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地下水(ちかすい)とは、地中に存在する水の種類である。

地中に存在する水は、地下水と土壌水に二分されるが、ある地層(帯水層)に水がこれ以上ないほど満たされている(飽和している)場合、それを地下水と呼び、満たされていない(不飽和である)場合はそれを土壌水と呼んで区別している。地下水と土壌水を合わせて、広義の地下水と呼ぶこともある。

廃棄物の最終処分場に含まれる水については地下水とは呼ばず、保有水という。処分場は構造上、一般環境から隔離されており、その内部にのみ保有されている水であることを示している。

地盤は水分を吸収する能力(性質)を持っており、これを浸透能というが、この浸透能により地中に地下水が蓄えられることとなる。地下水は、地表に流出して河川や池・湖などの地表水を形成する。また、生活用水・農業用水・工業用水などに使用されたり、水温の高いものは温泉として利用されるなど、人間の生活活動・経済活動を支える重要な資源とされている。人間は井戸によって地下水を得ることが多い。一方、地下水は斜面崩壊、地すべり、土石流など自然災害の原因ともなっている。

地下水を扱う研究分野には、水文学や水理学などがある。

◆ 地下水の由来

地下水の大部分は、降水(天水ともいう)に由来する。雨や雪などの降水は、地表の浸透能によってほとんどが地中に浸透する。いったん地中に浸透した地下水は、ふたたび地表に湧出して河川や池沼のような地表水となるか、地下のまま海岸線を潜り抜けて沿岸の海底に湧き出る。地中へ浸透せずに地表水となる水流をホートン地表流というが、地表の浸透能は非常に高いため、舗装で埋め尽くされた都市部などでない限り、降水のほとんどはホートン地表流となることなく、一度は地中に吸い込まれて地下水となる。同位体を用いた水文調査の結果によると、洪水時でさえも、地表水は地下水から供給されていることが判明している。すなわち、地中に浸透できなかった降水によって洪水が発生するのではなく、多量の降水が地中に浸透して、それまでの地下水が追い出されて洪水が発生するのである。

海水を由来とする地下水もある。太古に海だった地域が、長い年月の間に陸となり、海水が地中に残存して地下水となったものである。こうした地下水を化石水(かせきすい)といい、アメリカ中西部プレーリー平原の化石水が代表的なものである。化石水は、数千万年 - 数億年前に形成されたと見られている。化石水はもともと海水だったため、塩分を多量に含む塩水であることが多く、人間にとって利用しにくい地下水であるが、東京都内や川崎・横浜市内の天然温泉は化石水が温められたものである。

また、プレートテクトニクスに由来する地下水もある。大陸プレートが海溝などで他の大陸プレートの下部へ潜り込む際、周辺の海水も一緒に引きずり込まれる。地殻内部へ引きずり込まれた海水は、マグマ熱などにより、地表近くへ上昇して地下水となるものもある。こうした地下水は、高温であることが多く、温泉を形成することがよく見られる。

◆ 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、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・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)

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