Air tanah, seperti namanya merupakan air yang terletak bawah tanah dan tersimpan di dalam bumi yg pemanfaatnya diambil melalui sumur. Air tanah merupakan bagian penting dari siklus hidrologi tanah, dan 97 persennya merupakan air tawar yang tidak terikat oleh es, atau pun salju walaupun terletak di kutub. Jumlah tersebut sangat melebihi semua air yang berada di sungai, dan danau di semua permukaan bumi.
Air tanah sangat penting untuk memasok atau menyuplai sungai, lahan basah, air irigasi, industri dan kegunaan lain. Hampir di semua negara, 80 hingga 90 oersen air segar yang tersedia berasal dari air tanah. Ketergantungan pada sumber daya air tanah akan terus tumbuh, terutama di daerah yg airnya sudah di alokasikan untuk pemenuhan kebutuhan. Karena daerah tersebut akan semakin berkembang kehidupannya sehingga kebutuhan air akan semakin banyak.
Jumlah air tanah diperkirakan tidak terbatas dan terlindung secara alami oleh tanah di atasnya. Namun demikian, secara signifikan rentan terhadap penggunaan berlebihan, penyalahgunaan dan pembuangan bahan kimia pada permukaan tanah. Penggunaan yg tepat serta perlindungan terhadap sumber daya air tanah memerlukan pemahaman tentang cara kerja sistem air tanah. Secara khusus dalam usaha perlindungan sumber daya air tanah perlu mengetahui dan mempertanyakan beberapa hal berikut :
- apa yang dimaksud dengan air tanah ?
- dari mana datangnya ?
- bagaimana proses tersebut bisa terjadi di bawah tanah
- bagaimana ia bergerak di bawah tanah ?
Untuk mengetahui jawaban dari beberapa pertanyaan di atas, berikut beberapa penjelasan mengenai air tanah.
Asal Mula Air Tanah
Air tanah merupakan air yg berada di bawah permukaan tanah pada kedalaman dimana terdapat pori-pori yang membentuk ruangan di dalam tanah atau batu terisi oleh air dan merupakan bagian dari siklus hidrologi, yg berasal dari air hujan yang jatuh dan meresap atau merembes ke dalam tanah yg akhirnya akan kembali kepermukaan melalui sungai, mata air, dana atau lautan untuk menyelesaikan siklus hidrologi.
Zona air tanah
Sumur bor pertama-tama akan melewati zona yang disebut dengan zona tak jenuh (vadose), merupakan zona awal di tanah, yang terdiri dari endapan (sedimen) atau batuan yg terisi oleh udara. Zona ini merupakan titik transit pertama sebelum air menuju ke lapisan tanah yang lebih dalam. Ketebalan zona ini tergantung pada faktor-faktor seperti iklim, elevasi (kemiringan lahan), musim, dan luas area yang terpengaruh oleh pemompaan sumur. Di daerah lembab pada musim hujan, zona tak jenuh memiliki ketebalan lapisan yg cukup tipis, dan memiliki kedalaman hanya beberapa meter dari permukaan tanah (kurang lebih sekitar 10 kaki atau lebih). Tapi di bulan kering, zona tak jenuh menebal dan lebih dalam serta berfungsi sebagai resapan untuk mengisi akuifer. Untuk daerah kering, zona tak jenuh menebal sampai kedalaman 300 meter (1000 kaki) atau lebih dari permukaan tanah.
Pengeboran selanjutnya akan mencapai zona yg disebut dengan zona jenuh, dimana semua ruangan pada tanah terisi dengan air, dan air inilah yang disebut dengan air tanah. Jika zona jenuh cukup permabel atau mampu untuk memasok air pada sumur, maka zona jenuh ini disebut dengan akuifer. Yang terpenting, akuifer bukanlah sungai, danau, atau kolam bawah tanah, melainkan suatu susunan bahan geologi yg terdidi dari ruang terbuka (ruang berpori) yg terisi dengan air yg bergerak ke bawah gradien tekanan dan dapat dimanfaatkan secara produktif untuk sumur. Bagian atas zona jenuh disebut dengan tabel air (jika akuifer maka ini adalah akuifer bebas) atau permukaan potensiometri (jika akuifer maka ini adalah akufer terbatas).
