Sự nhận ra rằng nước ngầm có thể thay đổi giữa sự có áp và không áp khi nó chảy qua một dãy các vật liệu có tính thấm trái ngược nhau, làm cho nó dễ dàng thích ứng với khái niệm dòng chảy nước ngầm “khu vực” qua những khoảng cách lớn và có thể liên quan tới rất nhiều cho một lưu vực địa hình. Những khái niệm này đã được Chamberlin (1885), King (1899), Meinzer(1917) và Hubbert (1940) đưa ra và đã nhận ra tính có thể của các hệ thống dòng chảy nước ngầm khu vực. Tuy nhiên, sự phát triển đáng kể của những ý tưởng này phải đợi tới sự phát triển của nhứng kỹ thuật mô hình hoá dựa trên máy tính, có tính năng cao hơn vào những năm 1960 do một nhóm các nhà thuỷ văn Canada gồm có J. Tóth, P. Meyboom và R. A. Freeze. Họ đã có những đóng góp hết sức quan trọng.
Tóth (1962, 1963) đã mở rộng đáng kể công việc của Hubbert bởi việc ông đã chỉ ra rằng các dạng dòng chảy nước ngầm có thể có lời giải toán học khi bài toán có giá trị biên đối xứng. Ông đã giả sử dòng chảy theo phương thẳng đứng hai chiều trong một môi trường đẳng hướng đồng nhất được bao bên dưới bởi một đáy nằm ngang và bên trên bởi mặt nước ngầm và đây là một mô hình của địa hình. Các biên dòng chảy bên là các chỗ chia nước ngầm chính. Một hệ thống dòng chảy nước ngầm được xác định như một hệ thống trong đó hai đường dòng bất kỳ liền kề ở một điểm thì sẽ kề nhau trong toàn hệ thống, vì thế hệ thống có thể được chia cắt bất kỳ chỗ nào bởi một mặt liên tục mà qua đó dòng chảy diễn ra theo một hướng duy nhất. Tóth (1963) đã nhận ra ba loại mở rộng của hệ thống dòng chảy được minh hoạ trong Hình 5.16. Một hệ
thống địa phương, mà trải rộng qua các khoảng cách hơn vài kilômét, có một hoặc nhiều hơn những vị trí địa hình cao và thấp được đạt giữa các vùng lấy nước vào và thoát nước ra. Cuối cùng, một hệ thống khu vực, ví dụ lưu vực Hungarian, mà có thể trải rộng hơn vài trăm kilomét, là hệ thống mà vùng lấy nước vào là ở vị trí có địa hình cao và vùng thoát ra ở vị trí thấp nhất của lưu vực. Một sự xem xét hữu ích về dòng chảy nước ngầm khu vực trong các lưu vực trầm tích lớn được đưa ra bởi Tóth (1995, 1996).
Hình 5.16 Mặt cắt ngang qua một lưu vực rộng lớn với kết cấu địa chất đồng nhất thể hiện các hệ thống dòng chảy địa phương, trung gian và khu vực. (Theo sơ đồ của Tóth, 1995)
Thậm chí trong các lưu vực có vật liệu đồng nhất nằm dưới, địa hình có thể tạo ra những hệ thống dòng chảy nước ngầm phức tạp. Bên dưới những vùng bằng phẳng trải dài, được đặc trưng bởi bị làm ngập nước và sự khoáng hoá nước ngầm có nồng độ các muối, đã phát triển không phải hệ thống khu vực cũng chẳng phải hệ thống địa phương (Tóth, 1963). Tuy nhiên, các hệ thống khu vực sẽ phát triển nếu những thay đổi nhỏ địa phương được bỏ qua nhưng có độ dốc địa hình chung. Với việc tăng tính địa phương, các hệ thống địa phương sâu hơn so với hệ thống khu vực sẽ phát triển vì rằng, trong một vùng thung lũng sông rộng lớn và các vách phân chia rất dốc, các hệ thống khu vực không bị địa phương sẽ phát triển. Sự nhìn nhận này đã được mở rộng cho các hệ thống có áp bởi Kudelsky(1990). ông đã đề suất rằng các núi uốn nếp thường không phải là các vùng khu vực cho các tầng ngậm nước giếng phun sâu trong các vùng trũng lân cận, mặc dù sự loại ngoại lệ có thể xảy ra rộng rãi hơn. Các chìm lắng thuộc kỳ đệ tứ đóng vai trò như những tầng ngậm nước với các dòng chảy ra thoát xa khỏi các cấu trúc núi. Tuy nhiên, có những quan điểm được giữ rộng rãi rằng những rặng núi chính có thể đóng vai trò như vùng cung cấp nước ngầm của các hệ thống dòng chảy khu vực chính. Vì vậy dãy núi Atlas được cho rằng có vai trò như vùng nguồn cho những hệ thống nước ngầm rộng bên dưới phía nam sa mạc Sahara khoảng 1200 km về phía nam. Tương tự, tầng ngậm nước Ogallala ở phía bắc Texas được cung cấp bởi dòng nước ngầm từ dãy núi Rocky cách xa hơn 500 km. Và ở miền tây Ghats ở ấn độ (Naganna và Lingaraju, 1990) người ta cho rằng nước ngầm được
chuyển qua các đá uốn nếp ở dưới sâu qua khoảng cách khoảng vài trăm kilomet.
