Ha kimész a kertedbe, egy erdőbe vagy egy parkba, és ásni kezdesz, azt fogod látni, hogy a talaj nedves (kivéve, ha sivatagban vagy), de nem telített vízzel. Ez azt jelenti, hogy a talaj pórusainak egy részét víz, egy részét pedig levegő foglalja el (kivéve, ha mocsárban vagy). Ezt nevezzük telítetlen zónának. Ha elég mélyre tudnál ásni, eljutnál arra a pontra, ahol az összes pórustér 100%-ban vízzel van kitöltve (telített), és a gödör alja megtelne vízzel. A lyukban lévő vízszint a talajvízszintet jelenti, amely a telített zóna felszínét jelenti. Brit Columbia legtöbb részén a talajvízszint több méterrel a felszín alatt van.

A talajfelszínre csapadékként (eső, hó, jégeső, köd stb.) hulló víz lefolyhat a hegyoldalról közvetlenül a patakba lefolyás formájában, vagy beszivároghat a talajba, ahol a telítetlen zónában tárolódik. A telítetlen zónában lévő vizet a növények felhasználhatják (transzspiráció), elpárologhat a talajból (párolgás), vagy továbbhaladhat a gyökérzóna mellett, és lefelé áramolhat a talajvízszintig, ahol feltölti a talajvizet.

A 14.5. ábra egy tipikus hegyoldal keresztmetszetét mutatja be egy nem korlátozott víztartó réteggel. A domborzati domborzattal rendelkező területeken a talajvízszint általában követi a földfelszínt, de a völgyekben hajlamos közelebb kerülni a felszínhez, és ott metszi a felszínt, ahol patakok vagy tavak vannak. A talajvízszint meghatározható a nem szivattyúzott kútban lévő víz mélységéből, bár, mint alább leírtuk, ez csak akkor érvényes, ha a kút egy nem korlátozott víztartó rétegben van. Ebben az esetben a hegyoldal nagy része képezi a feltöltődési területet, ahol a csapadékból származó víz a telítetlen zónán keresztül lefelé áramlik, hogy elérje a talajvizet. A pataknál vagy tónál lévő terület, ahová a talajvíz áramlik, a lefolyási terület.

Mitől áramlik a víz a feltöltődési területekről a lefolyási területek felé? Emlékezzünk vissza, hogy a víz olyan pórusokban áramlik, ahol súrlódás van, ami azt jelenti, hogy a víz mozgatásához munkára van szükség. Maguk a vízmolekulák között is van némi súrlódás, amit a viszkozitás határoz meg. A víz viszkozitása alacsony, de a súrlódás még mindig tényező. Minden áramló folyadék mindig veszít energiát a környezetével való súrlódás miatt. A víz a nagy energiájú területekről az alacsony energiájúak felé áramlik. A feltöltődési területek magasabban fekszenek, ahol a víznek nagy gravitációs energiája van. A nap energiája párologtatta el a vizet a légkörbe, és emelte fel a feltöltődési területre. A víz elveszíti ezt a gravitációs energiát, ahogy a feltöltődési területről a lefolyási területre áramlik.

A 14.5. ábrán a talajvízszint lejt; ez a lejtés a víz gravitációs potenciális energiájának változását jelenti a talajvízszintnél. A talajvízszint magasabb a feltöltődési terület alatt (90 m) és alacsonyabb a leürítési területen (82 m). Képzeljük el, mekkora munka lenne 8 m magasra emelni a vizet a levegőben. Ez az az energia, amely a súrlódás miatt elveszett, miközben a talajvíz a domb tetejéről a patakba áramlott.

A helyzet sokkal bonyolultabbá válik a zárt víztartó rétegek esetében, de ezek fontos vízforrások, ezért meg kell értenünk a működésüket. Ahogy a 14.6. ábrán látható, mindig van talajvízszint, és ez még akkor is igaz, ha a felszínen lévő földtani anyagok nagyon alacsony vízáteresztő képességűek. Ahol zárt víztartó réteg van – vagyis olyan, amelyet a felszíntől egy záróréteg választ el -, ott ennek a víztartó rétegnek saját “vízszintje” lesz, amelyet valójában potenciometrikus felszínnek neveznek, mivel ez a víz teljes potenciális energiájának a mérőszáma. A 14.6. ábrán látható piros szaggatott vonal a zárt víztartó réteg potenciometriai felszíne, és azt a teljes energiát írja le, amely alatt a víz a zárt víztartó rétegben van. Ha kutat fúrunk a nem korlátozott víztartó rétegbe, a víz a talajvízszintig emelkedik (A kút a 14.6. ábrán). Ha azonban kutat fúrunk mind a nem korlátozott víztartó rétegen, mind a korlátozó rétegen keresztül a zárt víztartó rétegbe, akkor a víz a zárt víztartó réteg teteje fölé, a potenciometrikus felszín szintjére emelkedik (B kút a 14.6. ábrán). Ezt artézi kútnak nevezik, mivel a víz a víztartó réteg teteje fölé emelkedik. Bizonyos helyzetekben a potenciometrikus felszín a talajszint felett is lehet. Ebben a helyzetben a korlátozott víztartó rétegbe fúrt kútban a víz a talajszint fölé emelkedik, és kifolyik, ha nincs lefedve (C kút a 14.6. ábrán). Ezt nevezzük áramló artézi kútnak.

