Virtavesi

Virtavesi tai virtaava vesi on yleisnimitys sisävesille, jotka virtaavat luonnollisessa tai keinotekoisessa vesiuomassaan painovoiman vetämänä. Yleisiä virtavesien tyyppejä ovat esimerkiksi joet, purot, ojat, norot ja kanavat (sekä toisinaan myös maanalaiset joet). Virtavedet virtaavat ylemmiltä alueilta alavammille alueille ja ne laskevat tavallisesti järviin, meriin tai yhtyvät toisiin virtavesiin ennen sitä.

Suomessa kutsutaan toisinaan puhekielessä virtavesiksi myös vesireittien varrella sijaitsevien järvien salmia ja kapeikkoja, joissa esiintyy virtauksia.

Luokittelu ja nimistö 
Virtavesien luokittelussa voidaan erottaa puhekielen-, tieteellinen- ja lakiterminen luokittelu. Luokittelua tarkastellaan seuraavassa pääasiassa suomen kielen kannalta.

Puhekielen luokittelu 
Puhekielessä käytettävä virtavesien käsitteistö on syntynyt historiallisesti pitkän ajan kuluessa. Siinä ei virtaveden koon hahmottamisessa (joki, puro, oja, jne.) ole ollut käytössä eksakteja kriteerejä, vaan niiden valinnassa esiintyy paikallisia eroja. Joki on yleensä isompi kuin puro, mutta toisen paikkakunnan puro voi olla suurempi kuin toisen joki. Puhekielen nimistössä tuleekin ottaa virtavesien eksakti luokittelu viitteellisenä, vaikka ne riippuvatkin toisistaan jonkin verran. Ojan luonnollisen merkityksen rinnalle on keskiajalla yleistynyt uusi rinnakkaismerkitys, että se on ihmisen maaperään kaivama uoma vedelle. Esimerkiksi Suomessa on 1960-luvun metsien innokkaan ojittamisen seurauksena lukematon määrä ojia. Länsi- ja Etelä-Suomessa on yleistä käyttää ojan nimitystä puron asemesta, vaikka se olisikin luontainen puro.

Virtavesien nimityksiä suomen kielessä ja suomensukuisissa kielissä 
Vuonna 1745 kirjoitti Daniel Juslenius julkaisussaan Suomalaisen Sana-Lugun Coetus, että virtavia vesiä kutsutaan nimillä ”joki, virta, luoma, noro, ojando ja oja”. Jokea pienempiä vesireittejä ovat nykyään puro, oja ja noro.

Sanalle joki on olemassa vastineita sekä lähi- että etäsukulaiskielissä. Niitä ovat esimerkiksi karjalan joki, vepsän jogi, vatjan jõtši, viron jõgi, liivin jo'g. Etäsukulaiskielissä on saamen johka, mokšamordvan jov, komin ju ja unkarin vanhentunut jó. Joki-sana esiintyy kirjallisuudessa Agricolasta alkaen. Suuria jokia kutsutaan toisinaan nimellä virta tai kymi. Lapissa on varattu suurille joille saamen sana eatnu, joka on meänkielessä suomentunut muotoon eno, esimerkiksi joella Könkämäeno. Muutamalle suurimmalle Lapin joelle on kielessä varattu sana väylä, kuten on laita Tornionväylällä.

Purolle on olemassa sukulaiskielissä vain karjalainen vastine, josta se on levinnyt suomenkieleen. Noro on nuori suomen lähisukulaiskielten sana. Se on tarkoittanut esimerkiksi puroa, notkoa, uraa, uurretta tai muuta vastaavaa. Karjalassa noro tarkoittaa notkoa. Sen alkuperä on kuitenkin epävarma. Se saattaa olla deskriptiivisana verbistä norua. Vuonna 1644 sana tarkoitti säröä ja Agricola käytti sanasta muotoa noronen.

Sanalle oja on tarkka vastine inkeroisen, karjalan, lyydin, vepsän ja viron kielissä. Liivin kielessä vojā tarkoittaa vetistä notkelmaa tai lammikkoa. Kantasuomalaisesta sanavartalosta *o- tai *vo- polveutuu sana vuo, jonka johdos on vuotaa. Sana oja esiintyy kirjallisuudessa Agricolasta asti. Muodot luoma ja luopa esiintyvät vielä nimistössä Pohjanmaalla samoin kuin sanan puron muunnos puru. Luoma tarkoittaa paikoin myös jokea.

Määritelmät Suomen lainsäädännössä 
Suomen vanhan vesilain mukaan virtaavan veden virtavesistöä pidettiin jokena, jos siinä vuoden vähävetistä aikaa lukuun ottamatta voitiin kulkea soutamalla, mikäli koski tai kari ei ollut esteenä. Virtavesi, jossa keskivirtaama oli vähintään kaksi kuutiometriä sekunnissa, katsottiin kuitenkin aina joeksi. Jokea vähäisempi virtavesi oli puro.

Uusi vuonna 2012 voimaan tullut vesilaki määrittelee joen eri tavalla kuin ennen. Uudessa laissa joella tarkoitetaan virtavesiä, joiden valuma-alue on vähintään sata neliökilometriä. Käytännössä jotkut purot muuttuivat nyt joiksi. Purolla tarkoitetaan jokea pienempiä virtavesiä, joiden valuma-alueen pinta-ala jää alle sataan neliökilometriin. Jos valuma-alueen pinta-ala jää alle 10 neliökilometriin eikä siinä virtaa jatkuvasti vettä eikä siinä kulje merkittävästi kalaa, on se silloin noro. Jos joku noron määritelmistä ei päde, on se silloin puro. Uusi laki muuttaa jotkin norot puroiksi. Laki ei määrittele ojaa tai muuta kaivettua uomaa mitenkään, mutta laissa ojituksella tarkoitetaan maan, noron ja puron kaivamista veden virtaamisen turvaamiseksi. Luontaisiin virtavesiin kajoaminen on luvanvaraista ja samoin merkittävä maaperän ojitus. Vaikka noro ei olekaan uuden lain mukaan vesistö, voidaan sitä suojella vesiluontotyyppinä.

Tieteellinen luokittelu 
Tieteellinen tutkimus ei ota kantaan virtaveden kokoluokituksiin. Virtavesien oppi potamologia on geofysiikassa hydrologian alatiede ja se päämäärä on oppia virtavesien yleisiä ominaisuuksia. Suomalaisessa potamologisessa kirjallisuudessa käytetään karsittua puhekielen termistöä: joki, puro ja noro sekä oja ja kanava. Hydrografisessa kirjallisuudessa erisuuruiset virtavedet luokitellaan esimerkiksi niiden leveyden mukaan. Kansainvälisessä potamologisessa kirjallisuudessa käytettävä virtavesien termistö vaihtelee maan ja kielen mukaan eikä ole aina rinnastettavissa suomalaiseen käytäntöön.

