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水文地質学（hydro-は水、-geologyは地球の研究を意味する）は、地殻の土壌や岩石（一般的には帯水層）における地下水の分布と移動を扱う地質学の分野である。地下水水文学、地質水文学、水文地質学という用語はしばしば同義語として用いられるが、水文地質学が最も一般的に使用されている。
水文地質学とは、地下水の移動を支配する法則、この水と多孔質固体との機械的、化学的、熱的相互作用、および流れによるエネルギー、化学成分、粒子状物質の輸送を研究する学問である（Domenico and Schwartz、1998）。
地下水工学は、水文地質学とも呼ばれ、地下水の動きや井戸、ポンプ、排水路の設計に関わる工学の一分野です。 [ 1 ]地下水工学の主な関心事には、地下水汚染、水源の保全、水質などがあります。[ 2 ]
井戸は、発展途上国だけでなく、都市の水道システムに接続されていない先進国でも利用するために建設されます。井戸は、帯水層の健全性を維持し、汚染物質が地下水に到達するのを防ぐように設計・維持されています。地下水の利用が地表水系に影響を与えたり、人間の活動が地域の帯水層システムの健全性を脅かしたりする場合には、地下水の利用をめぐる論争が生じます。
水文地質学は学際的な分野であり、土壌、水、自然、社会の間の化学的、物理的、生物学的、さらには法的相互作用を完全に説明することは困難です。地下水の動きと地質との相互作用の研究は非常に複雑になる可能性があります。地下水は必ずしも地表の地形に沿って流れるわけではなく、圧力勾配（高圧から低圧への流れ）に従い、多くの場合、亀裂や導管を通って迂回します。多成分システムのさまざまな側面間の相互作用を考慮するには、実験レベルと理論レベルの両方で、複数の異なる分野の知識が必要となることがよくあります。以下は、飽和地下水文学の方法と用語に関するより伝統的な入門です。
前述の通り、水文地質学は、地下、特に多孔質または亀裂のある地質物質を通る水の流れを扱う地球科学の一分野です。地下のごく浅い部分（上部3m）における水の流れは、土壌科学、農業、土木工学 の分野だけでなく、水文地質学にも関連しています。より深い地層における流体（水、炭化水素、地熱流体など）の一般的な流れも、地質学者、地球物理学者、石油地質学者の関心事です。地下水は一般的にゆっくりと流れます。経験的に導き出された地下水の流れの法則の多くは、流体力学において、ストークス流れの特殊な場合（粘性項と圧力項はありますが、慣性項はありません）から導き出すことができます。
多孔質媒体を通る水の流れを記述するために用いられる数学的関係式は、ダルシーの法則、拡散方程式、およびラプラス方程式であり、これらは多様な分野で応用されている。定常地下水流（ラプラス方程式）は、電気伝導、弾性伝導、および熱伝導のアナロジーを用いてシミュレーションされている。過渡地下水流は固体中の熱拡散に類似しているため、水文学的問題に対するいくつかの解法は、熱伝達に関する文献から応用されている。
従来、地下水の動きは、地表水、気候学、さらには水文地質学の化学的・微生物学的側面とは切り離して研究されてきた。しかし、水文地質学の分野が成熟するにつれ、地下水、地表水、水質、土壌水分、そして気候との相互作用がより明確になってきている。
カリフォルニア州とワシントン州では、水文地質学者が一般市民に専門サービスを提供するには特別な資格が必要である。29の州では、地質学者が一般市民にサービスを提供するには専門免許が必要であり、そのサービスには地下水資源の開発、管理、および/または修復の分野での作業が含まれることが多い。[ 3 ]
水文地質学者が通常行う主な業務の一つは、過去および現在の観測データの分析に基づいて、帯水層システムの将来の挙動を予測することです。想定されるものの、典型的な質問としては、次のようなものがあります。
これらの疑問のほとんどは、水文システムのシミュレーション（数値モデルまたは解析方程式を使用）によって解決できます。帯水層システムの正確なシミュレーションには、帯水層の特性と境界条件に関する知識が必要です。そのため、水文地質学者の一般的な業務の一つは、帯水層試験を用いて帯水層の特性を決定することです。
