Hydrogeologian, hydrologian ja vesihuollon historia

Alkusanat

Vesi on aina ollut korvaamaton osa ihmisten elämää ja olemme hyvin varhaisessa vaiheessa ymmärtäneet vesihuollon merkityksen. Lähes kaikki suuremmat kaupungit on perustettu vesistöjen läheisyyteen, koska vesi on elintärkeää elämälle, maataloudelle ja kaupankäynnille. Menetelmät vedenhallintaan ovat kehittyneet asteittain muun teknologisen kehityksen mukana. Nykypäivänä, etenkin Suomessa, on helppo ottaa vesi itsestäänselvyytenä, mutta ilman hyvää vesihuoltoa sitä ei olekaan saatavilla. Oppi vedenhallintaan on usein tullut kantapään kautta, sillä vesipula johtaa viljasadon heikkenemiseen ja nälänhätään, ja joskus jopa kapinoihin, kansanvaelluksiin ja sotaan. Tällä sivulla käydään tiivistetysti läpi vesihuollon, hydrogeologian ja hydrologian pitkä ja asteittainen kehitys ja historia.

Hydrologia ja hydrogeologia

Ihmisiä on aina kiinnostanut veden alkuperä, ja ensimmäiset primitiiviset teoriat veden luonnollisesta kiertokulusta tehtiin Antiikin Kreikassa Aristoteleen (382-322 eaa.) ja muiden filosofien toimesta, mutta sen ajan teorioissa oli vielä virheitä. Varsinainen kokeellinen tieteellinen tutkimus alkoi 1600-luvulla, jolloin hydrologian tieteenalan katsotaan syntyneen. Veden luonnollinen kiertokulku todistettiin ensimmäistä kertaa Pierre Perraultin kokeellisessa tutkimuksessa (1674), joka perustui Bernard Palissyn teoriaan (1580).

Hydrogeologialle luotiin perusta Henry Darcyn tutkimuksilla vuonna 1856. Darcy havaitsi veden virtaavan eri nopeuksilla eri materiaaleissa ja suoritti pohjaveden virtaamiseen liittyviä kokeita, jotka johtivat Darcyn lakiin. Laki kuvaa paineen, läpäisevyyden ja virtauksen välistä suhdetta huokoisessa aineessa. Hydrogeologian ja hydrologian tutkimus erotettiin toisistaan 1900-luvulla, koska niiden tutkimukseen vaaditaan erilaista osaamista ja käytetään erilaisia tutkimusmenetelmiä.

Mesopotamia (n. 5000–330 eaa)

Tunnetun historian mukaan kehittyneempi vesihuolto sai alkunsa Mesopotamian alueen sivilisaatioissa. Mesopotamian alueella kehittyi varhaisia kastelujärjestelmiä, joilla oli merkittävä vaikutus sivilisaatioiden syntyyn ja kehitykseen. Hydrogeologia tieteenalana on myöhempää perua, mutta vesistöjen hallinnan käytännöt (kuten kastelukanavat ja kaivot) ovat peräisin jo Mesopotamiasta. (Mays, 2010) Alue sijaitsi nykyisen Irakin, Iranin, Kuwaitin, Syyrian ja Turkin alueilla (Liverani, 2014). Se ei ollut yhtenäinen valtio, vaan kehittynyt alue, jossa oli useita kansoja. Näistä merkittävimpiä olivat Sumerialaiset (n. 4500–1900 eaa.), Akkadit (n. 2334–2154 eaa.), Babylonialaiset (n. 1894–330 eaa.), Assyrialaiset (n. 2000–612 eaa.) ja Persialaiset (n. 539–330 eaa.). (Roaf, 1990; Kuhrt, 1995; Van De Mieroop, 2016)

Sumer (n. 4500–1900 eaa.)

Sumerilaisten katsotaan olevan ensimmäinen tunnettu kaupunkikeskeinen sivilisaatio Mesopotamiassa. Sumerilaiset edistivät teknologiaa merkittävästi: heidän innovaatioihinsa kuuluivat muun muassa kirjoitusjärjestelmä (kiilakirjoitus), edistyneet kastelujärjestelmät ja matematiikka (Kramer, 2010; Van De Mieroop, 2016). Sumerilaisten ansiona pidetään myös aurinkokalenterin kehittämistä ja kuusikymmenjärjestelmää, jota käytämme yhä kellonaikojen ja kulmien mittaamiseen. (Robson, 2009; Nissen ja muut, 1993) Lisäksi he rakensivat ensimmäiset keinokastelujärjestelmät. Mesopotamian ilmasto oli kuiva ja kuumien kesien vuoksi veden varastointi ja pohjaveden hyödyntäminen olivat elintärkeitä. Maatalous perustui pääasiassa keinokasteluun, ja Tigris- ja Eufrat-joet olivat tärkeimmät veden lähteet. (Jacobsen, 1970)

Sumerilaiset olivat ensimmäisiä, jotka hyödynsivät arteesisia lähteitä ja kaivoja veden saannissa. Arteesiset lähteet esiintyivät luonnollisesti joillakin alueilla, ja niitä hyödynnettiin kylissä ja kaupungeissa. Kaivot oli usein päällystetty kivillä tai savitiilillä, jotta ne kestivät pitkään ja estivät sortumia. (Hodge, 2002) Sumerien vesihuollon suurin ongelma oli pohjavesien ja maaperän suolaantuminen, joka johtui pitkään jatkuneesta ja toistuvasta kastelusta. Maaperän suolaantuminen yhdistettynä kuivuuteen heikensi viljasatoja, ja valtakunta ajautui nälänhätään ja taantumiseen. Tämä heikensi sivilisaatiota merkittävästi ja osaltaan johti sen kukistumiseen. (Jacobsen, 1970)

Akkadin valtakunta (2334–2154 eaa.)