Virtaveden osia ja muuta termistöä 
Edellä selostettu kokoluokituksen nimistö on tärkeä, kun keskustellaan virtaveden ominaisuuksista. Monet puroille tyypilliset ominaisuudet eivät ole tärkeitä joelle ja päin vastoin. On kuitenkin olemassa kaikille virtavesille yhteisiä ominaisuuksia ja niihin liittyvää termistöä.

Virtaveden ja sen ympäristön ominaisuuksia 

Virtavedet saavat vetensä veden kiertokulusta, jossa meristä ja mantereilta haihtuu vettä, joka sataa maahan mantereilla. Osa sataneesta vedestä haihtuu heti pois, osa valuu pintavaluntana virtavesiin ja loput painuu maahan pohjavedeksi. Virtavedet saavat vetensä vedenjakajan rajamalta alueelta, jota kutsutaan valuma-alueeksi.

Virtavesi voi olla ympärivuotinen tai vuodenajasta riippuva vesistö. Esimerkiksi aridissa ilmastossa aavikkojoet virtaavan vain sadekauden ajan ja kuivuvat kuivakaudella. Virtavesi voi myös kuivua, kun pakkanen jäädyttää veden sen valuma-alueelta ja sateet tulevat vain lumena. Humidilla ilmastoalueilla jatkuvasti juoksevien virtavesien veden määrässä voi tapahtua näkyviä vaihteluita esimerkiksi yksittäisten sadekuurojen tai keväällä sulavan lumen takia. Virtaveden lähde tarkoittaa sen alkukohtaa. Lähde voi olla esimerkiksi järvi, maasta pulppuava lähde, sulava jäätikkö tai hitaasti purkautuva suo. Lähteeksi katsotaan joskus myös toinen virtavesi (lähdejoki).

Virtaveden uomaksi kutsutaan sitä maaston matalinta aluetta, jonne vesi kerääntyy ja jossa se virtaa alaspäin. On yleistä, että maahan satanut vesi kerääntyy aluksi pieniksi uomiksi, jotka yhtyvät suuremmiksi uomiksi ja jotka lopuksi yhtyvät sivu-uomina yhdeksi pääuomaksi. Uoman osaa kutsutaan juoksuksi ja tavallisia nimityksiä ovat virtaveden ylä-, keski- ja alajuoksu. Uoma voi haarautua myös sen ylä- tai keskijuoksulla. Tällainen rinnakkainen uoma voi yhtyä takaisin pääuomaansa muodostaen putaan ja sen sisälle saaren tai se voivat lähteä eri suuntaan ja silloin se laskee järveen tai mereen eri paikassa. Joki on jälkimmäisessä tapauksessa silloin bifurkaatiojoki. Pääuoma loppuu yleensä yhteen paikkaan sen laskiessa joko järveen tai mereen. Laskukohtaa kutsutaan joensuuksi. Suu voi päättyä suoraan vesistön tai meren rantaan, se voi levitä siellä lahtimaiseksi estuaariksi, tai se voi muodostaa sen rantaan suiston eli deltan. Suistossa pääuoma haarautuu muutamaksi rinnakkaiseksi suuhaaraksi. Meren rannikolla suiston muodostumiseen vaikuttavat vuorovedestä tai sääoloista johtuvat vedenpinnan korkeusvaihtelut, joita ei järven rannikolla esiinny. Vuorovesi voi myös nostaa virtaveden alajuoksulle vuoksiaaltoa seuraavan lyhytkestoisen tulvan. Merellinen suisto on eliöstölle murtovesiympäristö, jonka ekologia poikkeaa sekä meren- että joen ekologiasta. Aridin ilmastovyöhykkeen alueilla uoma voi loppua aavikolle, kun uoman loppupäässä virtaava vesi on joko haihtunut pois tai imeytynyt kuivaan maahan.

Uomassa virtaava vesi aiheuttaa kulutuksellaan maaperään tai kallioperään vesieroosiota. Virtaava vesi tempaa mukaansa maaperän keveitä maa-ainehiukkasia, jotka veteen liettyneenä kulkeutuvat virran mukana alajuoksulle päin. Veteen liukenee myös mineraaleja ja suoloja, jotka joutuvat lopuksi mereen. Nopeasti virtaavat kohdat voivat kuluttaa uomaa syvemmäksi ja hitaammin virtaavissa kohdissa liete kasautuu pohjalle madaltaen uomaa. Uoman tulviessa liete voi levitä uoman reunavallien yli lähiympäristöön, jonne se laskeutuu. Toistuvat tulvat synnyttävät uoman lähiympäristöön tulvatasankoja, joiden vastine suistojen lähiympäristöissä ovat suistotasangot. Uomat muuttuvat aikaa myöden mutkitteleviksi (meanderointi) ja kun ne ovat riittävän mutkaisia, saattavat ne tulviessaan puhkaista ja samalla oikaista itselleen uusia uomia. Uusi uoma ympäröi yhdessä vanhan mutkan kanssa jokisaaren ja vanhasta uomasta saaren takana tulee pudas. Pudas kerää yleensä sedimenttiä uoman pohjalle ja alkaa se madaltuessaan kasvamaan umpeen. Silloin vanhat putaat katkeavat joen lahdiksi ja ne voivat aikanaan kuroutua erilleen järviksi, joita kutsutaan juoluoiksi.

Jos uoma syntyy maaperään, on jokilaakson eroosio nopeaa ja rannat muodostuvat jyrkkärinteisiksi ja helposti sortuviksi rantatörmiksi. Tällaista muodostumaa kutsutaan raviiniksi. Tulvat huuhtovat raviinien rinteitä ja leventävät uomalle leveän pohjan. Tällaiset rinteet voivat sortua uoman pohjalle ja tapahtumasta jää näkyviin vyörymäarvet. Joella voi olla uoma tulvatasangolla, ja kun joen kynnyskohta alempana kuluu pois, syvenee uoma tulvatasangolla lisää. Silloin jää joelta ylemmäksi rannoille vanhoja terasseja, jotka kertovat joen uoman aikaisemmista vaiheista. Virtavesi voi virrata jokilaaksossa, jota reunustaa korkeat vuorenrinteet. Myös tasaisella alueella voi sen eroosio kuluttaa sille jyrkät rannat, kun se virtaa aina vain syvemmällä. Tällaista laaksoa kutsutaan V-laaksoksi. Uoman pitkittäissuunnassa esiintyvillä korkeuseroilla on tapana aikaa myöten tasaantua, kun kynnyskohdat kuluvat välistä pois. Suomen uomat ovat yleensä geologisesti varsin nuoria ja eroosio on niissä vielä nopeaa. Nuoren virtaveden kulkua nopeuttavat jyrkät kohdat, jonne muodostuu virtapaikkoja, koskia tai vesiputouksia.