帯水層と難透水層をさらに詳しく特徴づけるために、以下にいくつかの主要な物理的特性と派生的な物理的特性を紹介します。帯水層は大きく被圧帯水層と非被圧帯水層（地下水位帯水層）に分類されます。帯水層の種類によって、その媒体における水の流れを制御する特性が変わります（例えば、被圧帯水層からの水の放出は貯留率に関係し、非被圧帯水層では比貯留率に関係します）。
帯水層とは、井戸や泉に利用可能な量の水を供給する、水を含む岩石層または未固結堆積物層のことです。帯水層は、帯水層の上部が地下水位によって定義される非被圧帯水層と、帯水層が被圧層の下に存在する被圧帯水層に分類されます。[ 5 ]
帯水層の性質を左右する要素は、地層、岩相、地質構造および堆積物の 3 つです。地層は、帯水層を構成する多くの地層の年代と形状に関係します。岩相は、鉱物組成や粒度など、帯水層の物理的構成要素を指します。構造的特徴は、堆積後の変形によって生じる要素であり、断裂や褶曲などです。これらの要素を理解することは、帯水層がどのように形成されるか、また専門家がそれを地下水工学にどのように活用できるかを理解する上で非常に重要です。[ 6 ]
水頭（h）の差によって水は場所を移動します。水は水頭が高い場所から低い場所へと流れます。水頭は圧力水頭（ψ）と標高水頭（z）から構成されます。水頭勾配は流路の長さあたりの水頭の変化であり、ダルシーの法則では流量に比例するものとして表されます。
水頭は直接測定可能な特性であり、任意の値をとることができます（z項に含まれる基準が任意であるため）。ψは圧力変換器で測定できます（この値は負の値、例えば吸引値になることもありますが、飽和帯水層では正の値になります）。z は測量された基準（通常は井戸ケーシングの上部）に対して測定できます。一般的に、非被圧帯水層を汲み上げる井戸では、圧力の垂直勾配がないと仮定して、井戸内の水位が水頭の代用として使用されます。多くの場合、時間の経過に伴う水頭の変化のみが必要なので、一定の標高の水頭項は省略できます（Δh = Δψ）。
井戸における時間の経過に伴う水頭の変化をハイドログラフといい、試験で井戸の揚水中に記録された水頭の変化をドローダウンと呼ぶ。
多孔度（n ）は、直接測定可能な帯水層の特性であり、未固結の土壌粒子間または破砕岩内部の空隙量を示す0から1の間の値です。通常、地下水の大部分（および地下水に溶解している物質）は、流動可能な空隙（有効空隙度と呼ばれることもあります）を通って移動します。透水性は、空隙の連結性を表すものです。例えば、破砕されていない岩石ユニットは、多孔度が高い（構成粒子間に多くの穴がある）にもかかわらず、透水性が低い（空隙が全く連結していない）場合があります。この現象の例として軽石があり、破砕されていない状態では、帯水層としては不向きです。
多孔度は帯水層内の水頭分布に直接影響を与えるわけではないが、溶存汚染物質の移動には非常に強い影響を与える。なぜなら、多孔度は反比例の関係で地下水流速に影響を与えるからである。
ダルシーの法則は、多孔質媒体を通る水やその他の流体の動きを研究するためによく用いられ、多くの水文地質学的解析の基礎となっている。
含水率（θ）もまた直接測定可能な特性であり、岩石全体のうち液体の水で満たされている部分の割合を示します。この割合も0から1の間の値をとりますが、全空隙率以下でなければなりません。
不飽和帯水文学においては、含水率が非常に重要であり、水理伝導率は含水率に対して強い非線形関数となるため、不飽和地下水流方程式の解法が複雑になる。
水理伝導率（K）とは、流体（通常は水）が間隙空間または亀裂ネットワークを通過する際の容易さを示す指標です。透水係数は、水理伝導率と帯水層の厚さの積であり（通常、帯水層が井戸に水を供給する能力を示す指標として用いられます）。
比貯留量（S s）とその深度積分値である貯留率（S=S s b）は、間接的な帯水層特性（直接測定できない）であり、被圧帯水層の単位減圧によって貯留層から放出される地下水の量を示します。これらの値は0から1の間の分数です。
比収量 ( S y ) も 0 から 1 の間の比率 ( S y ≤ 多孔度) であり、非被圧帯水層で地下水位を下げて排水することで放出される水の量を示します。分子間力により排水後も媒体中に水が残るため、比収量の値は多孔度の値よりも小さくなります。多孔度または有効多孔度は、比収量の上限としてよく使用されます。通常、S yはS sよりも桁違いに大きくなります。
