地下水という言葉から、地面の下に大きな空洞があり、そこに池のように水がたまっている図を思い浮かべるかもしれません。しかし、砂やれきの地層で考える地下水は、粒と粒のすき間を満たしている水です。地面の下に水があることと、大きな空洞があることは同じではありません。
地下の水のあり方には、岩石の割れ目を流れるものなどもあります。ここでは、砂やれきの層と、水を通しにくい粘土の層がある単純な断面を使います。地層の図の中で、水がどこを通れるのかを読むための基本モデルです。
砂の粒ではなく、粒の間を見る
コップに小石を入れても、小石だけで内部が完全に埋まるわけではありません。小石の間にはすき間が残っています。そこへ水を加えると、しばらくは小石の間を水が埋めていきます。地下水も、砂やれきの地層ならこのような空間を考えると理解しやすくなります。
「地層の中に水」と聞いて、石そのものがスポンジのように水を吸ってふくらむ説明にしてしまわないこと。ここで注目しているのは、粒の内部ではなく粒と粒の間です。断面図では水色で塗られた部分だけを見ず、粒がその中にも存在しているかを確認してください。
雨が降ったとき、すべての水が地下深くまで進むわけでもありません。地表を流れる水、蒸発する水、植物に利用される水などがあり、一部が地中へしみ込みます。川の水と地下水が行き来する場所もあります。「雨が降った分だけ、そのまま地下の水位が上がる」という単純な置き換えはできません。
水を通すかどうかは、すき間のつながりが大切
一般に、砂やれきの層は水を通しやすく、粘土の層は通しにくいと整理します。ここで「粘土にはすき間が一つもないから」と説明するのは正確ではありません。水が移動するときには、すき間の大きさやつながり方が関係します。すき間の総量だけを見れば、水の通りやすさが決まるわけではないのです。
粒の細かい層は、水の動きが遅くなりやすいと考えます。ただし、実際の地層には割れ目や、別の種類の粒が混ざった場所もあります。問題文で「水を通さない層」と条件を指定している場合は、そのモデルに従いますが、自然界の粘土層を必ず完全な防水板だと言い換えないようにしましょう。
粒の違いそのものは、れき・砂・泥の粒の大きさで整理できます。このページでは、その分類を水の動きへつなげます。同じ粒の知識でも、川で運ばれるときの問題と、地中を水が通るときの問題では、追っているものが違います。
地下水面と、地層の境目を混同しない
図では、上から続く砂やれきの層の途中に、すき間が水で満たされた部分の上端を描いています。単純化したこのモデルで、その上端が地下水面です。下にある粘土層の上面とは、別の線です。二つの線を重ねて覚えると、井戸の深さを考えるときに困ります。
地下水面より上の地層が、必ず完全に乾いているわけでもありません。すき間の一部に水があり、残りに空気がある状態も考えられます。現実には毛細管現象による水の上がり方も関係しますが、最初は「すき間がすべて水で満たされた部分」と「一部に空気が残る部分」を分けて図を読みます。
井戸から水を取るには、井戸の先が、水を取り出せる層の水で満たされた部分に届いている必要があります。砂の層に入ってさえいれば、どんな浅い井戸でも同じように使える、とはなりません。雨の少ない時期などに地下水面が下がると、以前は水の中だった位置が、その上に出ることもあります。
例題1｜二つの線を区別して井戸を読む
ある場所では、地表から深さ8mまで砂やれき、その下が粘土の層です。地下水面は深さ3mにあります。井戸Aの取水口は深さ2m、井戸Bは深さ5mです。このモデルで、水に届く取水口はどちらでしょう。また、地下水面が深さ6mまで下がった場合はどうなりますか。
答え・解説：初めはBです。深さ5mは地下水面より下で、砂やれきのすき間が水に満たされた部分にあります。地下水面が深さ6mまで下がると、Bの取水口も地下水面より上になり、この位置からは水を取れなくなります。粘土の上面は深さ8mのままです。地層の境目が動いたのではなく、水の状態が変わったことを区別します。
例題2｜「透明」と「通しやすい」は同じ？
同じ形の筒に同じ厚さで試料を入れ、同じ量の水を加える模型実験をします。初めの湿り方などをそろえたところ、5分間に下へ出た水は、砂の試料で多く、細かい粒の試料で少なくなりました。ある人は「砂を通った水は透明だから、砂の方が水を通しやすい」と書きました。説明の根拠を直してください。
答え・解説：比べる根拠は、同じ時間に通過した水の量です。「条件をそろえた実験で、5分間に出た水が多かったので、この砂の試料の方が水を通しやすいと考えられる」とします。透明かどうかは別の性質で、飲める安全な水かどうかも、この観察からは判断できません。測った項目を、そのまま結論の根拠に使いましょう。
地表の流れと、地下の流れをつなげる
川の侵食・運搬・堆積では、地表の水が地形や粒を動かす働きを学びます。地下水では、反対に、地層の粒やすき間が水の通り道に関係します。図を見るときに「水が粒を運ぶのか」「粒の間を水が通るのか」を言葉にすると、似た材料が出てくる問題でも整理しやすくなります。