Untuk menvisualisaskan zona air, bayangkan sebuah ember yang terisi penuh dengan kerikil. Ruang pori-pori akan terbentuk diantara kerikil, jika air dituangkan di atas kerikil, air akan meresap melalui pori-pori tersebut dan mulai mengisi ruang bagian bawah dari ember. Air dalam pori-pori yg berada di bagian bawah ember mewakili air tanah; yaitu semua air yang mengisi semua ruang pori-pori yg terbentuk diantara kerikil. Jika ember dilubangi, maka air akan mengalir keluar. Berdasarkan analogi tersebut, ember berkerikil adalah akuifer; air disimpan didalamnya dan akan bergerak ke arah dan melalui lubang pembuangan– dalam kasus ini lubang pada ember.
Permeabilitas ditentukan oleh ukuran pori-pori dan sejauh mana mereka saling berhubungan yg akhirnya memudahkan air mengalir melalui material terebut. Permeabilitas bisa diartikan sebagai kemampuan suatu membran (dalam hal ini pori-pori pada tanah) untuk dilewati oleh air. Akuifer yang berkarakter sangar permeabel utamanya terdiri dari pasir dan kerikil kasar yg dapat menyediakan lebih banyak air dari pada akuifer yang kurang begitu permeabel yg biasanya terdiri dari lempung atau tanah liat. Pada contoh ini, pori-pori pada pasir dan kerikil lebih besar daripada lumpur dan tanah liat, sehingga air bisa lebih cepat bergerak melalui pasi dan kerikil. Dalam beberapa akuifer, terutama pada batuan sedimen dasar, air terdapat pada patahan (retakan) bukan terdapat pada ruang pori-pori pada sedimen. Hasil dari akuifer yg terdapat pada retakan batu kurang dapat bervariasi yaitu sekitar kuran gdari 1 liter permenit (jika sumur berada pada sedikit retakan batu). Untuk jumlah air tanah yang banyak, misalnya lebih dari 300 liter per menit maka sumur berada pada retakan batu dalam jumlah yg besar dan banyak.
Gambar 2. AKUIFER. water table (tabel air) didefinisikan sebagai bagian atas dari akuifer bebas. Air sumur yang sampai pada akuifer bebas akan tetap berada di tabel air. Beberapa sungai dan danau memotong tabel air, yang memungkinkan pertukaran langsung dengan air tanah di permukaan. Permukaan potensiometri mencerminkan tekanan air dari akuifer tertekan, dan level air pada sumur akan meningkat secara alami (yaitu melampaui ketinggian akuifer tertekan).
SUMUR. Semua sumur yg berada pada akuifer tertekan dianggap sebagai sumur artesis. Jika elecasi permukaan potensiometri di atas elevasi permukaan tanah, maka air tanah akan keluar secara alami (tanpa dipompa) dari sumur,inilah yang dikenal dengan sumur artesis.
RESAPAN / PENGISIAN ULANG. Pengisian ulang untuk akuifer bebas (unconfined aquifer) terjadi pada wilayah yg luas dari zona jenuh, tepat di atas akuifer. Pengisian ulang untuk akuifer tertekan (confined aquifer) hanya terjadi jika ada jalur (misalnya retakan) yang melalui lapisan yg mengikat, atau dimana akuifer terbuka di permukaan dan menjadi tidak terbatas. Umumnya daerah pengisian ulang untuk akuifer tertekan terpada pada elevasi / kemiringan yang lebih tinggi dari akuifer tersebut dan mungkin jaraknya bisa jauh (banyak kilometer) dari sumur.
Akuifer dan Tipe-tipe sumur
Akuifer (Aquifer) dibagi menjadi dua tipe; bebas dan tertekan Akuifer bebas berada di kedalaman yg dangkal dan zona tak jenuh (vadose) yang berada diatasnya berisi materi yg permeabel (gampang dilewati air atau air mudah meresap). Bagian atas akuifer adalah tabel air. Tabel air bergerak naik turun secara musiman. Tabel air tertinggi terjadi selama musim hujan karena pengisian ulang yg lebih tinggi dan tingkat penggunaan (pemompaan) lebih rendah (misalnya tidak dipakai untuk irigasi) dan terendah pada musim kemarau karena pengisian ulang sangat terbatas sedangkan penggunaan lebih tinggi (misalnya penggunaan untuk irigasi lebih banyak)
Akuifer tertekan (confined Aquifer) bisa dangkal bisa juga dalam, dan ditandai dengan terpisahnya air dengan permukaan yg memiliki tingkat permeabilitas rendah ( misalnya lapisan geologi) yang berada dibawahnya. Dalam akuifer tertekan, air tanah biasanya di bawah tekanan. Tekanan air tersebut bisa bervariasi secara musiman, mirip apa yg terjadi pada tabel air di akifer tidak terbatas.