Ahol korlátozott kiterjedésű víztartó réteg van, ott előfordulhat a 14.7. ábrán látható perched aquifer. Bár a perched víztartó rétegek az év bizonyos időszakaiban jó vízforrások lehetnek, általában viszonylag vékonyak és kicsik, így a túlszivattyúzással könnyen kimerülhetnek.

1856-ban Henri Darcy francia mérnök végzett néhány kísérletet, amelyekből levezetett egy módszert a talajvíz áramlási sebességének becslésére a hidraulikus gradiens és a víztartó réteg áteresztőképessége alapján, amelyet K-val, a hidraulikus vezetőképességgel fejezett ki. Darcy egyenlete, amelyet azóta is széles körben használnak a hidrogeológusok, így néz ki:

V = K * i

(ahol V a talajvíz áramlási sebessége, K a hidraulikus vezetőképesség, i pedig a hidraulikus gradiens).

Ezt az egyenletet alkalmazhatjuk a 14.5. ábrán látható forgatókönyvre. Ha feltételezzük, hogy az áteresztőképesség 0,00001 m/s, akkor megkapjuk: V = 0,00001 * 0,08 = 0,0000008 m/s. Ez 0,000048 m/perc, 0,0029 m/óra vagy 0,069 m/nap értéknek felel meg. Ez azt jelenti, hogy a víznek 1450 nap (közel négy év) kell ahhoz, hogy a kút környékétől a patakig megtegye a 100 m-es utat. A talajvíz lassan mozog, és ez egy ésszerű idő, amíg a víz megteszi ezt a távolságot. Valójában valószínűleg ennél tovább tartana, mivel nem egyenes vonalban halad.

Kritikusan fontos megérteni, hogy a talajvíz nem áramlik földalatti patakokban, és nem is képez földalatti tavakat. A mészkőben lévő barlangokkal rendelkező karsztos területek kivételével a talajvíz nagyon lassan áramlik a szemcsés üledékeken vagy a törésekkel rendelkező szilárd kőzeteken keresztül. Jelentősen áteresztő, jelentős hidraulikus gradiensű üledékekben napi több centiméteres áramlási sebesség is lehetséges. Sok esetben azonban a permeabilitások kisebbek, mint amiket itt példaként használtunk, és sok területen a gradiensek is sokkal kisebbek. Nem ritka, hogy a talajvíz néhány millimétertől néhány centiméterig terjedő sebességgel áramlik évente.

Amint már említettük, a talajvíz nem egyenes vonalban áramlik. A nagyobb hidraulikai magasságú területekről a kisebb hidraulikai magasságú területek felé áramlik, és ez azt jelenti, hogy sok helyzetben “felfelé” áramolhat. Ezt a 14.8. ábra szemlélteti. A szaggatott narancssárga vonalak ekvipotenciális, azaz azonos nyomású vonalak. A kék vonalak a talajvíz előre jelzett áramlási útvonalai. A szaggatott piros vonalak áramlástilalmi határok, ami azt jelenti, hogy a víz nem áramolhat át ezeken a vonalakon. Ez nem azért van, mert van ott valami, ami megállítja, hanem azért, mert nincs olyan nyomásgradiens, ami a vizet arra késztetné, hogy abba az irányba áramoljon.

A talajvíz az ekvipotenciális vonalakra merőlegesen áramlik, ugyanúgy, ahogy a lejtőn lefelé folyó víz a szintvonalakra merőlegesen áramlik. A patak ebben a forgatókönyvben a legalacsonyabb hidraulikai potenciállal rendelkező hely, így a talajvíznek, amely a víztartó réteg alsó részeibe áramlik, felfelé kell áramlania, hogy elérje ezt a helyet. Felfelé kényszerítik a nyomáskülönbségek, például a 112-es és a 110-es ekvipotenciálvonalak közötti különbség.

A barlangokon keresztül áramló talajvíz, beleértve a karsztos területeken – ahol a mészkőben a feloldódás következtében barlangok alakultak ki – másképp viselkedik, mint a más helyzetekben lévő talajvíz. A talajvízszint feletti barlangok levegővel teli járatok, és az ezekben a járatokban áramló víz nem áll nyomás alatt; csak a gravitációra reagál. Más szóval a barlang fenekének lejtése mentén lefelé áramlik (14.9. ábra). Sok mészkőbarlang a talajvízszint alá és a telített zónába is benyúlik. Itt a víz hasonlóan viselkedik, mint bármely más talajvíz, és a hidraulikus gradiens és a Darcy-törvény szerint áramlik.