آب‌های زیرزمینی
لایه آب‌دار و آبخوان

بخشی از آب‌های سطحی در اثر نیروی جاذبه وارد محیط متخلخل خاک شده و به سمت پایین حرکت می‌کنند. لایه‌های مختلف زمین از مواد و ترکیبات مختلف خاک شکل گرفته و در زمان‌های مختلف به وجود آمده‌اند. مجموعه عواملی نظیر جنس و اندازه دانه‌ها، میزان تخلخل، میزان تراکم، میزان ترک‌خوردگی و … باعث می‌شود، بخش‌های مختلف فضای زیرزمین ظرفیت‌های متفاوتی برای جذب، ذخیره و انتقال آب داشته باشند. لایه‌هایی از زمین که به صورت نسبی ظرفیت بالاتری برای جذب، ذخیره و انتقال آب دارند، آبخوان نامیده می‌شوند. به دلیل نفوذپذیری بیشتر این لایه‌ها، بخش اعظم آب نفوذ کرده در عمق زمین، به صورت طبیعی جذب آن‌ها می‌شود. بسته به شرایط احاطه‌کننده آن، یک لایه آب‌دار می‌تواند مانند یک مخزن زیرزمینی آب را ذخیره یا مانند یک رودخانه زیرزمینی آب را به لایه‌های مجاور و عمیق‌تر منتقل نماید. ابعاد این مخازن یا رودخانه‌های زیرزمینی می‌توانند از چند ده متر تا چند صد کیلومتر متفاوت باشد. به دلیل وابستگی شدید انسان به منابع زیرزمینی آب، شناسایی، مطالعه و مدیریت لایه‌های آب‌دار دارای اهمیت بسیار زیادی است.
آبخوان لایه ای با بستر متخلخل و حاوی آب زیرزمینی است که آن را انتقال می‌دهد. هنگامی که آب مستقیماً بین سطح و ناحیه اشباع شده آبخوان جریان یابد، آبخوان آزاد است. به دلیل وجود نیروی گرانش که باعث جریان رو به پایین آب می‌شود، بخش‌های عمیق‌تر آبخوان‌های آزاد، معمولاً اشباع تر هستند. سطح بالایی این لایه اشباع شده از آبخوان آزاد، سطح ایستابی یا سطح آب اشباع نامیده می‌شود. زیر سطح ایستابی، جایی که همه منافذ کاملاً از آب اشباع شده‌اند، منطقه آب اشباع است. لایه‌ای با تخلخل کم که امکان انتقال محدود آب زیرزمینی را فراهم می‌کند تحت عنوان آبخوان شناخته می‌شود. آبخوان لایه‌ای است با تخلخل بسیار کم که در واقع نسبت به آب زیرزمینی غیرقابل نفوذ است. آبخوان تحت فشار، سفره آبی است که توسط یک لایه نسبتاً غیرقابل نفوذ از سنگ یا بستری مثل آبخوان پوشیده شده است. اگر یک آبخوان محدود از منطقه تغذیه خود به یک لایه پایین‌تر جریان یابد، آب زیرزمینی در مسیر جریان خود تحت فشار قرار می‌گیرد. این امر به ایجاد چاه‌های آرتزین منجر می‌شود که آب در آنها آزادانه و بدون نیاز به پمپ، جریان می‌یابد و به ارتفاع بالاتری نسبت به سطح ایستابی استاتیک آبخوان آزاد واقع در بالای خود فواره خواهد زد.
ویژگی‌های آبخوان‌ها از نظر زمین‌شناسی و ساختار و توپوگرافی لایه‌ای که در آن شکل می‌گیرند، متفاوت است. به‌طور کلی، آبخوان‌های پرآب تر در سازه‌های رسوبی ایجاد می‌شوند. در مقایسه، سنگ‌های کریستالی هوازده و شکسته شده مقدار کمتری آب زیرزمینی را در خود جا می‌دهند. مواد آبرفتی که رسوبات اصلی در دره‌ها هستند و در دره‌های اصلی رودخانه جمع شده‌اند، از پربارترین منابع آب زیرزمینی هستند. ظرفیت گرمایی ویژه آب و اثر عایق بندی خاک و سنگ می‌تواند تأثیر اقلیم را بر آب کاهش داده و دمای آب زیرزمین را نسبتاً ثابت نگاه دارد. در مناطقی که دمای آب زیرزمینی با این اثر در حدود c˚۱۰ یا (F˚۵۰) حفظ می‌شود، برای کنترل دمای داخل سازه‌ها در سطح، می‌توان از آب زیرزمینی استفاده کرد؛ مثلاً، در هوای گرم، آب زیرزمینی نسبتاً خنک می‌تواند از طریق رادیاتورها در یک خانه پمپ شود و سپس در چاه دیگری به زمین برگردانده شود. در طی فصول سرد، به دلیل اینکه آب زیرزمینی نسبتاً گرم است، آب در مسیری مشابه به عنوان منبع حرارتی برای پمپ‌های گرمایی که نسبت به استفاده از هوا کارآمدتر هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
حجم آب زیرزمینی یک آبخوان با اندازه‌گیری سطوح آب در چاه‌های محلی و با بررسی سوابق زمین‌شناسی ثبت شده از چاه‌های حفاری به منظور تعیین میزان، عمق و ضخامت رسوبات و سنگ‌های حامل آب، تخمین زده می‌شود. قبل از سرمایه‌گذاری در چاه‌های بهره‌برداری، چاه‌های آزمایشی حفر می‌شوند تا عمق‌هایی که در آن به آب می‌رسیم اندازه‌گیری شده و نمونه‌های خاک، سنگ و آب برای آنالیزهای آزمایشگاهی جمع‌آوری شوند. همچنین آزمایش‌ها پمپاژ در چاه‌های آزمایشی برای تعیین ویژگی‌های جریان آبخوان انجام می‌شود.