지하수는 지하에 존재하기 때문에 이들의 운동은 쉽게 관측되거나 측정될 수 없다. 따라서 수문학적 순환에 있어 지하수의 역할은 아직 잘 이해되어 있지 않다. 1960년대 이래 수문학자들은 물에 추적자(tracer)를 첨가해 이것이 물을 따라서 어떻게 움직이는가를 알아보는 연구를 시작했다. 추적자는 물보다 탐지하기 쉬우므로 이들은 지하수 운동에 대한 확실한 정보를 제공해줄 수 있다. 최근에는 추적자로서 방사성동위원소가 많이 이용되는데, 이는 지하수 중에 소량이 존재해도 쉽게 추적할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 지하수의 이동을 연구하는 또다른 방법으로는 직접 지하수를 접하지 않고 연구하는 원격탐사(遠隔探査)가 있다. 원격탐사법의 예로는 적외선 사진법과 적외선 이미지 분석법이 있는데, 이러한 방법들은 지하수가 지상이나 바다로 유출되는 지점을 찾는 데 이용된다.

지하수는 지하에 존재하기 때문에 이들의 운동은 쉽게 관측되거나 측정될 수 없다. 따라서 수문학적 순환에 있어 지하수의 역할은 아직 잘 이해되어 있지 않다. 1960년대 이래 수문학자들은 물에 추적자(tracer)를 첨가해 이것이 물을 따라서 어떻게 움직이는가를 알아보는 연구를 시작했다. 추적자는 물보다 탐지하기 쉬우므로 이들은 지하수 운동에 대한 확실한 정보를 제공해줄 수 있다. 최근에는 추적자로서 방사성동위원소가 많이 이용되는데, 이는 지하수 중에 소량이 존재해도 쉽게 추적할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 지하수의 이동을 연구하는 또다른 방법으로는 직접 지하수를 접하지 않고 연구하는 원격탐사(遠隔探査)가 있다. 원격탐사법의 예로는 적외선 사진법과 적외선 이미지 분석법이 있는데, 이러한 방법들은 지하수가 지상이나 바다로 유출되는 지점을 찾는 데 이용된다.

지하수는 지표수와 마찬가지로 농업·공업·가정 및 기타 용수로 다양하게 이용되는데, 특히 상수도의 공급이 부족한 개발도상국이나 후진국, 또는 강수량과 지표수가 절대적으로 부족한 건조지방에서는 중요한 수원이 된다. 지하수는 지표수에 비해 다음과 같은 장점을 갖고 있다.

① 지하수는 대체로 세균과 같은 병원성 생물을 가지고 있지 않으므로 따로 정화할 필요가 없다.

② 수온이 거의 일정하기 때문에 열교환의 목적으로 이용할 경우 상당한 장점이 된다.

③ 일반적으로 혼탁하지 않으며 무색이다.

④ 지하수의 화학조성은 대체로 일정하다.

⑤ 지하수는 단기간의 가뭄에는 별다른 영향을 받지 않는다.

⑥ 대부분의 지하수는 지표수에 비해 화학적 또는 생물학적인 오염의 영향을 거의 받지 않는다.

⑦ 지하수는 오랜 기간에 걸쳐 장기적으로 지하에 저장된 물이므로 지표수가 없는 많은 지역에서 유용하게 이용된다.

지하수는 이와 같은 장점을 갖고 있으나 다음과 같은 이유에서 개발에 상당한 제한을 받는다. 지하의 암석이 우물을 형성할 만큼의 공극률과 투수성을 갖지 못할 경우 지하수의 개발은 어려우며, 일반적으로 같은 지역의 지표수에 비해 과다한 양의 용해된 고체물질을 함유한다. 또한 지하수의 개발은 하천의 지표수 개발에 비해 훨씬 많은 비용이 든다. 지하수는 특히 건조대 및 반건조대 개발에 매우 중요한 역할을 한다. 대규모로 채수(採水)하면 지하수가 고갈되지만, 농업과 산업에 필요한 물을 몇 십 년 동안 공급할 수 있다면 경제적·사회적으로 상당한 중요성을 지니게 된다. 조건이 맞는 건조대와 반건조대의 일부 지역에서는 지하수와 함께 외부의 물을 끌어들여 농업과 가정용수로 사용하고 있지만, 광범위한 지역의 지하수 개발은 아직 요원하다. 사막이 형성되기 전에 형성된 대수층(帶水層)은 시간이 경과하면서 기후가 더욱 건조해져도 별 영향을 받지 않은 채 남게 된다. 사막지역은 높은 기온과 유기물의 부족으로 지하로 침투한 물에는 이산화탄소가 적다. 또한 사막에는 습기가 부족하므로 사막에 있는 탄산염암과 기타 암석이 용해되어 공극을 형성하지 못한다. 따라서 일부 사막에 넓게 분포된 탄산염암의 대수층은 대체로 현재보다 기후가 습윤하던 과거에 형성된 것이다. 사막지역에 분포된 대수층 중에는 물이 산악지역에까지 연장되어 있어 침투에 의해 계속 물이 공급되는 예가 있다. 사막지역의 이러한 특수 대수층의 예는 미국 아틀라스 산맥의 남쪽 주변부에서 관찰된다.

