地下水は、雨や雪どけ水などが地面にしみ込み、土や岩石のすき間を通って地下へ移動し、地下水面より下の「飽和帯」にたまって流れることで成り立っています。 地下水は地下にある巨大な湖や川ではなく、多くの場合、砂・砂礫・岩石の孔隙や亀裂の中を満たしている水です。
地下水の仕組みを理解するには、浸透→不飽和帯の通過→地下水涵養→飽和帯・帯水層での流動→湧水や河川への流出という流れを見るとわかりやすくなります。国土交通省も地下水を水循環の一部として位置づけており、降雨を地下へ浸透させることが地下水の涵養や湧水の維持につながると説明しています。
そもそも地下水とは何か
地下水とは、地表より下にある水のうち、土や岩石の孔隙や亀裂を満たしている水を指します。特に、地下水面より下の飽和帯では、すき間がほぼ水で満たされています。
USGS（米国地質調査所）は、地下水が存在する場所を説明する際、地表に近い「不飽和帯」と、その下の「飽和帯」を区別しています。不飽和帯にも水はありますが、孔隙のすべてが水で満たされているわけではありません。飽和帯では、土や岩石のすき間が水で満たされ、この水が地下水として扱われます。
飽和帯の上面が地下水面です。井戸を掘って地下水面まで達すると、井戸の中に水がたまって見えることがあります。
地下水はどこから来るのか
雨や雪どけ水の一部が地面へ浸透する
地下水の主な供給源は、地表に降った雨や雪どけ水です。降水のすべてが川へ流れるわけではなく、一部は土壌へしみ込みます。この地表から地中へ水が入る過程を浸透と呼びます。
浸透した水は、土壌中に一時的に保持されたり、植物に吸収されたり、再び蒸発したりします。そのうち、さらに深くへ移動した水が地下水面へ到達すると、地下水を補給します。この過程が地下水涵養です。
USGSは地下水涵養を、地表から浸透した水などが地下水面を越えて飽和帯へ加わる過程として説明しています。日本水文科学会誌でも、降水入力、地下水涵養、地下水流動、湧出を連続した水循環プロセスとして捉える重要性が示されています。
不飽和帯では水はどう動くのか
地表から地下水面までの間には、多くの場合、不飽和帯があります。この場所では、土や岩石のすき間に水と空気の両方が含まれています。
雨が降ると、水は重力によって下へ移動するとともに、細かな孔隙では毛管力などの影響も受けます。ただし、水が地下へ移動する速さは一様ではありません。
砂や砂礫のように大きく連続した孔隙が多い地層では、水が比較的移動しやすい傾向があります。一方、粘土質の層では孔隙が非常に細かく、水の移動が遅くなることがあります。岩盤でも、割れ目が多くつながっていれば、その亀裂を通って水が移動できます。
このように、地下水がどこにでき、どの方向へ流れるかは、地層の種類だけでなく、孔隙の大きさやつながり方、割れ目の分布などに左右されます。
帯水層とは何か
地下水の仕組みで重要な言葉が「帯水層」です。帯水層とは、地下水を蓄え、しかも井戸や湧水へ水を供給できる程度に水を通しやすい地層や岩盤を指します。
USGSは、砂、砂礫、多孔質の岩石など、水を貯留しながら比較的よく通す地層を帯水層として説明しています。すき間が多いだけでなく、そのすき間が互いにつながっていることが重要です。
ここで区別したいのが「孔隙率」と「透水性」です。孔隙率は地層中にどれだけすき間があるかを示し、透水性はそのすき間を水がどれだけ通りやすいかを示します。粘土は孔隙そのものは多くても非常に細かいため、水を通しにくいことがあります。
地下水面はどのように決まるのか
地下水面は、飽和帯の上面です。その高さは固定されているわけではなく、降雨や融雪による涵養、河川との水のやり取り、井戸からの揚水などによって変化します。
雨が多く地下水涵養が増えると、地下水面が上昇することがあります。反対に、長期間雨が少なかったり、地下水を大量にくみ上げたりすると、地下水面が低下する場合があります。