Hình 5.17 Các dạng dòng chảy và các vùng nạp vào và thoát ra trong trắc diện thảo nguyên. (Theo sơ đồ của Meyboom, 1963)
Meyboom (1963, 1967a) đã mô tả một mô hình dòng chảy nước ngầm tổng quát trong một môi trường thảo nguyên mà ông đã chỉ rõ “mặt cắt thảo nguyên” (Hình 5.17). Sự xác định mặt cắt này bằng việc xác định một vị trí địa hình ở trung tâm được bao quanh trên cả hai mặt bởi các vùng thoát nước tự nhiên chính. Về mặt địa lý mặt cắt đó gồm hai lớp có khả năng thấm khác nhau, lớp bên trên có khả năng thấm thấp hơn, với một dòng nước ngầm ổn định về phía vùng thoát nước. Tỉ lệ của khả năng thấm nước là dòng nước ngầm về cơ bản là đi xuống dưới qua vật liệu mịn có khả năng thấm thấp là rất nhỏ và sự thấm qua lớp nằm dưới có khả năng thấm hơn.
Vì hầu hết lưu lượng thoát ra tự nhiên xảy ra do bốc hơi, Meyboom đã khẳng định trong các kiểm tra những vùng mà trong đó thành phần cân bằng nước ngầm thì bốc hơi là quan trọng. Ông đã tập trung đặc biệt vào bốc hơi xảy ra các vòng tròn do bốc hơi, các vùng đất mặn có lượng bốc hơi của nước ngầm và bị khoáng hoá, trong các hồ và đầm lầy và mối quan hệ của chúng tới dòng chảy nước ngầm (Meyboom, 1966, 1967a, 1967b).
Công việc của Tóth và Meyboom được mở rộng và tổng quát hoá bởi Freeze và Witherspoon (1966, 1967, 1968) mà kỹ thuật mô hình hoá toán học linh hoạt hơn đã được áp dụng và lời giải số đã được thực hiện. Mô hình của họ đã xác định các dạng dòng chảy ổn định trong một lưu vực nước ngầm 3 chiều không đồng nhất, không đẳng hướng. Hình dạng mặt nước ngầm bất kỳ cho ta sự hiểu biết về các kích thước của lưu vực, hình dạng mặt nước ngầm và khả năng thấm dựa trên cơ sở hiểu biết về địa tầng học dưới mặt. Hình 5.18 thể hiện ba sơ đồ điện trường thế năng chứng minh ảnh hưởng của địa hình và địa lý đến các hệ thống dòng chảy khu vực. Lưới đường đẳng thế (Các đường nét đứt) được tạo ra từ lời giải số và các đường dòng biểu thị hướng dòng chảy. Hình dạng mặt nước ngầm được chỉ ra bởi đường liền nét tại đỉnh của mặt cắt.
Hình 5.18 Các sơ đồ trường thế năng minh họa các dạng dòng chảy khu vực, (a) môi trường đồng nhất, đẳng hướng với mặt nước ngầm gồ ghề, (b) như ở trên nhưng với một thấu kính có khả năng thấm cao và (c) một vùng địa tầng sườn dốc. (Theo các sơ đồ của R.A. Freeze và P.A. Witherspoon, Water Resources Research,