Lisää nimityksiä 
Akanvirta eli koste, on takaisin vastavirtaan joskus pitkällekin johtava virtaus, etenkin rantojen tuntumassa ja esteiden (kivien) takana.
 Kuru, jyrkkärinteinen laakso, usein myös jokilaakso
Köngäs on jyrkkä vaahtoava vesiputous.
Luusua on järvestä alkavan joen lähtöpaikka, joka on muodoltaan suppilomainen lahti.
Niska joessa tai järvessä kosken ylävirranpuolella sijaitseva kynnyskohta.
Pato on jokeen tehty rakennelma, jolla kanavoinnin avulla parannetaan vesiliikennettä tai tuotetaan energiaa.
Päävirta on uoman kohta, jossa suurin osa vedestä virtaa. Joen mutkassa se kulkee uoman ulkokaarteessa.
Suvanto on hitaan ja rauhallisen virtauksen alue.
Sahi on koskipaikan alapuolelle kertynyt pienten kivien matalikko.
Sulku on jokeen tai kanavaan rakennettu laite, jonka avulla veneet voivat kulkea huoleti alas jyrkistäkin pudotuksista, sekä pystyvät myös kulkemaan ylävirtaan vaivatta.
Syväväylä on virtaveden syvin kohta ja usein päävirran kulkukohta.
Särkkä on irtonaisesta aineksesta koostuva veden pinnan alainen aineskasautuma.

Virtavesien hydrologia 
Virtavesiä tutkitaan yleisen hydrologian keinoin, jotta niitä voidaan esimerkiksi hallita täytettäessä yhteiskunnan vesitalouden tarpeita, varautuessa tulviin ja kuivuuteen, ja pyrittäessä takaamaan ekologisten olosuhteiden säilyttäminen.

Veden alkuperä 
Veden kiertokulku tuottaa virtavesien uomissa virtaavaa vettä haihduttamalla sitä ensin meristä ja mantereilta. Ilmankosteus kulkeutuu mantereiden ylle, jossa se sataa sitten maahan. Vaikka osa vedestä imeytyy maahan ja toinen osa haihtuu heti takaisin ilmakehään, jää loput vedestä maanpinnalle valumaan korkeilta seuduilta matalimmille seuduille. Nämä pintavedet muodostavat uomaverkostoja, joiden uomat kuljettavat vettä järvien ja lampien kautta takaisin meriin. Maan alla sen pintakerroksessa virtaavat näkymättömät vesivirrat, jossa ne joko valuvat maavetenä uomiin tai ne vajoavat ensin pohjaveteen ja yhtyvät vasta sieltä uomiin samalla tavalla kuin esimerkiksi järvien pohjassa olevat lähteet.

Pintakerrosvesien erilaiset mekanismit tuottavat erilaisia veden alkulähteitä, joista tulee uomaverkostoon vettä. Virtaveden lähde voi olla selkeästi järvi tai lampi, josta joki tai puro alkaa. Silloin virtavesi voi saada järvestä uomaansa paljonkin vettä ja sen virtaama on heti suuri. Virtaveden lähde voi myös olla maan alta pohjavettä pulppuava lähde tai lähteikkö. Lähteiköt tuottavat yleensä pieniä vesimääriä ja niistä alkavat virtavedet ovat noroja mutta joskus jopa puroja.

Toisinaan norojen syntytapa voi olla vaikeaa havaita, sillä ne voivat muodostua esimerkiksi pitkään mäenrinteeseen satavasta vedestä. Sateen pintavalunta ja pintakerrosvalunta kertyy alempana rinteessä yhteen ja muodostaa kosteita alueita. Kosteiden alueiden vedestä alkaa muodostua pieniä noroja, mutta ne ovat aluksi huomaamattomia tai ne virtaavat maanpinnan alla (piilonoro) ja tulevat vasta alempana rinteessä näkyviksi. Näkyvä noro on voinut kuluttaa maaperään kapean uoman, joka kuivuu poudalla ja virtaa vettä sateella.

Virtaveden vesitase 
Virtaveden vesitaseessa tarkastellaan veden tulemista uomaan ja sen katoamista uomasta. Ensinnäkin, uomasta katoaa osa vedestä pintahaihduntana. Myös kasvillisuus imee vettä uomasta ja uoman rantavyöhykkeestä, jolloin vesi haihtuu ilmaan kasvien lehdiltä. Kasteluveden osuus poistumasta vaihtelee alueittain riippuen viljelijöiden vedentarpeesta. Myös muun yhteiskunnan tarpeet määräävät, paljonko virtavedestä otetaan käyttövettä.

Toiseksi, osa vedestä vajoaa pohjan läpi maaperään. Koska virtavedet virtaavat maastossa sen matalimmassa osassa, on pohjavesi uoman kohdalla lähellä maan pintaa, mutta johtuen uoman valitsemasta reitistä ja reitin kallioperän muodosta, voi vettä toisaalla vajota maaperään ja toisaalla tihkua maasta takaisin uomaan. Tätäkin asiaa on tutkittu Suomessa. Meillä on käytössä termit esivesi, joka on maaperään vajonnut vesi, ja uusivesi, joka on lumesta ja sateista peräisin oleva vesi. On esimerkiksi huomattu, että metsäisellä valuma-alueella lähes kaikki vesi, joka purkautuu pienistä virtavesistä, on esivettä. Samoin, peltomaan virtavedessä on suurin osa uusivettä, vaikka pääosa siitä saadaankin salaojista.

Kolmanneksi, uoman varteen tulee yleensä lukemattomia sadevettä tuovia noroja. Kaivettujen ojien johtaminen virtavesiin vaihtelee alueittain suuresti. Esimerkiksi Pohjoismaissa on ojitettu metsiä ja peltomaita voimakkaasti. Ojitus ohjaa esimerkiksi sateiden ja kevään sulamisvesien päätymistä uomiin ja nostaa nopeasti uoman vedenpinnan korkeutta.

Virtavesien virtaamat 
Virtavedet ovat riippuvaisia sadannasta, joka tuo virtaveden valuma-alueelle vettä. Esimerkiksi uomien kaltevuudet sekä niiden leveys- ja syvyyssuhteet vaikuttavat uoman kykyyn kuljettaa vettä eteenpäin. Periaatteessa yksinkertainen uoma, jossa kaltevuus, leveys ja syvyys vaihtelevat, siirtää jokaisessa kohdassaan yhtä paljon vettä aikayksikköä kohden eteenpäin (virtaama). Kun tulevat vesimäärät kasvavat, nousee vedenpinta uomassa ja silloin on mahdollista, että vesi tulvii rantapenkereiden yli ranta-alueille. Juuri tulvien aikana on uoman kuljetuskapasiteetti kriittisimmillään, sillä pitkän uoman varrella voi esiintyä pullonkauloja. Tulviva vesi ei ehkä mahdu kallionkapeikosta läpi tai sillan ali, jolloin vedenpinta nousee pullonkaulakohdan yläpuolella vaarallisesti. Tulvaennusteet ja tulvienhallinta onkin eräs virtavesien hydrologisten tutkimusten tavoitteista. Virtaveden vedensiirtokykyä on opittu tutkimaan 1800-luvulta lähtien ja useimpien jokien vesimääriä seurataan nykyään uoman varteen sijoitettujen mittauspisteiden avulla. Mittaustiedot hyödyttävät erityisesti virtauksien säännöstelyä vesivoimataloudessa, mutta niitä käytetään myös tulvariskin arvioinnissa.

