Om du går ut i din trädgård, en skog eller en park och börjar gräva kommer du att upptäcka att jorden är fuktig (om du inte befinner dig i en öken), men att den inte är mättad med vatten. Det betyder att en del av porutrymmet i jorden är upptaget av vatten, och en del av porutrymmet är upptaget av luft (om du inte befinner dig i ett träsk). Detta kallas den omättade zonen. Om du kan gräva tillräckligt långt ner skulle du komma till den punkt där alla porutrymmen är 100 % fyllda med vatten (mättad) och botten av ditt hål skulle fyllas med vatten. Vattennivån i hålet motsvarar grundvattennivån, som är ytan på den mättade zonen. I de flesta delar av British Columbia ligger grundvattennivån flera meter under ytan.

Vatten som faller på markytan i form av nederbörd (regn, snö, hagel, dimma etc.) kan rinna från en bergssluttning direkt till ett vattendrag i form av avrinning, eller så kan det infiltrera marken, där det lagras i den omättade zonen. Vattnet i den omättade zonen kan användas av växter (transpiration), avdunsta från marken (avdunstning) eller fortsätta förbi rotzonen och rinna nedåt till grundvattennivån, där det fyller på grundvattnet.

Figur 14.5 illustrerar ett tvärsnitt av en typisk bergssluttning med en obegränsad akvifer. I områden med topografisk relief följer grundvattenytan i allmänhet markytan, men tenderar att komma närmare ytan i dalar och skär ytan där det finns vattendrag eller sjöar. Grundvattennivån kan bestämmas utifrån vattendjupet i en brunn som inte pumpas, även om det, som beskrivs nedan, endast gäller om brunnen ligger inom en obegränsad akvifer. I det här fallet utgör större delen av bergssluttningen det återfyllda området, där vatten från nederbörd flödar nedåt genom den omättade zonen för att nå grundvattenytan. Området vid bäcken eller sjön som grundvattnet strömmar till är ett utströmningsområde.

Vad får vattnet att strömma från tillrinningsområdena till utströmningsområdena? Kom ihåg att vattnet flyter i porer där det finns friktion, vilket innebär att det krävs arbete för att flytta vattnet. Det finns också en viss friktion mellan själva vattenmolekylerna, vilket bestäms av viskositeten. Vatten har en låg viskositet, men friktionen är fortfarande en faktor. Alla flödande vätskor förlorar alltid energi genom friktion med sin omgivning. Vatten kommer att strömma från områden med hög energi till områden med låg energi. Återfyllnadsområden ligger på högre höjder, där vattnet har hög gravitationsenergi. Det var energin från solen som avdunstade vattnet i atmosfären och lyfte upp det till återfyllnadsområdet. Vattnet förlorar denna gravitationsenergi när det rinner från återfyllnadsområdet till utflödesområdet.

I figur 14.5 har grundvattenytan en lutning; denna lutning representerar förändringen av vattnets potentiella gravitationsenergi vid grundvattenytan. Vattennivån är högre under återfyllnadsområdet (90 m) och lägre vid utflödesområdet (82 m). Föreställ dig hur mycket arbete det skulle krävas för att lyfta vatten 8 m högt upp i luften. Det är den energi som förlorades till friktion när grundvattnet flöt från toppen av kullen till bäcken.

Situationen blir mycket mer komplicerad när det gäller instängda akviferer, men de är viktiga vattenkällor så vi måste förstå hur de fungerar. Som visas i figur 14.6 finns det alltid en grundvattenyta, och det gäller även om de geologiska materialen vid ytan har mycket låg genomsläpplighet. Om det finns en begränsad akvifer – det vill säga en akvifer som är separerad från ytan av ett begränsande lager – kommer denna akvifer att ha sin egen ”vattentäkt”, som egentligen kallas potentiometrisk yta, eftersom den är ett mått på vattnets totala potentiella energi. Den röda streckade linjen i figur 14.6 är den potentiometriska ytan för den instängda akviferen, och den beskriver den totala energi som vattnet befinner sig under i den instängda akviferen. Om vi borrar en brunn i den oinskränkta akviferen kommer vattnet att stiga till nivån för grundvattennivån (brunn A i figur 14.6). Men om vi borrar en brunn genom både den okonventionella akviferen och det begränsade lagret och in i den begränsade akviferen kommer vattnet att stiga över den begränsade akviferens topp till nivån för dess potentiometriska yta (brunn B i figur 14.6). Detta kallas en artesisk brunn, eftersom vattnet stiger över toppen av akviferen. I vissa situationer kan den potentiometriska ytan ligga över marknivån. Vattnet i en brunn som borras i en begränsad akvifer i en sådan situation skulle stiga över marknivån och rinna ut om den inte täcks (brunn C i figur 14.6). Detta kallas en flödande artesisk brunn.

