君士坦丁堡（今伊斯坦布爾）是中世紀世界最大的城市之一，自330年君士坦丁一世遷都以來，一直是羅馬帝國和其延續——東羅馬（拜占庭）帝國的首都。在鼎盛時期，這座城市的人口超過50萬，在西方世界裡，只有阿拔斯王朝的巴格達能夠與其相提並論。
今日的伊斯坦布爾一隅
作為一個龐大帝國的唯一首都，君士坦丁堡的規模顯然需要足夠的飲水供應。這個曾經只是古希臘城邦殖民地的小鎮，在4世紀一躍成為羅馬人的中心，但由於種種原因，君士坦丁堡的自身條件並不是能保障龐大的城市人口生活。於是，羅馬人用他們的勤勞與智慧改造客觀自然條件，逐步解決了城中百姓飲水的難題。
自然環境與人口矛盾
在君士坦丁大帝籌劃遷都到東方時，他曾經考慮過塞爾迪卡（今索菲亞）和錫爾米烏姆（今塞爾維亞斯雷姆斯卡米特羅維察）以及薩洛尼卡（今希臘塞薩洛尼基）等地，作為取代羅馬城的帝國心臟。最終，拜占庭由於其獨一無二的海陸交通位置，最終在競爭中脫穎而出。
不過相對於另外幾個城市，拜占庭（君士坦丁堡）的水源條件可能是最欠缺的。她並沒有錫爾米烏姆那般緊鄰薩瓦河，就連塞爾迪卡和薩洛尼卡兩個並沒有緊鄰大河的城市，附近也有多條溪流保證了城市人口的生活。
君堡地圖，唯一的溪流Lykos為藍線
君士坦丁堡是在希臘殖民地拜占庭基礎上建立的，拜占庭城位於小半島的最東端小山附近。就算是君士坦丁堡建成後，其城內也僅有萊科斯（Lykos）一條溪流穿越城市西部，最終注入馬爾馬拉海的狄奧多西港附近。
此外城市附近雖然有幾個泉眼，例如著名的佈雷切耐聖泉（hagiasma），但規模並不足以供應哪怕上千人飲用。這裡的氣候夏季炎熱少雨，5至6世紀的時候君士坦丁堡的人口規模就可能已經超過50萬人，這些泉水和小溪對於當時的人口來說顯得杯水車薪。自然條件與人口規模的不匹配造成了嚴重的矛盾。
衛星圖上俯瞰瓦倫斯水道橋（2019年3月）
為了解決飲水矛盾，羅馬人逐漸為君士坦丁堡配建了完備的水道橋輸水系統，以及數量眾多的蓄水系統。
水源地
君士坦丁堡的自然條件決定了她必須以色雷斯作為自己的水源地。然而，東色雷斯平原的河流大部分都屬於馬裡查河的支流，地形使得它們中的大部分都要從東北向西南流向其幹流。在首都附近，則有一些較為短小的溪流從東色雷斯山地間流出。為了解決君士坦丁堡的水源問題，羅馬人仍然需要將這些河流引入帝都。
君士坦丁堡飲水工程
君士坦丁堡附近有兩個主要的水源地。其中距離君堡較遠的一處，現在被稱為哈爾卡利（Halkalı），位於君堡城中心以西約15公里處。另一處現在則被稱為貝爾格萊德森林（Belgrade Forest），在君堡正北同樣15公里左右，有兩條小溪流入金角灣。後者由於方位優勢，很可能是拜占庭城最先開發的第一處水源。即便在奧斯曼人征服後，因為輸送距離最近，這兩處水源被再度開發。
不過跟隨城市的擴張，這兩處水源地已經無法滿足首都人口的增長。羅馬人甚至從君堡西北100公里外的比齊（今土耳其維澤），構築“長距離輸水線路”。
輸水系統
不過由於距離過長，長距離輸水線路為城市提供的水量較為有限。最初為了將哈爾卡利和貝爾格萊德森林兩處水源引入到君士坦丁堡，羅馬人必須通過修建輸水線路將水送到城內。當地最早的水道橋（渡橋）記錄發生在哈德良皇帝（117-138年在位）時代。爾後4世紀帝國東西分治時，瓦倫斯皇帝（364-378年在位）大規模升級了水道橋的輸水線路，稱作瓦倫斯輸水線 ，讓君堡的輸水正式系統化。
瓦倫斯水道橋
哈德良輸水線路與奧斯曼時代的基爾克切什麥（Kırkçeşme）輸水線很可能高度一致，這條路線從貝爾格萊德森林起始，從卡里加里門（Kaligaria Gate）北側進入君士坦丁堡。
雖然也有說法稱君士坦丁二世時才真正完成了帝都的輸水體系的升級，即便如此，瓦倫斯皇帝對於君堡的飲水貢獻也是前無古人的。由於當時君堡城市擴展的區域（君士坦丁城牆到後來的狄奧多西城牆之間）海拔普遍高於此前水道橋的高度，迫使皇帝必須重新升級。
瓦倫斯輸水系統在君堡城內的大致輸送方向
從地理角度來看，瓦倫斯皇帝的水道橋很可能從哈爾卡利出發，一直流向君堡北部的查理修斯城門（Gate of Charisius），在君堡城內與北方大道和梅塞大道線路雷同。這條路線下，水源可以利用天然的海拔高差來到城內的埃提烏斯（Aetius）和阿斯帕爾（Aspar）兩處最大的儲水池。通過著名的瓦倫斯水道橋，最終抵達菲羅森諾斯（Philoxenos）儲水池。
如今，相對於路線清晰的瓦倫斯輸水線，較早的哈德良輸水線並沒有太多物證來佐證其線路。哈德良的線路很可能在瓦倫斯輸水線路以北，最終抵達今天聖索菲亞大教堂旁的地下水宮殿儲水池。近年來，在伊斯坦布爾城內發現了幾個輸水線路遺存，很可能就是哈德良輸水線路的物證。
