地下水系统研究的总目标主要是研究地下水系统各要素之间及与环境之间的定性或定量关系，建立地下水系统的概念模型，进而建立地下水系统的数学模型，用以进行地下水资源评价和科学管理。在实现总目标的过程中，除了传统的水文地质理论方法和技术外，还需要应用地下水系统和系统工程的思想，紧紧围绕地下水系统各要素之间及与环境之间的主要关系展开研究。主要的研究内容和研究方法有以下几个方面。
一、地下水系统环境分析
环境通常是指存在于系统外的与系统有密切联系的物质的、经济的、信息的和人际的相关因素的总称。环境的变化将通过输入使系统发生变化，系统本身活动也可通过输出引起环境发生变化。与地下水系统有密切联系的环境分为三类:自然环境、技术经济环境和社会环境。自然环境包括生态环境、地质环境、地表水系统和相邻地下水系统等。天然条件下，地下水系统一般通过自然边界(如断层边界、含水层与不透水层的接触界面、含水层上覆的透水层接触界面等)与环境处于动平衡状态。地下水系统从环境中获得降水入渗或河水渗漏等补给，而又以泉等形式排泄于地表水系统。人类开发地下水之后，地下水与系统的动态平衡被打破，带来一系列环境问题，导致地下水系统的输入和输出发生变化。技术经济环境包括技术水平、经济实力和科技发展因素。这些因素直接影响对地下水的开采，如受抽水设备和抽水费用限制，抽水井中地下水的降深不能大于一定的允许降深，地下水埋藏深的地区不宜开采等。社会环境包括政治、法律、政策、制度和经济发展规划等因素，要求地下水的开发利用要注重社会效益，如为保证下游河流一定的河流量等。
地下水系统环境分析的目的在于:①划分地下水系统的边界;②确定地下系统的输入、输出变量;③论证地下水系统与环境之间的相互关联、相互制约的关系，如果需要建立地下水系统管理模型，则需进一步确定地下水系统最优管理模型的约束条件(周仰效，1987)。
二、地下水系统结构分析
地下水系统结构分析的主要内容为地下水系统的组成要素、各要素之间的关系以及地下水系统的层次性和整体性分析。分析方法是依据水文地质调查、勘探、试验、观测所取得的资料，综合运用水力学、水化学和同位素、水温度学方法系统分析，分析的结果是建立地下水系统的概念模型，目的是为地下水系统的模型化和最优化提供可靠的水文地质模型基础。
地下水系统最基础的组成要素为渗透水流、含水层、弱透水层、隔水层和边界。这些基本要素的空间分布和组合形式及其相互间的水力联系构成最低层次的地下水系统。如潜水含水层系统、承压含水层系统和越流含水层系统。低层次的地下水系统相互配置又可组成高一层次的地下水系统，如局部地下水系统、过渡带地下水流系统和区域地下水流系统等。渗透水流与含水层之间的关系表现在地下水的运动规律和水文地质参数。如多孔介质中地下水的层流运动服从达西定律、溶质运移服从水动力弥散规律、温度变化服从热传导定律等。导水系数和贮水系数(或给水度)反映了含水层系统在水力方面的两个主要功能:传输作用和调蓄作用。边界包括侧向边界和垂向边界，它决定了地下水系统与环境相互联系的形式，也决定了地下水系统天然补给与排泄的方式。实际的地下水系统非常复杂，我们所获得的有关地下水系统的信息有限，需要对所获得的资料综合应用各种方法进行分析和判断，建立地下水系统概念模型。
三、地下水流动系统分析
水文系统分析从整体上研究区域水循环，主要由输入系统分析，区域地下水系统分析和输出系统分析3部分组成。输入系统分析主要包括降水、外区流入或本区自产的地表水、外区流入的地下径流(包括淡水及咸水)等要素分析;地下水系统分析主要包括包气带、浅层水系统、中层水系统、深层水系统以及极深层水系统之间地下水循环特征，以及水动力场、水化学场演变分析;输出系统主要包括天然排出的地表水系统和通过人工抽吸排水的地表水系统分析。