I situationer där det finns en akvitard med begränsad utbredning är det möjligt att det finns en perchad akvifer som visas i figur 14.7. Även om perchade akviferer kan vara bra vattenkällor under vissa tider på året tenderar de att vara relativt tunna och små och kan därför lätt utarmas vid överpumpning.

Den franske ingenjören Henri Darcy utförde 1856 några experiment från vilka han härledde en metod för att uppskatta grundvattenflödeshastigheten baserat på den hydrauliska gradienten och permeabiliteten hos en akvifer, uttryckt med hjälp av K, den hydrauliska konduktiviteten. Darcys ekvation, som har använts i stor utsträckning av hydrogeologer sedan dess, ser ut så här:

V = K * i

(där V är grundvattenflödets hastighet, K är den hydrauliska konduktiviteten och i är den hydrauliska gradienten).

Vi kan tillämpa denna ekvation på scenariot i figur 14.5. Om vi antar att permeabiliteten är 0,00001 m/s får vi: V = 0,00001 * 0,08 = 0,0000008 m/s. Det motsvarar 0,000048 m/min, 0,0029 m/timme eller 0,069 m/dag. Det betyder att det skulle ta 1 450 dagar (nästan fyra år) för vattnet att färdas de 100 m från brunnens närhet till bäcken. Grundvattnet rör sig långsamt och det är en rimlig tid för vattnet att förflytta sig den sträckan. I själva verket skulle det troligen ta längre tid än så, eftersom det inte rör sig i en rak linje.

Det är viktigt att förstå att grundvatten inte flyter i underjordiska strömmar och inte heller bildar underjordiska sjöar. Med undantag för karstområden, med grottor i kalksten, rinner grundvattnet mycket långsamt genom granulära sediment, eller genom fast berg som har sprickor i sig. Flödeshastigheter på flera centimeter per dag är möjliga i betydligt genomsläppliga sediment med betydande hydrauliska gradienter. Men i många fall är genomsläppligheten lägre än de som vi har använt som exempel här, och i många områden är gradienterna mycket lägre. Det är inte ovanligt att grundvattnet flyter med hastigheter på några millimeter till några centimeter per år.

Som redan nämnts rinner grundvattnet inte i raka linjer. Det strömmar från områden med högre hydraulisk höjd till områden med lägre hydraulisk höjd, vilket innebär att det kan strömma ”uppåt” i många situationer. Detta illustreras i figur 14.8. De streckade orange linjerna är equipotentiella, dvs. linjer med lika tryck. De blå linjerna är de förutspådda flödesvägarna för grundvattnet. De streckade röda linjerna är gränser för flödesförbud, vilket innebär att vatten inte kan flöda över dessa linjer. Det beror inte på att det finns något där som stoppar det, utan på att det inte finns någon tryckgradient som får vattnet att strömma i den riktningen.

Grundvattnet strömmar i rät vinkel mot ekvipotentiallinjerna på samma sätt som vatten som strömmar nerför en sluttning skulle strömma i rät vinkel mot konturlinjerna. Bäcken i detta scenario är den plats som har den lägsta hydrauliska potentialen, så grundvattnet som strömmar till de lägre delarna av akviferen måste strömma uppåt för att nå denna plats. Det tvingas uppåt av tryckskillnaderna, till exempel skillnaden mellan ekvipotentiallinjerna 112 och 110.

Grundvatten som rinner genom grottor, även i karstområden – där grottor har bildats i kalksten på grund av upplösning – beter sig annorlunda än grundvatten i andra situationer. Grottor ovanför grundvattenytan är luftfyllda ledningar, och det vatten som rinner i dessa ledningar är inte under tryck utan reagerar endast på gravitationen. Med andra ord strömmar det nedåt längs gradienten i grottans botten (figur 14.9). Många kalkstensgrottor sträcker sig också under grundvattenytan och in i den mättade zonen. Här beter sig vattnet på samma sätt som allt annat grundvatten, och det rinner enligt den hydrauliska gradienten och Darcys lag.