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自第四纪以来，衡水地区一直处于下降的过程中，由于各地相对沉降幅度不同，故由同一地质历史时期中各处堆积物厚度相差较大。这些巨厚的松散堆积物是由多种成因类型相互叠置构成的。这些堆积物的来源、岩性厚度、分布等主要受河流水系所控制，每个河系都有它自己的相应沉积范围，在河流摆动和相互侵蚀吸夺的作用下，形成了本区多层叠加具有承压水性质的复杂水文地质结构。同时本区还分布有埋深不一，厚度不等与浅、深层淡水体呈渐变关系的咸水层。本区第四系含水层除具有承压性质的深层淡水外，还有沿河道呈条带状或零星分布的潜水或微承压的浅层淡水。区内浅层淡水含水层主要有粉细砂组成，以本区东部枣强、景县、故城、阜城四县最为发育，矿化度一般为1～2g/L。涌水量随淡水含水层厚度加大而增加，一般为10～30m 3 /h。接受大气降水补给。
区内深层淡水，受区域性分布相对稳定隔水层的影响，其含水层的承压水头值随深度的增加而加大，并具有缓慢递增的特点，近年来由于大量开采深层淡水，原来高出地面的水头，现已逐年下降，水位埋深已达地面下40～80m，改变了局部水流方向。深层淡水在天然条件下主要靠来自于西部或西南部的侧向径流补给，目前由于深层水水头的降低，浅层水的越流补给已成为深层水的主要补给源。深层地下水矿化度均小于2g/L，水化学类型大多垂直分带不显著，但具有比较典型的水平分异。从西部边界到区内中部，水化学类型在平面上依次是重碳酸盐水—硫酸盐水—氯化物水；而从东部边界到区内中部也有上述水平分异的规律。因此可以看出中部是一个水循环交替作用迟缓的部位，因而出现了以氯化物为主的地下水。
前已阐述，本区除安平、饶阳北部地区是全淡水外其他地区普遍有一层矿化度大于2g/L的咸水层，从西北向东南咸水层埋藏越来越深，厚度愈来愈大，底界面由西向东呈一波状起伏的倾斜面，咸水层内矿化度大于10g/L的情况不多，但在衡水地区中部局部地段咸水层的矿化度最高的已超过海水的含盐量，达30g/L以上。咸水的矿化度与上、下层淡水体的关系不是突变，而是由咸水向淡水逐渐减小的关系。
本区含水层组的渗透性和富水性主要受地层沉积时的地形地貌、物质来源以及水流方向等因素控制。区内从西北部到中部，再到东部，地层沉积物颗粒由粗到细，再到较粗渐变，因此区内富水性的变化也从属于上述规律。西北部含水层的物质来源主要由滹沱河的搬运沉积，搬运距离较近，再加上地处冀中坳陷，地壳的连续高速下降，保持着较大的地形坡度，物质发生大量堆积，沉积物颗粒粗，砂层发育连续性好，且厚度大，含砂比高，含水层富水性强。中部由于物质搬运距离较远，且地处沧县隆起区，下降速度较小，加之物质搬运途径中还经过了不同构造单元，因此砂层不但颗粒较西部细，而且发育程度不均匀，连续性也比较差，含水层富水性比较弱。东部边缘，地处黄济坳陷，由于下降速度增大，砂层岩性和厚度均较中部稍偏好，含水层富水性也比中部好。从不同深度的富水性上看也有显著的差异。中上部含水层出水量一般来说要比下部含水层的水量大，这种涌水量在垂向上由小到大，又由大到小的变化，与所处的水文地质结构、砂层富集程度、压密程度、风化程度等因素有关。