Akkadin valtakunta oli ensimmäinen tunnettu imperiumi maailmanhistoriassa. Sen perusti kuningas Sargon Suuri, joka yhdisti Mesopotamian kaupungit ja loi keskitetyn hallinnon. (Liverani, 2014) Akkadilaiset yhdistivät sumerilaisten erilliset kastelukanavat yhtenäiseksi järjestelmäksi, jotta vesi voitiin jakaa tehokkaammin suuremmalle alueelle (Mays, 2010). Samoin kuin sumerilaiset, myös akkadilaiset kärsivät kuivuudesta ja maaperän suolaantumisesta. Akkadin tarina on yksi tunnetun historian ensimmäisistä esimerkeistä siitä, kuinka ympäristön muutokset, akkadilaisten tapauksessa merkittävä kuivuus, voivat tuhota sivilisaation. (Weiss, 2017)

Babylonia (n. 1894–550 eea.)

Babylonia tunnetaan erityisesti Hammurabin laeista, edistyneestä kulttuurista ja insinööritaidosta. Babylonialaiset olivat ottaneet edeltäjiensä vesiongelmista opikseen ja ymmärsivät vesihuollon ja pohjavesien merkityksen paremmin kuin aiemmat valtakunnat (Mays, 2010). Babyloniassa torjuttiin maaperän suolaantumista viemäröintijärjestelmillä ja vaihtelemalla viljelykasveja (Jacobsen, 1982). Pääkaupunkiin rakennetut viemärijärjestelmät johtivat sadevettä ja pohjavettä ympäri kaupunkia. Kuivakausien varalle rakennettiin vesivarastoja ja tekoaltaita. (Hodge, 2002) Babylonialaiset kehittivät menetelmiä syvien kaivojen poraamiseen, joista saatiin vettä silloin, kun jokien virtaus oli vähäistä (Mays, 2010).

Assyria (n. 2000–612 eea.)

Assyria oli nykyisessä Irakissa sijaitseva valtakunta, joka valloitti lähes koko Lähi-idän alueen. Assyrialaiset olivat sotaisaa kansaa, jolla oli ensimmäisenä maailmassa vakituinen armeija. (Liverani, 2014; Van De Mieroop, 2016) Assyria sijaitsi vuoristoisemmalla ja kuivemmalla alueella kuin Babylonia, joten he tarvitsivat kehittyneempiä vesitekniikoita (Dalley, 2013). Assyrialaiset rakensivat ensimmäiset tunnetut akveduktit siirtämään vettä kaupunkien tarpeisiin. Yksi kuuluisimmista esimerkeistä on Niniven akvedukti (n. 700 eaa, tunnetaan myös nimellä Jerwanin akvedukti), jonka rakennutti kuningas Sennacherib. Nykyisen Irakin alueella sijaitseva akvedukti oli osa laajempaa vesihuoltojärjestelmää, joka kuljetti vettä 50 kilometrin matkan lähteiltä pääkaupunkiin. (Oates, 2004; Mays, 2010) Kaupunkien vesihuoltoon käytettiin syviä kaivoja ja arteesisia lähteitä, joista nostettiin pohjavettä (Hodge, 2002).

Persia (550–330 eea.)

Persia (nyk. Iranin alue), joka tunnetaan myös nimellä Ahemenidien valtakunta, oli aikansa mahtavimpia imperiumeja, joka hallitsi laajoja alueita Lähi-idässä, Välimerellä ja Keski-Aasiassa. (Kuhrt, 2007) Persiassa rakennettiin paljon patoja ja kastelukanavia (Mays, 2010), mutta persialaisten suurin panos maailman vesitekniikkaan oli qanat-järjestelmän kehittäminen. Qanat-järjestelmä koostuu maanalaisista tunneleista, joita pitkin kuljetetaan vettä pohjavesikerroksista. Innovaatio mahdollisti veden siirtämisen pitkiä matkoja ilman haihtumista. Järjestelmän merkittävyydestä kertoo se, että sitä käytetään edelleen monissa maissa. (Wulff, 1968)

Muinainen Egypti (n. 3100 eaa. – 30 eea.)

Niilin joki oli muinaisen Egyptin elämänlähde, sillä se toi vettä muuten kuivaan ympäristöön. Varhaiset vesihuoltoratkaisut, kuten kastelukanavat ja vesivarastot, perustuivat pääasiassa Niilin tulvavesien hyödyntämiseen. (Butzer, 1976; Said, 1993) Niilin luonnollinen virtaus jakautui pohjaveteen, joenhaaroihin ja suistoalueisiin, joita egyptiläiset oppivat hyödyntämään (Mays, 2010).

