Jeśli wyjdziesz do swojego ogrodu, lasu lub parku i zaczniesz kopać, zauważysz, że gleba jest wilgotna (chyba że jesteś na pustyni), ale nie jest nasycona wodą. Oznacza to, że część przestrzeni porowej w glebie jest zajęta przez wodę, a część przez powietrze (chyba że znajdujemy się na bagnach). Jest to tzw. strefa nienasycona. Gdybyś mógł kopać wystarczająco daleko, dotarłbyś do punktu, w którym wszystkie przestrzenie porowe są w 100% wypełnione wodą (nasycone) i dno Twojego otworu wypełniłoby się wodą. Poziom wody w otworze reprezentuje lustro wody, które jest powierzchnią strefy nasyconej. W większości rejonów Kolumbii Brytyjskiej lustro wody znajduje się kilka metrów poniżej powierzchni.

Woda spadająca na powierzchnię ziemi w postaci opadów (deszcz, śnieg, grad, mgła, itp.) może spływać ze zbocza wzgórza bezpośrednio do strumienia w postaci spływu lub może infiltrować do gruntu, gdzie jest przechowywana w strefie nienasyconej. Woda w strefie nienasyconej może zostać wykorzystana przez rośliny (transpiracja), wyparować z gleby (ewaporacja) lub ominąć strefę korzeniową i spłynąć do zwierciadła wody, gdzie zasila wody gruntowe.

Przekrój typowego zbocza wzgórza z nieograniczoną warstwą wodonośną przedstawiono na rysunku 14.5. Na obszarach o rzeźbie topograficznej zwierciadło wody na ogół podąża za powierzchnią terenu, ale ma tendencję do zbliżania się do powierzchni w dolinach i przecinania się z powierzchnią w miejscach występowania strumieni lub jezior. Zwierciadło wody może być określone na podstawie głębokości wody w studni, która nie jest pompowana, chociaż, jak opisano poniżej, ma to zastosowanie tylko wtedy, gdy studnia znajduje się w obrębie nieograniczonej warstwy wodonośnej. W tym przypadku większa część zbocza wzgórza tworzy obszar zasilania, gdzie woda z opadów spływa w dół przez strefę nienasyconą, aby osiągnąć zwierciadło wody. Obszar przy strumieniu lub jeziorze, do którego spływają wody podziemne, to obszar zrzutu.

Co sprawia, że woda przepływa z obszarów zasilania do obszarów zrzutu? Przypomnijmy, że woda płynie w porach, w których występuje tarcie, co oznacza, że przemieszczanie się wody wymaga pracy. Istnieje również pewne tarcie pomiędzy samymi cząsteczkami wody, które jest określane przez lepkość. Woda ma niską lepkość, ale tarcie nadal jest czynnikiem. Wszystkie przepływające płyny zawsze tracą energię na tarcie z otoczeniem. Woda będzie przepływać z obszarów o wysokiej energii do tych o niskiej energii. Obszary ładowania znajdują się na wyższych wysokościach, gdzie woda ma wysoką energię grawitacyjną. To właśnie energia słoneczna wyparowała wodę do atmosfery i uniosła ją do obszaru zasilania. Woda traci tę energię grawitacyjną podczas przepływu z obszaru zasilania do obszaru zrzutu.

Na rysunku 14.5 zwierciadło wody jest nachylone; to nachylenie reprezentuje zmianę grawitacyjnej energii potencjalnej wody przy zwierciadle wody. Zwierciadło wody jest wyższe w obszarze zasilania (90 m) i niższe w obszarze zrzutu (82 m). Wyobraź sobie, ile pracy wymagałoby uniesienie wody na wysokość 8 m w powietrze. Jest to energia, która została utracona na skutek tarcia podczas przepływu wód gruntowych ze szczytu wzgórza do strumienia.

Sytuacja komplikuje się znacznie bardziej w przypadku zamkniętych warstw wodonośnych, ale są one ważnym źródłem wody, więc musimy zrozumieć, jak działają. Jak pokazano na rysunku 14.6, zawsze istnieje zwierciadło wody, i to nawet wtedy, gdy materiały geologiczne na powierzchni mają bardzo niską przepuszczalność. W przypadku występowania ograniczonej warstwy wodonośnej – czyli takiej, która jest oddzielona od powierzchni warstwą ograniczającą – taka warstwa wodonośna będzie miała swój własny „poziom wodonośny”, który w rzeczywistości nazywany jest powierzchnią potencjometryczną, ponieważ jest on miarą całkowitej energii potencjalnej wody. Czerwona przerywana linia na rysunku 14.6 to powierzchnia potencjometryczna dla ograniczonej warstwy wodonośnej, która opisuje całkowitą energię, pod jaką znajduje się woda w ograniczonej warstwie wodonośnej. Jeśli wykonamy odwiert w nieograniczonej warstwie wodonośnej, woda podniesie się do poziomu zwierciadła wody (studnia A na rysunku 14.6). Jeśli jednak wykonamy odwiert zarówno przez niekonwencjonalną warstwę wodonośną, jak i warstwę ograniczającą oraz do ograniczonej warstwy wodonośnej, woda podniesie się ponad wierzchołek ograniczonej warstwy wodonośnej do poziomu jej powierzchni potencjometrycznej (studnia B na Rysunku 14.6). Jest to tzw. studnia artezyjska, ponieważ woda wznosi się ponad wierzch warstwy wodonośnej. W niektórych sytuacjach powierzchnia potencjometryczna może znajdować się powyżej poziomu gruntu. W takiej sytuacji woda w studni wierconej w ograniczonej warstwie wodonośnej podniesie się powyżej poziomu gruntu i wypłynie, jeśli nie zostanie zamknięta (studnia C na Rysunku 14.6). Jest to tzw. studnia artezyjska z przepływem.

