از گذشته آب‌های زیرزمینی یکی از مسائل مهم در توسعه جوامع روستایی کشور به ویژه در فلات مرکزی به شمار می‌رفته است؛ زیرا در این مناطق، منابع آب روان و چشمه کمیاب است. با افزایش جمعیت و پیشرفت تمدن در ایران باستان، در چندین هزار سال قبل، ایرانیان برای آنکه دیگر فقط در محیط تنگ و محدود دره‌ها و پای رودها و چشمه‌ها نمانند و به امید باران‌های اتفاقی زراعت نکنند و با کشیدن آب از چاه‌ها با زور بازوهایشان یا با استفاده از نیروی حیوانی، زندگی پرمشقت و کشاورزی و دامداری محدود نداشته باشند، دست به ابتکاری جدید زدند، که آن را قنات یا کاریز نام نهاده‌اند. با این اختراع، که تاکنون در نوع خود در جهان بی‌نظیر بوده است، می‌توان با جمع‌آوری مقداری قابل توجه از آب‌های زیرزمینی، این آب‌ها را به سطح زمین رساند تا در تمام طول سال، بدون هیچ کمکی، مانند چشمه از درون زمین به سطح آن جاری شود.

قنات کانال آب زیرزمینی است که آب را از اعماق زمین در بالادست به سطح زمین در پایین‌ دست انتقال می‌دهد. کلمه قنات عربی است ولی سیستم آبرسانی قنات در ایران ابداع شده است. ایرانیان با استفاده از قنات توانسته‌اند طی قرن‌ها نیاز خود به آب را رفع و صحراهای خشک را آباد کنند. قنات در کشورهایی که بخشی از ایران بوده‌اند یا ارتباط فرهنگی با ایران داشته‌اند نیز دیده می‌شود. در بین‌النهرین به خصوص عراق و سوریه، پاکستان و افغانستان، غرب چین، جنوب روسیه، کشورهای حاشیه خلیج فارس، شمال آفریقا و جنوب اروپا قنات دیده می‌شود اما تعداد قنات‌های موجود درون ایران به تنهایی از تعداد کل قنات‌های خارج از ایران بیشتر است.

قنات‌های ایران در دشت‌هایی قرار دارند که در همسایگی کوهی هستند. آب کوه‌ها در بستر زیرزمینی کنار کوه ذخیره می‌شود و ساکنان دشت‌های دوردست آب ذخیره شده را توسط قنات استخراج می‌کنند. در همه جای ایران قنات دیده می‌شود اما عمده آنها را می‌توان در دشت‌های مرکز و شرق کشور دید که معمولا بارش سالانه کمتر از ۳۰۰میلیمتر در سال است. با وجود سدهای فراوان و چاه‌های عمیق سال‌های اخیر، هنوز قنات‌ها بخش مهمی از منابع آبی کشاورزی را تامین می‌کنند. به طوری که بر اساس آمار وزارت نیرو در حدود ۴۱۰۰۰ قنات در ایران شناسایی شده‌اند و آبدهی کنونی آنها به رغم کاهش جدی، همچنان حدود ۵ میلیارد متر مکعب است.

طول قنات ها بسیار متفاوت است و به شیب زمین و فاصله روستا تا منبع آب بستگی دارد. این فاصله در زمین‌هایی که شیب زیاد دارند کمتر است زیرا با حفر یک تونل افقی کوتاه در زمین پر شیب خیلی زود به عمق زیاد زمین بالادست می‌رسیم اما در مناطق کویری ایران قنات‌ها طولانی‌تر هستند. قنات‌هایی با طول بیش از ۷۰ کیلومتر در کرمان و یزد دیده می‌شوند. اما قنات‌های قزوین و تهران به ندرت از ۱۰ کیلومتر طولانی‌تر هستند. در قزوین، زرند و اصفهان قنات با عمق مادر چاه بیش از ۱۰۰ متر وجود ندارد. در سبزوار و کرج قناتهایی با عمق چاه مادر بین ۱۵۰تا ۲۰۰ متر وجود دارند. عمق مادر چاه قنات‌ها نیز متغیر بوده و در مواردی به بیش از ۲۵۰ متر می‌رسد. معمولا خروجی آب قنات از ۳۰۰ مترمکعب در ساعت بالاتر نمی‌رود. بیشتر قنات‌ها خروجی آبی در حدود ۶۰ تا ۱۰۰ متر مکعب در ساعت دارند. در شاهرود و اصفهان دو قنات با خروجی آب ۹۰۰ مترمکعب در ساعت حفر شده‌اند. بیشترین آبدهی قنات از اسفند تا خرداد ماه است و از شهریور تا آبان‌ماه زمان کم‌آبی قنات است.

