Vatnafræði

Vatnafræði (eða vatnsfræði) (enska: hydrology, gríska: Yδωρ, hudōr, „vatn“; og λόγος, logos, „fræði“) eru fræði er varða vatnið á jarðarkúlunni, ástand þess og hringrás, eðlis- og efnafræðilega eiginleika, áhrif þess á umhverfið og áhrif umhverfisins á það. Vatnafræðin er nátengd ýmsum greinum náttúruvísinda og teygir sig langt inn á svið veðurfræði, jöklafræði og jarðfræði. Kjarni hennar felst í þekkingu á afrennsli vatnsins af þurrlendi ofanjarðar og neðan og tengsl þessa rennslis við veðurfar og jarðfræði. Vatnafræðinni má skipta niður í undirgreinar, yfirborðsvatnafræði (surface hydrology), jarðvatnsfræði (geohydrology) og vatnajarðfræði (hydrogeology). Þeir sem stunda vatnafræði nefnast vatnafræðingar.

Yfirborðsvatnafræði (surface hydrology) snýst um mælingar á fallvötnum, stöðuvötnum og afrennslisháttum og eiginleikum yfirborðsvatns almennt. Einnig um flóð, flóðaspár og flóðavarnir og fleira.

Jarðvatnsfræði beinist að rannsóknum á jarðvatni, bæði heitu og köldu, einkum eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum þess.

Vatnajarðfræði (hydrogeology) er all hliðstæð jarðvatnsfræðinni en þar er megináherslan þó lögð á jarðfræðina og hún skoðuð með tilliti til hegðunar vatnsins. Vatnajarðfræði er millistig milli vatnafræði og jarðfræði. Allir þeir síbreytilegu þættir sem framangreindar greinar spanna eru einu nafni nefndir vatnafar.

„Vatnafar (hydrological conditions)“ er hugtak sem notað er um almenna eiginleika og hegðun ferskvatns bæði ofanjarðar og neðan og gagnkvæmt samspil þess við umhverfið. Orðið gefur til kynna síbreytilegt ástand og er hliðstætt orðinu veðurfar. Í ensku er ekkert eitt orð til yfir hugtakið en hydrologiocal conditions er oft notað.

Úr sögu vatnafræðinnar

Platon og Aristóþeles rökræða um fræðin. Úr málverki eftir Rafael.

Þótt vatnafræðin sé tiltölulega ung fræðigrein á hún sér rætur aftur í grárri forneskju. Mannskepnan er háð vatninu, eðli þess og hegðun hefur því alltaf verið henni umhugsunarefni.

Fornöldin

Fyrstu menningarþjóðir sögunnar Mesópótamíumenn, Súmerar og Egyptar grundvölluðu ríki sín á bökkum stórfljóta og áttu allt sitt undir þekkingu á eðli þeirra og duttlungum. Í ritum grískra og rómverskra heimspekinga eru víða tilgátur um uppruna lindavatns og grunnvatns. Hinir eldri heimspekingar Grikkja, svo sem Þales og Platon gerðu ráð fyrir að lindavatn væri ættað úr sjó sem flæddi um göng djúpt í jörðu, inn undir fjöllin, hreinsaðist þar og stigi upp í vellandi lindum. Aristóteles áleit að loft kæmist inn í dimma og svala hella, þéttist þar í sagga og vatn og streymdi þaðan að uppsprettulindum. Rómverski arkítektinn Vitrúvíus setti fyrstur manna fram ákveðna hugmynd um að grunnvatnið væri regn og snær að uppruna. Hann hélt því fram að fjöllin fengju á sig mun meiri úrkomu en láglendið, vatn sigi í jörðina, rynni langar leiðir neðanjarðar og kæmi fram í lindum við rætur þeirra. Þessu var þó almennt hafnað þar til á 17. eða 18. öld.

Norrænar þjóðir höfðu sínar hugmyndir um eðli grunnvatnsins. Í Prologus Snorra-Eddu er þess getið að norrænum mönnum heiðnum var ýmis náttúra jarðarinnar hugleikin. „Þat var eitt eðli, at jörðin var grafin í hám fjallatindum ok spratt þar vatn upp ok þurfti þar eigi lengra at grafa til vatns en í djúpum dölum; svá er ok dýr ok fuglar at jamlangt er til blóðs í höfði ok fótum“. Af þessu og ýmsu öðru drógu fornmenn þá ályktun „... at jörðin væri kvik ok hefði líf með nökkrum hætti, ok vissu þeir at hon var furðuliga gömul at aldartali ok máttug í eðli; hon fæddi oll kvikvendi ok hon eignaðist allt þat er dó; fyrir þá sök gáfu þeir henni nafn ok tölðu ætt sína til hennar“.

