君士坦丁堡（今伊斯坦布尔）是中世纪世界最大的城市之一，自330年君士坦丁一世迁都以来，一直是罗马帝国和其延续——东罗马（拜占庭）帝国的首都。在鼎盛时期，这座城市的人口超过50万，在西方世界里，只有阿拔斯王朝的巴格达能够与其相提并论。
今日的伊斯坦布尔一隅
作为一个庞大帝国的唯一首都，君士坦丁堡的规模显然需要足够的饮水供应。这个曾经只是古希腊城邦殖民地的小镇，在4世纪一跃成为罗马人的中心，但由于种种原因，君士坦丁堡的自身条件并不是能保障庞大的城市人口生活。于是，罗马人用他们的勤劳与智慧改造客观自然条件，逐步解决了城中百姓饮水的难题。
自然环境与人口矛盾
在君士坦丁大帝筹划迁都到东方时，他曾经考虑过塞尔迪卡（今索菲亚）和锡尔米乌姆（今塞尔维亚斯雷姆斯卡米特罗维察）以及萨洛尼卡（今希腊塞萨洛尼基）等地，作为取代罗马城的帝国心脏。最终，拜占庭由于其独一无二的海陆交通位置，最终在竞争中脱颖而出。
不过相对于另外几个城市，拜占庭（君士坦丁堡）的水源条件可能是最欠缺的。她并没有锡尔米乌姆那般紧邻萨瓦河，就连塞尔迪卡和萨洛尼卡两个并没有紧邻大河的城市，附近也有多条溪流保证了城市人口的生活。
君堡地图，唯一的溪流Lykos为蓝线
君士坦丁堡是在希腊殖民地拜占庭基础上建立的，拜占庭城位于小半岛的最东端小山附近。就算是君士坦丁堡建成后，其城内也仅有莱科斯（Lykos）一条溪流穿越城市西部，最终注入马尔马拉海的狄奥多西港附近。
此外城市附近虽然有几个泉眼，例如著名的布雷切耐圣泉（hagiasma），但规模并不足以供应哪怕上千人饮用。这里的气候夏季炎热少雨，5至6世纪的时候君士坦丁堡的人口规模就可能已经超过50万人，这些泉水和小溪对于当时的人口来说显得杯水车薪。自然条件与人口规模的不匹配造成了严重的矛盾。
卫星图上俯瞰瓦伦斯水道桥（2019年3月）
为了解决饮水矛盾，罗马人逐渐为君士坦丁堡配建了完备的水道桥输水系统，以及数量众多的蓄水系统。
水源地
君士坦丁堡的自然条件决定了她必须以色雷斯作为自己的水源地。然而，东色雷斯平原的河流大部分都属于马里查河的支流，地形使得它们中的大部分都要从东北向西南流向其干流。在首都附近，则有一些较为短小的溪流从东色雷斯山地间流出。为了解决君士坦丁堡的水源问题，罗马人仍然需要将这些河流引入帝都。
君士坦丁堡饮水工程
君士坦丁堡附近有两个主要的水源地。其中距离君堡较远的一处，现在被称为哈尔卡利（Halkalı），位于君堡城中心以西约15公里处。另一处现在则被称为贝尔格莱德森林（Belgrade Forest），在君堡正北同样15公里左右，有两条小溪流入金角湾。后者由于方位优势，很可能是拜占庭城最先开发的第一处水源。即便在奥斯曼人征服后，因为输送距离最近，这两处水源被再度开发。
不过跟随城市的扩张，这两处水源地已经无法满足首都人口的增长。罗马人甚至从君堡西北100公里外的比齐（今土耳其维泽），构筑“长距离输水线路”。
输水系统
不过由于距离过长，长距离输水线路为城市提供的水量较为有限。最初为了将哈尔卡利和贝尔格莱德森林两处水源引入到君士坦丁堡，罗马人必须通过修建输水线路将水送到城内。当地最早的水道桥（渡桥）记录发生在哈德良皇帝（117-138年在位）时代。尔后4世纪帝国东西分治时，瓦伦斯皇帝（364-378年在位）大规模升级了水道桥的输水线路，称作瓦伦斯输水线
瓦伦斯水道桥
哈德良输水线路与奥斯曼时代的基尔克切什麦（Kırkçeşme）输水线很可能高度一致，这条路线从贝尔格莱德森林起始，从卡里加里门（Kaligaria Gate）北侧进入君士坦丁堡。
虽然也有说法称君士坦丁二世时才真正完成了帝都的输水体系的升级，即便如此，瓦伦斯皇帝对于君堡的饮水贡献也是前无古人的。由于当时君堡城市扩展的区域（君士坦丁城墙到后来的狄奥多西城墙之间）海拔普遍高于此前水道桥的高度，迫使皇帝必须重新升级。
瓦伦斯输水系统在君堡城内的大致输送方向
从地理角度来看，瓦伦斯皇帝的水道桥很可能从哈尔卡利出发，一直流向君堡北部的查理修斯城门（Gate of Charisius），在君堡城内与北方大道和梅塞大道线路雷同。这条路线下，水源可以利用天然的海拔高差来到城内的埃提乌斯（Aetius）和阿斯帕尔（Aspar）两处最大的储水池。通过著名的瓦伦斯水道桥，最终抵达菲罗森诺斯（Philoxenos）储水池。
如今，相对于路线清晰的瓦伦斯输水线，较早的哈德良输水线并没有太多物证来佐证其线路。哈德良的线路很可能在瓦伦斯输水线路以北，最终抵达今天圣索菲亚大教堂旁的地下水宫殿储水池。近年来，在伊斯坦布尔城内发现了几个输水线路遗存，很可能就是哈德良输水线路的物证。