تاریخ قنات در ایران به دوره ما قبل کتابت و به عصر آهن بر می‌گردد. در کاوش‌های سال ۲۰۱۴ آثار به جا مانده از قناتی در نزدیکی سد سیمره کشف شد که به هزاره سوم پیش از میلاد بر می‌گردد. در منطقه مکا که عمان امروزی است، قناتی از هزاره دوم پیش از میلاد کشف شده است. سارگون دوم در حمله خود به حوالی دریاچه ارومیه در اوایل قرن هفتم پیش از میلاد از یک قنات نام برده است. در سال ۲۰۰۳ پس از زلزله بم یک قنات کشف شد که بیش از ۲۰۰۰ سال عمر دارد و در اواخر دوره هخامنشی حفر شده بود. قنات قصبه گناباد که همچنان فعال است در دوره هخامنشی ساخته شده است. از دوره هخامنشی به بعد استفاده از قنات بسیار رواج یافت و این شاید یکی از برگ‌های برنده هخامنشیان در مقابل مادها بود؛ زیرا آنها با استفاده از قنات می‌توانستند سرزمین‌های کشاورزی و در نتیجه مردم بیشتری را در اختیار داشته باشند. هرودوت هم در ظهور هخامنشیان به فعالیت‌های کشاورزی آن‌ها اشاره کرده است. آشنایی هخامنشیان با تکنولوژی حفر تونل را در حملات نظامی نیز می‌بینیم. هخامنشیان در حملات خود به شهرهایی که دیوار دفاعی داشتند از حفر تونل در زیر دیوار استفاده می‌کردند تا به درون شهر یا قلعه دسترسی پیدا کنند. این نوع تونل‌های نظامی در حملاتی به مناطقی در ترکیه و قبرس ثبت شده است.

طبق نظر هانری گوبلو قنات در حدود سال ۸۰۰ ق.م در شمال غربی ایران در مرز ترکیه فعلی توسط معدن‌چیان برای استخراج آب معادن حفر گردید. گوبلو معتقد است که قنات، ابتدا یک فن آبیاری نبوده، بلکه به طور کامل از تکنیک معدن نشات گرفته و منظور از احداث آن جمع‌آوری آب‌های زیرزمینی مزاحم (زه‌آب‌ها) به هنگام حفر معادن بوده است. وی با استفاده از کتاب نوژیه دانشمند فرانسوی که در سال ۱۹۵۹ نوشته شده است، ثابت می‌کند که قدمت برخی معادن به چهار دهه قبل از میلاد مسیح می‌رسد و همچنین از میان قدیمی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین معادن، به معادن اسپین که شکل ظاهری دهلیزهای آن، شباهت عجیبی با قنات‌ها داشته، اشاره می‌کند. گوبلو، با استفاده از منابع دیگر در این زمینه نیز بیان می‌کند که تردیدی نیست که در گستره ی فرهنگی ایران، از معادن مس و احتمالا روی موجود در کوه‌های زاگرس، در جریان هزاره دوم قبل از میلاد مسیح، بهره‌برداری می‌شده است. به نظر وی یکی از موانع اصلی در پیش رفت کار معدنچیان، وجود آب بوده و هست لذا دالان‌هایی برای خارج کردن آب‌های مزاحم به فضای آزاد بیرون از معدن، حفر می‌کردند که آب بدون استفاده از هیچ نیروی فنی، از دل معدن به خارج جاری می‌شد. ورتایم که معادن ایران را توصیف کرده، تأکید می‌کند که در چندین نقطه، قنات‌ها به دهلیزهای معادن متصل شده‌اند.