Myöhemmin kastelukanavia laajennettiin syvemmälle sisämaahan, ja ensimmäiset suuret keinotekoiset järvet ja patoaltaat rakennettiin. Myös pohjaveden hyödyntäminen lisääntyi kaivojen avulla. Egyptiläiset keksivät Shadufin, vipuvarrella toimivan veden nostolaitteen, jolla voitiin nostaa vettä pelloille (Hodge, 2002). Myöhemmin Egyptissä otettiin käyttöön persialaisten keksimä Qanat-järjestelmä, jolla pystyttiin paremmin hyödyntämään pohjavesiä (Wulff, 1968).

Vuonna 332 eea. Aleksanteri Suuri valloitti Egyptin tuoden mukanaan kehittyneet vesijohtojärjestelmät ja vesivarastot. Muinaisen Egyptin katsotaan päättyneen viimeistään 30 eea., kun Rooma valloitti maan. Roomalaiset tunnetaan akvedukteistaan, joita he alkoivat rakentamaan myös Egyptiin (Hodge, 2002).

Antiikin Kreikka (n. 800 eaa. – 146 eaa.)

Kreikan maantiede on vuoristoista ja jokien määrä on vähäinen, mutta alueella on paljon pohjavesiä ja lähteitä, joita hyödynnettiin juomavetenä (Mays, 2010). Suurkaupungeissa, kuten Ateenassa oli aikakauteensa nähden pitkälle kehittynyt vesihuolto. Suuren asukasmäärän takia ongelmana oli heikko sanitaatio ja likainen vesi, joka aiheutti sairauksia ja epidemioita (Antoniou ja muut, 2006). Hygieniaa pyrittiin parantamaan rakentamalla viemärijärjestelmiä ja julkisia käymälöitä. Kaupungeissa oli myös kylpylöitä ja akvedukteja, mutta ei samassa mittakaavassa kuin myöhemmin Roomassa. (Fahlbusch, 2006)

Eupalinos-tunneli Samoksen saarella on yksi merkittävimmistä antiikin vesihuoltohankkeista. Se on noin 1 036 metriä pitkä ja kaivettu vuoren läpi, jotta Samoksen pääkaupunki sai käyttöönsä puhdasta vettä. Rakennustapa osoittaa huomattavaa insinööritaitoa, sillä tunnelia kaivettiin kahdesta suunnasta yhtä aikaa ja se onnistuttiin yhdistämään keskellä vuorta. (O´Connor, 1993). Noin 55 metrin syvyyteen rakennettu tunneli on auki vielä tänäkin päivänä ja se on yksi UNESCOn maailmanperintökohteista.

Rooman valtakunta (753 eaa. – 476 jaa. )

Antiikin Roomassa vesihuolto oli kehittynyt pidemmälle kuin missään muussa sen ajan sivilisaatiossa. Vesihuollon näkökulmasta roomalaiset tunnetaan siitä, että he rakensivat paljon akvedukteja. Akvedukteja rakennettiin yhteensä yli 400 ympäri valtakuntaa. (Hodge, 2002; Bruun; 2016)

Rooma oli maailman ensimmäinen miljoonakaupunki. Suuresta asukasmäärästä huolimatta kaupungin sanitaatio oli paremmalla tasolla kuin aiemmissa valtakunnissa ja kaupungeissa, koska julkisia kylpylöitä ja käymälöitä oli paljon. (Wilson, 2001; Koloski-Ostrow, 2015) Roomalaiset insinöörit oppivat tuntemaan maaperätutkimuksen ja hydrologian perusteet omien havainnointiensa avulla (Oleson, 2008). Suuri asukasmäärä pakotti roomalaiset jatkuvasti myös etsimään uusia pohjavesiesiintymiä.

Uusia pohjavesiesiintymiä yritettiin etsiä monilla tavoin, kuten tarkkailemalla ympäristöä ja kasvillisuutta. Pohjavesialueilla kasvillisuus oli yleensä vihreämpää ja rehevämpää. Myös eläimiä seuraamalla saattoi löytää pohjavesilähteitä. Roomalaiset yrittivät arvioida pohjaveden laatua arvioimalla sen väriä, hajua ja makua. He ymmärsivät kokemuksesta pohjavesien uusiutuvuuden ja testasivat sitä seuraamalla, kuinka nopeasti kaivot täyttyvät vedestä. (Oleson, 2008; Crouch, 1993)

Roomalaiset olivat taitavia insinöörejä ja rakentajia: Cloaca Maxima (n. 600 eaa) oli yksi maailman ensimmäisistä viemärijärjestelmistä. (Hopkins, 2007) Roomalaiset kehittivät myös ensimmäisen lattialämmitysjärjestelmän, hypokaustin, jota käytettiin kylpylöissä, palatseissa ja varakkaiden roomalaisten kodeissa. Hypokaustin periaatteita käytetään edelleen nykyaikaisessa lattialämmityksessä. (Ulrich, 2007)

Hero Aleksandrialainen (n. 10–70 jaa.) oli matemaatikko, insinööri ja keksijä, joka teki merkittäviä edistysaskeleita hydrauliikan, mekaniikan ja nestemekaniikan tutkimuksessa. Yksi hänen vähemmän tunnetuista mutta erittäin vaikutusvaltaisista saavutuksistaan oli veden virtaaman mittaus. Se oli kuitenkin niin paljon aikaansa edellä, että sen merkitys ymmärrettiin kunnolla vasta 1700 vuotta myöhemmin, kun Daniel Bernoulli laajensi Heron ideoita. (Drachmann, 1963; Landels, 1978)

Kiina (221 eaa.)

