根据模型中变量的性质，把地下水数学模型分为确定性模型和随机模型两类。模型的变量之间能用确定性的函数关系描述的数学模型称确定性模型，如描述地下水的水头变化或地下水中溶质运移和热量传输的数学模型。它们是以一个偏微分方程和一组初始条件和边界条件构成的。把地下水现象当作随机事件进行描述的数学模型称随机模型。模型中有一个或若干个变量为随机变量，这种模型只能给出各变量之间非确定的、但有一定联系的相互关系。如回归分析模型、时间序列模型等。随机模型的建立只有当积累了长时间的观测数据以后才有可能。

根据解决的问题，可把地下水数学模型分为模拟模型和优化模型两类。模拟模型只描述地下水现象的物理过程，通常用于预报。如地下水的水头模型、水质模型和水温模型等，常用来预测地下水的水头分布、溶质传移和热量传输。优化模型除了考虑物理过程以外，还要考虑社会的、经济的、法律的各种非物理因素，寻求最佳方案，为决策提供依据。如地下水管理模型。