511 رطل لكل بوصة مربعة ) تقريبًا، وهو ضغط كافٍ لتشغيل معظم أنظمة توزيع المياه المنزلية وتلبية احتياجاتها من ضغط المياه.     

يُوفر ارتفاع البرج الضغط اللازم لنظام إمداد المياه، ويمكن تعزيزه بمضخة . ويُوفر حجم الخزان وقطر الأنابيب معدل التدفق المطلوب ويحافظان عليه. مع ذلك، يُعد الاعتماد على المضخة لتوفير الضغط مكلفًا؛ ولمواكبة الطلب المتغير، يجب أن تكون المضخة مصممة لتلبية ذروة الطلب. خلال فترات انخفاض الطلب، تُستخدم مضخات مساعدة لتلبية متطلبات تدفق المياه المنخفضة. يُقلل برج المياه من الحاجة إلى استهلاك الطاقة الكهربائية لمضخات الدورة، وبالتالي يُغني عن الحاجة إلى نظام تحكم مكلف في المضخات، إذ يجب أن يكون هذا النظام مصممًا بشكل كافٍ لتوفير نفس الضغط عند معدلات التدفق العالية. ^{[ 6 ]}

تتطلب مكافحة الحرائق كميات وتدفقات عالية جدًا. بوجود خزان مياه، يمكن تحديد حجم المضخات وفقًا لمتوسط ​​الطلب، وليس ذروة الطلب؛ إذ يوفر خزان المياه ضغطًا مائيًا خلال النهار، وتقوم المضخات بإعادة ملء الخزان عندما يقل الطلب. ^{[ 6 ]}

إن استخدام شبكات الاستشعار اللاسلكية لمراقبة مستويات المياه داخل البرج يسمح للبلديات بمراقبة المضخات والتحكم بها تلقائيًا دون الحاجة إلى تركيب وصيانة كابلات بيانات باهظة الثمن.

تُظهر الصورة المجاورة ثلاثة مناهج معمارية لدمج هذه الخزانات في تصميم مبنى، أحدهما في شارع إيست 57 بمدينة نيويورك. من اليسار إلى اليمين، هيكل من الطوب مُغلق بالكامل ومُزخرف بشكل مُتقن، وهيكل بسيط من الطوب بدون سقف يُخفي معظم الخزان ولكنه يُظهر قمته، وهيكل بسيط عملي لا يُبذل أي جهد لإخفاء الخزانات أو دمجها بأي شكل من الأشكال في تصميم المبنى.

يعود تاريخ هذه التقنية إلى القرن التاسع عشر على الأقل، ولفترة طويلة، اشترطت مدينة نيويورك أن تكون جميع المباني التي يزيد ارتفاعها عن ستة طوابق مزودة ببرج مياه على سطحها. ^{[ 7 ]} وتقوم شركتان في نيويورك ببناء أبراج المياه، وكلاهما شركتان عائليتان تعملان منذ القرن التاسع عشر. ^{[ 7 ]}

كان صانعو أبراج المياه الأصليون من صانعي البراميل، الذين طوروا حرفتهم لتلبية حاجة العصر الحديث مع ازدياد ارتفاع المباني في المدينة. وحتى اليوم، لا يُستخدم أي مانع تسرب لحفظ الماء. تُثبّت الجدران الخشبية لبرج المياه بكابلات أو أشرطة فولاذية، لكن الماء يتسرب من خلال الفجوات عند ملئه لأول مرة. ومع تشبّع الخشب بالماء، يتمدد، فتُغلق الفجوات وتصبح غير منفذة. ^{[ 8 ]} تخزن أبراج المياه الموجودة على أسطح المباني ما بين 250,000 و500,000 لتر (ما يعادل 55,000 إلى 110,000 جالون إمبراطوري ؛ 66,000 إلى 132,000 جالون أمريكي ) من الماء حتى الحاجة إليه في المبنى الموجود أسفلها. يُكشط الجزء العلوي من الماء من السطح للاستخدام اليومي، بينما يُحتفظ بالماء الموجود في قاع البرج كاحتياطي لمكافحة الحرائق. عندما ينخفض ​​منسوب المياه عن مستوى معين، يقوم مفتاح الضغط أو مفتاح المستوى أو صمام العوامة بتشغيل مضخة أو فتح خط مياه عام لإعادة ملء خزان المياه. ^{[ 8 ]}    

