Hvis du går ud i din have eller i en skov eller en park og begynder at grave, vil du opdage, at jorden er fugtig (medmindre du er i en ørken), men den er ikke mættet med vand. Det betyder, at noget af poreluften i jorden er optaget af vand, og noget af poreluften er optaget af luft (medmindre du befinder dig i en sump). Dette er kendt som den umættede zone. Hvis du kunne grave langt nok ned, ville du komme til det punkt, hvor alle porerummene er 100 % fyldt med vand (mættet), og bunden af dit hul ville blive fyldt op med vand. Niveauet af vand i hullet repræsenterer grundvandsspejlet, som er overfladen af den mættede zone. I de fleste dele af British Columbia ligger grundvandsspejlet flere meter under overfladen.

Vand, der falder på jordoverfladen som nedbør (regn, sne, hagl, tåge osv.), kan løbe fra en bjergskråning direkte til et vandløb i form af afstrømning, eller det kan infiltrere i jorden, hvor det oplagres i den umættede zone. Vandet i den umættede zone kan bruges af planter (transpiration), fordampe fra jorden (fordampning) eller fortsætte forbi rodzonen og strømme nedad til grundvandsspejlet, hvor det fylder grundvandet op igen.

Et tværsnit af en typisk bjergskråning med et ubegrænset grundvandsmagasin er illustreret i figur 14.5. I områder med topografisk relief følger grundvandsspejlet generelt landoverfladen, men har en tendens til at komme tættere på overfladen i dale og skærer overfladen, hvor der er vandløb eller søer. Grundvandsspejlet kan bestemmes ud fra vanddybden i en brønd, der ikke bliver pumpet, selv om det, som beskrevet nedenfor, kun gælder, hvis brønden ligger i et ubegrænset grundvandsmagasin. I dette tilfælde udgør størstedelen af bakkeskråningen det tilførende område, hvor vand fra nedbør strømmer nedad gennem den umættede zone for at nå grundvandsspejlet. Området ved vandløbet eller søen, som grundvandet strømmer til, er et udledningsområde.

Hvad får vandet til at strømme fra tilførselsområderne til udledningsområderne? Husk på, at vandet strømmer i porer, hvor der er friktion, hvilket betyder, at det kræver arbejde at flytte vandet. Der er også en vis friktion mellem selve vandmolekylerne, hvilket bestemmes af viskositeten. Vand har en lav viskositet, men friktion er stadig en faktor. Alle flydende væsker mister altid energi til friktion med deres omgivelser. Vand vil strømme fra områder med høj energi til områder med lav energi. Vandopladningsområder ligger højere oppe, hvor vandet har en høj tyngdeenergi. Det var energien fra solen, der fordamper vandet i atmosfæren og løfter det op til genopfyldningsområdet. Vandet mister denne tyngdeenergi, når det strømmer fra tilførselsområdet til udledningsområdet.

I figur 14.5 er grundvandsspejlet skrånende; denne hældning repræsenterer ændringen i vandets potentielle tyngdeenergi ved grundvandsspejlet. Grundvandsspejlet er højere under indvindingsområdet (90 m) og lavere ved udløbsområdet (82 m). Forestil dig, hvor meget arbejde det ville kræve at løfte vand 8 m højt op i luften. Det er den energi, der gik tabt til friktion, da grundvandet strømmede fra toppen af bakken til vandløbet.

Situationen bliver meget mere kompliceret i tilfælde af indesluttede grundvandsmagasiner, men de er vigtige vandkilder, så vi er nødt til at forstå, hvordan de fungerer. Som det fremgår af figur 14.6, er der altid et grundvandsspejl, og det gælder også, selv om de geologiske materialer ved overfladen har en meget lav permeabilitet. Hvor der er et indesluttet grundvandsmagasin – dvs. et, der er adskilt fra overfladen af et indesluttende lag – vil dette grundvandsmagasin have sit eget “grundvandsspejl”, som faktisk kaldes en potentiometrisk overflade, da den er et mål for vandets samlede potentielle energi. Den røde stiplede linje i figur 14.6 er den potentiometriske overflade for det indesluttede grundvandsmagasin, og den beskriver den samlede energi, som vandet befinder sig under i det indesluttede grundvandsmagasin. Hvis vi borer en brønd i det ubegrænsede grundvandsmagasin, vil vandet stige op til niveauet for grundvandsspejlet (brønd A i figur 14.6). Men hvis vi borer en brønd gennem både det ubegrænsede grundvandsmagasin og det begrænsede lag og ind i det begrænsede grundvandsmagasin, vil vandet stige op over toppen af det begrænsede grundvandsmagasin til niveauet af dets potentiometriske overflade (brønd B i figur 14.6). Dette er kendt som en artesisk brønd, fordi vandet stiger over toppen af grundvandsmagasinet. I nogle situationer kan den potentiometriske overflade ligge over jordoverfladen. Vandet i en brønd, der er boret ned i et begrænset grundvandsmagasin i denne situation, vil stige over jordoverfladen og løbe ud, hvis den ikke er afdækket (brønd C i figur 14.6). Dette er kendt som en flydende artesisk brønd.

