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Die erste namentliche Erwähnung auf einer Urkunde datiert vom 13. Oktober 1236. Gemäss diesem Schriftstück tauschte Ulrich, Herr von Ergenzach, mit der Abteil Erlach eine Schuppose (Kleinbauernhof mit landwirtschaftlicher Nutzfläche) bei Arch gegen einen Hügel beim Dorfe Büren, auf dem vormals die Burg Strassberg stand.
Von 1225 bis 1388 gehörte Arch zur Herrschaft von Strassberg, von 1388 bis 1798 zur Landvogtei Büren, von 1798 bis 1803 zum helvetischen Distrikt Büren, von 1803 bis 1840 zum Amtsbezirk Büren. Seit 1.1.2010 gehört Arch der Verwaltungsregion Seeland an.
Woher der Name Arch stammt, ist nicht mit Sicherheit geklärt. Mit der Arche Noah hat er aber bestimmt nichts zu tun. Es ist anzunehmen, dass der Ursprung in römischer zeit zu suchen ist und vom lateinischen Wort "arco" oder "Aicha", was Wehr oder Wasserwehr bedeutet, abstammt.
Das Wappen von Arch ist Blau, mit einer goldenen Arche auf silbernen Wellen, darüber eine fliegende Taube mit grünem Ölzweig. Das Motiv erscheint erstmals um 1900, die heutige Fassung statt aus dem Jahre 1946.
Seit uralter Zeit ist ein viel begangener Flussübergang bei Arch bekannt. Bis 1874 ermöglichte eine Fähre, die schon 1236 erwähnt wird, die Überführung von Mensch, Tier und Maschine. Die Archer Bauern besassen schon seit Urzeiten eigene Matten auf der anderen Seite der Aare. Auch die Heufuder von der Grenchner Witi liessen die Archer Bauern mit dieser Fähre über die Aare transportieren.
1874 wurde die Aarebrücke erstellt, welche Arch, das untere Bürenamt und den Bucheggberg noch enger an das Industriezentrum Grenchen band. Diese Brücke und die Nähe zum regionalen Zentrum Grenchen trug wesentlich zur wirtschaftlichen Entwicklung der Region südlich der Aare bei. Früher bestand noch eine engere Bindung zur Grenchen: Bis 1393 gehörten die Ortschaften zur Territorialherrschaft der Grafen von Nidau. Dann wurde Grenchen solothurnisch, Arch, Büren und Lengnau wurden hingegen bernisch. Die neue Aarebrücke, welche die alte einspurige Stahlbrücke ersetzte, wurde 1997 eingeweiht.
Um 1877 wurde die Eisenbahnlinie Solothurn-Lyss-Kerzers gebaut. Im Jahr 1994 wurde die Bahnlinie aufgehoben und auf Busverkehr umgestellt.
Die Autobahn A5, Solothurn-Biel, wurde 2002 eröffnet.