تکنیک حفر قنات پس از استفاده در معدن‌کاری، کم‌کم مورد استفاده کشاورزان واقع شد و به سراسر فلات ایران گسترش یافت. در حدود ۵۲۵ ق.م توسط ایرانیان به عمان و مسقط و شبه جزیره عربستان منتقل شد. حدود ۵۰۰ ق.م توسط لشکرکشی‌های ایرانیان این فن در مصر رواج یافت. با گسترش اسلام، شمال آفریقا با قنات آشنا شد و قنات یافوگا در حدود ۷۵۰ میلادی توسط مسلمین در شهر مادرید پایتخت اسپانیا دایر گردید. در سال ۱۵۲۰ اسپانیایی‌ها حفر قنات را در مکزیک آغاز کردند و از آنجا این تکنیک به لس‌آنجلس برده شد. قنات، بیشتر در مناطق خشک و نیمه خشک جهان پراکنده است، اما گاهی می‌توان قنات‌هایی در مناطق پرآب نیز دید. بدون دستیابی به قنات به احتمال زیاد انسان نمی‌توانست در قسمت عمده‌ای از مناطق کره زمین اسکان یابد و زندگی روستایی و شهری با دوامی بنیان نهد. در نتیجه ایجاد شهرهای قدیمی و مهمی چون ری، نیشابور، یزد، کاشان، سبزوار، کاشمر، مشهد، فردوس، گناباد، تهران و… که همگی در حوزه تمدن ایرانی و اسلامی هستند، به واسطه وجود قنات امکان‌پذیر شد. بیشترین قنوات کشور به ترتیب در استان‌های خراسان رضوی، خراسان جنوبی، یزد، اصفهان، مرکزی ،کرمان و همدان قرار دارند.

هر قنات از بخش‌های یکسانی همچون راهرو، خروجی (مظهر)، میله، مادرچاه و مزرعه آبخور قنات تشکیل می‌شود. در ادامه تعریف هر کدام از این موارد و کارکرد آنها بیان می‌شود.

راهرو: راهرو و یا تونل قنات مجرایی است تقریباً افقی که برای دسترسی به آب سفره‌های زیرزمینی و انتقال این آب به سطح زمین حفر می‌شود. ابعاد این راهرو بگونه‌ای است که کارگران بتوانند در آن به راحتی جابه‌جا شده و فعالیت نمایند: ارتفاع آن حدود ۹۰ تا ۱۵۰ سانتی متر و عرض آن کمتر از نصف ارتفاع آن است. به راهرو قنات گاهی کوره هم گفته می‌شود. راهرو گاهی دارای انشعاباتی است که نهایتا بهم متصل می‌شوند. بنابراین وظیفه راهرو، آبگیری از آبخوان و جمع‌آوری و انتقال آب به مظهر قنات به کمک نیروی ثقل است و از دو بخش تره‌کار و خشکه‌کار تشکیل شده است. خشکه‌کار بخشی از کوره قنات است که صرفا به عنوان یک گالری وظیفه هدایت و انتقال آب را به سطح زمین به عهده دارد. تره کار نیز بخشی از کوره قنات است که همیشه مرطوب بوده و وظیفه آبگیری (تامین آب) از طریق سفره آب زیرزمینی را به عهده دارد. طول این بخش‌ها تابع نوسانات سطح ایستابی است. ضمنا در مواردی ممکن است همه طول کوره قنات تره کار باشد.

خروجی قنات: محلی که راهرو قنات و سطح زمین به یکدیگر برسند را خروجی قنات می‌نامند که به آن مظهر نیز گفته می شود؛ یعنی محلی که آب ظاهر می شود.

میله چاه: چاه‌هایی عمودی هستند که تا راهروی قنات برای اتصال سطح زمین با راهروی افقی قنات ادامه پیدا کرده‌اند. کاربرد اصلی این چاه‌ها تخلیه خاک حاصل از کندن راهرو قنات به سطح زمین می‌باشد. آنها همچنین به تهویه راهرو قنات و تأمین اکسیژن بیشتر برای کارگران کمک می‌کنند. این چاه‌ها با فراهم آوردن امکانی جهت ارسال امکانات و ابزار مورد نیاز و تخلیه ضایعات نقش مهمی را در مرمت و بازسازی قنات ایفا می‌کنند. میله چاه‌ها باعث کاهش زمان مورد نیاز برای ساخت و ساز و یا تعمیر قنات و کاهش هزینه‌های مربوط به آن می‌شوند. قطر این میله چاه‌ها بین ۸۰ تا ۱۰۰ سانتیمتر است و فواصل بین آن‌ها بین ۲۰ تا ۲۰۰ متر است. در حقیقت هر چه عمق میله چاه‌ها بیشتر باشد فاصله ی آنها از یکدیگر نیز بیشتر است.