断層帯水文地質学は、砕屑岩、火成岩、炭酸塩岩などのさまざまな岩相環境において、脆性変形した岩石が流体の流れをどのように変化させるかを研究する学問です。透水性として定量化できる流体の動きは、断層帯の存在によって促進または阻害される可能性があります。[ 7 ]これは、さまざまなメカニズムと変形した岩石が、断層帯内の多孔性、ひいては透水性を変化させる可能性があるためです。関与する流体は一般的に地下水（淡水と海水）と炭化水素（石油とガス）です。[ 8 ]断層帯は風化帯の厚さを増加させ、地下水の涵養に役立つ脆弱帯であるためです。[ 9 ]断層に加えて、亀裂と葉理も主に硬岩地帯で地下水を促進します。[ 9 ]
地下水が流れる際に溶存汚染物質がどのように運ばれるか（汚染物質水文地質学の分野）に関心を持つことが多い。人為的に作られた汚染物質（石油製品、硝酸塩、クロム、放射性核種など）や自然発生的な汚染物質（ヒ素、塩分など）は、移流（浸透速度で流れの主方向に沿って輸送される）、拡散（高濃度領域から低濃度領域への汚染物質の移動）、流体力学的分散（多孔質媒体に存在する微細スケールの不均一性と浸透速度に対する速度分布の不均一性による）という 3 つの主要なメカニズムによって輸送される可能性がある。[ 10 ]地下水がどこを流れているかを理解する必要性に加えて、上記で説明した他の水文学的特性に基づいて、溶存汚染物質が地下水とともにどのように移動するかに影響を与える追加の帯水層特性がある。
流体力学的分散性（α L、α T）は、汚染物質がそれを運ぶ地下水の経路からどれだけ離れるかを定量化する経験的因子です。汚染物質の一部は平均地下水の「後ろ」または「前」に位置し、縦方向の分散性（α L）を生じさせ、一部は純粋な移流地下水の流れの「側面」に位置し、横方向の分散性（α T）を生じさせます。地下水中の分散は、土壌粒子を通過する各水の「粒子」が、左か右か上か下かのどちらに進むかを選択しなければならないため、水の「粒子」（およびその溶質）が平均経路の周囲のあらゆる方向に徐々に拡散することによって生じます。これは、土壌粒子のスケールでの「微視的」メカニズムです。さらに重要なのは、長距離にわたって帯水層の巨視的な不均一性が存在することであり、帯水層には透水性の大きい領域や小さい領域が存在するため、水の一部は特定の方向に優先的に流れ、別の水は別の方向に流れることがあり、その結果、汚染物質は河川の（三次元的な）デルタのように、完全に不規則な方法で拡散する可能性がある。
分散性とは、実際にはシミュレーション対象のシステムに関する情報不足を表す要素です。帯水層には多くの細かい点があり、マクロ的なアプローチを用いると、それらが平均化されてしまいます（例えば、砂質帯水層における砂利や粘土の微細な層など）。これらは見かけ上の分散性として現れます。そのため、αは問題の長さスケールに依存するとよく言われます。つまり、1 m 3の帯水層を通過する輸送で得られる分散性と、同じ帯水層物質の1 cm 3を通過する輸送で得られる分散性は異なります。 [ 11 ]
拡散は、アルバート・アインシュタインがブラウン運動と名付けた基本的な物理現象であり、気体や液体中の分子や微粒子のランダムな熱運動を記述するものです。拡散は短い距離では重要な現象であり（熱力学的平衡の達成に不可欠）、拡散によって距離を移動するのに必要な時間は距離の二乗に比例するため、短時間で巨視的な距離にわたって溶質を拡散させるには効果的ではありません。拡散係数Dは通常非常に小さく、その影響は多くの場合無視できます（粘土質難透水層のように地下水流速が極めて低い場合を除く）。
拡散と分散を混同しないことが重要です。前者は物理現象であり、後者は経験的な流体力学的要因であり、拡散と同様の形式で表現されるのは、問題を数学的に記述し解決するための便利な方法だからです。
