Hüdroloogia

Hüdroloogia (vanakreeka sõnadest hydōr 'vesi' ja logos 'mõiste, õpetus') on teadus, mis uurib Maa ja teiste planeetide vee liikumist, jagunemist ja kvaliteeti, kaasa arvatud veeringet, vee ressursse ja keskkonna veevarude haldamist. Teadlast, kes selle teadusharuga tegeleb, nimetatakse hüdroloogiks. Hüdroloogia jagatakse pinnavee hüdroloogiaks, põhjavee hüdroloogiaks ja merehüdroloogiaks. Hüdroloogia valdkonda kuuluvad ka hüdrometeoroloogia, hüdrogeoloogia, valgla ohjamine ja vee kvaliteet – valdkonnad, kus vesi mängib põhilist rolli. Okeanograafia ja meteoroloogia ei kuulu hüdroloogia alla, kuna nendes valdkondades on vesi üks tähtsatest aspektidest, aga mitte ainus. Inimesed on teinud püüdeid suunata vee liikumist üle mitme tuhande aasta. Näiteks juba 4000 aastat eKr ehitati Niilusele vesiehitisi, et jõe vett suunates suurendada saagikust ja parandada maa viljakust. Mesopotaamia linnad kaitsesid end üleujutuste eest kõrgete muldvallidega. Vanad kreeklased ja roomlased ehitasid akvedukte ning Vana-Hiinas rajati niisutus- ja üleujutuskaitsevõrke. Marcus Vitruvius kirjeldas esimesel sajandil eKr veeringeteooriat, kus sademed langevad mägedele ning läbides Maa pinna tekitavad ojad ja allikad. Teaduslikumat lähenemist kasutades kirjeldasid nii Leonardo da Vinci kui ka Bernard Palissy teineteisest sõltumatult tänapäeval tuntud veeringet. Alles 17. sajandil hakati leidma hüdroloogiliste muutujate väärtusi. Moodsa hüdroloogia rajajad olid Pierre Perrault, Edme Mariotte ja Edmond Halley. Mõõtes sademeid, äravoolu ja äravooluala, näitas Perrault, et sademetest piisab Seine’i jõe varustamiseks. Mariotte kasutas vee voolukiiruse ja jõe ristlõike pindala mõõtmeid, et arvutada Seine'i jõe äravool. Halle näitas, et Vahemerest aurustub vesi sinna sissevoolavate jõgede veehulga arvelt. 18. sajandil hüdroloogia arenes, kuna Daniel Bernoulli leiutas piesomeetri, Bernoulli lõi Bernoulli võrrandi ja Henri Pitot omakorda Pitot’ toru. 19. sajandil arenes põhjavee hüdroloogia ning avastati Darcy seadus, loodi Dupuit'-Thiemi kaevuvalem ja Hageni-Poiseuille' kapillaarsuse võrrand. 20. sajandil asendus empiirilisus regionaalsete analüüsidega. Valitsused algatasid hüdroloogilise uurimise programme. Tähtsamateks saavutusteks olid Leroy Shermani hüdrograaf, Robert E. Hortoni maasseimbumise teooria ja Charles Vernon Theisi põhjavee võrrand, mis kirjeldab kaevu hüdraulikat. Tänu arvutite arengule ja geoinfosüsteemidele on alates 1950. aastatest hüdroloogiale lähenetud teoreetilisemalt kui varem. Eesti hüdroloogiateaduste rajaja on tehnikateadlane August Velner, tema poeg tehnikateadlane Harald-Adam Velner, kelle teadustöö põhisuunad olid veekogude vee kvaliteedi reguleerimine ja prognoosimine, veevarude kompleksne kasutamine ja kaitse, heitvete puhastamine ja hüdroenergeetika. Keemiline hüdroloogia uurib vee keemilisi omadusi. Ökohüdroloogia uurib organismide ja veeringi vastastikust mõju. Hüdrogeoloogia uurib põhjavett ja selle liikumist. Hüdroinformaatika on infotehnoloogia kohandus hüdroloogiale. Hüdrometeoroloogia uurib vee ja energia liikumist maa, veekogu ja atmosfääri