ประตูกั้นน้ำ (Lock) กลไกการเดินเรือผ่านระดับน้ำที่แตกต่าง

สรุปใจความสำคัญ

ประตูกั้นน้ำแบบ Pound Lock ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในจีนสมัยราชวงศ์ซ่ง (ค.ศ. 960–1279)
กลไกหลักของประตูกั้นน้ำประกอบด้วย ห้องกักเก็บน้ำ, ประตู และวาล์วระบายน้ำ
Caisson Lock เป็นการใช้ลิฟต์ใต้น้ำเพื่อยกเรือ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียน้ำได้มากกว่าประตูกั้นน้ำแบบปกติ

ประตูกั้นน้ำ (Lock) คืออุปกรณ์ทางวิศวกรรมที่ใช้สำหรับยกหรือลดระดับเรือและยานพาหนะทางน้ำ เพื่อให้สามารถเดินทางระหว่างพื้นที่ที่มีระดับน้ำแตกต่างกันในแม่น้ำหรือคลองได้ ลักษณะเด่นของประตูกั้นน้ำคือการมีห้องกักเก็บน้ำ (Chamber) ในตำแหน่งที่คงที่ ซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนระดับน้ำภายในห้องนั้นได้ เพื่อให้เรือเคลื่อนที่ขึ้นหรือลงไปยังระดับน้ำถัดไปได้อย่างปลอดภัย

ประวัติศาสตร์ของประตูกั้นน้ำ

อียิปต์โบราณ

เชื่อกันว่าประตูกั้นน้ำถูกนำมาใช้ครั้งแรกในคลองแห่งฟาโรห์ (Canal of the Pharaohs) โดยวิศวกรในสมัยของปโตเลมีที่ 2 (Ptolemy II) ได้รับการบันทึกว่าสามารถแก้ปัญหาการป้องกันน้ำเค็มไหลเข้าสู่แม่น้ำไนล์ได้สำเร็จในช่วง 274–273 ปีก่อนคริสตกาล

จีนโบราณ

ในช่วงปี ค.ศ. 960 ถึง 1279 (ราชวงศ์ซ่ง) ได้มีการพัฒนา Pound Lock หรือประตูกั้นน้ำแบบมีห้องกักเก็บ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียน้ำและเพิ่มความปลอดภัยในการเดินเรือ โดย Qiao Weiyue ผู้บริหารด้านภาษีในสมัยนั้นได้ติดตั้งประตูระบายน้ำคู่ห่างกัน 250 ฟุต เพื่อป้องกันเรือบรรทุกธัญพืชอับปางและลดการโจรกรรมจากโจรป่า

ยุโรปยุคกลาง

ในยุโรป ประตูกั้นน้ำแบบ Pound Lock เริ่มปรากฏในเนเธอร์แลนด์เมื่อปี ค.ศ. 1385 ที่ Vreeswijk และต่อมาในปี ค.ศ. 1396 ได้มีการสร้างประตูกั้นน้ำที่แท้จริงขึ้นที่ Damme ใกล้กับเมืองบรูจส์ ประเทศเบลเยียม นอกจากนี้ Bertola da Novate ยังได้สร้างประตูกั้นน้ำถึง 18 แห่งในระบบคลองของมิลานระหว่างปี ค.ศ. 1452 ถึง 1458

หลักการทำงานพื้นฐาน

ประตูกั้นน้ำแบบ Pound Lock ประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก 3 ส่วน ได้แก่:

ห้องกักเก็บน้ำ (Watertight Chamber): ห้องที่เชื่อมต่อระหว่างคลองระดับบนและระดับล่าง มีขนาดใหญ่พอที่จะบรรจุเรือได้หนึ่งลำหรือมากกว่า โดยตำแหน่งห้องจะคงที่แต่ระดับน้ำภายในจะเปลี่ยนแปลงได้
ประตู (Gate): ประตูที่ติดตั้งไว้ทั้งสองด้านของห้อง เพื่อควบคุมการเข้าออกของเรือและป้องกันน้ำรั่วไหล
กลไกควบคุมน้ำ (Lock Gear): วาล์วหรือแผงกั้น (Paddle) ที่ใช้สำหรับระบายน้ำเข้าหรือออกจากห้องกักเก็บน้ำ เพื่อปรับระดับน้ำให้เท่ากับระดับของคลองที่เรือจะมุ่งหน้าไป