地下水流动系统分析是区域地下水系统分析中一个关键环节 。地下水流动系统理论以势场和介质场的分析为基础，将渗流场、水化学场与温度场等本来似乎互不关联的地下水各方面的表现联系在一起，纳入一个地下水空间与时间连续演变的有序结构中，形成一个统一的整体。地下水流动系统分析主要在水文地质调查、试验、观测所取得的资料的基础上，通过综合运用水力学、水化学和同位素等方法进行系统分析，研究地下水循环特征以及水动力场、水化学场、水温度场特征，查明地下水的循环模式和地下水流的运动状态。地下水流动系统分析的结果是建立地下水流动系统的概念模型和数值模型。和地下水系统结构分析的目的一样，地下水流动系统分析的最终目的也是为地下水系统的模型化和最优化提供可靠的水文地质模型基础。
四、地下水系统模型化
模型化是通过模型来表现地下水系统特征及状态性质。目前常用的地下水系统的模型有概念模型、物理模型和数学模型三大类，如表1-2-2所示。概念模型主要是对地下水系统中含水层系统的空间结构和流动系统的补排特征、边界条件进行概化，它是实行地下水系统模型化的第一步，一般以图表形式表达;物理模型是根据地下水系统的实际情况(原型)，按比例缩小而制成的模型，如以砂制模型表示含水层，以水或其他液体作为它的流体，对地下水系统进行模拟;地下水系统数学模型的建立是定量研究地下水运动规律的关键，数学模型是用一组地下水的连续方程和水流方程，从功能上模拟地下水运动，并显示地下水动态实际数量及数量的时空关系。数学模型中的基本要素是变量、参量、常量以及它们之间的关系。在上述地下水模型中，随着计算技术进步和计算机的推广应用，数学模型是应用日益广泛的一种地下水系统模型。
表1-2-2 地下水系统模型分类
(据周仰效，1987)
地下水系统模型化的过程称为系统识别。它是通过观测系统的输入-输出过程以确定系统的数学模型。根据事先对系统的了解程度，系统识别问题可分为如下两类:完全识别问题———“黑箱法”，部分识别问题———“灰箱法”。当对地下水系统的结构不了解时，不能根据物理定律建立描述地下水系统的数学模型，只能够观测到系统的输入-输出过程时，则可用“黑箱法”;从信息的角度把地下水系统对输入的响应产生输出的过程看作信息传递的过程，通过对信息的加工处理宏观地研究地下水系统的总体行为和功能。当对地下水系统的结构有足够的了解，能够根据能量和质量守恒原理推导出描述地下水系统的数学模型，但要确定模型中的一组未知参数，模型化问题变为参数识别问题，可采用部分识别问题的“灰箱法”。
五、地下水系统最优化
地下水系统的最优化是在地下水系统模型化的基础上通过建立地下水系统的管理模型来实现的。地下水系统管理模型由目标函数和约束条件两部分组成。目标函数表达了地下资源管理所要达到的目的，由决策变量的函数表示。约束条件规定了决策变量的取值范围。地下水系统管理模型的约束条件包括地下水流状态方程约束和环境约束(自然环境、技术经济和社会环境)。地下水流状态方程规定了地下水开采量(人工补给量)与地下水位(或降深)之间的关系，以保证对水位约束能对选择最优开采方案时起约束作用。地下水系统的状态方程可以是地下水均衡方程、地下水井流公式、用数值法离散偏微分方程形成的线性代数方程(嵌套法)，以及降深与开采量之间的卷积方程的离散形式(响应矩阵法)。地下水系统的最优化即是在给定的约束条件下寻求一组最优开采方案，以使目标函数达到最优值。
六、地下水系统评价
地下水系统评价包括地下水系统的资源评价和地下水系统的合理开发利用评价。地下水系统的资源评价主要在环境分析、结构分析和模型化的基础上，获得地下水系统的天然资源量、开采资源量、其时空变化以及成因，获得地下水系统的水质质量及其演化以及成因;目的是阐明地下水系统资源的来源、形成、分布、数量和质量。地下水系统的合理开发利用评价主要在地下水系统的资源评价的基础上，着重依据地下水系统的生态功能、环境功能和社会经济功能，运用系统工程方法，建立地下水系统的开发利用行为与生态、环境、社会经济之间的定量关系，确定地下水系统开发利用的目标函数和约束条件，进而进行若干开发利用方案的优化，得到最优可行的地下水系统开发利用方案。