Eräät virtavedet sijaitsevat seuduilla, jotka tuottavat vettä uomaan epäsäännöllisesti, tai uomien ominaisuudet ovat sellaiset, että niissä virtaa vesi vain hetken kerrallaan. Vuorilta tulevat uomat ovat toisinaan jyrkkiä ja kun rinteille sataa vettä, kertyy vesi uomiin nopeasti ja syntyy hetkellinen tulva. Vuoristotulvalla voi olla niin suuri liike-energia, että se on kuluttanut virtavedelle syvän uoman ja huuhtonut siitä mennessään kiviä ja muita esteitä, jotka ovat kertyneet alarinteen uomiin. Virtaamat voivat vaihdella myös vuodenaikojen mukaan. Aavikolla sijaitsevissa virtavesissä voi uoma olla kuiva useita kuukausia, mutta kun ilmastossa vallitsee kosteammat vuodenajat, alkavat sateet kerryttää uomaan vettä (wadi). Oma lukunsa ovat kylmillä alueilla sijaitsevat virtavedet. Niissä uomat ovat kokonaan tai osittain kuivia kylmän vuodenajan aikana, kun sateet tulevat vain lumena. Jäljelle jäänyt uomien vesi voi lisäksi jäätyä pohjaan asti. Kun keväällä lumi sulaa, kertyy uomaan kerralla usean kuukauden vesimäärät. Tämä nostaa virtaamia moninkertaisiksi ja nyt virtaavan veden voima pystyy työntämään jäätkin mukanaan ennen kuin ne ehtivät sulamaan paikoilleen. Jäälohkareet voivat ruuhkautua esimerkiksi kapeikkojen ja koskien kohdilla niin, että syntyvien jääpatojen yläpuolelle muodostuu tulvia.

Virtavesien valuma-alue, uomat ja vesistö 

Edellä kuvattuja ilmiöitä voidaan tutkia ja selittää huomioimalla virtaveden valuma-alueen ominaisuuksia. Sen maaperän kyky imeä sadevettä vaikuttaa jäljelle jäävän pintaveden määrään, joka joutuu myöhemmin uomaan. Pintaveden virtaamista rajoittaa lisäksi kasvipeitteen laatu ja maaston kaltevuudet ja niiden suunnat. Mikäli maaperää on ojitettu tai kasvillisuus on poistettu esimerkiksi hakkuilla, virtaa vesi nopeammin sitä kerääviin uomiin. Kun virtaveden valuma-alue on laaja, on alueelle voinut syntyä suuriakin sivu-uomia, jotka tehostavat veden kuljetusta vesistön pääuomaan.

Vedet valuvat painovoiman vetämänä maaston kaltevuuksia seuraten alaville seuduille. Kullakin sivu-uomalla on maaston ylemmillä alueilla valuma-alueensa, josta sen vesi on peräisin. Kun uomat yhtyvät toisiinsa, yhdistyvät myös näiden valuma-alueet toisiinsa. Alajuoksun pääuoman valuma-alue voidaan tämän periaatteen nojalla jakaa erillisiin valuma-alueisiin, joilla on omat sivu-uomansa, ja sivu-uomien valuma-alueet voidaan jakaa vieläkin pienempiin valuma-alueisiin, joilla on omat sivu-uomansa, ja niin edelleen.

Kukin valuma-alue on siten osa suurempaa valuma-aluekokonaisuutta. Valuma-alueen virtavedet sivu-uomineen muodostavat geomorfologisen rakenteen, joka muistuttaa lehdetöntä puuta. Sen eripaksuiset oksat ovat jokia tai puroja ja pienimmät oksat ovat noroja. Puun runko vastaa valuma-alueen pääuomaa, jonka kautta kaikki valuma-alueelta tuleva vesi poistuu alueelta. Puun kaikki haarat ja niiden oksat muodostavat yhtenäisen vesistön. Vesistö ja sen rantojen lähiympäristö muodostaa myös ekologisen ympäristön, joka toimii ekologisena käytävänä siinä viihtyville eliöille.

Suomalaisten vesistöjen uomaverkosto on viime jääkauden kulutustyön ja kallioperän rakenteen laadusta johtuen omanlaisensa, jonka epäsäännöllinen geomorfologia on synnyttänyt suomalaiseen hydrologiaan lisäkäsitteen vesireitti. Sillä tarkoitetaan sovittua pääuomaa, joka sisältää runsaasti järviä ja niiden välisiä lyhyitä jokia, ja jonka kautta valuma-alueen vedet poistuvat suurella virtaamalla seuraavaan vesistöön tai mereen asti. Järvien väliset joet alkavat yläpuolisen järven luusuasta ja laskevat alempana seuraavan järven joensuuhun. Näiden jokien pääuoma on helppo hahmottaa.

Virtavesien geomorfologia ja dynamiikka

Virtavesien geomorfologia 
Valuma-alueen sisällä uomat muodostavat uomaverkoston. Sen uomilla on keskenään erilaisia suuntia, uomilla on eri tapoja yhtyä toisiinsa ja ylipäätään uomaverkoston koko geometria voi poiketa merkittävästi toisista uomaverkostoista. Verkostojen erilaiset ominaisuudet johtuvat usein maaston geologiasta, joka on yhdistelmä kallioperästä ja sen päällä sijaitsevasta maaperästä. Maaperän kallistussuunnat vaikuttavat veden virtaamissuuntiin ja virtaavan veden eroosion vaikutukset kohdistuvat ensiksi maaperään ja sen jälkeen tämän alla olevaan kallioperään. Pitkäikäiset uomaverkostot ovat saavuttaneet kokonaan tai osittain kallioperän, johon veden eroosio on alkanut työstää uomaa. Jos kallioperässä on erilaisia kivilajeja, ohjautuvat veden virtaukset heikommin eroosiota kestävien kivilajien sisälle. Jos kallioperässä on murroksia tai siirroksia, ohjautuu veden virtaus näihin rakoihin. Nuoren uomaverkoston rakenne ja muoto voi poiketa suuresti vanhasta uomaverkostosta juuri eroosion vuoksi. Nämä uomaverkoston ominaisuudet muodostavat sen geomorfologian. Tieteenalana geomorfologia tutkii ja selittää muun muassa virtaavan veden aiheuttamia ilmiöitä ja niistä syntyneitä uomien ja maaston muotoja.