Kiina on yksi maailman vanhimmista ja pisimpään jatkuneista sivilisaatioista. Välillä sitä on hallinnut ulkomaalaiset valtiot ja eri dynastiat, mutta vahvan kulttuurisen perustan ansiosta sen historia on katkeamatonta. Kiinan katsotaan syntyneen vuonna 221 eaa., kun Qin-dynastia yhdisti hajanaiset alueet yhdeksi valtakunnaksi, mutta jo ennen sitä alueella oli kehittynyt sivilisaatio. (Keay, 2009) Kiinan jokien Jangtsen ja Keltaisenjoen merkitys on ollut Kiinan vesihuollolle suuri. Tulvat ja kuivuudet vaikuttivat voimakkaasti maanviljelyyn, joten kiinalaiset kehittivät varhaisia tulvasuojelu- ja kastelumenetelmiä. Kiinassa rakennettiin yksi varhaisimmista kastelujärjestelmistä, Dujiangyan, joka mahdollisti tulvasuojelun ja maanviljelyn laajentamisen. (Elvin, 2004)

Han-dynastian (n. 206 eaa. – 220 jaa.) aikana tehtiin ensimmäiset hydrologiset tutkimukset ja teoriat, kun kiinalaiset tiedemiehet alkoivat systemaattisesti tutkimaan veden virtausta ja maan vedenpidätyskykyä. Kiinalaiset ymmärsivät myös pohjaveden merkityksen. Han-aikaiset insinöörit alkoivat seuraamaan, miten vesi kertyi eri maaperissä ja millä syvyydellä vesi löytyi helpoimmin. He havaitsivat, että vesi oli kirkkaampaa tietyissä kivikerroksissa, mikä viittasi siihen, että se oli suodattunut luonnollisesti. He toteuttivat myös tutkimuksia kaivojen täyttymisestä eri vuodenaikoina ja miten maanjäristykset tai tulvat vaikuttivat veden saantiin. Tutkimukset perustuivat käytännön havaintoihin, mutta ne loivat perustan myöhemmälle kehitykselle ja pohjavesien hyödyntämiselle. (Needham, 1971)

Song-dynastian (n. 960–1279 jaa.) aikana pohjavesien tutkimus ja hyötykäyttö otti seuraavat edistysaskeleet. Kaivonporauksen tekniikat kehittyivät merkittävästi ja ensimmäiset syvät porakaivot rakennettiin. Kiinalaiset ymmärsivät, että joillakin alueilla pohjavesi oli puhtaampaa kuin toisilla, ja pohjaveden syvyyttä ja laatua alettiin tarkkailla. (Sivin, 1995) Ajan merkittävimpiä tiedemiehiä oli Shen Kuo (1031–1095), joka teki monia uraa uurtavia havaintoja ja innovaatioita monella eri tieteenalalla. Hän ymmärsi, että pohjavesi voi virrata maan alla pitkiä aikoja ennen kuin se nousee pintaan lähteissä. Hän teorisoi ensimmäisenä, että maaperän ja kivilajien läpäisevyys vaikuttaa veden suodatukseen ja liikkeeseen, sekä sedimenttien suodattavasta ja puhdistavasta vaikutuksesta pohjaveteen. (Sivin, 1975)

Islamilaisen maailman tutkimukset (vuodet 800-1400)

Islamilaisen maailman tutkijat tekivät merkittäviä edistysaskeleita hydrologiassa ja hydrogeologiassa keskiajalla. Heidän työnsä loi perustan myöhemmälle eurooppalaiselle hydrologiselle tutkimukselle. (Nasr, 1968) Muinaiset persialaiset kehittivät qanat-järjestelmän, jota sittemmin on paranneltu vuosisatojen saatossa. Qanat-järjestelmien käyttö ei rajoitu vain Lähi-idän alueisiin, vaan niitä rakennettiin myös mm. Pohjois-Afrikkaan ja Espanjaan. (Wulff, 1968)

Persialainen insinööri ja matemaatikko Al-Karaji (953–1029) tutki pohjavesiä ja teki merkittäviä havaintoja pohjaveden virtauksen yhteydestä kaivoihin, ja veden liikkeen riippuvuudesta maaperän rakenteisiin. Hän huomasi, että vesi voi virrata maanalaisten kanavien kautta ja että kaivot voivat olla yhteydessä toisiinsa pohjaveden välityksellä (Rashed, 2013; Dhanani; 1993) Tämä oli varhainen oivallus akvifereista ja pohjaveden liikkeestä, jota alettiin tieteellisesti tutkia vasta 1600–1700-luvuilla Euroopassa. Irakissa Ibn al-Haytham (965-1040), joka tunnetaan parhaiten optiikan edistämisestä, kehitti myös menetelmiä veden virtauksen ja paineen tutkimiseen. Hänen hydrodynaamiset tutkimuksensa olivat varhainen esimerkki kokeellisesta tieteestä. (Raynad & Raynad, 2016) Persiassa Al-Biruni (973-1048) oli yksi ensimmäisistä, joka määritti veden tiheyden tarkasti vertaamalla sitä muihin nesteisiin ja tutki pohjaveden virtausta akvifereissa (Kennedy, 1983).