اتبع المهندسون المعماريون والبناؤون مناهج متنوعة في دمج خزانات المياه في تصميم مبانيهم. ففي العديد من المباني التجارية الكبيرة، تُخفى خزانات المياه تمامًا خلف امتداد لواجهة المبنى. ولأسباب جمالية، غالبًا ما تُغلّف المباني السكنية خزاناتها بهياكل على أسطحها، إما صناديق بسيطة غير مزخرفة، أو هياكل مزخرفة تهدف إلى تحسين المظهر الجمالي للمبنى. مع ذلك، تترك العديد من المباني خزانات المياه ظاهرة للعيان فوق هياكلها الإنشائية العملية.

في حال تعطل المضخات (كما يحدث أثناء انقطاع التيار الكهربائي)، سينخفض ​​ضغط الماء، مما قد يُسبب مشاكل صحية عامة. تشترط العديد من الولايات الأمريكية إصدار تحذير بغلي الماء إذا انخفض ضغط الماء إلى أقل من 140 كيلو باسكال (20 رطلًا لكل بوصة مربعة ) . ويفترض هذا التحذير أن انخفاض الضغط قد يسمح بدخول مسببات الأمراض إلى شبكة المياه. 

تم تحويل بعضها لتخدم أغراضاً حديثة، كما هو الحال مثلاً مع برج مياه فروتسواف (Wieża Ciśnień ) في فروتسواف ، بولندا، والذي أصبح اليوم مجمعاً للمطاعم. وتم تحويل البعض الآخر إلى مساكن. ^{[ 9 ]}

تاريخياً، كانت خطوط السكك الحديدية التي تستخدم قاطرات البخار تتطلب وسيلة لتزويد خزانات المياه الخاصة بها. وكانت أبراج المياه شائعة على طول خط السكة الحديدية. وعادةً ما كانت خزانات المياه تُملأ بواسطة رافعات مائية ، والتي كانت تُغذى بدورها من برج المياه.

تُستخدم بعض أبراج المياه أيضًا كأبراج مراقبة، وبعض المطاعم، مثل برج غولدبيرغ في سيندلفينغن بألمانيا، أو البرج الثاني من أبراج الكويت الثلاثة في دولة الكويت . ومن الشائع أيضًا استخدام أبراج المياه كمواقع لأنظمة الإرسال في نطاق الترددات العالية جدًا (UHF) بقدرة منخفضة، على سبيل المثال لخدمات البث الريفي المغلقة، أو هواة الراديو ، أو خدمات الهاتف الخلوي .

في المناطق الجبلية، يمكن الاستعانة بالتضاريس المحلية بدلاً من الهياكل لرفع الخزانات. غالباً ما تكون هذه الخزانات عبارة عن صهاريج خرسانية مُدرّجة على سفوح التلال أو الجبال المحلية، لكنها تؤدي نفس وظيفة برج المياه التقليدي. ويمكن تزيين أسطح هذه الخزانات أو استخدامها كمتنزهات، إذا رغب في ذلك.

يمكن أن تُحاط أبراج المياه بأغطية مزخرفة، تشمل أعمالًا من الطوب الفاخر، أو تعريشة كبيرة مغطاة باللبلاب ، أو قد تُطلى ببساطة. تحمل بعض أبراج المياه في المدن اسم المدينة مكتوبًا بأحرف كبيرة على سطحها، كدليل إرشادي للطيارين وسائقي السيارات . أحيانًا يكون التزيين فكاهيًا، ومن الأمثلة على ذلك أبراج المياه المبنية جنبًا إلى جنب، والمكتوب عليها "ساخن" و "بارد" . من بين المدن الأمريكية التي تمتلك أبراج مياه متجاورة تحمل اسمي "ساخن" و"بارد": غرانجر، أيوا ؛ كانتون، كانساس ؛ برات، كانساس ؛ وسانت كلير، ميسوري . كانت إيفليث، مينيسوتا، تمتلك برجين من هذا النوع في وقت من الأوقات، لكنها لم تعد كذلك. ^{[ 29 ]}