مادر چاه : به دورترین میله چاه از خروجی قنات که در نقاط بالادست حفر شده است مادرچاه گفته می‌شود. مادر چاه عمیق‌ترین چاه است که جریان زیاد آب در آن نشان‌دهنده آبدهی خوب قنات است. اگر سطح آب به زیر مادرچاه برسد دیگر آبی در راهرو قنات جریان پیدا نمی‌کند و قنات خشک می‌شود. اگر قنات گسترش یابد و نیاز به حفر چاه جدید باشد، چاه جدید به عنوان مادرچاه در نظر گرفته می‌شود و مادرچاه قبلی به عنوان یکی از میله چاه‌های عمیق محسوب می‌شود. به طور خلاصه می‌توان گفت که آخرین میله چاه، مادرچاه نامیده می‌شود. عمق مادر چاه در قنات‌های مختلف متفاوت است و عمیق‌ترین آن در ایران قنات قصبه گناباد با حدود ٣۰۰ متر است.

هرنج: مجرای روبازی است که آب را از مظهر قنات تا ابتدای کانال انتقال آب اراضی هدایت می‌کند.

مزرعه: مزرعه منطقه زیر کشتی که پایین‌تر از خروجی قنات قرار دارد و از آب آن قنات مشروب می‌شود. وسعت این منطقه به عوامل مختلفی بستگی دارد از جمله آبدهی قنات، کیفیت خاک، نفوذپذیری خاک، آب و هوای محلی و غیره. اگر میزان جریان آب در خروجی قنات کافی نباشد، برای افزایش حجم آن، آن را در استخری ذخیره می‌کنند تا با سرعت و جریان بالاتری برای آبیاری مزارع استفاده شود. مدار آبیاری در مناطق مختلف متفاوت است و معمولا بین ۱۲ تا ۱۵ روز است. لازم به ذکر است که مدار آبیاری نوعی برنامه مدیریت آب برای سهامداران آب قنات است و بر اساس اینکه نوبت آبیاری مزرعه چه کسی است از آب قنات استفاده می‌شود. به عنوان مثال، اگر مدار آبیاری ۱۲ روزه است، هر کشاورز ۱۲ روز یک بار به اندازه تعیین شده حق استفاده از آب قنات را دارد.

روش ساخت قنات نیز در طول چند هزاره تغییر زیادی نکرده است. اولین قدم، شناسایی آب در بالادست است که معمولا در پای کوه و ابتدای دشت قرار دارد. محل این آب زیرزمینی با پیمایش سطحی توسط افراد خبره انجام می‌شود. سپس با حفر چاه‌های آزمایشی آن را امتحان می‌کنند تا از پایداری آن مطمئن شوند. سپس مقنی‌ها حفر چاه مادر قنات را شروع می‌کنند. چاه مادر معمولا یک متر قطر دارد. اگر مقنی‌ها خوش شانس باشن در عمق کمی به آب می‌رسند اما گاهی تا عمق صد متری نیز پایین می‌روند. حفاری باید در پاییز انجام شود که فصل کم آبی است و این امکان را می‌دهد تا چاه هر چه عمیق‌تر کنده شود.

مرحله بعدی پس از تعیین محل چاه مادر محاسبه مسیر و شیب کانال قنات بر پایه محل خروجی قنات است. شیب کانال قنات معمولا ۱ به ۱۵۰۰ است. اگر شیب کمتر باشد گندآب ایجاد می‌شود و اگر بیشتر باشد جریان آب باعث خوردگی می‌شود و قنات ریزش می‌کند. کنترل شیب توسط ریسمان و شاقول انجام می‌شود. در ابتدا توسط ریسمان، عمق چاه مادر محاسبه می‌شود. ارتفاع چاه‌های بعدی در کاغذ حساب می‌شود و عمق چاه‌ها در حین حفاری مرتبا با ریسمان کنترل می‌شود. سختی کار در این است که برای محاسبه عمق چاه‌های بعدی باید اختلاف ارتفاع سطح زمین نیز در نظر گرفته شود.

