地下水に場所や条件による違いがあるのは、地下の地質や帯水層の構造、雨や雪からの涵養量、地形、地下水面の高さ、人間の揚水、海との位置関係などが地域ごとに異なるからです。 同じ「地下水」でも、浅く速く入れ替わる水もあれば、深い帯水層を数十年からそれ以上かけて移動する水もあります。水量や深さだけでなく、水質や温度、塩分、井戸からくみ上げやすいかどうかも場所によって変わります。
地下水の違いを理解するには、どこから補給されるか、どの地層を通るか、どれくらいの速さで流れるか、どこへ出ていくかを見ることが重要です。地下水は地下に静止している水ではなく、地域ごとの地形・地質・気候の条件を受けながら動いている水循環の一部です。
地下水の基本はどこでも同じ
地下水の多くは、雨や雪どけ水などが地表から浸透し、地下水面より下の飽和帯へ達することで生まれます。土や岩石の孔隙、割れ目などが水で満たされ、その中を水がゆっくり移動します。
USGS（米国地質調査所）は、水を蓄え、井戸や湧水へ十分な量の水を供給できる地層や岩盤を帯水層と説明しています。また、帯水層に水が補給される速さは場所によって同じではなく、地質、降水、地形、人間活動など多数の条件に左右されます。
つまり地下水には共通の仕組みがありますが、地下の「器」と水の供給条件が地域ごとに違うため、見える性質にも大きな差が生まれます。
地質が違うと地下水量はなぜ変わるのか
砂礫層では水を蓄え、流しやすい
砂や礫が多い地層では、粒と粒の間に比較的大きくつながった孔隙ができやすく、水を蓄えながら通しやすい傾向があります。そのため、厚い砂礫層が広がる平野や扇状地では、良好な帯水層が形成されることがあります。
国土交通省は、平野部には広域に帯水層が存在し、関東平野では深いところまで大規模な帯水層が分布すると紹介しています。一方、山間部では帯水層の規模が小さい場合もあります。
粘土層では水が動きにくい
粘土は孔隙そのものは多くても一つ一つが非常に細かく、水が自由に移動しにくい性質があります。そのため、粘土層は地下水の流れを妨げる難透水層として働くことがあります。
このような難透水層の上に地下水がたまる場合もあれば、難透水層にはさまれた帯水層に水が閉じ込められ、圧力をもつ被圧地下水になる場合もあります。
岩盤では割れ目の有無が重要
岩盤地域では、岩石そのものの孔隙が少なくても、亀裂や断層が発達していれば地下水がそのすき間を通って移動できます。反対に、割れ目が少なく水を通しにくい岩盤では、地下水量が限られることがあります。
そのため、同じ種類の岩石がある地域でも、割れ目の多さやつながり方によって井戸の水量が違うことがあります。
不圧地下水と被圧地下水では何が違うのか
地下水には、代表的に不圧地下水と被圧地下水があります。
- 不圧地下水：地下水面の上側が不飽和帯につながっており、雨や土地利用の影響を比較的受けやすい地下水です。
- 被圧地下水：水を通しにくい地層にはさまれた帯水層にあり、圧力を受けている地下水です。
不圧地下水は浅い場所にあることが多く、降雨後に地下水位が変化しやすい傾向があります。一方、深い被圧地下水は地表の変化にすぐ反応せず、より広い地域から長い時間をかけて涵養されている場合があります。
被圧帯水層へ井戸を掘ると、水圧によって井戸の中の水位が帯水層の位置より高くなることがあります。条件が整えば、水が自然に地表まで上がる自噴井になることもあります。
雨の多い場所と少ない場所では何が違うのか
地下水を増やす大きな要因の一つが涵養です。雨や雪どけ水が土壌を通って地下へ入り、帯水層へ届くことで地下水が補給されます。
降水量の多い地域では地下水涵養の機会が多くなりますが、降った水がすべて地下へ入るわけではありません。地表の傾斜が急であれば河川へ流れやすく、土壌が飽和していれば地表流出が増えます。反対に、透水性の高い地層や森林土壌が広がる地域では、より多くの水が地下へ入りやすいことがあります。