遅延係数は、汚染物質の移動が平均的な地下水の移動から逸脱するもう一つの非常に重要な特徴です。これはクロマトグラフィーの遅延係数に類似しています。拡散や分散は汚染物質を単に拡散させるだけですが、遅延係数は汚染物質の全体的な平均速度を変化させ、水よりもはるかに遅くすることができます。これは化学物理的な効果、すなわち土壌への吸着によるものです。土壌は汚染物質を抑制し、化学吸着平衡に対応する量が吸着されるまで、汚染物質の移動を妨げます。この効果は溶解度の低い汚染物質にとって特に重要であり、そのため、水よりも数百倍、あるいは数千倍も遅く移動することがあります。この現象の影響により、溶解度の高い物質だけが長距離を移動することができます。遅延係数は、汚染物質と帯水層の両方の化学的性質に依存します。
アンリ・ダルシーは、多孔質材料を通る流体の流れに関する研究で進歩を遂げたフランスの科学者です。彼は砂柱を通る流体の動きを研究する実験を行いました。これらの実験は、多孔度の高い媒体を通る流体の流れを記述するダルシーの法則の決定につながりました。ダルシーの研究は、定量的水文地質学の始まりと考えられています。[ 12 ]
オスカー・エドワード・マインツァーは、しばしば「現代地下水水文学の父」と呼ばれるアメリカの科学者です。彼はこの分野の主要な用語を標準化し、発生、移動、排出に関する原理を確立しました。彼は水の流れがダルシーの法則に従うことを証明しました。また、彼は井戸での地球物理学的方法と記録計の使用を提案し、帯水層の特性に関する定量的情報を収集するために揚水試験を提案しました。マインツァーはまた、水の地球化学の研究の重要性と、帯水層における高塩分濃度の影響を強調しました。[ 13 ]
ダルシーの法則は、1856年にヘンリー・ダルシーによって経験的に導き出された構成方程式であり、帯水層の特定の部分から排出される地下水の量は、流れの断面積、水理勾配、および水理伝導率に比例すると述べています。
地下水流動方程式は、最も一般的な形では、多孔質媒体（帯水層および難透水層）における地下水の動きを記述する。数学では拡散方程式として知られており、他の分野にも多くの類似例が存在する。地下水流動問題の多くの解法は、既存の熱伝達問題の解法を借用または応用したものである。
これは、ダルシーの法則と小さな制御体積における質量保存則を用いて、物理的な根拠に基づいて導出されることが多い。この方程式は、放射状対称性を持つ井戸への流れを予測するためによく用いられるため、流れの方程式は一般的に極座標または円筒座標で解かれる。
テイス方程式は、地下水流動方程式の中で最も一般的に用いられる基本的な解の一つであり、1つまたは複数の揚水井戸の揚水による水頭の一時的な変化を予測するために使用できます。
ティーム方程式は、井戸への地下水流の定常状態方程式（ラプラス方程式）の解である。近くに大きな水源（河川や湖）がない限り、現実には真の定常状態はめったに実現されない。
上記の2つの式は、帯水層試験（揚水試験）で使用されます。
Hooghoudt方程式は、パイプ、タイル排水路、溝による地下排水に適用される地下水流方程式です。[ 14 ]地下排水の代替方法として井戸による排水があり、これについても地下水流方程式が利用可能です。[ 15 ]
地下水流方程式を用いて水頭分布、すなわち地下水流の方向と流速を推定するには、この偏微分方程式（PDE）を解く必要があります。水文地質学の文献で拡散方程式を解析的に解く最も一般的な方法は以下のとおりです。
地下水流方程式を解くためにどの方法を用いる場合でも、初期条件（時刻t = 0 における水頭）と境界条件（領域の物理的な境界、またはその境界を超えた領域の近似を表す）の両方が必要です。多くの場合、初期条件は、対応する定常状態シミュレーション（地下水流方程式の時間微分を 0 に設定する）によって過渡シミュレーションに与えられます。
偏微分方程式 (PDE) の解法には大きく分けて 2 つのカテゴリがあります。 解析的手法、数値的手法、またはその中間的な手法です。一般的に、解析的手法は簡略化された条件の下で地下水流方程式を厳密に解きますが、数値的手法はより一般的な条件下で近似的に解きます。
解析的手法は通常、数学の構造を利用してシンプルで洗練された解を導き出しますが、最も単純な領域形状以外では、必要な導出が非常に複雑になる場合があります（非標準座標、等角写像などを含む）。解析的解は通常、いくつかの基本パラメータに基づいて迅速な答えが得られる単純な方程式でもあります。テイス方程式は、揚水井や注入井周辺の地下水の流れと水位に関するシンプルながらも非常に有用な解析的解であり、通常は帯水層試験やスラッグ試験の結果を分析するために使用されます。