Kohti modernia hydrologiaa (1400-1700)

Rooman valtakunnan romahtamisen jälkeen Euroopassa ei tehty merkittäviä läpimurtoja tuhanteen vuoteen, mutta luostarit ylläpitivät roomalaisten tietoa kaivoista, lähteistä ja sadeveden keräämisestä (Chanson, 2004). Eurooppaa pidetään kuitenkin hydrologian syntypaikkana, koska veden luonnollinen kiertokulku todistettiin ensimmäistä kertaa ranskalaisen Pierre Perraultin kokeellisessa tutkimuksessa vuonna 1674, joka perustui toisen ranskalaisen Bernard Palissyn vuonna 1580 julkaisemaan teoriaan (Deming, 2003).

Sitä ennen renesanssin aikana alkoi järjestelmällinen tiedonkeruu luonnontieteissä, mikä vaikutti myös vesitieteisiin. Italialainen yleisnero Leonardo da Vinci (1452-1519) tutki vesiensuojelua ja jokien virtausmekaniikkaa. (Capra, 2008; Pedretti, 1998) Toinen Italialainen, Evangelista Torricelli (1608-1647), tutki ilmakehän paineen vaikutusta veteen ja kehitti barometrin. Torricellin elohopeabarometri osoitti, että vesi ei voi nousta kaivossa rajattomasti, vaan sen nousu riippuu ilmanpaineesta ja veden hydrostaattisesta tasapainosta. Tutkimus auttoi ymmärtämään arteesisten lähteiden toimintaa, joissa pohjavesi nousee paineen avulla maanpinnalle. (Middleton, 1964)

Samaan aikaan ranskalainen Edme Mariotte (1620-1684) teki monia merkittäviä hydrologisia ja hydrogeologisia löydöksiä. Mariotte huomasi, että sadevesi ei jää maan pinnalle vaan suodattuu hitaasti alaspäin, kunnes se saavuttaa kyllästetyn vyöhykkeen, jossa kaikki huokoset ovat veden täyttämiä. Mariotte tutki, kuinka nopeasti vesi imeytyy eri tyyppisiin maa-aineksiin ja huomasi, että karkeampi hiekka ja sora läpäisivät vettä nopeammin kuin hienorakeinen savi tai siltti, mikä oli varhainen havainto hydraulisesta johtavuudesta. Lisäksi Mariotte oli kiinnostunut pohjaveden uusiutumisesta, ja totesi, että pohjaveden määrä riippuu sateen määrästä ja maaperän kyvystä sitoa ja läpäistä vettä. (Freeze & Cherry, 1979; Dooge, 2003)

Englantilainen Edmond Halley (1656-1742) tunnetaan paremmin tähtitieteilijänä, mutta hänen panos hydrologiaan ja vesikiertokulkuun on myös merkittävä. Halley laski määrällisesti meriveden haihtumisen, joka auttoi ymmärtämään kuinka vesi kiertää luonnossa ja kuinka pohjavesi uusiutuu. (Biswas, 1970) Halley päätteli, että haihtunut merivesi tiivistyy pilviksi ja sataa takaisin maahan.

Vuodet 1700-1800

Uraauurtavia tutkimuksia jatkettiin Euroopassa 1700- ja 1800-luvuilla, kun sveitsiläinen fyysikko Daniel Bernoulli (1700–1782) kehitti Bernoullin lain, joka kuvaa paineen ja nopeuden suhdetta nesteissä. Lain mukaan virtauksessa nopeuden kasvaessa paine alenee. Teoria auttoi selittämään, kuinka pohjavesi liikkuu eri paineiden ja korkeuserojen vaikutuksesta. (Truesdell, 1954)

Tällä aikavälillä tehtiin lukuisia läpimurtoja matematiikassa ja fysiikassa, jotka vaikuttivat myös vesitieteiden kehitykseen. Ranskalaisen luonnontieteilijän Jean-Baptiste Joseph Fourierin (1768-1830) ja sveitsiläisen matemaatikon ja fyysikon Leonhard Eulerin (1707-1783) kehittämät matemaattiset menetelmät ja yhtälöt ovat nykyään keskeisiä pohjavesitutkimuksessa. Fourierin matemaattisia menetelmiä käytetään pohjaveden virtauksen ja lämpötilan vaihteluiden mallintamisessa. Vastaavasti Eulerin löydökset loivat perustan hydrodynamiikalle ja pohjaveden virtauksen ymmärtämiselle.

