Un aquifère est un système hydrologique, hydrodynamique. Il est donc identifié par 5 ensembles de caractéristiques quantifiables :

• Un réservoir, domaine d'espace fini, caractérisé par ses conditions aux limites et ses dimensions ou configuration et par son organisation interne ou structure. Il est identifié par une (ou une combinaison de ) formation hydrogéologique.
• Des processus internes ou mécanismes hydrodynamiques, hydrochimiques et hydrobiologiques, entraînant 3 fonctions du réservoir vis-à-vis de l'eau souterraine : stockage, conduite (transfert de quantités d'eau ou d'énergie) et milieu d'échanges géochimiques.
• Une séquence du cycle de l'eau, avec des interactions avec l'environnement se traduisant par 3 comportements, hydrodynamique, hydrochimique et hydrobiologique. Elle est caractérisée par le couple impulsion/réponse exprimé par une relation ou fonction de transfert.
• La variabilité dans l'espace de ces caractéristiques.
• Des conditions de temps, toutes les mesures de caractéristiques étant rapportées à une date donnée ou a une durée moyenne. Ces dernières, basées sur des historiques, permettent les prévisions.

La configuration ou enveloppe, de l'aquifère porte sur ses dimensions et les caractéristiques de ses limites géologiques et hydrodynamiques.

La base de l'aquifère, appelé substratum, est constitué par une formation hydrogéologique imperméable; Par contre sa limite supérieure est de 3 types :

• Hydrodynamique avec fluctuations libres : aquifère à nappe libre
• Géologique imperméable : aquifère à nappe captive
• Géologique semi-perméable : aquifère à nappe semi-captive

Les puits et sondages du premier aquifère, rencontré sous la surface du sol, présentent un niveau d'eau dont l'altitude est appelé par convention, le niveau piézométrique. Souvent, ce niveau est mesuré dans des ouvrages de petit diamètre, appelés piézomètres. L'ensemble des niveaux piézométriques mesurés en différents points à une date donnée, détermine la surface piézométrique.

De même que les cotes du niveau du sol permettent de tracer la surface topographique, elle est représentée sur des cartes piézométriques par des courbes d'égal niveau piézométrique ou courbes hydroisohypses. C'est une limite hydrodynamique. Cette surface peut s'élever ou s'abaisser librement dans la formation hydrogéologique perméable, d'où la dénomination d'aquifère à nappe libre.

Dans les aquifères plus profonds, les eaux souterraines sont emprisonnées dans la formation hydrogéologique perméable, entre 2 formations imperméables fixes : le substratum à la base et le toit au sommet.

Etant donné la situation en profondeur, l'aquifère subit une pression, dirigée de haut en bas, égal au poids de la colonne de terrains de densité moyenne 2,5 (soit 2,5 bars par tranche de 10m) qui le surmonte jusqu'à la surface du sol. La pression atmosphérique étant négligeable, cette pression, dite géostatique, est équilibrée par la pression de couche ou de pore qui règne à l'intérieur de l'aquifère.

Par exemple, l'aquifère des sables albiens de Paris, dont la base du toit est à 600m de profondeur sous la capitale, la pression de couche est de 150 bars.

Lorsqu'un sondage perce le toit de l'aquifère la substitution au poids de la colonne de terrain de celui d'une colonne d'eau entraîne une chute de pression dans l'aquifère. D'où décompression du réservoir et de l'eau qui est expulsée; Son niveau se stabilise à une différence de charge entre la zone d'alimentation et l'ouvrage considéré. Ce type est l'aquifère à nappe captive.

Les eaux souterraines sont dites ascendantes. Si le niveau piézométrique se situe au dessus de la surface du sol, l'eau jaillit naturellement. C'est l'artésianisme. Donc, si le captage des aquifères profonds exige des sondages coûteux, leur exploitation s'effectue souvent à faible profondeur et parfois même sans pompage, l'artésianisme produisant un débit naturel en surface.

Comme pour les aquifères à nappe libre, l'ensemble des niveaux piézométriques permet de tracer la surface piézométrique. Mais celle-ci fictive, n'est pas matérialisée sur le terrain. Elle n'indique pas la profondeur de l'eau sous la surface du sol.

Le toit ou le substratum (ou les 2) de l'aquifère sont souvent constitués par une formation semi-perméable. Celle-ci permet, dans certaines conditions hydrodynamiques favorables (différences de charge) des échanges d'eau (ou de pression) avec l'aquifère superposé ou sous-jacent, appelé drainance. Ce phénomène implique un aquifère à nappe semi-captive.