Miðaldir

Allar miðaldir voru hugmyndir manna mjög á reiki um uppruna grunnvatns og linda en hin almennt viðtekna skoðun var þó sú forngríska kenning að um einhverskonar hringrás væri að ræða frá sjó, um jörð, upp í lindir á yfirborði og í sjó á ný. Því var trúað að rigningarvatnið væri ekki nógu mikið til að viðhalda stöðugu rennsli fallvatna og þar að auki að jörðin væri svo þétt að regnvatn næði ekki að síga nema mjög grunnt í hana.

17. til 19. öld

Á 17. öld færðist mjög í aukana að menn beittu mælingum við allar náttúrurannsóknir. Fransmaðurinn Pierre Perrault (1608-1680) framkvæmdi um árabil mælingar á úrkomu og árrennsli á ofanverðu vatnasvæði Signu. Árið 1674 birti hann þær niðurstöður sínar, að það vatn sem félli á vatnasviðið væri sex sinnum meira en það vatn sem rynni af því með ánni. Þar með vísaði hann á bug þeirri gömlu grísku kenningu, að úrkoman dygði ekki til viðhalds vatnsföllum. Enski stjörnufræðingurinn og náttúruvísindamaðurinn Edmund Halley birti 1693 niðurstöður rannsókna sinna á uppgufun. Þar sýndi hann meðal annars fram á að uppgufun vatns úr sjó væri næg til að fæða af sér allt straumvatn, ofan jarðar sem neðan.

Á 19. öld var lagður grunnur að nútímajarðfræði og þar með vatnafræði, hreyfingum grunnvatnsins og eðli. Fer nú að fjölga mjög þeim nöfnum sem koma við sögu vatnafræðinnar. Franskur verkfræðingur og vatnsveitustjóri í Dijon, Henry Darcy (1803-1858) að nafni, rannsakaði streymi gegn um sand og fann sambandið milli þrýstimunar og vökvastreymis í gropnu efni. Þetta samband er kallað Darcys lögmál. Það var sett fram árið 1856 og þykir mörgum sem upp úr því hafi vatnajarðfræðin tekið að marka sér sess sem sjálfstæð fræðigrein. Í Ferðabók Eggerts Ólafssonar og Bjarna Pálssonar, sem byggir á athugunum frá árunum 1750-1760, er íslensku vatni skipt í eftirfarandi flokka:

Þessi nálega 250 ára gamla flokkun Eggerts og Bjarna á vatninu hefur staðist tímans tönn furðanlega. Hún er grundvöllurinn að þeirri flokkun sem við höldum enn í dag.

Nútíminn

Um aldamótin 1900 hafði vatnafræðin haslað sér völl sem sjálfstæð vísindagrein. Fyrst í stað var mest áhersla lögð á yfirborðsvatnafræði, mælingar á vötnum og vatnsföllum og athuganir á eiginleikum þeirra. En rannsóknir á grunnvatni sigldu strax í kjölfarið. Fyrstu raunverulegu vatnamælingarnar hérlendis voru gerðar sumarið 1881. Það var norskur jarðfræðingur, Amund Helland, sem stóð að þeim. Hann hafði mikinn áhuga á jöklum og jökulrofi og mældi allar ár sem koma frá Vatnajökli og athugaði aurburð þeirra. Um aldamótin 1900 tóku menn að huga að raforkuframleiðslu og beislun vatnsfalla í því skyni. Samfara því voru gerðar allmargar rennslismælingar. Elliðaárnar voru t.d. mældar 1894. Reglulegar vatnamælingar hófust 1919 og voru í umsjá Vegamálastjóra en 1947 tók Raforkumálastjóri við þeim og síðan Orkustofnun. Fyrst í stað voru einungis gerðar stakar rennslismælingar en seinna voru settir upp kvarðar og lesið reglulega af þeim milli mælinga. Síritandi vatnshæðarmælar komu til sögunnar um 1950 og nú munu á þriðja hundrað síritandi mæla vera í ám, vötnum og borholum um allt land (Sigurjón Rist 1990).

Guðmundur Kjartansson (1909-1972) lagði grunninn að flokkun íslenskra vatnsfalla með grein sinni, Vatnsfallstegundir; í Náttúrufræðingnum 1945. Flokkun ánna í jökulár, dragár og lindár hefur reynst bæði eðlileg og nytsöm. Þetta er þó séríslensk flokkun og á vart við annars staðar.