Dacă ieșiți în grădina dumneavoastră, într-o pădure sau într-un parc și începeți să săpați, veți constata că solul este umed (cu excepția cazului în care vă aflați într-un deșert), dar nu este saturat cu apă. Acest lucru înseamnă că o parte din spațiul poros din sol este ocupat de apă, iar o parte din spațiul poros este ocupat de aer (cu excepția cazului în care vă aflați într-o mlaștină). Aceasta este cunoscută sub numele de zonă nesaturată. Dacă ați putea săpa suficient de adânc, ați ajunge în punctul în care toate spațiile poroase sunt 100% umplute cu apă (saturate) și fundul găurii dumneavoastră s-ar umple cu apă. Nivelul de apă din gaură reprezintă nivelul freatic, care este suprafața zonei saturate. În cea mai mare parte a Columbiei Britanice, pânza freatică se află la câțiva metri sub suprafață.

Apa care cade la suprafața solului sub formă de precipitații (ploaie, zăpadă, grindină, ceață etc.) se poate scurge de pe panta unui deal direct către un curs de apă sub formă de scurgere, sau se poate infiltra în sol, unde este stocată în zona nesaturată. Apa din zona nesaturată poate fi folosită de plante (transpirație), se poate evapora din sol (evaporare) sau poate continua să treacă de zona rădăcinilor și să curgă în jos spre pânza freatică, unde reîncarcă apele subterane.

O secțiune transversală a unui versant tipic cu un acvifer neconfinat este ilustrată în figura 14.5. În zonele cu relief topografic, pânza freatică urmează, în general, suprafața terenului, dar tinde să se apropie de suprafață în văi și intersectează suprafața acolo unde există cursuri de apă sau lacuri. Pânza freatică poate fi determinată din adâncimea apei dintr-un puț care nu este pompat, deși, așa cum este descris mai jos, acest lucru se aplică numai dacă puțul se află în interiorul unui acvifer neconfinat. În acest caz, cea mai mare parte a versantului formează zona de alimentare, unde apa provenită din precipitații curge în jos prin zona nesaturată pentru a ajunge la pânza freatică. Zona de la nivelul pârâului sau lacului în care curge apa subterană este o zonă de descărcare.

Ce face ca apa să curgă de la zonele de reîncărcare la zonele de descărcare? Reamintim că apa curge în pori unde există frecare, ceea ce înseamnă că este nevoie de muncă pentru a mișca apa. Există, de asemenea, o anumită frecare între moleculele de apă în sine, care este determinată de vâscozitate. Apa are o vâscozitate scăzută, dar frecarea este totuși un factor. Toate fluidele care curg pierd mereu energie din cauza frecării cu mediul înconjurător. Apa va curge din zonele cu energie mare spre cele cu energie mică. Zonele de reîncărcare se află la altitudini mai mari, unde apa are o energie gravitațională ridicată. Energia de la soare a fost cea care a evaporat apa în atmosferă și a ridicat-o în zona de reîncărcare. Apa pierde această energie gravitațională pe măsură ce curge din zona de reîncărcare spre zona de descărcare.

În figura 14.5, pânza freatică este înclinată; această pantă reprezintă schimbarea energiei potențiale gravitaționale a apei la nivelul pânzei freatice. Pânza freatică este mai înaltă sub zona de reîncărcare (90 m) și mai joasă în zona de descărcare (82 m). Imaginați-vă cât de multă muncă ar însemna să ridicați apa la 8 m înălțime în aer. Aceasta este energia care a fost pierdută din cauza frecării în timp ce apa subterană curgea din vârful dealului spre pârâu.

Situația devine mult mai complicată în cazul acviferelor confinate, dar acestea sunt surse importante de apă, așa că trebuie să înțelegem cum funcționează. După cum se arată în figura 14.6, există întotdeauna o pânză freatică, iar acest lucru este valabil chiar dacă materialele geologice de la suprafață au o permeabilitate foarte scăzută. În cazul în care există un acvifer confinat – adică unul care este separat de suprafață printr-un strat de confinare – acest acvifer va avea propriul „nivel freatic”, care se numește de fapt suprafață potențiometrică, deoarece este o măsură a energiei potențiale totale a apei. Linia roșie punctată din figura 14.6 este suprafața potențiometrică pentru acviferul confinat și descrie energia totală sub care se află apa în interiorul acviferului confinat. Dacă forăm un puț în acviferul neconfinat, apa va urca până la nivelul pânzei freatice (puțul A din figura 14.6). Dar dacă forăm un puț care traversează atât acviferul neconfinat, cât și stratul de confinare și pătrunde în acviferul confinat, apa se va ridica deasupra părții superioare a acviferului confinat până la nivelul suprafeței sale potențiometrice (puțul B din figura 14.6). Acest lucru este cunoscut sub numele de puț artezian, deoarece apa se ridică deasupra părții superioare a acviferului. În unele situații, suprafața potențiometrică poate fi deasupra nivelului solului. În această situație, apa dintr-un puț forat în acviferul confinat s-ar ridica deasupra nivelului solului și ar curge în afara acestuia, dacă nu este acoperit (puțul C din figura 14.6). Această situație este cunoscută sub numele de puț artezian curgător.