Eroosion aiheuttamia muutoksia 
Nopeasti virtaavassa vedessä on liike-energiaa, joka pystyy tekemään työtä esimerkiksi irrottamalla maa-ainesta uoman pohjasta, rannoilta tai ranta-alueilta. Myös veden aallokko kuluttaa rantoja eri tavoin. Irronnut maa-aines koostuu yleensä pienistä mineraalipartikkeleista ja orgaanisesta materiasta. Voimakas virta voi myös kuljettaa mukanaan hiekkaa, soraa ja pieniä kiviä. Suuremmat kivet osuvat silloin toisiinsa, jolloin niistä iskeytyy irti materiaalia ja ne pyöristyvät. Kivien liike uoman pohjakalliota vasten toimii vastaavalla tavalla. Lauhkeilla vyöhykkeillä voi virtavesien pinta jäätyä ja jäidenlähdön aikana patoutuvat jäät kuopivat uoman pohjaa ja rantatöyräitä. Veteen uponneet puunrungot toimia liikkuessaan vastaavalla tavalla. Veden virtausnopeuden hidastuessa veden kuljettama maa-aines laskeutuu uoman pohjalle vähentäen uoman syväystä. Kasautumisessa syntyvät esimerkiksi särkät ja muut matalikot sekä pohjalle kertyvä tiivis sedimentti.

Virtavesien eroosiossa tärkeimmät muutosprosessit ovat maa-aineksen kulutus, sen kuljetus ja kasaantuminen. Myös hiljainen virtaus aiheuttaa muutoksia uomien muotoihin. Niitä ovat esimerkiksi pohjalle kertyvien särkkien ja matalikkojen siirtymät, tulvien rannoille nostaman lietteen kertyminen, rannoilla tapahtuva aallokon ja muun kulutuksen aiheuttama eroosio, muut kasautumisilmiöt rannoille, uoman siirtyminen tai kääntyminen (meanderointi), uomien jakautuminen tai haaroittuminen, saarien syntyminen ja katoaminen, sekä suistojen ja estuaarien tapahtumat. Kiinnostavia aihealueita ovat myös poikkeustilanteet, joita ovat esimerkiksi äkilliset tulvat ja keväiset jäidenlähdöt. Uomien muutoksia voidaan seurata lyhyellä tai pitkällä aikavälillä. Jokilaakson esihistorialliset muutokset voivat nykyäänkin olla luettavissa ympäröivän maaston muodosta.

Edellä kuvatut tapahtumat muodostavat pääosan siitä prosessista, jota kutsutaan virtavesien eroosioksi. Eroosiolla on voimakas vaikutus virtavesien ympäristön muokkautumiseen ja edelleen ranta-alueiden ekologialle ja sen biodiversiteetille. Sillä on suuria vaikutuksia joenvarsien asutuksen ja yhteiskunnan rakenteille ja toiminnoille. 

Eroosion irrottamien ainesten kulkeutumista on yritetty arvioida matemaattisesti hydrologisilla malleilla, mutta prosessit ovat laskennallisesti yhtä mutkikkaita kuin virtavesien fysikaalisten virtauksien laskenta.

Epätasainen maankohoaminen 
Esimerkiksi pohjoismaissa Pohjanlahdella maa kohoaa nopeammin kuin etelämpänä Selkämeren korkeudella. Maankohoamisen alueelliset nopeuserot Suomessa kallistavat maankamaraa hiljalleen kohti kaakkoa. Sellaiset joet, jotka ovat virranneet kohti pohjoista ja luodetta, ovat aikoinaan olleet jyrkempiä kuin ne ovat nykyään. Kallistuksen väheneminen aiheuttaa veden virtausnopeuden hidastumista ja samalla veden kuljettaman maa-aineksen kasautumista. Tämä on vaikuttanut joidenkin jokien morfologiseen ilmeeseen. Lopullisena seurauksena on voinut olla esimerkiksi uoman kääntyminen otollisempaan suuntaan tai mahdollisesti uoman virtaussuunnan vaihtumista vastakkaissuuntaiseksi. Hurjin esimerkki tästä on Amazonjoki, joka virtasi aikoinaan Gondwanamantereella idästä länteen päin ja se laski Tyyneenmereen. Andien kohottua se vaihtoi virtaussuuntansa lännestä itään päin laskien nyt Atlanttiin.

Epätasainen maankohoaminen on vaikuttanut jokiin Suomessakin. Monista järvistä alkaneet luoteeseen tai pohjoiseen päin virranneet joet ovat kuivuneet ja niiden tilalle ovat puhjenneet uudet joet, jotka ovat alkaneet virrata kohti etelää tai länttä. Tunnettuja tällaisia järviä ovat Puula, Pielinen, Päijänne ja Saimaa. Puula laski aluksi luoteessa Päijänteeseen, mutta sille puhkesi uusi lasku-uoma länteen päin, mutta joka laski edelleen Päijänteeseen. Sittemmin Puulan eteläosiin puhkesi uusin uoma, joka laskee nykyään yhdessä viereisen kanavan kanssa kohti etelää. Pielisen lasku-uoma on sijainnut aluksi järven pohjoispäässä, mutta myöhemmin sen eteläpäähän puhkesi nykyinen lasku-uoma Saimaan suuntaan. Päijänteen oma lasku-uoma on sijainnut aluksi järven pohjoispäässä laskien Itämereen, mutta myöhemmin sen eteläosaan puhkesi Suomenlahteen virtaava Kymijoki. Ehkä moni-ilmeisin luonnonhistoria on Saimaalla. Se on laskenut aluksi pohjoisessa Itämereen, mutta sen laskusuunta muuttui pian kulkemaan länteen Pohjois-Päijänteeseen. Lopulta Päijänne ja Saimaa yhdistyivät Sisä-Suomen suurjärveksi. Kun järviä yhdistävä salmi maatui, puhkaisivat molemmat järvet lasku-uomansa eteläpäähän. Saimaa laski tämä jälkeen ensin Suomenlahteen kunnes puhkesi Vuoksi ja sen vedet suunatutuivat kaakkoon päin Laatokkaan.

Suomen eteläosat ovat pieneten korkeuserojen aluetta, jossa maankohoaminen voi lisätä tai vähentää virtavesien virtaamia. Tietyissä vaiheissa järvestä voi laskea kaksi, tai harvoin kolmekin, jokea eri suuntiin. Näitä järviä kutsutaan bifurkaatiojärviksi ja niitä esiintyy kahden joen valuma-alueen vedenjakajalla. Vastaavasta syystä voi joelle muodostua kilpailevia haaroja, jotka laskevat mereen eri kohdissa. Ruotsissa on Tornionjoki ja Kalixjoki, joiden välissä virtaa jokia yhdistävä Tärännönjoki. Tämä bifurkaatiojoki on vain 52 kilometriä pitkä, mutta sen kautta virtaa noin puolet Tornionjoen vedestä Kalixjokeen. Suomessa erityisesti Karvianjoki on kuuluisa monesta bifurkaatiostaan. Maailmalla on tunnettu bifurkaatiojoki Casiquiare, joka on maailman suurin.

Ihmisen vaikutus 
Ihmisen toiminnalla on joskus virtavesien kannalta arvaamattomia vaikutuksia. Esimerkkinä voidaan käyttää Taipaleenjokea, joka on nykyään Vuoksen reitin yksi osuus. Taipaleenjoki syntyi Suvannonjärven järvenlaskussa, joka riistäytyi hallinnasta. Myöhemmin Vuoksen uomaa laajennettiin kulkemaan myös Suvannon kautta, jolloin sen virtaama kasvoi. Vastaavanlaisia jokijärjestelmiin vaikuttaneita tapahtumia tunnetaan muistakin järvenlaskuista.

