含水层是能够储存和传输足量地下水、以供水井或泉水取用的地质层、地质层的一部分或一组地质层。它由饱和的岩石或沉积物构成，水沿相互连通的孔隙、裂隙或溶蚀通道流动。因此，含水层既是储水介质，也是地下水流动的通道，并不一定是地下湖泊或河流。它的利用价值取决于水进入、流经以及从这些物质中被抽取的难易程度。(usgs.gov)
地质材料与孔隙结构
含水层既存在于砂、砾石等松散沉积物中，也存在于砂岩、石灰岩和裂隙发育的结晶岩等固结岩石中。其性质取决于组成材料的地质学特征，以及沉积、胶结、破裂和溶蚀的历史。松散沉积物通常在颗粒之间储水；原本致密的岩石则可能主要通过裂隙导水。(usgs.gov)
孔隙率是材料中空隙体积占总体积的比例。渗透率描述材料通过相互连通的空隙传输流体的能力。这两种性质相互关联，但不能混为一谈：一种材料即使具有较大的孔隙空间，也可能导水能力很差。例如，黏土可以储存相当多的水，但由于孔隙细小、水流受限，释水速度很慢。(pubs.usgs.gov)
在岩溶含水层中，可溶性岩石的溶蚀会使裂隙扩大并形成管道。这些通道可使地下水快速流动，并使污染物迁移至很远的地方。岩溶含水层不一定要有大规模洞穴：英格兰的白垩岩含水层虽然洞穴发育相对有限，但其中较小的溶蚀孔隙构成了网络，影响着水流。(bgs.ac.uk)
承压含水层、潜水含水层与悬置含水层
潜水含水层以地下水位面为上边界。在这一界面上，水压等于大气压；其上方是同时含有空气和水的非饱和带。地下水位会随着补给、排泄和抽水的变化而升降。(usgs.gov)
承压含水层位于透水性较差的隔水层之下。其中的水承受压强，因此进入水井后，水位可以上升到含水层顶部以上。水位上升所达到的高程代表该含水层的测压水位面。只有当这一水位面高于井口出水位置时，自流井才会在不抽水的情况下自行出水；仅有承压条件并不能保证水会流出地面。(usgs.gov)
限制地下水运动的低渗透性地层称为弱透水层。这类地层不一定完全不透水，含水层之间仍可通过它发生渗漏。上层滞水位于主要地下水体之上，通常赋存于局部分布的低渗透性岩层上方，其与区域地下水位之间有一段非饱和带相隔。(pubs.usgs.gov)
地下水流动与储存
地下水从水头较高处流向较低处；水头是综合反映高程和压强的量。因此，地下水并非只是沿地表下坡方向流动。在适当条件下，其流动可用达西定律描述：
[ Q=-KA\frac{dh}{dl}, ]
其中，(Q) 为体积流量，(K) 为水力传导系数，(A) 为过水断面面积，(dh/dl) 为水头梯度。负号表示水流朝水头降低的方向运动。(pubs.usgs.gov)
水力传导系数既取决于多孔介质，也取决于流体性质，包括黏度。导水系数描述含水层整个饱和厚度的导水能力；对于均匀地层，它等于水力传导系数与饱和厚度的乘积。储水性质则描述水头下降时能够释放多少水。潜水含水层主要通过孔隙排水来释放水，而承压含水层最初主要通过含水层骨架的压缩和水的膨胀来释放水。(pubs.usgs.gov)
补给与排泄
含水层通过地下水补给和排泄参与水循环。天然补给包括穿过非饱和带下渗的降水，以及从溪流、湖泊或其他地表水体渗出的水。排泄途径包括泉水出露、向溪流渗流、地下水埋藏较浅处的蒸发和植物吸收，以及水井取水。(pubs.usgs.gov)
含水层与河流之间的水交换可以朝任一方向进行，具体取决于两者水头的相对高低。在两次降雨之间，地下水排泄可以维持河流流量，而失水河流则可补给含水层。抽水可能截取原本会流入河流的地下水，也可能诱使更多河水进入含水层。与地下水相连的湿地也可能受到地下水位变化的影响。(usgs.gov)
水质与耗竭
含水层中的水不一定是淡水，也不一定未受污染。其成分取决于补给水的水质、岩石和沉积物中的矿物、地球化学条件以及水的停留时间。农业活动可将来自肥料和农药的溶解性成分带入地下水，而天然的水岩反应也会影响污染物浓度。岩溶中的快速流动通道能使污染物迅速穿过含水层，从而增加其受污染的风险。(water.usgs.gov)
当取水导致地下水储量随时间减少时，就会发生地下水耗竭。抽出的水由储量减少、补给增加和天然排泄减少这几种来源共同提供，而不只是来自含水层原有的补给量。其后果可能包括水井出水量下降、抽水成本增加、地表水流量减少以及地面沉降。细粒地层的压密可能永久降低储水能力。(pubs.usgs.gov)
在沿海含水层中，淡水水头降低可能导致咸水入侵，包括咸水向内陆迁移，或向抽水井方向上升。淡水与咸水的边界通常是一个混合带，而不是截然分明的分界面。(usgs.gov)
调查与人工管理补给
含水层调查综合运用地质资料、水位观测、实验室测量和水力试验，以查明地下条件。岩芯样品提供孔隙结构和渗透率方面的信息，地下水记录则反映随时间发生的变化。(bgs.ac.uk)
人工管理含水层补给通过入渗或注入的方式，有计划地向地下补水以供储存。其效果取决于含水层结构和水的化学性质：补入的水可能改变地球化学条件，使砷等天然存在的组分活化并迁移。因此，评估既要考察地下水量的变化，也要考察水质的变化。(pubs.usgs.gov)