USGSは、帯水層の涵養速度が地質、気候、地形、人間活動によって大きく異なると説明しています。同じ年間降水量でも、地下水として残る割合は地域によって違うのです。
山地・扇状地・平野では地下水の特徴がどう違うのか
山地
山地では、地下水は岩盤の亀裂や薄い土壌層を通って流れる場合があります。地形の高低差が大きいため、水が斜面下方へ移動し、谷や斜面から湧水として現れることがあります。
帯水層の規模は平野より小さい場合がありますが、割れ目や火山性地層など条件が良ければ豊富な地下水をもつ地域もあります。
扇状地
山地から流れ出した川が運んだ砂や礫が厚く堆積した扇状地では、水を通しやすい層が発達することがあります。河川水が地下へしみ込み、豊富な地下水を形成する地域もあります。
地表から入った水が地下を流れ、扇状地の末端部で再び湧水として現れる例もあります。
平野・盆地
平野や盆地では、砂礫層と粘土層が何層も重なり、複数の帯水層が形成されることがあります。そのため、浅い地下水と深い地下水で流れる方向、圧力、水質、更新速度が異なる場合があります。
産業技術総合研究所の研究では、つくば市周辺で三次元の水文地質モデルを構築し、地下の地層構造と帯水層の透水性を組み合わせて地下水資源を評価しています。このように、地下水の地域差を理解するには地表の地形だけでなく三次元的な地下構造を見る必要があります。
地下水の深さはなぜ場所によって違うのか
地下水面は、地表から一定の深さにあるわけではありません。降雨、河川水位、地形、地下水の流れ、揚水などによって変化します。
谷や湿地では地下水面が地表に近くなることがあります。反対に、高い台地では地下水面まで数十メートル以上ある場合があります。
また、同じ場所でも季節によって地下水位は変わります。雨の多い時期に上昇し、乾燥期に低下する地下水もあります。深い被圧地下水では、この変化が小さい場合があります。
地下水の流れる速さはなぜ違うのか
地下水の流速は、帯水層の透水性と水圧の差に強く左右されます。
USGSは、透水性の高い地層では地下水が一日に数メートル移動する場合がある一方、粘土や頁岩のように水を通しにくい物質では非常に遅く、長期間ほとんど移動しないこともあると説明しています。
そのため、地下水の「年齢」も場所によって違います。浅い地下水では数年から数十年程度で入れ替わる場合がありますが、深い帯水層では何百年、何千年という長い時間をかけて移動する水もあります。
更新が遅い地下水を大量にくみ上げると、短期間では元に戻りにくいため、持続可能な利用には涵養量と揚水量のバランスを見る必要があります。
地下水の水質は地質によってどう変わるのか
地下水は地中を移動する間に、岩石や土壌と長時間接触します。そのため、地下水の水質には地質の特徴が反映されます。
たとえば、カルシウムやマグネシウムを含む鉱物が多い地域では硬度が高くなることがあります。鉄、マンガン、ヒ素なども、地質や酸化還元条件によって地下水へ溶け出す量が変化します。
USGSは、米国の主要帯水層を比較した調査で、地質、水文条件、地球化学条件、人間の化学物質利用の違いによって、地下水中の物質濃度や汚染への脆弱性が帯水層ごとに異なると説明しています。
つまり、地下水が透明だからといって、どこでも同じ水質とは限りません。地中でどの物質と接触したかによって成分は変わります。
海の近くでは地下水にどんな違いがあるのか
沿岸地域では、地下の淡水と海水が接するため、地下水の塩分が重要な問題になります。
通常、陸側から海へ向かう地下水の流れが保たれていれば、淡水が海水の侵入を抑える方向に働きます。しかし、井戸から地下水を大量にくみ上げて地下水位が下がると、海水が内陸側や深部へ入り込むことがあります。これが地下水の塩水化です。