ขั้นตอนการทำงานสำหรับเรือที่เดินทางลงน้ำ (Downstream)

หากระดับน้ำในห้องต่ำ เรือจะรอจนกว่าน้ำจากคลองด้านบนจะถูกเติมเข้ามาในห้อง
เปิดประตูฝั่งต้นน้ำเพื่อให้เรือเคลื่อนที่เข้าไปในห้อง
ปิดประตูฝั่งต้นน้ำให้สนิท
ระบายน้ำออกจากห้องผ่านวาล์วฝั่งปลายน้ำ จนกระทั่งระดับน้ำในห้องเท่ากับระดับน้ำของคลองด้านล่าง
เปิดประตูฝั่งปลายน้ำเพื่อให้เรือเคลื่อนที่ออกไป

สำหรับเรือที่เดินทางขึ้นน้ำ (Upstream) กระบวนการจะดำเนินในทิศทางตรงกันข้าม โดยปกติการดำเนินงานทั้งหมดจะใช้เวลาประมาณ 10 ถึง 20 นาที

การออกแบบประตูกั้นน้ำในอดีต

Caisson Lock

ในช่วงปี ค.ศ. 1800 Robert Weldon ได้เสนอการใช้ Caisson Lock สำหรับคลองถ่านหิน Somerset ในอังกฤษ ซึ่งเป็นลิฟต์ใต้น้ำที่มีกล่องไม้ขนาดใหญ่บรรจุเรือและเคลื่อนที่ขึ้นลงในบ่อน้ำลึก 60 ฟุต ข้อดีคือไม่มีการสูญเสียน้ำในระหว่างการใช้งาน แต่เนื่องจากปัญหาทางวิศวกรรมและการทนแรงดันน้ำที่ระดับความลึกสูง การออกแบบนี้จึงไม่ถูกนำมาใช้งานจริงในวงกว้าง

ประตูกั้นน้ำวัสดุผสม (Composite Material Locks)

เพื่อลดต้นทุนในพื้นที่ที่หินคุณภาพดีมีราคาสูงหรือหายาก มีการสร้างประตูกั้นน้ำโดยใช้หินคุณภาพต่ำหรือเศษหิน แล้วกรุผนังด้านในด้วยไม้เพื่อป้องกันไม่ให้ตัวเรือเกิดการเสียดสีและเสียหาย ตัวอย่างเช่น ประตูกั้นน้ำบริเวณอุโมงค์ Paw Paw ในคลอง Chesapeake และ Ohio

คำถามที่พบบ่อย

ประตูกั้นน้ำ (Lock) ทำหน้าที่อะไร?

ทำหน้าที่ยกหรือลดระดับเรือเพื่อให้สามารถเดินทางผ่านพื้นที่ที่มีระดับน้ำแตกต่างกันในแม่น้ำหรือคลองได้

Pound Lock แตกต่างจากประตูกั้นน้ำแบบอื่นอย่างไร?

Pound Lock มีห้องกักเก็บน้ำที่ปิดสนิททั้งสองด้าน ทำให้สามารถปรับระดับน้ำภายในห้องให้เท่ากับระดับน้ำภายนอกก่อนที่เรือจะเคลื่อนที่เข้าหรือออกได้

การใช้ประตูกั้นน้ำใช้เวลานานเท่าใด?

โดยปกติจะใช้เวลาประมาณ 10 ถึง 20 นาที ขึ้นอยู่กับขนาดของประตูกั้นน้ำและระดับน้ำเริ่มต้นในห้องกักเก็บน้ำ