当在可渗透的岩石上挖一个孔时，在特定的深度，水开始流入。在孔中积累的水的表面是地下水位，地下水位以下的水是地下水。

地下水位形状的变化以柔和的形式反映了地形。地下水位靠近山谷中的地面，在河流、湖泊和沼泽出现的地方，地下水位实际上与地表相交，但在山丘下面，地下水位要深得多。

地下水位以下的岩石孔隙空间被水饱和，地下水就发生在饱和区。在地下水位上方，水被毛细作用力拉入孔隙空间，进入一个叫做毛细边缘的薄区域。地下水位以上的岩石，包括毛细边缘，形成非饱和带；虽然它们确实含有水，但通常不是完全饱和的，而且水不能被抽提出来。

▲ 水文循环中的地下水。一部分雨水通过植被的蒸发和蒸腾作用返回到大气中，一部分在地面上流动。其余的渗入含水层，补充地下水储存。地下水通过含水层流入河流、泉水和海洋。泉水发生在地下水位与地面相交的地方，如山谷和海岸线，以及水从含水层溢出的地方，水覆盖在渗透性较差的岩石上。

地下水来自雨水。例如：英国的年平均降雨量约为1100毫米，从英国高地的2500多毫米到英格兰东部低地的不到600毫米。其中很大一部分，在低地区约500毫米，主要在夏季蒸发。剩余的水可以渗透到渗透性较强的岩石中，尽管在岩石渗透性较低或被相对不透水的粘土层覆盖的地方，部分水将作为地表径流流过地面。水主要在冬季渗入地下，通过非饱和带缓慢下移，最终到达地下水位，成为地下水。

▲ 地下水剖面。土层厚度可达1米左右。山下的不饱和带可达数十米厚。岩石的晶粒大小控制着毛细水带的厚度。在细粒岩石中，它可以超过10米，而在粗砂岩中，它不超过几厘米。饱和区可以有几百米厚，尽管大多数地下水在上层的200到300米流动。

地下水暂时储存在地下后，从泉水中流出，渗入溪流和河流。最大流量发生在冬季结束时，此时地下水水位随季节入渗而升高。它们在整个夏季到秋季都在稳步下降。地下水对河流流动的贡献被称为基流，它负责在长时间的干旱天气中保持河流的流动，当地表径流几乎停止时。

▲ 在南唐斯奇尔格罗夫的一口井中测量的白垩地下水位的水文曲线。自1836年以来，这口井一直在测量水位，这可能是世界上持续时间最长的记录。在整个记录期间，这个范围大约是43米。该图包括两个低入渗期（1988-92年和1995-97年）。相反，1993-94年冬季的高入渗和随之而来的高水位增加了白垩的泉水排放，造成了奇切斯特的大洪水。虚线表示月平均地下水位。

在英格兰和威尔士，地下水占公共供水的三分之一，北爱尔兰占7%，苏格兰占3%。区域差异反映了含水层的分布和北爱尔兰和苏格兰开发地表水资源的更有利条件。

英国地下水的总采取量，包括工业和农业使用的地下水，每年约为24亿立方米。大约85%来自两个主要含水层——白垩和二叠纪-三叠纪砂岩，分别占60%和25%。英格兰东南部超过70%的公共供水来自地下水，而在塞文和特伦特盆地、英格兰东部、泰晤士河谷和威塞克斯地区，这一数字在40%到50%之间。许多地区的工业和农业依赖地下水，当然，它仍然是许多农村社区的供应来源。

▲ 伯克郡庞河的水文曲线显示了地下水成分。这条河流经一个部分被粘土覆盖的白垩集水区。在干旱时期，从白垩区排出的地下水几乎提供了整个水流。

环境部门通过向所有主要水源发放许可证来控制英格兰和威尔士的地下水开采。在苏格兰或北爱尔兰，或在英格兰和威尔士，如果水用于家庭用途，则不需要许可证。地下水的开发成本相对较低，而且通常质量很高。然而，如果需要改善其开发对河流和湿地的任何不良影响，或提供复杂的水处理以去除污染物，则成本可能会大幅增加。

▲ 科茨沃尔德山康普顿的鳄鱼泉。水从大奥利特石灰岩流出，流入泰晤士河的一条支流——柯伦河。春天从来没有断过。

人们普遍的印象是，地下水是在地下通道中流动的，比如在山顶地区、南威尔士和门迪普山的石灰岩区的洞穴系统中。那里的排水完全在地下，地貌被称为喀斯特地貌。其特点是燕子洞，为地下溪流和岩洞提供水源。但这不是典型的地下水类型；岩溶地貌局限于坚硬致密的石灰石露头的地区，并且经受了风化作用，使岩石沿着薄弱线溶解，扩大狭窄的裂缝。相比之下，大多数用于供水的地下水存在于砂砾中，或在砂岩和石灰石等固结岩石中；石灰石，例如白垩，不像喀斯特地区那样致密或坚硬。这些岩石既有多孔性又有渗透性，形成了英国主要的地下水库或含水层。

▲ 白垩岩的露头，显示出相互连接的裂缝网络，使含水层具有高渗透率。

含水层被定义为一种可渗透的岩石，可以储存地下水，并使其容易流入井或钻孔。水流经岩石中的孔洞或孔隙。孔隙空间的总体积称为孔隙度，代表岩石可以储存的水的总体积。这可能是在砂岩颗粒之间的微小空间，当它被称为粒间孔隙度时，或者在石灰石和更古老的致密岩石中更常见的小裂缝和裂缝中，这被称为裂缝孔隙度。含水层中的孔隙空间必须相互连接，这样水才能流过岩石，换句话说，含水层必须具有渗透性。