国土交通省は、涵養量を上回る揚水による地下水位低下が、井戸の枯渇、地盤沈下、地下水の塩水化などにつながる可能性を示しています。
都市と農村では地下水の条件がどう変わるのか
都市では涵養が減ることがある
都市では、道路や建物、駐車場などの不浸透面が増えるため、雨水が地下へ入りにくくなります。その結果、自然状態より地下水涵養が減少することがあります。
一方、水道管や下水管からの漏水、地下構造物による地下水流の変化など、人為的な要因が地下水位へ影響する都市もあります。
農地では灌漑や肥料の影響がある
農地では、灌漑によって通常の降雨より多くの水が地面へ供給され、地下水涵養が増えることがあります。一方、肥料由来の硝酸などが地下へ移動し、水質へ影響する場合があります。
USGSは、灌漑、大量揚水、人工涵養などが地下水の流れや水質を変化させることがあると報告しています。
地下水をくみ上げる量で地域差はさらに広がる
井戸から地下水をくみ上げると、周囲の地下水位は低下します。揚水量が大きいほど、井戸周辺には地下水面のくぼみが形成されます。
涵養される量より多くの地下水を長期間くみ上げると、地下水位低下が続き、井戸の水量低下、湧水の減少、地盤沈下、沿岸部での塩水化などが起こる可能性があります。
国土交通省は、地下水の利用や挙動の把握、水量・水質の保全、涵養、採取などを地域の実情に応じて管理する「地下水マネジメント」を推進しています。地下水は地域ごとの条件差が大きいため、全国一律ではなく地下水盆や流域ごとの管理が必要なのです。
同じ地域でも井戸によって水が違うのはなぜか
地下水の違いは地域間だけではありません。同じ町の中でも、井戸の深さやスクリーンを設置する位置によって利用する帯水層が違えば、水位、水温、水質、揚水量が変わります。
浅井戸は浅い不圧地下水を利用することが多く、降雨や地表からの影響を受けやすい傾向があります。深井戸は深部の被圧帯水層などを利用し、浅い地下水とは別の流動系をもつことがあります。
USGSも、地下水質は帯水層間だけでなく、同じ帯水層の内部や近接した井戸間でも、地質、水文条件、地球化学、人間活動の違いによって変化すると説明しています。
地下水の違いを比較すると
- 砂礫の多い帯水層：水を通しやすく、井戸から多くの水を得られることがある
- 粘土の多い地層：水が移動しにくく、難透水層として働きやすい
- 浅い不圧地下水：降雨や土地利用の影響を受けやすい
- 深い被圧地下水：圧力をもち、涵養や更新に長い時間がかかる場合がある
- 山地：岩盤の亀裂や斜面を通って湧水につながりやすい
- 平野・盆地：複数の帯水層が重なり、深さごとに異なる地下水系をもつことがある
- 沿岸地域：揚水が多いと海水侵入による塩水化リスクがある
- 都市：舗装により自然涵養が減る一方、人工的な地下構造や漏水の影響も受ける
まとめ
水の地下水に場所や条件による違いがある最大の理由は、地下水を蓄え、流す地層の性質と、地下水を補給・排出する条件が地域ごとに異なるからです。
- 地下水量は帯水層の厚さ、孔隙率、透水性によって変わる
- 涵養量は降水、地形、土壌、土地利用によって異なる
- 地下水面の深さは地形、季節、河川、揚水の影響を受ける
- 地下水の流速と更新時間は帯水層の性質によって大きく変わる
- 地質や地球化学条件によって地下水の成分・水質が変わる
- 沿岸地域では塩水化、都市では涵養減少など特有の条件がある
- 浅い地下水と深い地下水では、地表の影響や更新速度が異なる場合がある
- 持続可能な地下水利用には、地域ごとの涵養量と揚水量を把握する必要がある
つまり地下水は、どこでも同じ性質の「地下にある水」ではありません。地質、気候、地形、人間活動が組み合わさった結果として、それぞれの地域に異なる地下水の流れと性質がつくられているのです。
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