지구상에는 도처에 많은 지하수가 분포하지만, 아직 개발되지 않은 저수층(貯水層)도 많이 있다. 1968년 국제연합(UN) 소속 수자원과는 전세계의 지하수 저장량을 알아내기 위해 많은 전문가를 초빙했는데, 이때 초빙된 전문가들은 UN 자원운송부 소속의 기술고문과 함께 대표적인 지하수 산출지와 지하수의 전세계적인 분포에 관한 편람을 작성하고, 70가지 경우에 달하는 연구사례를 보고했다. 그러나 이들이 제시한 자료는 전세계의 것이 아니라 수자원이 부족하거나 물의 수요가 많아서 이미 많은 조사가 된 지역에 관한 자료를 위주로 수집된 것이라는 단점을 갖고 있다. 그렇지만 또한 이 자료들은 지하수가 기후·지형·지리·지질 등에 따라서 어떻게 분포하는지를 일반화해 보여준다(표 참조). 지하수의 분포를 조사한 결과에 따르면, 지하수가 저장되어 있는 대수층은 다양한 종류의 암석으로 구성되어 있지만, 그중에서도 특히 모래와 자갈로 구성되어 있는 고화되지 않은 쇄설성암, 온대기후나 건조기후하의 충적계곡 또는 연안평야에 분포하는 탄산염암이 가장 흔한 대수층인 것으로 알려졌다.

지하수는 강수에 의해 공급되므로 지하수면의 높이도 강수량에 의해 조절된다. 지하수면의 변화는 단기간의 변화와 장기간의 변화로 구분할 수 있는데, 아래의 그림은 미국 캘리포니아 주의 샌버나디노 계곡에서 측정된 장기간에 걸친 지하수면과 강수량의 변화를 나타낸 것이다. 강수량이 지하수면의 정확한 지시자는 아니지만 둘 사이에는 상당한 상관관계가 있으며, 따라서 지하수면의 높이는 한 지역의 기후 및 시간에 따른 기후의 변화를 반영한다고 할 수 있다.p>

지하수는 암석 내의 광물입자들 사이를 통과하면서 일부를 용해시키고, 다른 지역에서는 용해된 성분을 침전시킨다. 지하수의 용해작용은 지하수에 녹아 있는 탄산(H2CO3)에 의한 것인데, 탄산의 대부분은 비가 내릴 당시에 대기 중의 이산화탄소가 녹아 들어간 것이다. 지하수의 용해작용은 특히 석회암·백운암과 같은 탄산염암 지역에서 잘 일어난다. 용해작용으로 지하수의 통로에는 공동(空洞)이 형성되는데, 용해작용이 오래 계속되면 지하에 커다란 동굴이 형성된다. 경우에 따라 지하수 내에 용해되어 있던 광물질의 일부가 지하의 공동에 침전되는데, 이때 광물의 침전이 일어나는 장소는 과거 지하수의 용해작용에 의해 생긴 경우가 많다. 지하수 침전작용의 대표적인 예로는 속성작용이 있는데, 속성작용은 퇴적물의 틈 사이에 광물을 침전시킴으로써 고화되지 않은 퇴적층을 단단한 암석으로 변하게 하는 작용을 말한다. 지하수에 의한 침전작용은 동굴에서도 쉽게 찾아볼 수 있는데, 동굴에서 흔히 관찰되는 종유석과 석순이 바로 그 산물이다.