madalamate kihtide vahel. Isotoopide hüdroloogia uurib isotoopide jälgi vees. Pinnavee hüdroloogia uurib hüdroloogilisi protsesse, mis toimuvad Maa pinnal või selle lähedal. Okeanograafia on teadusharu, mis uurib üldisemalt ookeane. Meteoroloogia uurib üldisemalt atmosfääri ja ilma, kaasa arvatud lume- ja vihmasadu. Limnoloogia ehk järveteadus uurib liikuvate, seisvate, looduslike, inimtekkeliste, soolaste ja magedate siseveekogude bioloogilisi, keemilisi, füüsikalisi, geoloogilisi ja muid omadusi. Piirkonna veebilansi määramine Põllumajandusliku veebilansi määramine Ripaalala taastamise projekteerimine Üleujutuste, maalihete ja põudade ennustamine ja ennetamine Reaalajas üleujutuste prognoosimine ja hoiatuste edastamine Põllumaa niisutuse projekteerimine Joogivee varustamine Tammide projekteerimine Sildade projekteerimine Kanalisatsiooni ja äravoolu projekteerimine linnades Geomorfoloogiliste muutuste nagu erosiooni ja settimise ennustamine Veevarude muutuste uurimine Saasteainete transpordiga seotud riskide uurimine  Pikemalt artiklis veeringe Hüdroloogia keskseks teemaks on asjaolu, et vesi liigub läbi Maa erinevaid teid mööda ning erineva kiirusega. Veeringe kõige piltlikum näide on vee aurustumine ookeanist, mille järel tekkinud pilved liiguvad merelt maale ja tekitavad sademeid. Sademete vesi jõuab jõgedesse, järvedesse või põhjavette. Osa veest aurustub ning osa jõuab tagasi ookeani, lõpetades nii ka ühe tsükli. Vesi muudab ühe tsükli käigus mitu korda oma olekut. Hüdroloogia uurib vee liikumist eri olekutes, vee liikumist ühe oleku kestel või lihtsalt kvantifitseerib vee kogused mingis olekus. Osa hüdroloogiast keskendub otseste mõõtmiste saamisele ning osa modelleerib protsesse, et teha ennustusi ja prognoose. Põhjavee hüdroloogia (hüdrogeoloogia) kvantifitseerib põhjavee voolu ja lahustunud ainete liikumist. Sademete pinnasesse imbumine on hüdroloogias oluline teema. Mõnel juhul imab kuiv pinnas sademeid halvemini kui märg pinnas. Teatud olukordades on imbumist võimalik mõõta infiltromeetriga. Hüdroloogia uurib pinnavee voolamist ja lahustunud ainete liikumist. Vee liikumist suuremates jõgedes uurivad ka hüdraulika ja hüdrodünaamika. Üks olulisemaid uurimisobjekte on pinnavee ja põhjavee vastastikune mõju. Tegemist on keeruliste protsessidega ja veehulga liikumine, kas põhjaveest pinnavette või vastupidi, sõltub paljudest sellistest muutujatest nagu põhjavee tase, pinnaveekogu põhja omadused jm. Aurustumine on oluline veeringe osa. Seda mõjutab osaliselt õhuniiskus, mida on võimalik mõõta näiteks niiskusmõõturiga. Aurustumist mõjutab ka lume, rahe või jää olemasolu. Sademete hulka on võimalik mõõta eri viisidel: sadeveemõõturi, radari või satelliitidega. Hüdroloogiliste protsesside kaugseire pakub eri tüüpi infot, näiteks pilvkatte, maapinna niiskuse või taimkatte kohta. Kaugseiret tehakse nii maapealsete sensorite kui ka satelliitidega. Hüdroloogia uurib vees olevaid orgaanilisi ja mitteorgaanilisi ühendeid nii lahustunud kui ka sette kujul. Vee kvaliteeti mõjutab selles lahustunud hapniku reageerimine orgaaniliste ühenditega, aga mõjutavad ka muud