地下水

地下水（ちかすい）とは、広義には地表面より下にある水の総称であり、狭義では、特に地下水面より深い場所では帯水層と呼ばれる地層に水が満たされて飽和しており、このような水だけが「地層水」や「地下水」と呼ばれ、地下水面より浅い場所で土壌間に水が満たされずに不飽和である場合はその水は「土壌水」と呼ばれる。このような狭義では、両者を含めた地表面より下にある水全体は「地中水」と呼ばれる。広義の地下水に対して、河川や湖沼、ため池といった陸上にある水は「表流水」と呼ばれる。

関連用語類

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たりするなど、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。
なお、廃棄物の最終処分場において、その土壌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という意味である。

水の循環

地球に限定すれば、水は地上や地下、そして大気中を長い時間をかけて循環しており、地下深くに浸透した水が「涵養」「流動」「流出」という過程を経てふたたび地上に出現する大きな循環系を構成している。このような地球規模での大きなスケールの循環では、地表面や大気中の水の循環は「地表水循環系」と呼ばれ、地面より下の水の循環は「地下水循環系」と呼ばれる。

涵養

地下水の大部分は大気中の水分が雨や雪などのかたちで地表面に降水となって降ることで、地面の下に流入する。降水に限らずこのように何らかの水が地下への流入することが「涵養」である。天水とも呼ばれる降水は、地表の浸透能によって多くが地中に浸透する。
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、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」と呼ばれ、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「地層水」や「間隙水」、「地下水」と呼ばれる。土壌水と地下水との境界は地下水面と呼ばれる。地下水面には、井戸または掘削孔中に現れる水面としての定義もある 。
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。帯水層の厚みや状態、水自身の流動によって地下水面の高さには凹凸が生じる。
地下水面より上の不飽和帯内と地下水面にある水は、不飽和帯内の土壌の間隙を経て地上と通じているために大気圧とほぼ同じ圧力状態にあり、「不圧地下水」や「自由地下水」と呼ばれる。地下水面より下にある飽和帯内の水は、周囲の土壌や水自身の重みによって圧力を受けるために大気圧より高い圧力状態となっており、「被圧地下水」と呼ばれる。
地下水面より下の地下水は、面的あるいは空間的に存在している。「地下水脈」という概念があるが、地下水を線的なものとして捉えるのは正確ではない。ただし、カルストなどの岩盤中の地下水は線的な賦存状況を示す場合もある。
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。

貯留量

一定地域内に存在する地下水の量は、涵養や他から地下を経由しての流入によって増加し、地表への流出や地下を経由しての流出によって減少する。このような地下水の量は、地上でのダムなどと同様に貯留量で表現される。地下深くに溜まっている大量の地下水の中には、流入量が少ないものがあり、井戸などによって人工的に大量の水を汲み出すと貯留量は急速に減少し、場合によっては枯渇する。

流出

透水層が地上面に露出していたり、井戸などの設備で人工的に汲み上げたりすることで地下水の流出が生じる。また、特に深い地下にあって難透水層に挟まれた透水層内の水は、かなり高い圧力を受けることがあり、この透水層が地表面近くになるとわずかな深さの井戸でも地表へ水が噴き上がる「自噴井」（じふんせい）となる。不圧地下水（自由地下水）の存在する地下まで掘られた比較的浅い井戸は「浅井戸」、被圧地下水の存在する地下まで掘られた比較的深い井戸は「深井戸」と呼ばれることがある。

地下水の分類

地下水は、特徴や水の対比等を目的として、いくつかの視点から分類されている。なお地下水の賦存状態の区分については、帯水層を参照のこと。ここでは水質区分について記述する。

主要塩類

溶存成分により、仮想的な結合を考え、その塩類によって区分を行う。これは温泉の区分で行われている方法である。

地下水と人間活動

鉱工業の発展に伴い地下水が汚染される例が多く地域でみられる。日本においては、汚染水を地下に浸透させることを禁止してからあまり年月が経っていない。例えば、大阪の鉱山保安法適用事業所 (OAP) において地下55m付近もの深部において汚染が確認されており、人間の経済活動が清浄な地下水を利用し、汚染してきた歴史の悪例である。さらに、健全な水循環は人間活動を行う上で必須の条件であり、都市部と言えども緊急時においては清浄な地下水の確保が生命線となるので、都市における地下水環境保全が求められている。
世界的にみれば、20億人以上が飲用水やかんがい用水を地下水に依存するなど、地下水源へのかん養量を上回る水利用が行われており、「環境の時限爆弾」とも呼ばれている。今後100年以内に完全に補充される地下水は、供給量全体の半分にとどまるという研究結果も提示されている。

地下水資源量の考え方

利用できる地下水の量は、必ずしも涵養量と等しくない。地下水の揚水により様々の障害が発生しない量が、利用量すなわち資源量となる。例えば南関東地域や濃尾平野でみられる広域地盤沈下は、涵養されにくい粘土層中の間隙水を揚水により絞り出すことで発生した。水循環における涵養量を超えなくとも、地盤沈下は発生する。この場合の資源量は、地盤沈下を発生させない地下水位低下量（揚水量）が地下水資源量となる。また個別の井戸の揚水量ではなく、地域の揚水量となることにも注意が必要である。

地盤の沈下と地下水位の回復

日本では、戦前（第二次世界大戦前）より工業用水として安価な地下水が利用されてきた。工業化の進む1960年代ごろより、関東・濃尾等の地域で広域な地盤沈下が確認され、海面よりも低い地域（海抜ゼロメートル地帯）が出現した。地下水が大規模公害問題として注目された最初の例である。地盤沈下では多くで不等沈下が起き、相対的に浮き上がる埋設物もある。各地で地下水の揚水を規制する条例が制定され、地盤沈下は沈静化していった。
揚水規制が行われた以降、低下していた地下水位の回復が見られ始めた。沈下は抑制される一方、地下水位の低い時期に地下に設置された構造物に、いくつかの問題が発生し始めた。例えば東京では、地下室の浮上（東京駅地下エリア）や、地下埋設管路への地下水流入などが発生し、対策工事が行われている。

人為由来

産業活動にともなう各種の化学物質等による汚染が各所で発生している。例えば農業で使用する農薬や、工業等により排出される廃棄物が地中に浸潤することで、地下水汚染が発生している。

地下水汚染による底質汚染

有害物質を含む地下水が川や池等に流れこむと地下水に含まれていた有害物質は凝集沈殿し、水底に堆積する。底質に多くの有害物質が蓄積されると底質汚染が引き起こされる。水底や底質に生きる動植物が体内で有害物質を濃縮蓄積し、食物連鎖を通してさらに高濃度の有害物質が動物の体内で形成さる。これらを人が食することで、人への健康被害が懸念されている。

水源林保護の課題

近年、日本国内の良質な地下水（表流水の一部も含むと言われている）を輸出するため、国外企業が、経済的に疲弊している林業事業者から大規模に森林(水を保水・供給するという意味での水源林)を購入していることが明らかとなった。日本には規制する法令等が未整備であることから、大量の採水が行われ、大量に系外に出されることにより水循環を阻害する事が危惧されている。