حفاری کانال قنات از محل خروجی قنات شروع می‌شود زیرا در صورتی که آب به تونل بیفتد، شیب تونل باعث تخلیه آن می‌شود و حفاری می‌تواند در سر تونل ادامه یابد. محل خروجی قنات معمولا میدان شهر یا روستا یا زمین کشاورزی فردی است که هزینه ساخت قنات را پرداخت می‌کند. درون کانال در محل خروجی آب معمولا سنگفرش می‌شود تا در مقابل طوفان دوام بیشتری داشته باشد.

مسئله بعدی تعیین امتداد و جهت مسیر است. این کار توسط دو چراغ روغنی یا شمع انجام می‌شده است. از روی زمین امتداد مسیر تا چاه مادر مشخص است. در این امتداد ریسمانی روی زمین گذاشته می شود. با اختلاف یک متر روی این ریسمان دو علامت زده می‌شود و در زیر این دو علامت یک چاه تخلیه کنده می‌شود. پس از حفر چاه به عمق محاسبه شده دو چراغ نفتی دقیقا در زیر دو علامت به ته چاه انتقال داده می‌شوند. این دو چراغ که در ته چاه قرار می‌گیرند دقیقا در امتداد مسیر قنات هستند و مقنی‌ها که حفاری کانال را شروع می کنند مرتبا خود را بااین دو چراغ می سنجند. آنها باید امتداد مسیر حفاری خود را با چراغ یکی کنند. برای این کار با یک چشم از وسط راهرو به چراغها نگاه می‌کنند. اگر امتداد کانال درست باشد باید دو چراغ را روی هم به صورت یک نقطه ببینند. اگر کانال منحرف شده باشد دو چراغ به صورت دو نور مجزا دیده می‌شوند و مقنی می‌تواند بفهمد چگونه باید مسیر را اصلاح کند.

نخاله حفاری در سطل‌های چرمی از نزدیک‌ترین چاه توسط چرخ چاه خارج و در کنار دهانه چاه تخلیه می‌شود. یک مقنی در سر تونل به حفاری ادامه می‌دهد و فرد دیگری مرتبا مسیر تونل را پیمایش می‌کند تا سطلهای خاک را به نزدیکترین چاه برساند و از آنجا آن‌ها را تخلیه کند. به این ترتیب اگر مسیر قنات را از آسمان نگاه کنید سوراخ‌هایی در زمین در یک امتداد دیده می‌شوند. تپه کوچکی که در کنار هر چاه درست می شود از ورود آلودگی سطح زمین به قنات جلوگیری می‌کند.

علاوه بر موارد اصلی در حفر قنات، برخی از ریزه‌کاری‌ها نیز در اجرای آن استفاده می‌شده است. وقتی تونل در خاک بکر و محکم حفر می شود نیازی به استحکام ندارد ولی خاک دستی، رسی و ناپایدار باعث ریزش سقف تونل می‌شود. با این شرایط باید قطعاتی در تونل کارگذاشته شود تا از ریزش آن جلوگیری کند. کیفیت اکسیژن درون تونل با رنگ شعله چراغ روغنی کنترل می‌شود. هر وقت رنگ شعله غیرعادی باشد مقنی‌ها تونل را ترک می‌کنند تا از گاز گرفتگی کشته نشوند. در این صورت یک چاه عمودی به کانال در حال حفاری حفر می‌شود تا گاز تخلیه شود. معمولا درکنار خروجی قنات یک استخر نیز ساخته می‌شود تا آب قنات را در خود نگه دارد تا در موقع لزوم از آن استفاده شود. در برخی موارد وقتی آب قنات به مصرف کشاورزی می‌رسد آن را گل‌آلود می‌کنند تا نفوذ کمتری به زمین داشته باشد و مسافت بیشتری را طی کند. با این روش هوشمندانه حجم هدردهی آب در جوی کمتر می‌شود.