罗马式水道桥系统横截图
瓦伦斯输水线在626年被围攻君堡的阿瓦尔人切断，一直到君士坦丁五世（741-775年在位）时才恢复使用。这期间城市很可能因为供水发生了巨大困难，不过罗马首都还是安然度过了艰困期。一些人提出君堡周边必然有代替水源。11世纪初，巴西尔二世（976-1025年在位）时帝国人口达到50万左右的顶峰，对瓦伦斯供水线进行了检修。1170年左右，又在曼努埃尔一世治下再次修缮。
到12世纪以后，瓦伦斯输水线路很可能由于年代久远无法使用，长距离输水线路不得不遭到弃用。哈德良输水线路，即贝尔格莱德森林成为了帝国晚期和后来奥斯曼时期的主要水源。
1204年君堡被十字军占领后，原有的输水线路并未恢复，城内开始以收集雨水到储水池为首选。在奥斯曼时代，大部分储水池已经不再使用，成为类似丝绸生产的场地。穆罕默德二世在1453年灭亡东罗马帝国后，奥斯曼人开始大规模修缮输水系统。故后来很难分辨拜占庭和奥斯曼时代的输水建筑。
今天伊斯坦布尔市内的瓦伦斯水道桥
奥斯曼人重建的君士坦丁堡新输水系统，被重新命名为基尔克切什麦（Kırkçeşme，土耳其语意为40个喷泉），它基本承接并发扬了哈德良输水线路。苏莱曼大帝时代，由著名建筑大师米马·希南（Mimar Sinan）设计改造了基尔克切什麦系统。这个巨大的供水系统有55公里长的水道和33条水道桥，其中5条是罗马人留下的。包括了最著名的瓦伦斯水道桥，至今仍保存着921米（50米消失），耸立在伊斯坦布尔市中心。
它还包括配储水池和一个有300个公共喷泉构成的城市配水网络。显然，奥斯曼人站在了罗马人的肩膀上，才重建了这个巨大的供水系统。据估计，根据季节的不同，改建后的基尔克切什麦系统每天有12000-17000立方米的供水量。
地下水宫殿
君堡输水系统的终点——储水池，作为市民水源的目的地，储水设施的建设同样重要。埃提乌斯和阿斯帕尔两处大的蓄水池位于君堡城墙内的西北部分，他们更多作用是为水源地提供进城后的第一处储水地，在市中心则有一个位于地下的巨大储水地——地下水宫殿（Basilica Cistern）。
地下水宫殿位于圣索菲亚大教堂南侧地下，由336根石柱支撑着地宫的存在，这座城中心最大的储水池始建于查士丁尼一世时期（527-565年在位）。
地下水宫殿
这个地下储水池在希腊语中称为大殿（κινστέρνη），因为它位于君士坦丁堡第一山上的一个大型公共广场，即斯托大殿堂（Stoa Basilica）的下面。该地在建成储水池之前，曾有一个巨大的大殿矗立那里，建于3世纪到4世纪早期罗马时代，作为商业、法律和艺术中心的大殿。
古代文献表明这座大殿内有花园，周围有柱廊，面向圣索菲亚大教堂。根据古代历史学家的说法，君士坦丁皇帝建造了一座建筑，后来在532年尼卡暴动几乎摧毁这座城市后，被查士丁尼一世重建并扩建。据说，皇帝动用了7000名奴隶才完成了这项庞大的工程。
地宫内的石柱
扩建后的储水池为君士坦丁堡大皇宫和第一山上的其他建筑，提供了一处清洁的饮水系统。在1453年奥斯曼帝国征服后，它继续发光发热向托普卡普宫供水直到近代。
这座大教堂的蓄水池是一个地下席，大约138米长、约65米宽——面积约9800平方米，能够容纳8万立方米的蓄水量。其内部有336根石柱，由12排28根组成，每根柱子间隔5米。石柱的柱头主要是爱奥尼亚式和科林斯式，除了少数没有雕刻的多立克式。
其中一根柱子上刻着一只母鸡的眼睛、斜臂和眼泪的凸起图案。这根柱子与狄奥多西一世（379-395年在位）的凯旋门柱子的团相似。古代文献表明，柱子上的泪水是为了悼念在建造地下水宫殿时死去的数百名奴隶。
梅杜莎石柱
此外，宫殿西北角有两根希腊神话中的蛇发女妖——梅杜莎形象的石柱。它们的来源并不明确，有可能来自于罗马帝国其他地区，也可能是建设工程时有意放置的。在传说中，人一旦用眼睛看了梅杜莎就会被变成石头。拜占庭文化里，为了避免被梅杜莎变成石头，所以故意将其石像侧倒放置。
宫殿的大部分柱子似乎是从旧建筑的废墟中回收的（这个过程被称为“spoliation”），可能是从不同的地方运到君士坦丁堡的一部分，以及用来建造圣索菲亚大教堂的部分。它们由用各种大理石和花岗岩雕刻而成的。
地宫有52级石阶下到水池的入口，蓄水池周围是4米厚的耐火砖墙，并涂有防水砂浆。地下水宫殿的水来自贝尔格莱德森林的Eĝrikapı配水中心。水源穿过971米长的瓦伦斯水道桥和115米长的马格洛瓦水道桥抵达地下水宫殿。