샘이란 지하수면이 지표면과 만나 지하수가 새어 나오는 곳이다. 이에 반해 흐름이 없이 지표로 새어나오는 지하수는 삼출수라고 한다. 수문학적 순환의 관점에서 보면, 샘과 삼출수는 지하수가 다시 지표수로 전환되는 단계의 물이라고 할 수 있다. 이러한 샘과 삼출수는 육지에 흔하며 일부 섬에서도 관찰된다. 샘은 자갈층·모래층·석회암층·사암층·현무암층과 같이 투수성이 매우 좋은 대수층이 있는 곳에 잘 생기지만, 다른 종류의 암석에도 조건만 맞으면 샘이 형성된다. 좋은 대수층이 있어도 이들이 점토나 셰일과 같은 불투수성 암석으로 덮여 있는 경우에는 지하수가 지표로 누수되지 못한 채 지하에 갇혀 있게 된다. 지하에 갇혀 있는 대수층 내의 물은 압력을 받으므로 불투수성층을 뚫고 지표로 분출하기도 하는데, 이러한 샘을 찬정(鑽井) 또는 용천(湧泉)이라고 한다. 샘의 수온은 일정하지 않은데, 수온이 그 지역의 평균기온보다 높으면 온천(溫泉)이라고 한다. 대부분의 경우 온천은 화산이 많은 지역, 즉 지열이 높아서 지하수가 가열되기 쉬운 지역에 많다. 지하수의 수온이 그 지역의 평균기온보다 낮으면 냉천(冷泉)이라고 한다. 대부분의 지하수는 지표수에 비해 많은 광물질을 함유하지만, 간혹 다량의 광물질을 함유하는 경우에는 광천(鑛泉)이라고 한다.

지하수의 수질은 대수층의 종류, 물이 통과하는 암석의 종류, 물 통로의 온도, 지층 중에 포획되어 있는 물의 수량과 강수에 의해 공급되는 물의 수량 간의 비와 같은 요인으로 결정된다. 지하로 들어간 강수는 암석 또는 토양과 반응하므로, 지하수는 지표수에 비해 많은 용존 이온을 함유하게 된다. 그러나 순수한 석영모래로 된 퇴적층에 들어 있는 지하수의 수질은 강수의 수질과 비슷한데, 이는 석영이 매우 안정해 물에 거의 녹지 않기 때문이다. 그러나 석회암은 물과 잘 반응하기 때문에 석회암에서 나오는 지하수는 칼슘과 마그네슘을 많이 함유한 경수(硬水)인 경우가 많다. 강수량이 많은 지역은 다량의 천수가 지하수로 공급될 뿐만 아니라 통로주변의 물질이 이미 과거에 통로를 통과한 물에 의해 제거되기 때문에, 이러한 지역의 수질은 강수의 수질과 비슷한 양상을 띤다. 지하 수백m 깊이에 있는 심층지하수는 흔히 염분이 매우 높은 염수인 경우가 있다. 이러한 심층지하수의 성인은 2가 지로 해석된다. 과거에는 심층지하수가 해수의 특성과 비슷한 것으로 미루어보아 퇴적암이 바다에 쌓일 당시 퇴적층 내에 포획되었던 해수라는 의견이 지배적이었다. 그러나 심층지하수의 성분을 자세히 연구해 본 결과, 이들은 해수기원이 아니라 오랜 시간 동안 여러 암석과 반응해 점점 많은 염분을 가지게 된 것으로 규명되었다. 최근에는 지하수가 인공적으로 상당히 오염되고 있다. 지하수의 오염현상은 주로 각종 공해물질이나 농약이 지하로 침투해 일어나는데, 특히 대수층이 얕은 경우에 더 심하다. H. E. Thomas 글 | 金正贊 참조집필

한국에서는 1964, 1965년에 농업용수 개발을 목적으로 전국 지하수에 대한 본격적인 조사와 개발이 시작되었다. 1965~67년에는 개발가능지역 조사·확인과 개발대상지역의 기초조사를 실시해, 전천후 농업용수 개발계획으로 731개공을 개발하고 4,693㏊의 관개면적을 확인했다. 1968년 8월에는 지하수개발단이 창설되었고 1969년 1월에는 지하수개발공사가 발족되었으며, 1970년 2월에는 지하수개발공사와 토지개량조합연합회를 통합해 농업진흥공사가 발족되었다. 1970년대 이후부터는 농업용수에서 공업용 지하수개발로 변모되면서 많은 공업용수가 민간인 차원에서 개발되어, 1976년 이후에는 서울특별시를 비롯한 6대 도시에 지하수가 비상용수로 개발되었고 중소도시에도 생활용수로 개발되었다. 1982년에는 농업용수 10개년개발계획이 실시되어 한발우심지역과 지표수개발이 불리한 지역에 대한 수맥조사(水脈調査)에 착수했다. 1985년 현재 한국 지하수 이용량은 약 14억㎥이며 이중 10.5억㎥ 정도가 농업용수로 이용되고 3.5억㎥가 공업·생활·비상 용수로 이용되고 있는 것으로 조사되었다.