Karena air tanah pada akuifer tertekan berada di bawah tekanan, akan membuat air naik sampai di atas akuifer pada sumur bor. Salah satu cara untuk memvisualisasikannya adalah menekan kantong atau plastik berisi susu atau jus yg diberi sedotan. Jika sedotan pas masuknya (tidak longgar lubang untuk masuk sedotan), air susu atau jus akan naik dan berada di atas kantong karena masuk ke sedotan bahkan air bisa keluar dari sedotan.
Inilah yang dimaksud dengan artesis. Sumur artesis merupakan salah satu tipe sumur bor yg sumber airnya berada pada akuifer tertekan. Sumur Artesis adalah salah satu sumur dimana air tanah naik sampai diatas permukaan tanpa pompa. Air di sumur artesis akan naik ke ketinggian ketika tekanan air di akuifer sesuai dengan tekanan yg dicerminkan dari tingginya air di sumur; level air yang seperti ini dikenal dengan level hidrostatik. Jika air tanah mencapai permukaan dengan tekanannya sendiri, maka sumur itulah yg dinamakan dengan sumur artesis. (lihat Gambar 2)
Pergerakan air tanah
Bisa bergerak atau tidaknya air tanah, setidaknya pergerakan air tanah dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya permeabilitas lapisan tanah, ketinggian akuifer, resapan dan masih banyak lagi.
Tabel air ( atau permukaan potensiometri dari akuifer tertekan) bukanlah permukaan yang datar; terdapat di daerah-daerah yg tinggi dan rendah seperti bukit-bukit dan lembah-lembah. Sama seperti permukaan air yg cenderung untuk mengalir menuruni bukit, air tanah juga cederung bergerak turun dari tabel air di daerah (atau daerah potensiometri) yang lebih tinggi elevasinya ke daerah tabel air di daerah yg lebih rendah elevasinya.
Biasanya, tetapi tidak secara eksklusif, semakin tinggi daerah tabel air dari akuifer bebas semakin tinggi pula permukaan tanahnya, dan semakin rendahnya posisi tabel air, maka semakin rendah pula permukaan tanahnya. Akibatnya, air tanah pada akuifer bebas cenderung mengalir menuju sungai, danau dan lahan basah. Bahkan air tanah dari akuifer tertekan cenderung mengalir menuju sungai-sungai besar.
Dua area lain yang umumnya sebagai tempat untuk keluarnya air tanah adalah mata air dan sumur. Musim semi dan musim hujan adalah waktu dimana air tanah memiliki akses kepermukaan tanah. Dalam beberapa kasus, infiltrasi air hujan dari permukaan tanah bergerak ke bawah ke arah akifer dan bertemu dengan lapisan batu atau sedimen yg relatif memilki sifat kedap air (non permeable). Air tanah yang tidak dapat melewati lapisan non permeable atau yg memiliki tingkat permeabilitas rendah, hanya bergerak di atas lapisan, sampai lapisan tersebut terbuka di permukaan tanah dan muncul sebagai mata air. Hal seperti ini dinamakan “Gravitasi Musim Semi”, dan merupakan bentuk yg paling umum dari musim semi, gravitasi merupakan kekuatan yg mendorong gerakan air. Mata air umumnya ada di sisi bukit, atau pada singkapan seperti dinding tebing atau dinding jurang. Dalam kasus lain, retakan tanah memungkinkan air tanah untuk berpindah dari akuifer ke permukaan. Air tanah dari mata air dapat keluar ke permukaan , atau langsung masuk ke sungai, danau atau laut.
Sumur juga menghubungkan antara air tanah permukaan tanah. Secara umur pompa digunakan untuk menarik air tanah sampai kepermukaan, dan kemudian air tersebut dapat dimanfaatkan.