Uomien kulkua on muutettu laivaliikenteen vuoksi. Aikaisemmin on keskitytty särkkien ruoppaukseen ja kivien raivaamiseen. Myöhemmin on nostettu uomien vedenpintaa rakentamalla uomiin pohjapatoja. Pohjapatojen rinnalle saatettiin rakentaa sulkujärjestelmiä, joilla laivat pystyivät ohittamaan padot purkamatta lastiaan välillä. Kun laivat ovat kasvaneet, on syväväyliä ruopattu syvemmiksi ja joen mutkia on oikaistu kaivamalla niihin oikaisu-uomia. 

Vuodenaikojen vaihtelut tuovat mukanaan erilaiset virtaamat ja jopa tulvia. Tulvahaittojen torjunnassa voidaan uomien herkästi tulvivia osuuksia muokata paremmiksi. Jos vedenkorkeudet ovat olleet suuria, voidaan uoman penkereitä korottaa valleilla. Tulvia ehkäistään myös ruoppaamalla joen pohjaa, oikaisemalla mutkia ja leventämällä uoman kapeikkoja, jotta vesi voisi virrata nopeammin ohi. Esimerkiksi Seinäjoen taajamassa on Seinäjoen alajuoksulle kaivettu seitsemän kilometriä pitkä oikaisu-uoma Kyrönjokeen. Joen yläjuoksulle on saatettu rakentaa tekojärviä, jotka varastoivat osan sulaneen lumen vedestä. Tekojärven vettä käytetään samalla hyödyksi vesihuollossa ja sähköenergian tuotannossa, kun tulvahuippuja tasoitetaan tekojärven juoksutuksella.

Virtavesien ekologia

Luonnontilaiset virtavedet 
Virtavesien eri vesistötyyppien ekologiat eroavat toisistaan johtuen pääasiassa uomien fysikaalisista ominaisuuksista. Virtaveden eliöstön toimintamahdollisuudet heikkenevät sitä mukaa, kun veden virtaukset muuttuvat voimakkaimmiksi. Hitaasti virtaavien vesistöjen luontotyypit muistuttavat eniten järvien luontotyyppejä. Näissä ympäristöissä esiintyy usein samoja kala-, hyönteis-, lintu- ja kasvillisuuslajeja kuin järvissä. Kun virtaukset kasvavat, jää kasvilajien valikoimasta pois sellaiset vesikasvit, jotka eivät esimerkiksi pysty kiinnittymään pohjaan tai eivät kestä mekaanista liikettä. Vesihyönteiset kärsivät virran voimakkuudesta, kun vesi irrottaa ne pohjasta ja vie ne mukanaan. Koskissa viihtyvät vain eräät sammalet ja harvat virtapaikkojen kasvilajit. Hyönteiset elävät koskissa usein kivien alla ja nopeasti uivat kalat väijyvät suojassa kivien takana ohi kulkeutuvaa ravintoa. Lyhyiden virtavesien ravintoketjusta puuttuu lähes kokonaan järville tyypillinen veden ravintoaineita hyödyntävä plankton. Sitä esiintyy kuitenkin pitkissä joissa, jossa sillä on aikaa lisääntyä matkallaan alajuoksulle päin, ja hitaasti virtaavissa joissa, jossa olosuhteet muistuttavat järviä. Virtavesien rajoitukset ovat vaikuttaneet siihen, että eräät vaelluskalat ovat sopeutuneet elämään järvissä ja merissä, mutta nousevat virtavesiin lisääntymään. Nämä kalat hyödyntävät virtavesien turvallisempaa elinympäristöä lisääntymisessä, mutta niiden heikon ravintotilanteen vuoksi siirtyvät järviin ja meriin kasvamaan aikuiseksi. Virtaveden pitkän uoman eri kohdissa on erilaisia luontotyyppejä ja luonnontilaisia virtavesiä voidaan siten pitää ekologisesti monipuolisina elinympäristöinä.

Virtavedet vaikuttavat lähialueidensa luontoon jopa noin 50 metrin etäisyydelle rannasta. Niiden vaikutusalueiksi voidaan määritellä vedenpinnan keskimääräisten ylä- ja alakorkeuksien kastelemaa maa-aluetta. Tulva-aikana vesi nousee hetkellisesti kauemmaksi lähiympäristöön, jolloin joen kuljettama liete laskeutuu tulva-alueella maahan lannoittaen tulvavyöhykkeen kasvillisuutta. Veden mukana maahan imeytyy myös vesiliukoisia ravinteita kasvillisuuden käyttöön. Virtaveden meanderointi sekä kuluttaa rantoja että kasaa uutta rantaa, jolloin virtavesi saattaa lähiympäristönsä maaperän vaiheittaiseen muutostilaan. Virtavesien vaikutusalueiden homogeeniset luontotyypit tarjoavat ekologisen käytävän lukuisille lajeille niiden levittäytyessä pirstoutuneessa ympäristössä uusille elinalueille. Nämä ekologiset käytävät ovat merkittävä etu, kun luonto pyrkii säilyttämään biodiversiteettiään käynnissä olevan ja tulevaisuudessa kiihtyvän joukkosukupuuton aikana. Virtavesien lämpötila seuraa pienellä viipeellä ilman lämpötilan muutoksia. Uomien ympäristössä viihtyvät monet lehtipuulajit, jotka varjostavat virtaveden rantoja ja virtavettä. Yhdessä haihtuvan vesihöyryn kanssa varjostus luo uoman ympäristöön pienen mikroilmaston, jonka hieman matalampi lämpötila parantaa hapen ja hiilidioksiidin liukoisuutta veteen. Lauhkeilla ilmastovyöhykkeillä virtavedet jäätyvät talvella vain osittain ja ne säilyttävät siksi hapekkuutensa järviä paremmin.

Virtavesien ekologiset uhat 
Maailman virtavesien suurimmat uhat liittyvät saastumiseen ja uomiin kajoamiseen. Saastuminen johtuu teollisuuden päästöistä ja nestemmäisten yhdyskuntajätteiden johtamisesta virtavesiin. Jätevesien puhdistaminen on parantanut yleistilannetta merkittävästi, vaikka virtavesille on paikoin ehtinyt aiheutua jo suuriakin vahinkoja. Eri maissa puhdistetaan jätevesiä eri tavalla, ja parhaimpien puhdistajamaiden ongelmina ovat vielä typen yhdisteiden, lääkeaineiden, teollisuuskemikaalien ja mikromuovijätteen pääseminen puhdistusprosessien läpi. Myös muu tahaton saastuttaminen on ollut voimakasta. Sateet tuovat hulevesien muodossa virtavesiin ravinteita, kiintoaineita ja myrkkyjä. Tuuli lennättää uomiin roskia, jotka kulkeutuvat uomaa alas järviin tai valtameriin.