数値解析法の分野は非常に広範であり、工学や科学全般のほとんどの分野で有用であることは明らかです。数値解析法はコンピュータよりもはるか昔から存在していました（1920年代にリチャードソンは今日でも使用されている有限差分法の一部を開発しましたが、当時は人間が紙と鉛筆を使って手計算で計算していました）。しかし、高速で安価なパーソナルコンピュータの普及により、数値解析法は非常に重要なものとなりました。以下に、水文地質学で使用される主な数値解析法とその基本的な原理の概要を示し、さらに詳しくは地下水モデルに関する記事で解説します。
数値計算法には大きく分けて2つの種類があります。グリッド法または離散化法と、非グリッド法またはメッシュフリー法です。一般的な有限差分法と有限要素法（FEM）では、領域全体がグリッド化されています（小さな要素のグリッドまたはメッシュに「分割」されています）。解析要素法（AEM）と境界積分方程式法（BIEM - 境界要素法（BEM）とも呼ばれます）では、境界または流れ要素（線状シンク、面状ソースなど）に沿ってのみ離散化され、領域の大部分はメッシュフリーです。
有限差分法や有限要素法などのグリッド法では、問題領域（ドメイン）を多数の小さな要素（正方形、長方形、三角形、ブロック、四面体など）に分割し、各要素について流れ方程式を解くことで地下水流方程式を解きます（すべての物性値は要素内で一定、または線形に変化すると仮定します）。次に、要素間の境界における質量保存則（発散定理に類似）を用いてすべての要素を連結します。これにより、全体としては地下水流方程式を近似するものの、境界条件（境界と交差する要素で水頭または流量が指定される）に完全に一致するシステムが得られます。
有限差分は、連続微分演算子を離散区間 ( ΔxとΔt ) を使用して表現する方法であり、有限差分法はこれらに基づいています (テイラー級数から導出されます)。たとえば、1 階の時間微分は、次の前方有限差分を使用して近似されることがよくあります。ここで、添え字は離散時間の位置を示します。
前方差分近似は無条件に安定していますが、暗黙的な方程式セット（LU分解やコレスキー分解などの行列法を用いて解く必要がある）が得られます。同様の後方差分は条件付きでしか安定していませんが、明示的であり、時間方向に「前進」して、一度に1つのグリッドノードを解くことができます（1つのノードはすぐ隣のノードにのみ依存するため、並列で解くことも可能です）。有限差分法の代わりに、空間方向にはガラーキンFEM近似が使用される場合があり（これは構造工学でよく使用されるFEMとは異なります）、時間方向には依然として有限差分が使用されます。
MODFLOWは、一般的な有限差分法を用いた地下水流動モデルの代表的な例です。米国地質調査所（USGS）が、地下水流動をモデル化するためのモジュール式で拡張可能なシミュレーションツールとして開発しました。USGSが開発、文書化、配布しているフリーソフトウェアです。MODFLOWを中心に多くの商用製品が開発され、入力ファイルベースのインターフェースにグラフィカルユーザーインターフェースを提供し、通常はユーザーデータの前処理と後処理を組み込んでいます。MODFLOWのシンプルで文書化が進んでいる性質から、MODFLOWの入出力に対応する多くのモデルが開発され、複数の水文プロセスをシミュレートする連携モデル（流動・輸送モデル、地表水・地下水モデル、化学反応モデルなど）が実現可能となっています。
有限要素プログラムは、設計の柔軟性が高く（ほとんどの有限差分モデルで使用されるブロック要素に対して三角形要素）、いくつかのプログラムが利用可能です（USGSによる2Dまたは3D密度依存フローモデルSUTRA、商用不飽和フローモデルHydrus 、地下フロー、溶質および熱輸送プロセス用の商用モデリング環境FEFLOW、多孔質および亀裂媒体における熱水力力学化学（THMC）プロセス用の科学的なオープンソースプロジェクトOpenGeoSys、[ 16 ] [ 17 ] COMSOL Multiphysics（商用汎用モデリング環境）、使いやすいMATLABシミュレーションツールボックスFEATool Multiphysics 、およびIntegrated Water Flow Model（IWFM））が、MODFLOWほど実務的な水文地質学者にはまだ普及していません。有限要素モデルは、大学や研究室環境でより普及しており、そこでは特殊なモデルが非標準形式のフロー方程式（不飽和フロー、密度依存フロー、熱と地下水フローの結合など）を解きます。