تستخدم العديد من البلدات الصغيرة في الولايات المتحدة أبراج المياه الخاصة بها للترويج للسياحة المحلية، أو فرقها الرياضية المدرسية، أو غيرها من الحقائق البارزة محليًا. ^{[ 30 ]} بُني برج مياه على شكل فطر في أوربرو ، السويد، ويتسع لما يقرب من مليوني جالون من الماء. ^{[ 31 ]}

من البدائل لأبراج المياه مضخات بسيطة تُركّب أعلى أنابيب المياه لزيادة ضغطها. ^{[ 40 ]} هذا النهج الجديد أبسط، ولكنه أكثر عرضة لمخاطر محتملة على الصحة العامة؛ ففي حال تعطل المضخات، قد يؤدي انخفاض ضغط المياه إلى دخول الملوثات إلى شبكة المياه. ^{[ 41 ]} لا تستخدم معظم شركات المياه الكبرى هذا النهج، نظرًا للمخاطر المحتملة.

إن خزان المياه القائم هو عبارة عن برج مياه أسطواني (أو شبه أسطواني) على امتداد ارتفاعه بالكامل، بدلاً من خزان مرتفع على دعامات مع أنبوب أضيق يؤدي من وإلى الأرض.

كان هناك في الأصل أكثر من 400 برج مياه قائم في الولايات المتحدة، ولكن لم يتبق منها سوى عدد قليل جدًا اليوم، بما في ذلك: ^{[ 44 ] [ 45 ]}

• أنبوب بيلتون في بيلتون، كارولاينا الجنوبية (وأيضًا في ألينديل ووالتربورو)
• أنبوب تصريف المياه في بيلتون، تكساس
• خزان مياه بيلفيو (وهو في الواقع خزان مياه وليس برجًا)، في بوسطن، ماساتشوستس
• برج مياه شيكاغو ، في شيكاغو، إلينوي

  

• أنبوب كوشيتويت القائم ، في بوسطن، ماساتشوستس
• كريج، نبراسكا، أنبوب قائم
• أنبوب إيدن بارك ، في سينسيناتي
• برج أنابيب إيفانسفيل (برج فولاذي)، في إيفانسفيل، ويسكونسن
• شركة فول ريفر ووتروركس ، في فول ريفر، ماساتشوستس
• محطة فوربس هيل للأنابيب ، في كوينسي، ماساتشوستس
• برج مياه لويزفيل ، في لويزفيل، كنتاكي
• برج مياه نورث بوينت ، في ميلووكي، ويسكونسن
• أنبوب ريدينغ القائم (الذي هُدم عام 1999 واستُبدل ببرج فولاذي حديث)، في ريدينغ، ماساتشوستس
• يحتوي حصن روكسبري هاي على أنبوب كوشيتويت الأرضي
• تضم مدينة سانت لويس بولاية ميسوري ثلاثة أبراج مياه قائمة مدرجة في السجل الوطني للأماكن التاريخية .
  • برج بيسيل (المعروف أيضاً باسم البرج الأحمر)
  • برج كومبتون هيل
  • برج مياه جراند أفينيو
• توماس هيل ستاندبايب ، في بانجور، مين
• برج مياه إيبسيلانتي ، في إيبسيلانتي، ميشيغان
• برج مياه بريمن ، في بريمن، إنديانا

• 
  برج مياه في مدينة بونه ، الهند
• 
  برج المياه في ريبنيك ، بولندا
• 
  برج المياه في فيلجاندي ، إستونيا
• 
  برج المياه في تيسوما ، تامبيري، فنلندا
• 
  برج مياه في شبروتافا ، تم بناؤه عام 1867 من قبل شركة J&A Aird من برلين
• 
  برج المياه التابع لشركة وارنر براذرز في بوربانك ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية
• 
  برج مياه في كلية يونايتد ، الجامعة الصينية في هونغ كونغ
• 
  برج مياه في كلية نيو آسيا ، الجامعة الصينية في هونغ كونغ
• 
  برج المياه في كلية دبلن الجامعية

• الأرشيف الدولي لأبراج المياه (باللغة الألمانية)
• موقع إلكتروني عن ألف برج مياه من بولندا (باللغة البولندية) عبر أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).