Lasku-uomaan kajoamista tapahtuu, kun ehkäistään tulvia ja järjestellään vesikuljetusreittejä. Silloin poistetaan uomista kivikoita, oikaistaan uoman mutkia, ruopataan uoman matalia ja kapeita osuuksia tai levennetään niitä. Myös raskas laivaliikenne vaikuttaa uoman pohjaan potkurien pöllyttäessä sedimentit veden vietäväksi. Puutavaran uitossa puusta irtoaa kuoria ja veteen liukenee orgaanisia yhdisteitä, jotka molemmat rehevöittävät virtavesiä. Myös virtavesien säännöstely on niille uhka. Uoman vedenpintaa saatetaan nostaa matalan veden ajaksi rakentamalla siihen vettä nostavia pohjapatoja. Vesivoimalaitoksen korkean padon taakse nostettu vedenpinta muuttaa jokilaakson virtaveden järvimäiseksi vesialtaaksi. Virtaveden luontotyyppi vaihtuu hetkessä järvimäiseksi ja vaelluskalojen reitti kutuvesiin katkeaa ja usein niiden lisääntyminen estyy. Voimalaitosrakentaminen on muuttanut etenkin suurien jokien luontotyypit hyvin homogeenisiksi. 

Virtavesille muodostuu sekundäärinen uhka, kun niiden valuma-alueella tapahtuu muutoksia. Jos esimerkiksi valuma-alueella sijaitsee asutuskeskuksia, voi liikenteen päästöt, maankäyttö ja asvaltointi vaikuttaa virtaveden vedenlaatuun ja määrään. Myös pohjaveden korkeuden muutokset ovat vaikuttaneet virtavesiin negatiivisesti. Maatalouden tehostunut maankäyttö, kemiallinen tuholaistorjunta ja kasviensuojelu, maaperän lannoittaminen sekä maatalousympäristössä tapahtuneet muutokset ovat vaikuttaneet virtavesiin huomattavasti. Vuoristo- ja metsämailla tapahtuva maaperän muokkaus ja ojitus sekä puukorjuu ovat lisänneet eroosiota, jolloin kivennäisaineita ja ravinteita joutuu virtavesiin aiempaa enemmän. Virtavesien sekundäärisiin uhkiin voidaan lukea myös ilmansaasteet. Tuulien mukana kulkeutuu kaukaakin teollisuuden-, energiantuotannon- ja jätteenpolton yhteydessä syntyviä palokaasuja. Varsinaisten myrkkyjen lisäksi palokaasut sisältävät runsaasti hiilen-, typen- ja rikin oksideja. Oksidit muodostavat ilman kosteuden kanssa happoja, jotka maahan sataessaan hapattavat vesistöjä. Vaikka palokaasujen määriä on vähennetty ja niitä jo puhdistetaankin, joutuu ympäristöön edelleen suuria määriä näitä aineita.

Lähihistoriassa tapahtuneet muutokset voivat olla peruuttamattomia. Virtavesistä on kadonnut lukuisia eliölajeja ja niitä katoaa edelleen lisää. Virtavesien luontotyyppien palauttaminen voi olla hankalaa ja eräissä tapauksissa peräti mahdotonta. Lisävaikeutta palautustyöhön tuo ilmaston lämpeneminen. Toisilla alueilla se vähentää sateiden määrää ja toisilla se lisää niitä, jolloin virtavesien olosuhteet muuttuvat. Lämpötilan kohoaminen suosivat mahdollisesti vieraslajeja ja alkuperäisten lajien elinpiirit siirtyvät kohti pohjoista.

Virtavesien kehityksen kliimaksi 
Virtavesiä on nuoria, vanhoja ja ikivanhoja. Nuoret virtavedet eivät ole vielä kuluttaneet uomaansa ja niiden epätasaiset osuudet tekevät niiden luontotyypeistä vaihtelevia. Suomessa virtavedet ovat alle 10 000 vuotta vanhoina geologisesti nuoria. Kun eroosio kuluttaa ja tasoittaa uomien korkeuseroja, muuttuvat virtavesien vaikutusalueiden luonne homogeenisiksi ja niiden luontotyyppien eroavaisuudet tasoittuvat. Ikivanhat joet ovat kuluttaneet kallioperään uomansa pohjan syväksi laaksoksi, kuljettanut kallion lietteenä, sorana ja kivinä alajuoksulle päin ja levittänyt sitä juoksun varteen tulvatasangoiksi tai joensuussa suistotasangoiksi. Ikivanhat virtavedet virtaavat tasaisesti ja niiden luontotyypit ovat lähes homogeeniset. Tällaisiksi tulevat kaikki virtavedet aikaa myöten.

Vesivoima ja joen patoaminen 

Veden virrassa on liike-energiaa, joka on virtaveden kaltevassa uomassa vapautunutta potentiaalienergiaa. Jo esihistoriallisella ajalla on vesivoimaa käytetty hyödyksi, mutta virtavesiin vaikuttanutta vesivoimaa on rakennettu keskialalta alkaen ja hankkeet ovat kasvaneet suuriin mittasuhteisiin vasta 1800-luvun lopulta alkaen. Silloin tarvittiin vesivoimaa tuottamaan sähkögeneraattoreilla sähköenergiaa, jota oli helppo siirtää tuotantopaikaltaan kulutuskohteisiinsa sähköjohdon ja myöhemmin sähköverkon välityksellä. Kehittyneiden maiden käytettävissä olleesta vesivoimapotentiaalista on jo lähes kaikki otettu käyttöön. Sen sijaan kehittyviin maihin rakennetaan uutta vesivoimaa, joka tulee kasvamaan merkittävästi seuraavien vuosikymmenten aikana. Sen lisäämiseen kanntustaa maapallon kasvavan väestön energiatarpeen tyydyttäminen ja ilmastokriisin käynnistämän fossiilisten polttoaineiden korvaminen energiantuotannossa.

Vesivoiman rakentamisesta on joitakin haittavaikutuksia. Vesivoimalan rakentamisen yhteydessä joudutaan siirtämään joen uomaa väliaikaisilla padoillasia tulevan voimalan rakennustyömaan alta. Tulevan patoaltaan alle jäävät asutusalueet puretaan ja niiden väestö siirretään muualle. Patoaltaan patorakennelmat valmistetaan toisinaan suuresta määrästä betonia, joka tuottaa kovettuessaan mittavia hiilidioksidipäästöjä. Ekologisempi ratkaisu on rakentaa saatavilla olevasta materiaalista maapatoja. Kun patoallas vihdoin täytetään, liukenevat maaperässä olevat haitta-aineet ja myrkyt jokiveteen ja kulkeutuvat kohonneina pitoisuuksina joen alajuoksulle.

