Wenn du in deinen Garten, in einen Wald oder einen Park gehst und anfängst zu graben, wirst du feststellen, dass der Boden feucht ist (es sei denn, du bist in einer Wüste), aber er ist nicht mit Wasser gesättigt. Das bedeutet, dass ein Teil des Porenraums im Boden von Wasser und ein Teil des Porenraums von Luft eingenommen wird (es sei denn, Sie befinden sich in einem Sumpf). Dies wird als ungesättigte Zone bezeichnet. Wenn Sie tief genug graben würden, kämen Sie an den Punkt, an dem alle Porenräume zu 100 % mit Wasser gefüllt sind (gesättigt), und der Boden Ihres Lochs würde sich mit Wasser füllen. Der Wasserstand im Loch entspricht dem Grundwasserspiegel, d. h. der Oberfläche der gesättigten Zone. In den meisten Teilen Britisch-Kolumbiens liegt der Grundwasserspiegel mehrere Meter unter der Oberfläche.

Wasser, das als Niederschlag (Regen, Schnee, Hagel, Nebel usw.) auf die Bodenoberfläche fällt, kann in Form von Abfluss von einem Hang direkt in einen Bach fließen oder in den Boden einsickern, wo es in der ungesättigten Zone gespeichert wird. Das Wasser in der ungesättigten Zone kann von Pflanzen genutzt werden (Transpiration), aus dem Boden verdunsten (Verdunstung) oder an der Wurzelzone vorbei nach unten zum Grundwasserspiegel fließen, wo es das Grundwasser auffüllt.

Ein Querschnitt eines typischen Berghangs mit einem ungesättigten Grundwasserleiter ist in Abbildung 14.5 dargestellt. In Gebieten mit topographischem Relief folgt der Grundwasserspiegel im Allgemeinen der Landoberfläche, neigt aber dazu, in Tälern näher an die Oberfläche zu kommen und schneidet die Oberfläche dort, wo es Bäche oder Seen gibt. Der Grundwasserspiegel kann anhand der Wassertiefe in einem Brunnen bestimmt werden, der nicht gepumpt wird, obwohl dies, wie unten beschrieben, nur gilt, wenn sich der Brunnen in einem ungespannten Grundwasserleiter befindet. In diesem Fall bildet der größte Teil des Hangs das Anreicherungsgebiet, in dem das Niederschlagswasser durch die ungesättigte Zone nach unten fließt und den Grundwasserspiegel erreicht. Das Gebiet am Bach oder See, in das das Grundwasser fließt, ist ein Abflussgebiet.

Wie fließt das Wasser von den Anreicherungsgebieten zu den Abflussgebieten? Erinnern Sie sich daran, dass das Wasser in Poren fließt, in denen es Reibung gibt, was bedeutet, dass es Arbeit erfordert, um das Wasser zu bewegen. Es gibt auch eine gewisse Reibung zwischen den Wassermolekülen selbst, die durch die Viskosität bestimmt wird. Wasser hat eine niedrige Viskosität, aber Reibung ist trotzdem ein Faktor. Alle fließenden Flüssigkeiten verlieren immer Energie durch Reibung mit ihrer Umgebung. Das Wasser fließt von Gebieten mit hoher Energie zu solchen mit niedriger Energie. Anreicherungsgebiete befinden sich in höheren Lagen, wo das Wasser eine hohe Schwerkraftenergie hat. Es war die Energie der Sonne, die das Wasser in die Atmosphäre verdampft und es in das Anreicherungsgebiet gehoben hat. Das Wasser verliert diese Gravitationsenergie, wenn es vom Anreicherungsgebiet zum Abflussgebiet fließt.

In Abbildung 14.5 ist der Grundwasserspiegel geneigt; diese Neigung stellt die Änderung der potenziellen Gravitationsenergie des Wassers am Grundwasserspiegel dar. Der Grundwasserspiegel ist unter dem Anreicherungsgebiet höher (90 m) und im Abflussgebiet niedriger (82 m). Stellen Sie sich vor, wie viel Arbeit es bedeuten würde, Wasser 8 m hoch in die Luft zu heben. Das ist die Energie, die durch Reibung verloren ging, als das Grundwasser von der Spitze des Hügels zum Bach floss.

Bei gespannten Grundwasserleitern ist die Situation sehr viel komplizierter, aber sie sind wichtige Wasserquellen, so dass wir verstehen müssen, wie sie funktionieren. Wie in Abbildung 14.6 dargestellt, gibt es immer einen Grundwasserspiegel, auch wenn die geologischen Materialien an der Oberfläche eine sehr geringe Durchlässigkeit aufweisen. Bei einem gespannten Grundwasserleiter – d. h. einem Grundwasserleiter, der von der Oberfläche durch eine begrenzende Schicht getrennt ist – hat dieser Grundwasserleiter seinen eigenen „Grundwasserspiegel“, der eigentlich potentiometrische Oberfläche genannt wird, da er ein Maß für die gesamte potenzielle Energie des Wassers ist. Die rote gestrichelte Linie in Abbildung 14.6 ist die potentiometrische Oberfläche für den gespannten Grundwasserleiter und beschreibt die Gesamtenergie, unter der das Wasser innerhalb des gespannten Grundwasserleiters steht. Wenn wir einen Brunnen in den ungespannten Grundwasserleiter bohren, steigt das Wasser bis zur Höhe des Grundwasserspiegels auf (Brunnen A in Abbildung 14.6). Bohrt man jedoch einen Brunnen sowohl durch den ungespannten Grundwasserleiter als auch durch die einschränkende Schicht und in den gespannten Grundwasserleiter, so steigt das Wasser über die Oberkante des gespannten Grundwasserleiters bis zur potentiometrischen Oberfläche (Brunnen B in Abbildung 14.6). Dies wird als artesischer Brunnen bezeichnet, weil das Wasser über die Oberkante des Grundwasserleiters ansteigt. In einigen Fällen kann die potentiometrische Oberfläche über dem Bodenniveau liegen. Das Wasser in einem Brunnen, der in dieser Situation in den gespannten Grundwasserleiter gebohrt wurde, würde über den Boden ansteigen und abfließen, wenn er nicht verschlossen ist (Brunnen C in Abbildung 14.6). Dies wird als fließender artesischer Brunnen bezeichnet.