I situationer, hvor der er en akvitard af begrænset udstrækning, er det muligt, at der findes et perched akvifer, som vist i figur 14.7. Selv om perchede grundvandsmagasiner kan være gode vandkilder på nogle tidspunkter af året, har de en tendens til at være relativt tynde og små og kan derfor let udtømmes ved overpumpning.

I 1856 udførte den franske ingeniør Henri Darcy nogle eksperimenter, hvoraf han udledte en metode til at estimere grundvandets strømningshastighed baseret på den hydrauliske gradient og permeabiliteten i et grundvandsmagasin, udtrykt ved hjælp af K, den hydrauliske ledningsevne. Darcys ligning, som hydrogeologer har anvendt i vid udstrækning lige siden, ser således ud:

V = K * i

(hvor V er grundvandets strømningshastighed, K er den hydrauliske ledningsevne, og i er den hydrauliske gradient).

Vi kan anvende denne ligning på scenariet i figur 14.5. Hvis vi antager, at permeabiliteten er 0,00001 m/s, får vi: V = 0,00001 * 0,08 = 0,0000008 m/s. Det svarer til 0,000048 m/min, 0,0029 m/time eller 0,069 m/dag. Det betyder, at det vil tage 1 450 dage (næsten fire år) for vandet at tilbagelægge de 100 m fra brøndens nærhed til vandløbet. Grundvandet bevæger sig langsomt, og det er et rimeligt tidsrum for vandet at bevæge sig så langt. Faktisk ville det sandsynligvis tage længere tid end det, fordi det ikke bevæger sig i en lige linje.

Det er vigtigt at forstå, at grundvand ikke strømmer i underjordiske vandløb og heller ikke danner underjordiske søer. Med undtagelse af karstområder med huler i kalksten strømmer grundvandet meget langsomt gennem granulerede sedimenter eller gennem fast bjergart, der har brud i den. Strømningshastigheder på flere centimeter pr. dag er mulige i meget gennemtrængelige sedimenter med betydelige hydrauliske gradienter. Men i mange tilfælde er permeabiliteterne lavere end dem, vi har brugt som eksempler her, og i mange områder er gradienterne meget lavere. Det er ikke ualmindeligt, at grundvandet strømmer med hastigheder på nogle få millimeter til nogle få centimeter om året.

Som allerede nævnt flyder grundvandet ikke i lige linjer. Det strømmer fra områder med større hydraulisk fald til områder med mindre hydraulisk fald, og det betyder, at det kan strømme “opad” i mange situationer. Dette er illustreret i figur 14.8. De stiplede orange linjer er equipotentiallinjer, dvs. linjer med samme tryk. De blå linjer er de forudsagte strømningsveje for grundvandet. De stiplede røde linjer er grænser for manglende strømning, hvilket betyder, at vandet ikke kan strømme over disse linjer. Det er ikke fordi, der er noget, der stopper det, men fordi der ikke er nogen trykgradient, der vil få vandet til at strømme i den retning.

Grundvandet strømmer vinkelret på equipotentiallinjerne på samme måde, som vand, der strømmer ned ad en skråning, ville strømme vinkelret på konturlinjerne. Strømmen i dette scenario er det sted med det laveste hydrauliske potentiale, så det grundvand, der strømmer til de nederste dele af grundvandsmagasinet, skal strømme opad for at nå dette sted. Det tvinges opad af trykforskellene, f.eks. forskellen mellem equipotentiallinjerne 112 og 110.

Grundvand, der strømmer gennem huler, herunder i karstområder – hvor huler er blevet dannet i kalksten på grund af opløsning – opfører sig anderledes end grundvand i andre situationer. Grotter over grundvandsspejlet er luftfyldte kanaler, og det vand, der strømmer i disse kanaler, er ikke under tryk; det reagerer kun på tyngdekraften. Med andre ord strømmer det nedad langs hældningen i grottens bund (Figur 14.9). Mange kalkstenshuler strækker sig også under grundvandsspejlet og ind i den mættede zone. Her opfører vandet sig på samme måde som alt andet grundvand, og det strømmer i henhold til den hydrauliske gradient og Darcys lov.