Ranskalainen Antoine de Chézy (1718-1798) kehitti Chézyn yhtälön, mikä mahdollisti tarkemmat laskelmat kanavien ja jokien virtausnopeuden ennustamiseen (Dooge, 2003). Italialainen Joseph-Louis Lagrange (1736–1813) tunnetaan Lagrangen mekaniikasta ja nesteiden liikkeen tutkimuksesta. Lagrangen koordinaattimenetelmä on yksi perusmenetelmistä nestevirtausten mallinnuksessa. (Batchelor, 2000) Ranskalainen Pierre-Simon Laplace (1749–1827) kehitti Laplacen yhtälön, joka kuvaa, kuinka paine, lämpötila ja muut fysikaaliset suureet jakautuvat eri ympäristöissä. Tätä yhtälöä käytetään pohjaveden liikkeen tutkimuksessa, koska se auttaa ymmärtämään, miten paine jakautuu maaperässä ja miten pohjavesi liikkuu eri kerroksissa. (Dagan, 1979)

Hydrogeologian tieteelliset perusteet luotiin Ranskassa, kun Henry Darcy (1803-1858) kehitti vuonna 1856 kuuluisan ja yhden tärkeimmistä hydrogeologian perusyhtälöistä, monikäyttöisen Darcyn lain. Se mahdollisti ensimmäistä kertaa pohjaveden virtauksen ennustamisen ja mallintamisen tarkasti. (Bear, 2013) Jules Dupuit (1804-1866) sovelsi Darcyn lakia ja hänen työnsä kaivojen ja akviferien analysoinnissa loi perustan vielä nykyäänkin käytetyillä hydrogeologisille malleille. Navier-Stokesin yhtälöt ovat matemaattisia yhtälöitä, jotka kuvaavat nesteiden ja kaasujen liikettä. Yhtälöt kehittivät Claude-Louis Navier (1785-1836) ja George Gabriel Stokes (1819-1903). Ne ovat yksi hydrodynamiikan ja fluidimekaniikan perustavista laeista, ja niitä sovelletaan laajasti hydrologiassa, hydrogeologiassa ja vesitekniikassa.

Myös vesihuollon kehittymisen kannalta tämä oli merkittävää aikaa. Väestönkasvu ja teollistuminen lisäsivät veden saastumista. Lisäksi sairauksien todistettiin leviävän saastuneen veden ja mikrobien kautta, minkä takia Euroopan suurissa kaupungeissa alettiin panostamaan sanitaatioon ja veden puhdistamiseen. Lontoossa otettiin ensimmäiset hiekkasuodattimat käyttöön, joilla pystyttiin puhdistamaan juomavettä. (Hamlin, 1990; Baker, 1948)

Teollinen vallankumous lisäsi pohjavesien käyttöä merkittävästi, koska tehtaat tarvitsivat paljon vettä. Tämä johti pohjavesien liialliseen pumppaamiseen, pohjaveden pinnan laskuun ja maaperän painumiseen. (Rosen, 2010) Teollisuus toi mukanaan riskin myös pohjavesien saastumiselle, kun vesistöihin ja maaperään alettiin laskea jätevesiä. Pohjaveden saastuminen kemikaaleilla, raskasmetalleilla ja öljytuotteilla on ollut yksi suurimmista teollistumisen haittavaikutuksista.

1900-luku

1900-luvulla hydrologian ja hydrogeologian tutkimukset kehittyivät merkittävästi tieteellisten tutkimusten ja teknologisten innovaatioiden myötä. Tällä vuosisadalla hydrologia ja hydrogeologia kehittyivät erillisiksi tieteenaloiksi, koska pohjaveden liikkeiden mallintaminen vaatii erilaisia matemaattisia ja fysikaalisia menetelmiä kuin pintaveden tutkimus (Deming, 2003). Alojen tutkimus vaatii erilaista osaamista ja tietoa, ja pohjaveden tutkimukseen kehittyi omat matemaattiset ja fysikaaliset mallit.

Charles V. Theis (1935) kehitti Theisin kaavan, joka perustuu Darcyn lakiin. Kaava mahdollisti ensimmäistä kertaa tarkkojen pohjaveden pumppausmallien laskemisen. Tämä johti kaivojen ja akviferien kestävän käytön ymmärtämiseen. Tietokoneet mullistivat pohjavesien hallinnan ja tutkimuksen, sillä niillä pystytään mallintamaan ja simuloimaan pohjavesien virtausta ja laatua luotettavasti (Anderson & Woessner, 1992).

Vesihuoltoon tuli valtavia edistysaskeleita, kun veden puhdistus ja sanitaatio kehittyi modernille tasolle. Louis Pasteurin ja Robert Kochin mikrobitutkimukset johtivat veden saasteiden ymmärtämisen kehittymiseen ja puhdistamiseen. Veden klooraus otettiin laajasti käyttöön, mikä vähensi tartuntatauteja huomattavasti. (Baker, 1948) Modernit jätevedenkäsittelylaitokset poistavat epäpuhtauksia tehokkaasti ja myös teollisuuden aiheuttamia saasteita pystytään rajoittamaan uusilla kemiallisilla menetelmillä, kuten saostuksella ja ioninvaihdolla.

Jos muinaisessa Mesopotamiassa ihmiset oppivat asioita kantapään ja katastrofien kautta, myös 1900-luvulla tapahtui lukuisia veteen liittyviä katastrofeja, joilla oli kamalia vaikutuksia. Toisaalta ne myös osoittivat, että vedenhallinta ja ympäristönsuojelu ovat elintärkeitä ihmisille ja ekosysteemeille. Kuuluisin katastrofi oli maailman neljänneksi suurimman järven, Araljärven kuivuminen (1960-1990) Neuvostoliiton kasteluhankkeiden takia (Micklin, 2007). Neuvostoliittolaiset päättivät ohjata Amu-Darja ja Syr-Darja-joet pois järvestä puuvillaviljelmien kasteluun. Tämä johti järven hiljattaiseen kuivumiseen ja suolaantumiseen, mikä tuhosi kokonaan kalastuselinkeinon ja paikalliset ekosysteemit.