USGSは、降水量や河川流量、土地利用、井戸からの揚水などが地下水面の変化に影響すると説明しています。地下水面は地表の地形と完全に同じ形ではありませんが、一般に高い場所から低い場所へ向かう地下水流の状態と関係しています。
地下水は地下で止まっているのか
地下水はたまっているだけではなく、通常はゆっくり移動しています。 地下水には水圧の差があり、一般には水頭の高い場所から低い場所へ流れます。
地下水の移動速度は、河川の流れよりはるかに遅いことが多く、地層によって大きく異なります。USGSによれば、地下水は数十年、数百年、場合によっては数千年かけて帯水層を移動することがあります。
そのため、地下水は「その場に永久に閉じ込められた水」ではありません。地下へ涵養された水は、長い時間をかけて地下を移動し、最終的に河川、湖、湧水、海などへ流れ出ることがあります。
地下水はなぜ湧水として地表に出てくるのか
地下水が地表へ自然に現れるものが湧水です。地下水面が地表と交わる場所や、水を通しやすい地層の下に水を通しにくい層がある場所などでは、地下水が地表へ押し出されることがあります。
たとえば山地では、斜面を構成する地層の境界から水が湧き出すことがあります。地下水は重力や水圧差によって移動し、地形や地質条件に応じて地表へ出てくるのです。
国土交通省は、降雨を地下へ浸透させることが地下水涵養だけでなく、湧水の復活や健全な水循環の形成にもつながるとしています。地下水と湧水は別々の現象ではなく、地下の水が地表へ戻る一連の流れで結ばれています。
地下水と川はどう関係しているのか
地下水と河川水は互いに独立しているとは限りません。場所によっては地下水が川へ流れ込み、雨が降っていない時期の河川流量を支えます。反対に、川の水が川底から地下へしみ込み、地下水を補給することもあります。
どちらの方向へ水が動くかは、河川水位と地下水位、地質条件などで変わります。このため、地下水を大量にくみ上げると、地下水面が下がるだけでなく、周辺の河川や湿地、湧水への地下水流出が減る場合があります。
日本水文科学会誌の総説でも、地表水と地下水を一体として扱い、涵養と湧出のバランスを見る必要性が示されています。
被圧地下水とは何か
地下水には、地下水面が大気とつながっている不圧地下水のほか、水を通しにくい地層にはさまれた被圧地下水があります。
被圧帯水層では、水が圧力を受けた状態になっているため、井戸を掘ると帯水層の上端より高い位置まで水位が上がることがあります。条件によっては、水が自然に地表まで噴き出す自噴井になることもあります。
「地下に水が圧縮されている」というより、離れた高い場所などから帯水層へ入った水が、水頭差によって圧力をもっていると考えると理解しやすくなります。
地下水はどのくらいの速さで補給されるのか
地下水涵養の速さは地域によって大きく異なります。雨が多く、水を通しやすい地層が広がる場所では、比較的多くの水が地下へ入りやすくなります。一方、乾燥地域や地表が舗装された都市、透水性の低い地層では涵養が少なくなることがあります。
USGSは、地下水涵養量は地質、気候、地形、土地利用など多数の条件に左右され、直接測定することも難しいとしています。
そのため、地下水をくみ上げる量が涵養量を長期間上回ると、地下水位が低下します。国土交通省も、地下水の持続可能な利用には、水量や水質、涵養、採取量などを地域ごとに把握し管理する地下水マネジメントが重要だとしています。
都市化は地下水の仕組みにどう影響するのか
自然の地面では、雨水の一部が土へ浸透して地下水を涵養します。しかし、道路や建物、駐車場などの不浸透面が増えると、雨が地下へ入りにくくなります。