W sytuacjach, gdy warstwa wodonośna ma ograniczony zasięg, możliwe jest istnienie peryferyjnej warstwy wodonośnej, jak pokazano na Rysunku 14.7. Chociaż warstwy wodonośne ze stokami mogą być dobrymi źródłami wody w niektórych porach roku, są one zwykle stosunkowo cienkie i małe, a zatem łatwo mogą zostać wyczerpane przez nadmierne pompowanie.

W 1856 r. francuski inżynier Henri Darcy przeprowadził pewne eksperymenty, na podstawie których opracował metodę szacowania szybkości przepływu wód podziemnych na podstawie gradientu hydraulicznego i przepuszczalności warstwy wodonośnej, wyrażonych za pomocą K, przewodności hydraulicznej. Równanie Darcy’ego, które od tamtej pory jest powszechnie stosowane przez hydrogeologów, wygląda następująco:

V = K * i

(gdzie V to prędkość przepływu wód podziemnych, K to przewodność hydrauliczna, a i to gradient hydrauliczny).

Równanie to możemy zastosować do scenariusza przedstawionego na Rysunku 14.5. Jeśli przyjmiemy, że przepuszczalność wynosi 0,00001 m/s, otrzymamy: V = 0,00001 * 0,08 = 0,0000008 m/s. Jest to równoważne 0,000048 m/min, 0,0029 m/godzinę lub 0,069 m/dzień. Oznacza to, że woda potrzebowałaby 1450 dni (prawie cztery lata), aby pokonać odległość 100 m z okolic studni do strumienia. Woda gruntowa porusza się powoli i jest to rozsądna ilość czasu na przebycie tej odległości. W rzeczywistości prawdopodobnie zajmie to więcej czasu, ponieważ woda nie przemieszcza się w linii prostej.

Najważniejsze jest zrozumienie, że wody gruntowe nie płyną w podziemnych strumieniach, ani nie tworzą podziemnych jezior. Z wyjątkiem obszarów krasowych, gdzie występują jaskinie w wapieniu, wody gruntowe przepływają bardzo wolno przez osady ziarniste lub przez litą skałę, w której występują pęknięcia. Prędkość przepływu rzędu kilku centymetrów na dobę jest możliwa w osadach o znacznej przepuszczalności i znacznych gradientach hydraulicznych. Jednak w wielu przypadkach przepuszczalność jest niższa niż ta, której użyliśmy jako przykładu, a na wielu obszarach gradienty są znacznie niższe. Nierzadko wody gruntowe płyną z prędkością od kilku milimetrów do kilku centymetrów na rok.

Jak już wspomniano, wody podziemne nie płyną w liniach prostych. Przepływa ona z obszarów o wyższym ciśnieniu hydraulicznym do obszarów o niższym ciśnieniu hydraulicznym, a to oznacza, że w wielu sytuacjach może płynąć „pod górę”. Ilustruje to Rysunek 14.8. Przerywane linie pomarańczowe to linie ekwipotencjalne, czyli linie o równym ciśnieniu. Linie niebieskie to przewidywane ścieżki przepływu wód podziemnych. Linie czerwone przerywane to granice zakazu przepływu, co oznacza, że woda nie może przepływać przez te linie. Dzieje się tak nie dlatego, że jest tam coś, co ją powstrzymuje, ale dlatego, że nie ma gradientu ciśnienia, który spowodowałby przepływ wody w tym kierunku.

Woda gruntowa płynie pod kątem prostym do linii ekwipotencjalnych w taki sam sposób, w jaki woda spływająca ze zbocza płynęłaby pod kątem prostym do linii konturowych. W tym scenariuszu strumień jest miejscem o najniższym potencjale hydraulicznym, więc woda gruntowa, która płynie do niższych części warstwy wodonośnej musi płynąć w górę, aby dotrzeć do tego miejsca. Jest ona wymuszana w górę przez różnice ciśnień, na przykład różnicę między liniami ekwipotencjalnymi 112 i 110.

Woda gruntowa przepływająca przez jaskinie, w tym jaskinie na obszarach krasowych – gdzie jaskinie powstały w wapieniu w wyniku rozpuszczania – zachowuje się inaczej niż woda gruntowa w innych sytuacjach. Jaskinie powyżej lustra wody są wypełnionymi powietrzem przewodami, a woda płynąca w tych przewodach nie znajduje się pod ciśnieniem; reaguje jedynie na siłę grawitacji. Innymi słowy, woda spływa w dół, wzdłuż nachylenia dna jaskini (Rysunek 14.9). Wiele jaskiń wapiennych sięga również poniżej lustra wody i do strefy nasyconej. Tutaj woda zachowuje się podobnie jak inne wody podziemne i płynie zgodnie z gradientem hydraulicznym i prawem Darcy’ego.