În situațiile în care există un acvifer de întindere limitată, este posibil să existe un acvifer cu pervaz, așa cum se arată în figura 14.7. Deși acviferele perchizate pot fi surse bune de apă în anumite perioade ale anului, ele tind să fie relativ subțiri și mici, astfel încât pot fi ușor epuizate prin suprapompare.

În 1856, inginerul francez Henri Darcy a efectuat câteva experimente din care a derivat o metodă de estimare a vitezei de curgere a apelor subterane pe baza gradientului hidraulic și a permeabilității unui acvifer, exprimate cu ajutorul lui K, conductivitatea hidraulică. Ecuația lui Darcy, care a fost folosită pe scară largă de către hidrogeologi încă de atunci, arată astfel:

V = K * i

(unde V este viteza de curgere a apei subterane, K este conductivitatea hidraulică, iar i este gradientul hidraulic).

Potem aplica această ecuație la scenariul din figura 14.5. Dacă presupunem că permeabilitatea este de 0,00001 m/s, obținem: V = 0,00001 * 0,08 = 0,0000008 m/s. Acest lucru este echivalent cu 0,000048 m/min, 0,0029 m/oră sau 0,069 m/zi. Aceasta înseamnă că ar fi nevoie de 1.450 de zile (aproape patru ani) pentru ca apa să parcurgă cei 100 m din apropierea puțului până la pârâu. Apele subterane se deplasează lent, iar aceasta este o perioadă de timp rezonabilă pentru ca apa să parcurgă această distanță. De fapt, ar dura probabil mai mult decât atât, deoarece nu se deplasează în linie dreaptă.

Este esențial să înțelegem că apele subterane nu curg în fluxuri subterane și nici nu formează lacuri subterane. Cu excepția zonelor carstice, cu peșteri în calcar, apele subterane curg foarte încet prin sedimentele granulare sau prin roca solidă care prezintă fracturi. Viteze de curgere de câțiva centimetri pe zi sunt posibile în sedimentele foarte permeabile, cu gradienți hidraulici importanți. Dar, în multe cazuri, permeabilitățile sunt mai mici decât cele pe care le-am folosit ca exemple aici, iar în multe zone, gradienții sunt mult mai mici. Nu este neobișnuit ca apele subterane să curgă cu viteze de câțiva milimetri până la câțiva centimetri pe an.

Cum s-a observat deja, apele subterane nu curg în linii drepte. Ea curge dinspre zonele cu înălțime hidraulică mai mare spre zonele cu înălțime hidraulică mai mică, iar acest lucru înseamnă că poate curge „în sus” în multe situații. Acest lucru este ilustrat în figura 14.8. Liniile portocalii punctate sunt linii echipotențiale, adică linii de presiune egală. Liniile albastre reprezintă căile de curgere a apelor subterane preconizate. Liniile roșii punctate reprezintă limitele de interdicție de curgere, ceea ce înseamnă că apa nu poate curge peste aceste linii. Acest lucru nu se datorează faptului că există ceva acolo care să o oprească, ci pentru că nu există un gradient de presiune care să determine apa să curgă în acea direcție.

Apă subterană curge în unghiuri drepte față de liniile echipotențiale în același mod în care apa care curge pe o pantă ar curge în unghiuri drepte față de curbele de nivel. Pârâul din acest scenariu este locația cu cel mai mic potențial hidraulic, astfel încât apa subterană care curge în părțile inferioare ale acviferului trebuie să curgă în sus pentru a ajunge în această locație. Ea este forțată în sus de diferențele de presiune, de exemplu, diferența dintre liniile echipotențiale 112 și 110.

Apele subterane care curg prin peșteri, inclusiv cele din zonele carstice – unde s-au format peșteri în calcar din cauza dizolvării – se comportă diferit față de apele subterane în alte situații. Peșterile aflate deasupra nivelului freatic sunt conducte umplute cu aer, iar apa care curge în aceste conducte nu este sub presiune; ea răspunde doar la gravitație. Cu alte cuvinte, ea curge la vale, de-a lungul pantei podelei peșterii (figura 14.9). Multe peșteri calcaroase se extind, de asemenea, sub pânza freatică și în zona saturată. Aici apa se comportă în mod similar cu orice altă apă subterană și curge în funcție de gradientul hidraulic și de legea lui Darcy.