In Situationen, in denen ein Aquitard von begrenzter Ausdehnung vorhanden ist, ist es möglich, dass ein perched Aquifer existiert, wie in Abbildung 14.7 dargestellt. Obwohl perched Aquifere zu bestimmten Zeiten des Jahres gute Wasserquellen sein können, sind sie in der Regel relativ dünn und klein und können daher leicht durch übermäßiges Pumpen erschöpft werden.

Im Jahr 1856 führte der französische Ingenieur Henri Darcy einige Experimente durch, aus denen er eine Methode zur Abschätzung der Grundwasserfließgeschwindigkeit auf der Grundlage des hydraulischen Gefälles und der Durchlässigkeit eines Grundwasserleiters ableitete, ausgedrückt durch K, die hydraulische Leitfähigkeit. Die Darcy-Gleichung, die seither von Hydrogeologen häufig verwendet wird, sieht wie folgt aus:

V = K * i

(wobei V die Geschwindigkeit des Grundwasserflusses, K die hydraulische Leitfähigkeit und i das hydraulische Gefälle ist).

Wir können diese Gleichung auf das Szenario in Abbildung 14.5 anwenden. Wenn wir annehmen, dass die Durchlässigkeit 0,00001 m/s beträgt, erhalten wir: V = 0,00001 * 0,08 = 0,0000008 m/s. Das entspricht 0,000048 m/min, 0,0029 m/Stunde oder 0,069 m/Tag. Das bedeutet, dass es 1.450 Tage (fast vier Jahre) dauern würde, bis das Wasser die 100 m von der Nähe des Brunnens bis zum Bach zurückgelegt hat. Grundwasser bewegt sich langsam, und das ist eine vernünftige Zeitspanne, um diese Strecke zurückzulegen. Tatsächlich würde es wahrscheinlich länger dauern, weil es sich nicht in einer geraden Linie bewegt.

Es ist wichtig zu verstehen, dass Grundwasser nicht in unterirdischen Flüssen fließt und auch keine unterirdischen Seen bildet. Mit Ausnahme von Karstgebieten mit Höhlen im Kalkstein fließt das Grundwasser sehr langsam durch körnige Sedimente oder durch festes Gestein, das Brüche aufweist. In stark durchlässigen Sedimenten mit bedeutenden hydraulischen Gradienten sind Fließgeschwindigkeiten von mehreren Zentimetern pro Tag möglich. In vielen Fällen sind die Durchlässigkeiten jedoch geringer als die, die wir hier als Beispiele verwendet haben, und in vielen Gebieten sind die Gefälle viel geringer. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Grundwasser mit Geschwindigkeiten von einigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern pro Jahr fließt.

Wie bereits erwähnt, fließt das Grundwasser nicht in geraden Linien. Es fließt von Gebieten mit höherer hydraulischer Druckhöhe zu Gebieten mit niedrigerer hydraulischer Druckhöhe, und das bedeutet, dass es in vielen Situationen „bergauf“ fließen kann. Dies ist in Abbildung 14.8 dargestellt. Die gestrichelten orangefarbenen Linien sind Äquipotentiallinien, d. h. Linien mit gleichem Druck. Die blauen Linien sind die vorhergesagten Grundwasserströmungswege. Die gestrichelten roten Linien sind No-Flow-Grenzen, was bedeutet, dass das Wasser nicht über diese Linien fließen kann. Das liegt nicht daran, dass es dort etwas gibt, das es aufhält, sondern daran, dass es kein Druckgefälle gibt, das das Wasser dazu bringt, in diese Richtung zu fließen.

Grundwasser fließt im rechten Winkel zu den Äquipotentiallinien, so wie Wasser, das einen Hang hinunterfließt, im rechten Winkel zu den Höhenlinien fließen würde. Der Bach ist in diesem Szenario der Ort mit dem niedrigsten hydraulischen Potenzial, so dass das Grundwasser, das in die unteren Teile des Grundwasserleiters fließt, nach oben fließen muss, um diesen Ort zu erreichen. Es wird durch die Druckunterschiede nach oben gezwungen, z. B. durch die Differenz zwischen den Äquipotentiallinien 112 und 110.

Grundwasser, das durch Höhlen fließt, einschließlich solcher in Karstgebieten – wo sich Höhlen durch Auflösung im Kalkstein gebildet haben – verhält sich anders als Grundwasser in anderen Situationen. Höhlen oberhalb des Grundwasserspiegels sind luftgefüllte Kanäle, und das Wasser, das in diesen Kanälen fließt, steht nicht unter Druck; es reagiert nur auf die Schwerkraft. Mit anderen Worten, es fließt entlang des Gefälles des Höhlenbodens abwärts (Abbildung 14.9). Viele Kalksteinhöhlen erstrecken sich auch unterhalb des Grundwasserspiegels bis in die gesättigte Zone. Hier verhält sich das Wasser ähnlich wie jedes andere Grundwasser und fließt gemäß dem hydraulischen Gefälle und dem Darcy’schen Gesetz.