Myös muualla maailmassa on tapahtunut vakavia vesihuoltoon liittyviä onnettomuuksia huolimattomuuden, välinpitämättömyyden tai tietämättömyyden takia. Vuonna 1975 Kiinassa murtui 63 huonosti suunniteltua patoa rankkasateiden takia, mikä aiheutti 171 000 ihmisen kuoleman (Qing, 2016). Teollisuuden saasteiden vaikutuksiin ja ympäristönsuojeluun havahduttiin, kun 1950-luvulla Yhdysvalloissa kemianteollisuuden jätteet vuotivat pohjaveteen Love Canalin alueella, mikä aiheutti alueen asukkaille suuria terveydellisiä ongelmia, ja vuonna 1978 alue jouduttiin evakuoimaan (Colten & Skinner, 1996).

Samaan aikaan myös Japanissa kemianteollisuus aiheutti vastaavanlaisen katastrofin. 1950-1970-luvuilla kemiantehdas laski elohopeapitoisia jätteitä Minamatan lahteen, jolloin elohopeaa kertyi kaloihin ja simpukoihin, jotka sitten myrkyttivät niitä syöneet ihmiset. (Harada, 1995) Yhdysvalloissa Cuyahoga-joki oli niin saastunut, että se syttyi tuleen teollisuuden jätteiden ja öljyvuotojen takia. Kyseessä ei ollut kertaluontoinen tulipalo, vaan joki oli syttynyt tuleen useita kertoja vuodesta 1948 lähtien. 1970-luvulla joesta tuli teollisuuden aiheuttamien saastumisten symboli ja johti lopulta Yhdysvaltain ympäristönsuojeluviraston perustamiseen ja teollisuuden jätevesien sääntelyyn. (Stradling & Stradling, 2008)

Vesitieteet ja vesihuolto Suomessa

Suomi on yksi maailman vesirikkaimmista maista, ja maailmalla Suomi tunnetaan ”tuhansien järvien maana”. Lempinimi ei ole tuulesta temmattu, sillä Suomessa on yli 187 000 järveä. Sademäärä ja haihtuminen ovat täällä tasapainossa, mikä takaa vesivarojen vakauden (SYKE, 2023). Suomessa on myös paljon pohjavesiesiintymiä, yli 6 000 luokiteltua pohjavesialuetta, joissa on erittäin puhdasta vettä (GTK, 2021).

Suomalaiset ovat käyttäneet kaivoja ja lähteitä vedenhankintaan jo satoja vuosia. Pohjavesien kartoittaminen alkoi Suomessa 1900-luvun alkupuolella, mutta järjestelmällisempi seuranta alkoi vasta 1960-1970-luvuilla. (Rintala & Laitinen, 2008) Ensimmäiset vesijohtoverkostot rakennettiin Helsinkiin 1800-luvun lopulla. 1900-luvulla kaupunkeihin rakennettiin tiuhaan tahtiin moderneja vedenpuhdistus- ja jätevedenkäsittelylaitoksia. (Katko ja muut, 2006) Tänä päivänä Suomen vesihuolto on maailman parhaimmistoa, mutta vanheneva infrastruktuuri ja ilmastonmuutoksen vaikutukset asettavat uusia haasteita.

Suomessa pohjavesitutkimuksia tekee Geologian tutkimuskeskus (GTK) ja Suomen ympäristökeskus (SYKE). Alueelliset ELY-keskukset ovat vesivarojen käytön ja ympäristönsuojelun valvovia toimijoita. Juomaveden ja jäteveden käsittelystä vastaavat vesilaitokset.

Lähteet

Allen, R. (2018). The Industrial Revolution: A Very Short Introduction. Oxford University Press.

Anderson, M. P., & Woessner, W. W. (1992). Applied Groundwater Modeling: Simulation of Flow and Advective Transport. Academic Press.

Antoniou, G. P., Angelakis, A. N., & Koutsoyiannis, D. (2006). Water Supply and Sanitation Technologies in Ancient Greece. Water Science & Technology: Water Supply, 6(3), 33–41.

Baker, M. N. (1948). The Quest for Pure Water: The History of Water Purification from the Earliest Records to the Twentieth Century. American Water Works Association.

Batchelor, G. K. (2000). An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press.

Bear, J. (2013). Dynamics of Fluids in Porous Media. Dover Publications.

Biswas, A. K. (1970). History of Hydrology. North-Holland Publishing.

Capra, F. (2008). The Science of Leonardo: Inside the Mind of the Great Genius of the Renaissance. Doubleday.

Chanson, H. (2004). The Hydraulics of Open Channel Flow: An Introduction. Elsevier.

Colten, C. E., & Skinner, R. (1996). The Road to Love Canal: Managing Industrial Waste Before EPA. University of Texas Press.

Crouch, D. P. (1993). Water Management in Ancient Greek Cities. Oxford University Press.

Dalley, S. (2013). The Mystery of the Hanging Garden of Babylon: An Elusive World Wonder Traced. Oxford University Press.

Deming, D. (2003). Introduction to Hydrogeology. McGraw-Hill.

Dhanani, A. (1993). The Physical Theory of Kalām: Atoms, Space, and Void in Basrian Mu‘tazilī Cosmology. Brill.