有限体積法は、偏微分方程式を代数方程式として表現および評価する方法です。[ 18 ] [ 19 ]有限差分法と同様に、メッシュ形状上の離散的な場所で値が計算されます。「有限体積」とは、メッシュ上の各節点を囲む小さな体積を指します。有限体積法では、発散項を含む偏微分方程式の体積積分は、発散定理を使用して面積積分に変換されます。これらの項は、各有限体積の表面での流量として評価されます。特定の体積に入る流量は、隣接する体積から出る流量と同一であるため、これらの方法は保存的です。有限体積法のもう 1 つの利点は、非構造メッシュを許容するように簡単に定式化できることです。この方法は、多くの計算流体力学パッケージで使用されています。
PORFLOWソフトウェアパッケージは、Analytic & Computational Research, Inc. (ACRi) によって開発された、地下水流と核廃棄物管理のシミュレーションのための包括的な数理モデルです。
FEHMソフトウェアパッケージは、ロスアラモス国立研究所から無償で入手できます。この多機能な多孔質流体シミュレーターは、多相流、熱流、応力、および多成分反応化学をモデル化する機能を備えています。このコードを用いた現在の研究には、メタンハイドレート形成、CO₂隔離、オイルシェール抽出、核汚染物質および化学汚染物質の移動、不飽和帯における環境同位体移動、カルスト地形形成のシミュレーションが含まれます。
これらには、解析解に近いものの、地下水流方程式を何らかの形で近似する解析要素法（AEM）や境界要素法（BEM）などのメッシュフリー法が含まれます。BEMとAEMは、境界条件を近似しながら、地下水流方程式（完全な質量バランス）を厳密に解きます。これらの方法はより正確で、（解析法と同様に）はるかに洗練された解を得ることができますが、学術研究グループ以外ではまだ広く利用されていません。
井戸とは、掘削によって地下水を地表に汲み上げ、ポンプやバケツなどの手作業で汲み上げる仕組みのことです。井戸の歴史上最初の例は、紀元前52 世紀 の現在のオーストリアに遡ります。[ 20 ]今日では、井戸は発展途上国からアメリカ合衆国の郊外まで、世界中で使用されています。
井戸には主に浅井戸、深井戸、自噴井戸の 3 種類があります。浅井戸は非被圧帯水層から水を汲み上げ、一般的に深さが 15 メートル未満と浅いです。浅井戸の直径は小さく、通常 15 センチメートル未満です。[ 21 ]深井戸は被圧帯水層から水を汲み上げ、常に機械で掘削されます。すべての深井戸は機械式ポンプを使用して水を地表に汲み上げます。自噴井戸では、ポンプやその他の機械装置を使用せずに水が自然に流れます。これは、井戸の上部が地下水位より下にあるためです。[ 22 ]
地下水工学および水文地質学において最も重要な側面の一つは、井戸の設計と建設です。適切な井戸の設計と建設は、地下水と井戸を利用する人々の健康を維持するために重要です。井戸の設計において考慮すべき要素は以下のとおりです。
上記の要素に加え、新しい井戸を計画・建設する際には、主に以下の5つの点を考慮する必要があります。
帯水層の適性評価は、帯水層の「 USGSレポート、井戸ログ、断面図」を使用して井戸の候補地を決定することから始まります。この情報は、深さ、厚さ、透水係数、井戸の揚水量などの帯水層の特性を決定するために使用する必要があります。この段階では、帯水層の水質も決定し、汚染物質の有無を確認するためにスクリーニングを行う必要があります。[ 24 ]
深さや井戸の生産量などの要素が決定された後、井戸の設計と掘削方法を確立する必要があります。掘削方法は、「土壌条件、井戸の深さ、設計、およびコスト」に基づいて選択されます。[ 24 ]この段階で、コストの見積もりが作成され、予算のニーズを満たすように計画が調整されます。
井戸の重要な構成要素には、井戸シール、ケーシングまたはライナー、ドライブシュー、井戸スクリーンアセンブリ、および砂または砂利パック（オプション）が含まれます。これらの各構成要素により、井戸は単一の帯水層からのみ水を汲み上げ、プロセスのどの段階でも漏水が発生しないことが保証されます。[ 24 ]