▲ 用电子显微镜拍摄的二叠纪砂岩的照片显示了颗粒之间的孔隙空间，孔隙率约为30%。

含水层的主要功能是储存和输送水。含水层中的大部分地下水在饱和区上层的100至200米缓慢循环。但是，淡水可以渗透到超过2公里的深度，尽管在这样的深度，地下水通常被溶质矿化，特别是钠和氯化物，而且太咸而不能饮用。

英国的主要含水层位于英格兰的低地。最重要的是白垩、二叠-三叠纪砂岩、侏罗纪灰岩和下格林斯兰。它们出现在被称为年轻盖层的地质序列中，其年龄范围从二叠纪到第四纪。含水层确实存在于泥盆纪和石炭纪地层中，但它们是更硬、更致密的岩石，在供水方面被认为是次要的。古志留系、奥陶系、寒武系和前寒武系的岩石渗透率一般较低，可视为古老、年轻盖层下的“不渗透基底”。然而，即使在这些坚硬的岩石中，饱和带上层50到100米的裂缝确实为个别井和泉水提供了少量的水。由于地壳运动，英格兰东部和南部的侏罗纪至古近纪地层向东倾斜（或倾斜）至北海盆地，或向南倾斜至盎格鲁-巴黎盆地。在这一广泛的结构模式中，附属的伦敦盆地和汉普郡盆地在水文地质方面非常重要；每个盆地都包含主要的含水层。

白垩岩是一种柔软的白色石灰岩，上面布满了层层燧石，分布在英格兰东部和南部的大部分地区。它是一种独特的岩石，因为它由微小的钙质贝壳和浮游生物的贝壳碎片组成。这使得岩石基质具有很高的孔隙度，但由于颗粒太细，岩石基质孔隙空间中的水实际上是不动的，被毛细力所控制。因此，给水度（岩石自然排水或抽水时产生的水）很低，约为1%。白垩岩作为含水层的突出作用归功于其具有高渗透率的细裂缝网络。白垩岩的个别钻孔每天可产生超过1000万升的水，按每人每天150升计算，足够供应约7万人的用水需求。

▲ 用电子显微镜拍摄的白垩岩样品的照片显示了构成大部分岩石的藻类的微小外壳碎片。孔隙率约为45%。

二叠系—三叠系砂岩主要为红砂岩，形成于沙漠环境。它们位于英格兰西部和奔宁山脉的东西两侧的一系列深沉积盆地中。在北爱尔兰的安特里姆玄武岩之下有一个深盆地，在苏格兰西南部发现了一些小的孤立盆地。石英颗粒在砂岩中的充填使孔隙度达到30%，给水度可高达20%至25%。大部分砂岩是一种柔软、致密的岩石，胶结程度很弱。因此，地下水可以通过基质流动，但裂缝的存在大大提高了渗透率。砂岩具有很强的渗透性，它们储存的水中有很大一部分可产出。大钻孔的水产量可达500至1000万升/天。

▲ 年轻盖层的主要含水层。这些含水层提供了大部分用于公共供应和工业的抽取地下水。其他含水性能较差的石灰石和砂岩为当地提供了有价值的水量。

▲ “不渗透基底”上方的古老盖层的含水层。含水层是次要的，但提供了许多当地的水量。基底岩石并非完全不透水。在地表出现地下水的地方，从饱和带上方50至100米的裂缝中获得少量地下水。

侏罗纪石灰石是英格兰东部科茨沃尔德山和北约克郡荒野中重要的含水层。代表它们的有大奥尔岩和小奥尔岩、林肯郡石灰岩和科拉利安石灰岩。它们是相对坚硬的石灰石，给水度较低，但同样具有广泛的裂缝网络，裂缝被溶液扩大，具有高渗透率。英国单井产量最大的是林肯郡石灰石；一个井眼的初始自然自流溢流超过3000万升/每天。下格林山位于英格兰东部的白垩山脉两侧，环绕着英格兰东南部的威尔德山脉。含水层的产量不如二叠纪-三叠纪的砂岩，但尽管如此，10%至20%的给水度和中等渗透率使其成为一个有吸引力的地下水来源。

▲ 英格兰东部和南部的白垩岩是英国最重要的地下水库

▲ 三叠纪砂岩露头。水流在砂岩岩石基质的各个颗粒之间流动，并沿着裂缝快速流淌。

古老盖层的砂岩和石灰岩具有更长的历史，并且在过去受到更强烈的地球运动的影响，这是它们孔隙度和渗透率较低的原因。然而，他们确实为当地提供了许多水量。石炭纪的含水层在英格兰北部和苏格兰中央山谷很重要，而古老红砂岩在凯斯内斯和莫利湾沿岸很有价值。

与世界上许多其他地方不同，冲积砂和砾石不是英国主要的含水层，尽管在英国的许多地方，这些沉积物中都有水井和钻孔，以满足不同需求。

▲ 横跨英格兰北部的剖面(a)显示了奔宁山脉以西深盆地的三叠纪砂岩和英格兰东部年轻盖层的含水层。横跨英格兰东南部的剖面(b)显示了伦敦盆地和南唐斯的白垩。