Dooge, J. C. I. (2003). Background to Modern Hydrology. Hydrology and Earth System Sciences, 7(1), 11–19.

Drachmann, A. G. (1963). The Mechanical Technology of Greek and Roman Antiquity: A Study of the Literary Sources. Munksgaard.

Elvin, M. (2004). The Retreat of the Elephants: An Environmental History of China. Yale University Press.

Fahlbusch, H. (2006). Aqueducts in Ancient Greece. In Angelakis, A. N. & Koutsoyiannis, D. (Eds.), Evolution of Water Supply Throughout the Millennia. IWA Publishing.

Finnish Environment Institute (SYKE). (2023). Finland’s Water Resources.

Geologian tutkimuskeskus (GTK). (2021). Pohjavesi Suomessa.

Hamlin, C. (1990). A Science of Impurity: Water Analysis in Nineteenth Century Britain. University of California Press.

Harada, M. (1995). Minamata Disease: Methylmercury Poisoning in Japan Caused by Environmental Pollution. Critical Reviews in Toxicology, 25(1), 1–24.

Hodge, T. A. (2002). Roman Aqueducts & Water Supply. Duckworth.

Hopkins, J. N. (2007). The Cloaca Maxima and the Monumental Manipulation of Water in Archaic Rome. The Waters of Rome, 4, 1–15.

Jacobsen, T. (1970). Early Political Development in Mesopotamia. Zeitschrift für Assyriologie und Vorderasiatische Archäologie, 52(2), 91–140.

Jacobsen, T. (1982). The Harps That Once…: Sumerian Poetry in Translation. Yale University Press.

Katko, T. S., Juuti, P. S., & Rajala, R. P. (2006). History of Water Services in Finland: Development of Water and Sanitation Services and Their Societal Impact in Finnish Communities. Finnish Water Utilities Association.

Keay, J. (2009). China: A History. HarperCollins.

Kennedy, E. S. (1983). Studies in the Islamic exact sciences. American University of Beirut.

Koloski-Ostrow, A. O. (2015). The Archaeology of Sanitation in Roman Italy: Toilets, Sewers, and Water Systems. University of North Carolina Press.

Kramer, S. N. (2010). The Sumerians: Their History, Culture, and Character. University of Chicago Press.

Kuhrt, A. (1995). The Ancient Near East, c. 3000–330 BC. Routledge.

Kuhrt, A. (2007). The Persian Empire: A Corpus of Sources from the Achaemenid Period. Routledge.

Landels, J. G. (1978). Engineering in the Ancient World. University of California Press.

Liverani, M. (2013). The Ancient Near East: History, Society and Economy. Routledge.

Mays, L. W. (Ed.). (2010). Ancient Water Technologies. Springer.

Micklin, P. (2007). The Aral Sea Disaster. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 35, 47–72.

Nasr, S. H. (1968). Science and Civilization in Islam. Harvard University Press.

Needham, J. (1971). Science and Civilization in China, Volume 4: Physics and Physical Technology, Part 2: Mechanical Engineering. Cambridge University Press.

Nissen, H. J., Damerow, P., & Englund, R. K. (1993). Archaic Bookkeeping: Early Writing and Techniques of Economic Administration in the Ancient Near East. University of Chicago Press.

O’Connor, C. (1993). Roman Bridges. Cambridge University Press.

Oleson, J. P. (2008). Handbook of Engineering and Technology in the Classical World. Oxford University.

Pedretti, C. (1998). Leonardo da Vinci: The Waters of Vision. Giunti.

Qing, D. (2016). The River Dragon Has Come!: The Three Gorges Dam and the Fate of China’s Yangtze River and Its People. M. E. Sharpe.

Rashed, R. (2013). The Development of Arabic Mathematics: Between Arithmetic and Algebra. Springer.

Raynaud, D., & Raynaud, D. (2016). The Legacy of Ibn al-Haytham. Studies on Binocular Vision: Optics, Vision and Perspective from the Thirteenth to the Seventeenth Centuries, 95-114.

Rintala, J., & Laitinen, N. (2008). Suomalainen vesihuolto 2000-luvulle. Suomen Vesiyhdistys.

Roaf, M. (1990). Cultural Atlas of Mesopotamia and the Ancient Near East. Facts on File.

Robson, E. (2009). Mathematics in Ancient Iraq: A Social History. Princeton University Press.

Scarborough, V. L. (2003). The Flow of Power: Ancient Water Systems and Landscapes. SAR Press.

Sivin, N. (1977). Shen Kua: Scientist, Engineer, and Statesman of Sung China. Science, 189(4199), 1051–1057.

Stradling, D., & Stradling, R. (2008). Where the River Burned: Carl Stokes and the Struggle to Save Cleveland. Cornell University Press.

Truesdell, C. (1954). The Kinematics of Vorticity. Indiana University Press.

Ulrich, R. B. (2007). Roman Woodworking. Yale University Press.

Van De Mieroop, M. (2016). A History of the Ancient Near East ca. 3000–323 BC. Wiley-Blackwell.

Weiss, H. (2017). 4.2 ka BP Megadrought and the Akkadian Collapse. In Oxford Research Encyclopedia of Environmental Science.

Wulff, H. E. (1968). The Qanats of Iran. Scientific American, 218(4), 94–105.