羅馬式水道橋系統橫截圖
瓦倫斯輸水線在626年被圍攻君堡的阿瓦爾人切斷，一直到君士坦丁五世（741-775年在位）時才恢復使用。這期間城市很可能因為供水發生了巨大困難，不過羅馬首都還是安然度過了艱困期。一些人提出君堡周邊必然有代替水源。11世紀初，巴西爾二世（976-1025年在位）時帝國人口達到50萬左右的頂峰，對瓦倫斯供水線進行了檢修。1170年左右，又在曼努埃爾一世治下再次修繕。
到12世紀以後，瓦倫斯輸水線路很可能由於年代久遠無法使用，長距離輸水線路不得不遭到棄用。哈德良輸水線路，即貝爾格萊德森林成為了帝國晚期和後來奧斯曼時期的主要水源。
1204年君堡被十字軍佔領後，原有的輸水線路並未恢復，城內開始以收集雨水到儲水池為首選。在奧斯曼時代，大部分儲水池已經不再使用，成為類似絲綢生產的場地。穆罕默德二世在1453年滅亡東羅馬帝國後，奧斯曼人開始大規模修繕輸水系統。故後來很難分辨拜占庭和奧斯曼時代的輸水建築。
今天伊斯坦布爾市內的瓦倫斯水道橋
奧斯曼人重建的君士坦丁堡新輸水系統，被重新命名為基爾克切什麥（Kırkçeşme，土耳其語意為40個噴泉），它基本承接併發揚了哈德良輸水線路。蘇萊曼大帝時代，由著名建築大師米馬·希南（Mimar Sinan）設計改造了基爾克切什麥系統。這個巨大的供水系統有55公里長的水道和33條水道橋，其中5條是羅馬人留下的。包括了最著名的瓦倫斯水道橋，至今仍保存著921米（50米消失），聳立在伊斯坦布爾市中心。
它還包括配儲水池和一個有300個公共噴泉構成的城市配水網絡。顯然，奧斯曼人站在了羅馬人的肩膀上，才重建了這個巨大的供水系統。據估計，根據季節的不同，改建後的基爾克切什麥系統每天有12000-17000立方米的供水量。
地下水宮殿
君堡輸水系統的終點——儲水池，作為市民水源的目的地，儲水設施的建設同樣重要。埃提烏斯和阿斯帕爾兩處大的蓄水池位於君堡城牆內的西北部分，他們更多作用是為水源地提供進城後的第一處儲水地，在市中心則有一個位於地下的巨大儲水地——地下水宮殿（Basilica Cistern）。
地下水宮殿位於聖索菲亞大教堂南側地下，由336根石柱支撐著地宮的存在，這座城中心最大的儲水池始建於查士丁尼一世時期（527-565年在位）。
地下水宮殿
這個地下儲水池在希臘語中稱為大殿（κινστέρνη），因為它位於君士坦丁堡第一山上的一個大型公共廣場，即斯托大殿堂（Stoa Basilica）的下面。該地在建成儲水池之前，曾有一個巨大的大殿矗立那裡，建於3世紀到4世紀早期羅馬時代，作為商業、法律和藝術中心的大殿。
古代文獻表明這座大殿內有花園，周圍有柱廊，面向聖索菲亞大教堂。根據古代歷史學家的說法，君士坦丁皇帝建造了一座建築，後來在532年尼卡暴動幾乎摧毀這座城市後，被查士丁尼一世重建並擴建。據說，皇帝動用了7000名奴隸才完成了這項龐大的工程。
地宮內的石柱
擴建後的儲水池為君士坦丁堡大皇宮和第一山上的其他建築，提供了一處清潔的飲水系統。在1453年奧斯曼帝國征服後，它繼續發光發熱向託普卡普宮供水直到近代。
這座大教堂的蓄水池是一個地下席，大約138米長、約65米寬——面積約9800平方米，能夠容納8萬立方米的蓄水量。其內部有336根石柱，由12排28根組成，每根柱子間隔5米。石柱的柱頭主要是愛奧尼亞式和科林斯式，除了少數沒有雕刻的多立克式。
其中一根柱子上刻著一隻母雞的眼睛、斜臂和眼淚的凸起圖案。這根柱子與狄奧多西一世（379-395年在位）的凱旋門柱子的團相似。古代文獻表明，柱子上的淚水是為了悼念在建造地下水宮殿時死去的數百名奴隸。
梅杜莎石柱
此外，宮殿西北角有兩根希臘神話中的蛇髮女妖——梅杜莎形象的石柱。它們的來源並不明確，有可能來自於羅馬帝國其他地區，也可能是建設工程時有意放置的。在傳說中，人一旦用眼睛看了梅杜莎就會被變成石頭。拜占庭文化裡，為了避免被梅杜莎變成石頭，所以故意將其石像側倒放置。
宮殿的大部分柱子似乎是從舊建築的廢墟中回收的（這個過程被稱為“spoliation”），可能是從不同的地方運到君士坦丁堡的一部分，以及用來建造聖索菲亞大教堂的部分。它們由用各種大理石和花崗岩雕刻而成的。
地宮有52級石階下到水池的入口，蓄水池周圍是4米厚的耐火磚牆，並塗有防水砂漿。地下水宮殿的水來自貝爾格萊德森林的Eĝrikapı配水中心。水源穿過971米長的瓦倫斯水道橋和115米長的馬格洛瓦水道橋抵達地下水宮殿。
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