国土交通省は、都市化によって降雨が地下へ浸透せず、短時間で河川へ流出しやすくなる傾向を指摘しています。その対策として、雨水浸透ますや浸透トレンチなどを使って雨水を地中へ戻し、地下水涵養や湧水の保全につなげる取り組みが行われています。
つまり、地下水は自然条件だけで決まるものではありません。土地利用の変化によって、涵養量や地下水位、湧水量が変化することがあります。
地下水をくみ上げすぎると何が起こるのか
井戸から地下水をくみ上げると、その周囲では地下水位が低下します。揚水量が多いと、井戸の周辺に「地下水位のくぼみ」が形成されることがあります。
涵養される量より多くの水を長期間くみ上げれば、地下水位の低下が続き、井戸が使えなくなったり、湧水や河川への地下水流出が減ったりする可能性があります。
さらに、軟弱な粘土層などを含む地域では、地下水位の低下によって地層が圧密し、地盤沈下が起こることがあります。国土交通省は、過度な地下水採取が地盤沈下や塩水化などの地下水障害につながることを踏まえ、持続可能な地下水の保全と利用を推進しています。
地下水は天然のフィルターで必ずきれいになるのか
地下へ浸透した水は、土壌や岩石を通る間に粒子が除かれたり、化学反応や微生物作用を受けたりします。そのため、地表水と比べて濁りが少ない地下水もあります。
しかし、地下水だから必ず安全で清浄というわけではありません。 地質に由来する成分が溶け込むこともあれば、農地や工場、生活排水などから地中へ入った物質が地下水へ達することもあります。
地下水は流れが遅いため、一度汚染されると回復に長い時間がかかる場合があります。環境省や国土交通省が地下水質の監視や地下水保全を行っているのは、このためです。
地下水は水循環の中でどんな役割をもつのか
地下水は、雨が降ってからすぐ海へ流れてしまう水だけではなく、水を地下に一時的に蓄え、時間をかけて地表へ戻す役割を担っています。
降水が地下へ涵養されると、地下水として数日から長い場合には数百年以上も地中を移動することがあります。そして湧水や河川へ流れ出し、再び地表の水循環へ戻ります。
この時間差があるため、地下水は雨の少ない時期にも河川や湧水を支えることがあります。地下水は単なる「地下の貯水庫」ではなく、水を蓄えながらゆっくり運ぶ水循環の重要な経路です。
地下水の仕組みを順番に整理すると
- 雨や雪どけ水が地表へ届く
- 一部の水が土壌へ浸透する
- 不飽和帯を通ってさらに深く移動する
- 地下水面へ達した水が飽和帯を補給し、地下水涵養となる
- 帯水層の孔隙や亀裂を通って地下水がゆっくり流れる
- 井戸からくみ上げられたり、湧水・河川・湖・海へ流出したりする
- 地表へ戻った水は再び蒸発や流出などを経て水循環を続ける
ただし、すべての水が同じ経路を通るわけではありません。地質や地形によって流れ方は大きく変わり、地下に長期間とどまる水もあります。
まとめ
地下水の仕組みが成り立つ基本は、地表の水が地下へ浸透し、地下水面より下の飽和帯へ涵養され、土や岩石の孔隙・割れ目を通ってゆっくり移動することです。
- 地下水は地下の巨大な空洞ではなく、地層の孔隙や亀裂を満たす水である
- 雨や雪どけ水の一部が浸透し、地下水面へ達すると地下水を涵養する
- 地下水面より上は主に不飽和帯、下は飽和帯である
- 水を蓄え、流しやすい地層を帯水層と呼ぶ
- 地下水は水頭差によってゆっくり流れ、湧水や河川、海へ出る
- 地下水面は降雨、涵養、河川水位、揚水などによって変化する
- 過度な揚水は地下水位低下や地盤沈下などにつながる場合がある
- 地下水は水循環の中で、水を長期間蓄えながら移動させる重要な経路である
つまり、地下水は「地下にたまった水」だけではありません。地表から供給され、地層の中を移動し、やがて湧水や川などとして再び地表へ戻る、動き続ける水循環の一部なのです。
コメント