地下水のふるまい
地下水面
地中を観察すると、砂や土の粒子の間隙に水が浸透している。このとき、粒子の間隙に水が完全に満たされた状態（飽和状態）であれば地下水といい、水が完全に満たされていない状態（不飽和状態）であれば土壌水という。そして、地下水と土壌水の境界を地下水面という。地下水面を境として、上部（土壌水の存在する部分）を不飽和帯、下部（地下水の存在するところ）を飽和帯または帯水層と呼ぶこともある。さらに不飽和帯を二分し、その下部を毛管水帯、その上部を懸垂水帯と呼ぶこともある。地下水面は、地表の起伏に大きな影響を受けている。地表が盛り上がる山地や台地では、地下水面も盛り上がっている。地表がへこんでいる場合は、地下水面も同様である。さて、上述したとおり、地下水は、地下水面より下部では面的あるいは空間的に存在している。地下水を線的なものとして捉える''地下水脈''という概念があるが、ここで見るとおり地下水の実態にそぐわない概念である。河口周辺の平野部における地下水の挙動を考えるとき、地下水の上流側が河川や海洋であり、下流側が井戸と考えた方が理解しやすい場合が多い。平野部には数十メートルを超える井戸が多数存在し、揚水を行っている。また、地下水は地層構造により第一帯水層・第二帯水層等の幾層にも分かれて重なっている。地下水流向は同一平面位置であっても各帯水層によって異なる場合が多く、全く逆方向の流向も珍しくない。
地下水の流速
地下水の流速は非常に遅く、年速数cm - 数百m程度である。地下水の流速を求めるには透水性|ダルシーの法則を用いる。1856年にアンリ・ダルシーが発見したこの法則では、地下水の流速 = 透水係数×動水勾配とされている（透水係数：地層が水を通す度合い、動水勾配：任意の2点間での地下水の流動の差）。透水係数・動水勾配は、その地層の地質構造に左右されるが、地質構造を明らかとするには実際に現地で調査を行うほかない。そのため、地下水の実態把握には、現地調査が非常に重要である。その調査方法としては、井戸やボーリング孔を掘って地中を調べる方法、地中に電流を通して電気伝導率を調べる方法、水素イオン指数|pH、水温、弾性波で調べる方法などがあるが、最も効果を上げているのが、地下水に含まれる放射性同位体を測定して調査する方法である。この同位体測定法により、実際の地下水の流速や流動方向などが、地域によってはかなり詳細に判明することもある。
地下水ポテンシャル
地下水ポテンシャル（流体ポテンシャル、水理ポテンシャルともいう）とは、ある地中点における地下水の存在状態のことである。水理学では、ポテンシャル概念を水頭と呼ぶ。地下水ポテンシャルは、速度・密度・高度・水圧|圧力の4つの物理量を変数（スカラー）とするが、現実的に、速度は無視できるほど非常に遅いので除外出来る。また、観測対象地域の各観測点の密度の違いも無視できるほどであるため、地下水ポテンシャルは高度（位置エネルギー）と圧力のポテンシャルの和、すなわち次の数式で近似できる。
地下水ポテンシャル（水理水頭）= 重力ポテンシャル（位置水頭）+圧力ポテンシャル（圧力水頭）ある地下水が、地下水ポテンシャルの高い観測点Aから低い観測点Bに移動した場合、AB間の地下水ポテンシャルの差は、運動エネルギー、および、両地点間にある地層による摩擦を受けて熱エネルギーとなる。エネルギー保存の法則から、観測点Bの地下水ポテンシャル、運動エネルギー、および、発生した熱エネルギーの和は、観測点Aの地下水ポテンシャルと等しい。すなわち、地下水の運動エネルギーは地下水ポテンシャルの差によって生じ、地下水は、地下水ポテンシャルの高い方から低い方へ流れるといえる。これを慣例的にポテンシャル流れという[榧根勇 『地下水の世界』 日本放送出版協会、1992、p57-62]。地下水ポテンシャルは、井戸を掘ることで測定することができる。ある任意の基準面から井戸の中の水位までの高さが、地下水ポテンシャルの高さを表す。このとき、井戸の中の水位を地下水位ということもある。地下水ポテンシャル = 地下水位は、同一地点であっても深度方向によって異なる。例えば、低標高の平野部では、浅い地層よりも深い地層の方が地下水ポテンシャル = 地下水位が高い場合が多く、深い井戸を掘ると地下水位が地表面より高くなることさえある。こうした自噴する井戸を自噴井という。地下水位と地下水面は、よく似た用語であるが厳密には異なる。地下水位は、地下水ポテンシャルの大きさを表す用語であるのに対し、地下水面は、地下水帯水層の上部境界を示す用語である。短期的に見れば、地下水面の位置は一定だが、地下水位は深度によって異なる。なお、地下水面は、地下水ポテンシャル = 重力ポテンシャルとなる点の連続面と定義することもでき、地下水面上では、地下水面と地下水位が等しくなる。