keemilised reaktsioonid. Veeproovide võtmine on tihti automatiseeritud ja proovid analüüsitakse proovivõtmise kohas. Hüdroloogiliste andmete, nagu sademete hulk või jõe vooluhulk, analüüsimisel on hüdroloogidel võimalik hinnata tulevasi hüdroloogilisi nähtusi. Haruldaste nähtuste prognoosimiseks analüüsitakse nende kordumisperioodi. Veel huvitab hüdrolooge ka näiteks jõgede keskmine vooluhulk aasta või aastaaja kohta. Nende analüüside põhjal saavad insenerid ja majandusteadlased teha usutavaid riskihinnanguid. Vastavalt nendele on võimalik planeerida taristu arengut ja muid investeeringuid. Statistilist informatsiooni kasutatakse ka suurte tammide käitumiseeskirjade loomisel. Hüdroloogiline mudel on lihtsustatud kujututis veeringi osast. Mudeleid kasutatakse peamiselt ennustuste tegemiseks ja hüdroloogiliste protsesside paremaks mõistmiseks. Eristatakse kaht peamist hüdroloogilist mudelit: andmetel põhinev ja protsessi kirjeldusel põhinev. Andmetel põhinev mudel kasutab n-ö musta kasti metoodikat, kus kasutatakse matemaatilisi ja statistilisi lähenemisi, et leida seos sisendi (näiteks sademete hulk) ja väljundi (näiteks äravool) vahel, proovimata analüüsida protsessi olemust. Näiteks on teada, et niiske pinnas imab vett kiiremini kui täiesti kuiv pinnas. Protsessi kirjeldusel põhinev mudel püüab modelleerida vaadeldud füüsikalisi protsesse. Sellised mudelid sisaldavad tavaliselt andmeid reljeefi, aurustumise, pinnavee voolamise ja teiste parameetrite kohta. Neid nimetatakse deterministlikuteks. Mudelid võivad olla pidevad või siis koostatud mingi kindla ühekordse nähtuse tarvis. Praegused hüdroloogilised mudelid püüavad hõlmata kogu Maad ning annavad võimaluse paremini mõista hüdroloogiliste süsteemide käitumist. Rahvusvaheline veemajandusinstituut (International Water Management Institute) UNESCO-IHE veeharidusinstituut (UNESCO-IHE Institute for Water Education) Hydrological Processes, ISSN: 1099-1085 (electronic) 0885-6087 (paper), John Wiley & Sons Hydrology Research, ISSN: 0029-1277, IWA Publishing (formerly Nordic Hydrology) Journal of Hydroinformatics, ISSN: 1464-7141, IWA Publishing Journal of Hydrologic Engineering, ISSN: 0733-9496, ASCE Publication Journal of Hydrology Water Research Water Resources Research Hydrological Sciences Journal - Journal of the International Association of Hydrological Sciences (IAHS) ISSN 0262-6667 (Print), 2150–3435 (Online) Viessman, Jr., Warren; Gary L. Lewis (2003). Introduction to hydrology (5th ed.). Upper Saddle River, N.J.: Pearson Education. ISBN 0-673-99337-X. Hubbart, Jason (2008). History of hydrology The encyclopedia of earth (vaadatud 21. novembril 2014) Maidment, David R., toim (1993). Handbook of hydrology. New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-039732-5. McCuen, Richard H. (2005). Hydrologic analysis and design (3rd ed.). Upper Saddle River, N.J.: Pearson-Prentice Hall. ISBN 0-13-142424-6. "International Water Management Institute (IWMI)". IWMI. Vaadatud 8. märts 2013. "UNESCO-IHE Institute for Water Education". UNIESCO-IHE. Originaali arhiivikoopia seisuga 4. august 2007. Vaadatud 8. märts 2013.