地下水作为地球表层自然系统的重要组成部分，不仅具有天然水的特征和运动规律，表现出本质固有的自然属性，包括维持植被、湖泊、湿地和土地质量良性发展的生态功能，以及作为孔隙地下水支撑松散地层稳定的地质环境功能；同时，作为一种基础资源，还与社会、经济、科技水平和人文观念紧密联系，因而又具有社会属性。地下水的自然属性与社会属性耦合，具有多层次性和统一系统性，通过多种功能的属性构成地下水可持续性的支撑基础。
（一）地下水系统
地下水系统是指赋存于岩石空隙中并不断运动着的水体，它具有赋存和维持陆表生态环境及支撑地质环境稳定的功能。
每一个地下水系统都具有一定的时空特征及其水动力系统，包括统一的水循环系统、水动力系统、水化学系统，并具有各自的特征与演变规律，通过水流传输作用进行复杂的物质和能量的转换。同时，它在一定边界条件限制下由若干具有一定独立性，而又互相联系、互相影响的子系统或更次一级不同等级的系统所组成，具有一定的连续的空间范围（流域、盆地、建造）。
（二）地下水系统多变性
地下水以系统的形式埋藏和分布于地下岩土中，它的数量和质量与气候、水文、地质条件有密切联系，具有地域性的分区特点，又具有分带性。降水作为地下水的重要补给源泉，其丰、平、枯的周期性变化直接影响地下水水位动态、数量及其功能状态。大气环流中区域水文循环不仅维持着陆地上各种水体数量上的周转平衡，而且对地下水更新性产生重要影响。若不考虑更多因素，新进入地下水系统的水与介质接触的时间愈短，水岩作用愈不够充分，地下水水质往往具有低矿化的特点；因滞留时间长，水岩作用充分，则地下水中离子种类相对较多且含量也较大。在区域或流域尺度地下水循环过程中，降水、蒸发与径流，或补给与排泄等源汇项间的这种数量关系始终处于不断变化之中。所谓的“质量守恒”是建立在封闭系统前提下的，忽略了地球深部与浅部的水量交换关系，水仅在地球表部层圈中周转循环，不断改变水的形态和分布状况。
事实上，我们今天所面对的地下水系统都是处于开放状态下，包括深层地下水系统也在遭受人类活动的强烈影响。即某一区域或系统不仅与其外界有着能量的交换，还存在物质（水量、溶质）的交换。由于外界作用的变化，如降水不均匀和气温的升降引起蒸发强度的改变等。在任一时间段内，该区域或系统获得的水量和失去的水量不可能总是相等的，系统中会有水量的积累或释放。
气候的冷暖变化，制约着水循环演化规律，包括水的相变。气候干冷（冰期），雪线下移，冰雪资源增加，雨水和陆表水资源较少，河流和湖泊萎缩，地下水补给减少；气候暖湿（间冰期），雪线退缩，冰雪资源减少，雨水和陆表水资源增加，河流和湖泊扩张，地下水补给增大，这是千年或万年尺度的水循环演化自然过程。水循环在改变水资源的数量、质量和时空上分布规律的同时，还改变与水密切相关的人类生存环境，包括湖泊、湿地等生态环境。地面径流是改造大陆地形最重要的地质动力。气候周期性变化，引起了河水流量和陆地水资源，包括地下水资源的周期性变化。从地球演变历史过程来看，随着地球的形成和发展，陆表水资源和生态环境也有其形成、发展和消亡过程的自身规律。当然，这不仅受气候变化影响，而且与地壳运动有很大关系。在不同时间尺度上都存在如下水文周期变化。降雨量的多或少、降雨时间的长或短，导致河水流量的大或小，形成丰水期或枯水期，即旱涝周期变化。地壳上升或下降造成了河床的抬高或降低，制约着河流走向，改变地下水与地表水之间补排关系。
另外，由于各地区的地形和地质条件不同，地下水类型和水量分布状况也相差较大。在平原区主要是孔隙地下水。从山前平原至滨海平原具有明显的分带性，既存在区域性由源到汇的运动，又存在低级别由源到汇的径流过程。不同级别的循环系统，都存在流线的下降区、近水平区和上升区，但是，反映地下水侧向径流的水平区的发育程度却不同。区域循环系统的水平区范围较大，流线稀疏，水流通量较小，流动缓慢。局部循环系统的水平区较小，流线密集，水流通量较大，流速快，水交替积极。无论是在区域循环系统，还是在局部循环系统，地下水总是由各自的源区向各自的汇区运移。在这个过程中，水、岩（土）的相互作用会随流程的增大和作用时间的增长，愈来愈充分，水中的含盐量逐渐增高。源区（流线下降区）往往是溶质迁移最活跃的地段，地下水矿化度较低。与此相反，汇区则是溶质聚集的场所，溶质的迁移强度可在很短的距离内急剧降低，导致水化学组分的浓集，使该区成为元素的屏蔽带。
地下水水化学类型递变顺序与地下水径流方向的同一性，既存在于局部循环系统，也存在于中间循环系统和区域循环系统之中。但是，各自所形成的水质分布格局却可以相差甚远。这是因为地下水补给来源、补给方式、径流速度、流程长度、排泄方式以及介质的成分，可溶性和水化学环境（氧化、还原环境）彼此有别所致。作为溶剂和溶质载体的地下水，总是在一定的渗流场中运动。由于不同级别流场的嵌套是许多大型地下水系统普遍的结构形式，所以，水质的空间分布也具有区域水化学场与局部水化学场嵌套的特点。