Hydrologia

Hydrologia eli vesitiede on geofysiikan osa-alue, joka tutkii veden esiintymistä, ominaisuuksia ja kiertokulkua maapallolla. Sen tutkimusalue painottuu Maan vesikehän mantereilla esiintyvään osaan. Meriä tutkii geofysikaalisesta näkökulmasta fysikaalinen meritiede.
Suomessa operatiivisia hydrologisia palveluita kuten tulvien ja lumikuorman arviointia hoitaa Suomen ympäristökeskus SYKE. Alaa voi opiskella Helsingin ja Oulun yliopistoissa, geofysiikan osastolla/laitoksella sekä Teknillisessä korkeakoulussa Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan laitoksella.

Määritelmä

Hydrologia tarkoittaa sananmukaisesti oppia vedestä, kreikan sana hydor on suomeksi vesi ja logos oppi. Hydrologia käsitteleekin laajassa mielessä veden fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, sen esiintymistä, jakautumista ja kiertoa maapallolla sekä sen yhteyksiä elolliseen ja elottomaan ympäristöön. Osa tähän määritelmään sisältyvistä osa-alueista, kuten meritiede, ovat itsenäisiä tieteitään, ja veden tutkimista on lisäksi monissa muissakin tieteissä. Hydrologia määritellään tästä syystä nykyään suppeammin veden kiertokulun eri vaiheiden ja niiden yhteyksien selvittämiseen erilaisissa ilmastollisissa ja fysiografisissa oloissa.

Osa-alueet ja suuntaukset

Hydrologia voidaan jakaa kolmeen alueeseen sen mukaan, mitä vesikehän osaa tarkastellaan. Hydrometeorologia tutkii ilmakehän vettä, pintavesihydrologia ilmakehän ja maanpinnan välissä olevan veden alkuperää ja esiintymistä ja geohydrologia maanalaisia vesiä. Hydrometeorologia käsittelee erityisesti ilmakehän veden alkuperää, esiintymistä ja määrää sekä sen vaihtelua. Pintavesihydrologia voidaan jakaa edelleen kryologiaan, joka tutkii lunta ja jäätä, potamologiaan, joka tutkii virtaavia vesiä, ja limnologiaan, joka tutkii järviä. Limnologian lasketaan käsittävän usein myös virtaavien vesien ja murtovesien tutkimisen. Geohydrologia tutkimuskohteisiin kuuluvat sekä vedellä kyllästyneen kerroksen että sen yläpuolelta maanpintaan ulottuvan kerroksen vedet. Ala on läheistä sukua geologialle ja pedologialle.
Kolmen pääsuuntauksen lisäksi hydrologiasta voidaan erottaa muitakin erityisalueita. Kemiallinen hydrologia tutkii veden kemiallisia ominaisuuksia, ekohydrologia veden kiertokulun ja eliöiden välistä vuorovaikutusta, hydroinformatiikka tietotekniikan sovelletuksia, isotooppihydrologia vesien isotooppisormenjälkiä ja taajamahydrologia hydrologisia erityispiirteitä rakennetussa ympäristössä.
Hydrologian suuntaustavat voidaan jakaa lähestymistavan ja siinä käytettävän menetelmän mukaan. Fysikaalisessa hydrologiassa kuvataan tarkasteltavia prosesseja luonnontoiminnan mukaan. Sovelletussa hydrologiassa puolestaan pyritään ratkaisemaan veden kiertoa ja hyväksikäyttöä koskevat ongelmat.

Tutkimus

Hydrologiaan kuuluvat vesivarantojen tutkiminen ja seuranta sekä koko veden kiertokulku luonnossa: sade, haihdunta, valunta. Hydrologia ja sen sovellukset liittyvät läheisesti ympäristötutkimukseen sekä vesivarojen hyväksikäyttöön. Tulvat ja niiden ennustaminen on globaali haaste hydrologialle, samoin juomaveden saanti ja riittävyys koko maapallolle. Ilmastonmuutos ja saastuminen lisäävät tarvetta hydrologiselle tutkimukselle. Suomessa tutkimus painottuu jokien ja järvien vesimääriin ja virtauksiin, maanalaisiin vesiin, lumi- ja jääpeitteen paksuuteen, kevättulvien ajankohtaan ja kattojen lumikuormaan.