水井戸を建設する際に使用できる掘削方法はいくつかあります。それらには、「ケーブルツール、エアロータリー、マッドロータリー、および浸水逆循環デュアルロータリー」掘削技術が含まれます。[ 24 ]ケーブルツール掘削は安価で、あらゆる種類の井戸に使用できますが、アライメントを常にチェックする必要があり、前進速度が遅いです。固結した地層には効果的な掘削技術ではありませんが、掘削フットプリントは小さくなります。エアロータリー掘削は費用対効果が高く、固結した地層に適しています。前進速度は速いですが、大口径の井戸には適していません。マッドロータリー掘削は、特に深井戸に費用対効果が高いです。良好なアライメントを維持しますが、より大きなフットプリントが必要です。前進速度は非常に速いです。浸水逆循環デュアルロータリー掘削は高価ですが、大きな井戸の設計に適しています。汎用性があり、アライメントを維持します。前進速度は速いです。[ 24 ]
井戸スクリーンは、水だけが地表に到達し、堆積物が地表下に残るようにします。スクリーンは、水が地表に向かって汲み上げられる際に堆積物をろ過するために、井戸の坑道に沿って設置されます。スクリーンの設計は土壌の性質によって影響を受ける可能性があり、効率を最大化するために自然充填設計が使用されることがあります。[ 24 ]
井戸の建設後、井戸の生産性、効率、収量を評価するための試験を実施し、井戸が帯水層に与える影響を判断する必要があります。井戸の関連するすべての特性をテストするために、井戸に対していくつかの異なるテストを実施する必要があります。[ 24 ]
地下水汚染は、他の液体が帯水層に浸透して既存の地下水と混ざることで発生します。農薬、肥料、ガソリンは、帯水層の一般的な汚染物質です。ガソリンなどの化学物質を貯蔵する地下タンクは、特に地下水汚染の懸念される原因です。これらのタンクは腐食すると漏洩し、その内容物が近くの地下水を汚染する可能性があります。下水処理システムに接続されていない建物では、浄化槽を使用して廃棄物を安全に処理できます。浄化槽が適切に建設または維持されていない場合、細菌、ウイルス、その他の化学物質が周囲の地下水に漏れる可能性があります。埋立地も地下水汚染の潜在的な原因です。ゴミが埋められると、保護基層にひび割れやその他の損傷があると、ゴミから有害な化学物質が周囲の地下水に移行する可能性があります。道路の塩や芝生や農場で使用される化学物質などの他の化学物質は、地元の貯水池に流れ込み、最終的には帯水層に流れ込む可能性があります。水が水循環を経る過程で、大気中の汚染物質が水を汚染する可能性がある。この水は地下水にも浸透する可能性がある。[ 25 ]
水圧破砕による地下水汚染については、長年にわたり議論が続いています。水圧破砕で一般的に使用される化学物質は、水圧破砕が地下水に及ぼす影響を判断する責任を負う政府機関によって検査されていないため、米国環境保護庁（EPA）の研究所では、水圧破砕で使用される化学物質が近隣の帯水層に存在するかどうかを判断するのが困難です。[ 26 ] 2016年、EPAは、飲料水が水圧破砕によって汚染される可能性があるとする報告書を発表しました。これは、 水圧破砕が地域の飲料水に及ぼす影響に関する2900万ドルの研究の後、以前の方針を覆すものでした。[ 27 ]
カリフォルニア州では、乾燥した気候、人口の多さ、集約農業のため、地下水利用をめぐる論争が最も激しい州の一つとなっている。紛争は一般的に、地下水の汲み上げと地域外への輸送、商業企業による水の不当な使用、開発プロジェクトによる地下水の汚染などをめぐって発生する。北カリフォルニアのシスキュー郡では、カリフォルニア州高等裁判所が、地下水規制の不備によりスコット川の水量が減少し、サケの自然生息地が破壊されたとの判決を下した。中央カリフォルニアのオーウェンズバレーでは、養魚場で使用するために地下水が汲み上げられ、地元の草原やその他の生態系が死滅した。このため、養魚会社に対する訴訟と和解が行われた。南カリフォルニアの開発は、建設や通常の人間活動によって地下水を汚染し、地元の帯水層を脅かしている。例えば、サンバーナーディーノ郡の太陽光発電プロジェクトは、最大130 万立方メートルの地下水を使用するため、ハーパー湖に影響を与える可能性があり、鳥類や野生生物の生態系を脅かすとされている。[ 28 ] 2014年9月、カリフォルニア州は持続可能な地下水管理法を可決し、地下水は地表水系とつながっているため、利用者は地下水を適切に管理することを義務付けた。[ 28 ]