Kaikki vesivoima on uusiutuvan energian tuottamista, jossa sen tuottamisesta syntyvät ympäristöpäästöt ovat erittäin pienet. Monien virtavesien voimaloiden patoaltaat muodostavat laajoja tekojärviä, joiden vettä käytetään usein yhdyskuntien vesihuollossa ja maataloudessa kasteluvetenä. Lisäksi tekojärven vettä voidaan säännöstellä niin, ettei joen tulvat enää vaivaa alajuoksun asutuskeskuksia ja maataloutta. Lisäksi patoallas voi muodostua sellaisille alueille, jossa ei ole ennestään järviä. Padon haittapuolena on kuitenkin aiemman joen ekosysteemin muuttuminen järvien ekosysteemiksi. Altaan järvimäistä ekosysteemiä rasittaa vedenpinnan korkeuden suuret muutokset ja rantaviivan alituinen siirtyminen. Alajuoksulla tapahtuvat tulvat vähenevät eivätkä ne enää lannoita joen lähiympäristöä entiseen tapaan. Samalla, kun kalojen liikkuminen ylä- ja alajuoksun välillä estyy, loppuu yleensä myös ihmisten liikenne joella. Vain harvalla voimalaitoksella on sulkujärjestelmiä tai laivahissejä, joita käyttäen veneet tai rahtilaivat voivat ohittaa padon. Eräät joet kuljettavat suurta lietekuormaa veden mukana. Patoamisen jälkeen lietteet laskeutuvat patoaltaaseen ja ne tulevat aikanaan täyttämään altaan ellei lietettä poisteta säännöllisesti.

Sen lisäksi, että suurten patoaltaiden vaatimat suuret padot ovat kalliita rakentaa, ne on käyttöaikansa elinkaaren loppupäässä lopuksi purettava. Mikäli pato ennen sitä murtuu, voivat onnettomuuden vahinkojen kustannukset olla inhimillisesti, kulttuurillisesti ja taloudellisesti suuret.

Virtavesien tutkimus

Virtavesien hydrologisia tutkimuksia 
Niilin, Eufratin ja Tigrisin uoman vesiä ohjailtiin hyvin varhain. Niilin vettä käytettiin viljelymaiden kastelussa ja sitä nostettiin uomaan rakennetuilla padoilla noin 4000 eaa. Mesopotamiassa jokien tulvia vastaan rakennettiin tulvavalleja, joilla suojattiin rantojen asutusta. Ensimmäisellä vuosisadalla eaa. elänyt arkkitehti, insinööri ja kirjailija Vitruvius esitti varhaisimman säilyneen selityksen vedenkierrosta, jolla hän selitti esimerkiksi jokien jatkuvan virtaamisen.

Aivan uutta tietoa virtavesistä saatiin vasta 1600-luvulla. Alan pioneereja olivat muun muassa Pierre Perrault (noin 1608–1680, Ranska), Edme Mariotte (noin 1620–1684, Ranska) ja Edmond Halley (1656–1742, Englanti). Perrault tutki Seineä ja määritti alueen sademäärää, joen purkautumaa ja joen valuma-alueen pinta-alan. Näiden tietojen avulla hän osoitti Seinen virtaamien ja valuma-alueelle satamisen välisen yhteyden. Marionette, joka myös tutki Seineä, yhdisti tiedot virtanopeudesta ja uoman poikkileikkauksesta valuma-alueen pinta-alaan, ja sai laskettua Seinen virtaaman.

Tieteen edistyessä ja mittaustaitojen kasvaessa 1700-luvulla kehitettiin uusia tapoja määrittää jokien virtaamia. Daniel Bernoulli tai Hans Christian Ørsted kehitti pietsometrin, jolla mitattiin paine-eroja, ja Henri Pitot esitteli Pitot-putken, jolla voitiin mitata paikallisia virtaamia. Insinööri Reinhard Woltmann esitteli 1790 siivikon eli potkurin kaltaisen laitteen toimintaan perustuvan virtausnopeuden mittausmenetelmän.

Myöhemmin, 1950-luvulta asti, hydrologiaa on lähestytty enemmän teoreettiselta näkökannalta, kun kehittyneet mittaustavat ja laajalta alueelta saatuja mittausarvoja sovitettiin vedenkiertomalleihin. Uusin tekniikka hyödyntää paikkatietojärjestelmiä (GIS) ja sen tarjoamia lisäarvoja. Laserkeilauksella voidaan pienellä vaivalla kerätä runsaasti tietoa valuma-alueen pinnanmuodoista, jolloin voidaan määrittää esimerkiksi valuma-alueen muoto ja kallistukset.

Virtavesien hydrologian alkuaskeleet Suomen alueella 
Suomessa kauppias Olof Ahlbom merkitsi muistiin Tornionjoen jäidenlähtöjä vuodesta 1693 alkaen. Myös muiden jokien jäidenlähtöä alettiin kirjaamaan muistiin 1700-luvulta lähtien. Aikasarjat eivät ole aina yhteneviä, sillä esimerkiksi Kyrönjoella niitä on merkitty vuodesta 1739 vuoteen 1817, mutta silloin alkanut tauko jatkui vuoteen 1910 asti. Meteorologinen Keskuslaitos aloitti säähavainnot 1840-luvulla ja esimerkiksi sademääriä havaittiin vuonna 1908 noin 70 paikkakunnalla.

Woltmannin siivikkoa käytettiin Suomessa varhain ja sitä käytetään edelleen hieman muunneltuna. Siihen perustuvaa ”hydrometristä flygeliä” on käytetty ensimmäisen kerran vuonna 1862, kun G. H. Öhmann määritti Rokkalanjoella Patakosken vesimäärää.

Vuosi 1898 oli jo runsassateinen ja mutta seuraavan vuoden sademäärät aiheuttivat ennen kuulumattoman suurtulvan vesireittien suurimmissa järvissä. Senaatti nimitti vuonna 1900 komitean pohtimaan syitä tulvalle ja se päätyi siihen, että tulva johtui yksinomaan luonnon oikullisuudesta. Sen mietintö johti tapahtumaketjuun, jonka päätteeksi perustettiin Hydrograafinen toimisto vuonna 1907. Toimiston tehtäväksi tuli järjestää hydrografisia tutkimuksia tieteelliseltä pohjalta, jotka se aloitti seuraavana vuonna.

Hydrologisella toimistolla oli vuonna 1920 vedenkorkeuden mittauspisteitä 374 ja kymmenessä vuodessa niitä tuli 63 lisää. Meteorologisella Keskuslaitoksella oli vuodesta 1922 alkaen lumen vesimäärien tutkimuspaikkoja ja Hydrologinen toimisto perusti niitä lisää 1935 alkaen. Vesistöjen lämpötilaluotaukset, pohjaveden korkeusmittaukset ja vesistöjen haihduntamittaukset käynnistyivät 1950-luvulla. Pohjaveden havainnointi oli aluksi kuitenkin viitteellistä, mutta 1970-luvulla sitä alettiin tutkia laajemmin. Käsin tehdyistä mittaamisista alettiin hiljalleen luopua 2000-luvulle tultaessa ja sen korvannut mittaamisen automatisoiminen on edelleen käynnissä.

Huomioita

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 

 Hydrologian perusteet ja maan vesitalous , Salaojayhdistys
 Huttula, T.: Hydrologia (Archive.org)
 Hanski, Minna: Jokien rakenteellisen tilan arviointi, 2000, Suomen ympäristö 379