Laju Aliran
Ketika laju aliran mengacu pada seberapa cepat air bergerak di permukaan, seorang pakar hidrologi umumnya berbicara dalam ukuran per meter, per kaki atau per detik. Air tanah bergerak jauh lebih lambat daripada air di sungai, dengan ukuran pada tingkat beberapa sentimeter (inci) per hari. Kecepatan air tanah dipengaruhi oleh permeabilitas akifer dan kemiringan tabel air (atau permukaan potensiometri). Semakin permebel akifer dan semakin curam kemiringan tabel air maka air tanah bergerak lebih cepat. Dalam lapisan yang sangat permeabel seperti kerikil atau retakan batuan, air tanah bisa bergerak 10 meter (33 kaki) per hari atau lebih.
Pengisian ulang
Pengisian ulang atau penambahan akuifer bebas, terjadi pada permukaan tanah yg berada tepat di atas akuifer. Sebaliknya, pengisian ulan akuifer tertekan bisa terjadi beberapa mil jauhnya, biasanya pada elevasi yg lebih tinggi, yang mana bahan diatas akuifer merupakan lapisan permeabel, sehingga hujan bisa meresap dan mencapai akuifer. Setelah diisi ulang, air tanah akan mengalir ke ke akifer terbatas.
Pompa dan Pemompaan yang berlebihan
Pasokan air sumur bor berasal di bawah tabel air dari akifer terbatas atau pun dari akifer tidak terbatas. Ketika sumur dipompa, maka tabel air (atau permukaan potensiometri) turun menjadi lebih rendah daripada sekitarnya. Hal ini menyebabkan air tanah begerak ke arah sumur, dan memasok air yg sedang dipompa keluar dari sumur. Selama supply air untuk pompa berada di bawah level air di dalam sumur, maka air dapat dipompa terus menerus.
Gangguan Sumur
Gangguan sumur ada ketika permukaan air (level potensiometeri) di salah satu sumur secara signifikan menurun akibat dari pemompaan sumur yg ada didekatnya. Kadang-kadang gangguan yang timbul sangat besar, karena tabel air (atau tingkat potensiometri) di sumur pertama turun dibawah supply pompa, atau bahkan di bawah dasar sumur tersebut.
Bagaimana sumur dapat mengganggu satu sama lain ?? Ketika pemopaan dimulai, tabel air sebagai akuifer yg menyuplai air ke sumur mulai turun. Penurunan level air ini disebut dengan drawdown (penarikan). Daerah penarikan berbentuk seperti tiga dimensi, seperti kerucut atau berbentuk corong dan berpusat pada sumur. Tingkat atau intensitas pemompaan dan karakteristik akuifer menentukan kedalaman kerucut dan luas area penarikan (secara horisontal).
Ilustrasi berikut mewakili tabel air sebagai puncak dari kubus yang lebih rendah. Kubus yang lebih rendah tersebut adalah akuifernya; dan sumur sebagai pipa yg membentang dari permukaan tanah (kubus bagian atas) ke akuifer di bawah tabel air.
Seberapa jauh dan seberapa luas area penarikan keucut tergantung pada karakteristik akuifer dan jumlah air yg dipompa. Gangguan sumur terjadi ketika penarikan kerucut dari satu sumur mencapai sumur yg lain sehingga menurunkan level air dari sumur tersebut. Pertimbangkan dua contoh gangguan sumur berikut pada tabel air di akuifer.
Pertama, Sumur 1 adalah sumur irigasi berkapasitas tinggi yg dibor dekat dua sumur milik pribadi yang dangkal 
(Sumur 2 dan Sumur 3). Volume pemompaan dari sumur irigasi bisa menurunkan tabel air dari level aslinya ke level yg baru yang lebih rendah, dan kedalamannya berada lebih rendah daripada dasar sumur pribadi. Dalam contoh ini, sumur 2 tidak akan mampu memompa air pada saat sumur irigasi (Sumur 1) sedang memompa. Sumur 3 masih berada pada tabel air, namun kemungkinan akan mengalami kegagalan dalam pemompaan jika pada saat yg bersamaan sumur irigasi juga memompa. Dengan kata lain, proses pemompaan pada sumur 1 (sumur irigasi) mengganggu supplai atau produksi air pada sumur 2 dan 3.