Historia

Ihmiset ovat asuttaneet aina järvien ja jokien rantoja, joten koko ihmiskunnan historian ajan ihmisellä on ollut kiinnostusta makean veden hoitamiseen. Ensimmäisiä kanavia ja patoja rakennettiin jo 5 000–6 000 vuotta sitten. Hydrologisesta informaatiosta tulikin tärkeää tietoa jo varhaisissa korkeakulttuureissa Indus-, Tigris- ja Eufratjokien, Keltaisenjoen ja Niilin varsilla.
Varhaisimmat hydrologiset tiedot olivat kokemusperäisiä, ja vasta antiikin Kreikassa pyrittiin ymmärtämään veden käyttäytymistä. Roomalaiset alkoivat soveltaa monia kokemusten kautta kerättyjä tietoja ja rakensivat monia akvedukteja. Ensimmäinen roomalainen akvedukti valmistui 312 eaa., mutta vasta Heron Aleksandrialainen ymmärsi, että johdossa virtaavan veden määrä ei riipu vain johdon läpimitasta vaan myös veden nopeudesta.
Ensimmäisiä veden kiertokulun tutkijoita olivat Leonardo da Vinci ja Bernard Palissy. Hydrologian teoreettinen perusta alkoi hahmottua vasta 1600-luvulla. Sitä olivat erityisesti luomassa ranskalaiset Pierre Perrault, Edme Marriotte ja englantilainen Edmond Halley. Perrault osoitti, että joen virtaama johtuu sadannasta ja kuvasi sadeveden imeytymisen mekanismin. Mariotte puolestaan kirjoitti muun muassa lähteiden syntyä ja veden virtausnopeuden määrittämistä. Halley tutkimukset osoittivat, että merestä haihtuu suurin piirtein yhtä paljon vettä kuin joet niihin tuovat.
Kokeellinen hydrologia edistyi 1700-luvulla selvästi, mitä auttoivat matematiikassa, virtausmekaniikassa ja hydrauliikassa tehdyt keksinnöt. Sana hydrologia sai suurin piirtein nykyisen merkityksensä noin 1750. 1700-luvun aikana opittiin muun muassa tuntemaan hydrauliikan perusasioihin kuuluvat Bernoullin laki ja Chézyn kaava. Saksalainen Reinhard Woltman puolestaan rakensi virtaamien mittauksissa käytettävän siivikon. Kokeellisen hydrologian kulta-aika sijoittui 1800-luvulle. Englantilainen John Dalton esitti 1802 haudunnan ja vesihöyrynpaineen suhteen. Hydrometriassa 1800-luvun aikana tapahtuneita kehitysaskelia olivat Francisin patokaava, Andrew A. Humphreysin ja Henry Larcom Abbotin tekemä Mississippin ensimmäinen virtaamanmittaus ja Chézyn kertoimen määritys. Geohydrologian puolella Henry Darcy määritteli 1856 pohjaveden virtausta koskevan lain ja Jules Dupuit 1863 kaivoyhtälön.
Ensimmäiset viralliset tunnustukset hydrologian asemasta tieteenä tulivat 1900-luvun alussa, kun vuonna 1922 Kansainvälinen geodeettis-geofysikaalinen unioni ja vuonna 1930 American Geophysical Union perustivat hydrologian osastot. Kvantitatiivinen hydrologia alkoi todella kehittyä vasta 1930-luvulla. Leroy Shermanin vuonna 1932 esittämä yksikkövaluntakäyrä oli merkittävä teoreettinen kehitysaskel, sillä sen avulla pystyttiin arvioimaan sadannasta aiheuttuvaa valuntaa. Seuraavana vuonna Robert Horton esitti imeyntäteoriansa. Sadantaa ja haihduntaa käsittelevä hydrometeorologia kehittyi 1940-luvulla.
Hydrologian tutkimuksessa tietokoneistuminen on merkinnyt muutosta 1900-luvun jälkipuolella. Tietokoneiden avulla työläät monimuuttujamenetelmät ja erilaiset valunnan simulointimallit ovat tulleet arkikäyttöön. Ensimmäinen valuntamalli kehitettiin 1961 Stanfordin yliopistossa. Tilastomatemaattisten menetelmien käyttö ja erilaisten mallien soveltaminen kehittyi edelleen 1970- ja 1980-luvuilla.