コロラド州は乾燥した気候のため、水の大部分を地下水から得ています。そのため、地下水工学の実践に関して問題が生じています。ワイドフィールド帯水層で高濃度のPFCが検出された際には、最大65,000人が影響を受けました。コロラド州での地下水利用は20 世紀以前に遡ります。コロラド州の63郡のうち19郡は、供給と生活用水の大部分を地下水に依存しています。コロラド地質調査所は、デンバー盆地の地下水に関する3つの重要な報告書を発表しています。最初の報告書は「デンバー盆地南西部の上部白亜紀、暁新世、始新世の地層の地質」、2番目の報告書は「グリーリーとコロラドスプリングスの間の上部白亜紀から古第三紀の地層の基盤地質、構造、等厚線図」、3番目の出版物は「グリーリーとコロラドスプリングスの間のデンバー盆地の淡水含有地層の断面図」です。[ 29 ] [ 30 ]
数千年前に最初の井戸が掘られて以来、地下水系は人間の活動によって変化してきました。50年前、これらのシステムの持続可能性がより大規模に考慮されるようになり、地下水工学の主要な焦点の1つとなりました。新しいアイデアと研究は、地下水保全を考慮しながら、地下水工学を21世紀へと進めています。[ 31 ]
地形図作成の分野では、持続可能性を向上させるための新たな進歩が見られます。地形図作成は、地中を透過して懸念される領域を特定できるレーダーを取り入れるように更新されています。さらに、近年では、地図から収集したデータを使用して大規模な計算を行い、地下水帯水層に関する知識を深めることができます。これにより、非常に複雑で個別化された水循環モデルが可能になり、地下水の持続可能性を特定の状況により適用しやすくなりました。[ 31 ]
技術の進歩により地形図作成が進歩し、岩石圏、水圏、生物圏、大気圏のシミュレーションの質も向上しました。これらのシミュレーションはそれぞれ単独でも有用ですが、組み合わせて使用することで、地域の将来の持続可能性をより正確に予測し、地域の安定性を確保するためにどのような変更が可能かを判断するのに役立ちます。これは技術の進歩なしには不可能でした。技術が進歩し続けるにつれて、シミュレーションの精度は向上し、地下水工学におけるより複雑な研究やプロジェクトが可能になります。[ 31 ]
人口増加に伴い、これまで持続可能なペースで地下水を利用してきた地域も、将来的な持続可能性の問題に直面し始めています。大都市で現在見られるような規模の人口は、帯水層の長期的な持続可能性を考慮する際に想定されていませんでした。こうした大規模な人口は、地下水供給に大きな負担をかけ始めています。そのため、一部の都市部では新たな政策が必要となっています。これは、都市が積極的に地下水を保全するための、いわゆる「積極的な土地利用管理」です。
ブラジルでは、人口過密により市営水道の水が不足した。水不足のため、人々は市営水道が通常供給している範囲内で井戸を掘り始めた。これは社会経済的地位の高い人々にとっては解決策となったが、恵まれない人々の多くは水にアクセスできなくなった。そのため、自力で井戸を掘る余裕のない人々を支援するために井戸を掘るという新しい市営政策が策定された。市が新しい井戸の掘削を担当しているため、井戸を慎重に配置し、増加する人口を考慮に入れることで、地域の地下水の将来的な持続可能性についてより良い計画を立てることができる。[ 32 ]
米国では、飲料水の 51% が地下水源から供給されています。農村部の人口の約 99% が地下水に依存しています。さらに、国内の地下水全体の 64% が灌漑に使用され、その一部は工業プロセスや湖や河川の涵養に使用されています。2010 年、米国で使用された淡水の 22% が地下水から、残りの 78% が地表水から供給されました。地下水は、淡水にアクセスできない一部の州にとって重要です。淡水地下水のほとんど 65% は灌漑に使用され、21% は主に飲料水として公共目的で使用されています。[ 33 ] [ 34 ]