Sebagai contoh lain, misalnya suatu kota ingin meningkatkan pasokan airnya. Sumur baru (Sumur B di bawah ini pada gambar) di bor sangat dekat dengan sumur yang sangat produktif yg sudah terlebih dulu ada (Sumur A). Ketika kedua sumur memompa bersamaan, mereka saling mengganggu satu sama lain, dan pasokan air yg dihasilkan dari sumur kedua sumur menurun. Karena kondisi saling mengganggu tersebut, produksi gabungan dari kedua sumur tersebut hanya sedikit lebih besar jika dibandingkan dengan produksi dari masing-masing sumur jika tidak memompa secara bersamaan.
Pada diagarm di bawah ini, penarikan (drawdown) yang terkair dengan sumur A ditampilkan dengan garis putus-putus tebal. Jika Sumur B memompa sendiri, akan menghasilkan penarikan (drawdown) yang serupa. Perhatikan bahwa jumlah air yg tersedia untuk Sumur A (di bagian bawah kerucut pada sumur) telah secara substansial berkurang jika sumur B ditempatkan terlalu dekat dengan sumur A sehingga sumur A atau B bisa menghasilkan air yg banyak seperti pada saat memompa sendiri (tidak bareng).
Di kebanyakan negara, sudah diterapkan undang-undang yg melarang adanya gangguan sumur. Sumur tidak bisa dipakai atau dioperasikan jika terbukti secara signifikan mengurangi produksi air dari sumur yg telah ada sebelumnya. Potensi gangguan juga bisa dihitung jika pakar hidrologi mengetahui permeabilitas, ketebalan dan karakteristik penyimpanan akuifer dan pada level apa sumur bisa dipompa dengan baik.
Penambangan air tanah
Memompa air secara berlebihan dari akuifer dapat mengakibatkan penurunan permukaan air dalam skala luas. Hal ini terjadi apabila lebih banyak air yang dipompa daripada air yang pengisian air tanah oleh air hujan. Selama penyusunan akuifer dapat mengakibatkan terjadinya perubahan kualitas air tanah, penurunan ketersediaan air ( karena hilangnya pasokan air saat ini dan yang masa datang) dan adanya kemungkinan kehilangan akuifer secara permanen sebagai tempat untuk menyimpan air. Banyak negara telah menggunakan prose pengelolaan air yang tepat untuk mengelola kualitas dan kauntitas air tanah serta untuk memastikan bahwa pemompaan yang berlebihan tidak terjadi.
Pengurangan Sumberdaya Air
Ada batasan untuk seberapa banyak air yang dapat dipompa keluar dari akuifer tanpa menyebabkan menipisnya sumber daya. Jika air tanah yang sudah dipompa keluar, secara alami diisi atau diganti oleh hujan, maka jumlah air yang tersimpan di dalam akuifer akan menurun. Di beberapa daerah, pemompaan telah mengakibatkan subsisidence atau tenggelamnya permukaan tanah. Kondisi serupa mungkin juga timbul pada pemompaan untuk kebutuhan perminyakan.
Air tanah menempati volume pada akuifer dengan mengisi pori-pori ruang diantara batuan mineral. Karena air pada dasarnya tidak dapat diikat, air tetap membantu dalam berat batu dan tanah yang berada di atasnya. Ketika air dipompa keluar, ruang pori-pori bisa hancur dan juga jumlah dan volume tanah dan batu menurun. Di banyak wilayah, ruan pori-pori tersebut hilang selamanya sehingga air tidak bisa masuk kembali ke dalam akuifer.
Pengurangan sumber daya air secara signifikan akibat pemompaaan secara berlebihan telah tercatat di tempat-tempat berikut :
- daerah Houston-Galveston, Texas (1 sampai 2 meter, atau 3,3-6.6 kaki);
- New Orleans (2 meter, atau 7 kaki);
- Venezia, Italia (3 meter atau 10 kaki);
- Mexico City (lebih dari 7 meter, atau 26 kaki); dan
- di San Joaquin Valley of California (8 meter atau 26 kaki).
Tidak seperti penurunan tanah yang diakibatkan dari runtuhnya tambang bawah tanah, sinkhole (lubang) yang disebabkan oleh hancurnya batuan karbonan di bawah tanah, atau lubang buatan manusia yang rusak disebabkan kerusakan listrik dan air. Pengurangan sumber daya air sebagai hasil dari penurunan akuifer terjadi secara perlahan-lahan pada wilayah yang luas. Penduduk di wilayah tesebut bisa jadi tidak menyadarinya.