地下介质的垂向分层包含几类范畴：地质分层、水文地质分层、模型分层等。地质分层是根据地质年代、岩性等垂向特征确定界线，其最直接的获取方法是依据地质钻孔信息；在无地质孔资料的情况下，可参照区域地质图和区域地质报告。水文地质分层是指含水岩组的划分，是根据水文地质特征（水质、水温、富水性等）划分的水文地质单位，其界线往往与地层界线不吻合。模型分层是水文地质分层在模型中的数学表现，它植根于水文地质分层但又不等同。根据研究目的不同，在确定含水层水力联系与富水情况等基础上，往往会将多个含水层概化为一个含水层进行考虑，或将一个含水层剖分为多个模型层精细刻画污染物的迁移情况。
模型区在垂向上存在多个含水层时，需要考虑这些含水层在垂向上如何概化。一般应考虑如下因素：
➢ 与模拟目标有关的地下水流动涉及几个含水层；
➢ 多层结构的层间水力联系是面状越流、 “ 岩性天窗 ” 沟通, 还是两者均有的形式。既存在越流又存在弱透水层释水的地区，要将弱透水层作为单独层处理；
➢ 考虑模型区各个含水层是否存在各自独立的水位校准数据，很多情况下模型区仅有各含水层的混合水位数据，这时要根据实际情况对垂向概化做出取舍；
➢ 确定含水层垂向系统结构后，应分析地下水的补给、排泄〈包括抽水井和矿坑排水等〉形式等因素，确定地下水流动属于二维、准三维、还是三维。进一步考虑地下水的动态特征，是稳定还是非稳定的。此后方可确定地下水流动方程的类型；
➢ 许多水源地，特别是第四系孔隙水水源地，大多是多层含水层越流系统。水源地的开采井，特别是民井，大多采用混合抽水形式 开采。然而，目前的地下水开采动态预测，大多将其作为一个含水层来处理，仅计算出一个地下水降落漏斗。应当注意，两个（三个）含水层的混合开采，实际上存在着两个（三个）地下水降落漏斗。因此多层含水层系统混合开采条件下的地下水资源评价应当分层计算出各自的漏斗。
越流
在天然条件下，上、下含水层之间夹有半透水层，在水头差作用下，高水头含水层的水通过半透水层渗透而进入水头低的含水层的现象是越流。地下水系统中越流含水层的行为可用特征渗漏长度（或称“渗漏因子”）λ（m）表征：
其中：k (m/d)、b(m)分别表示渗透系数与饱和含水层平均厚度；c(d)为越流含水层阻滞系数，定义为：
式中：d(m)为越流含水层厚度；kc(m/d) 为其垂向渗透系数。
对于多个含水层系统，含水层被弱透水层隔开，每个含水层都会存在各自的λ参数。此时的λ参数与上述方程定义有所不同；例如，对于两个含水层被一个弱透水层隔开的情形，λ通过下式计算得到：
其中：T1和T2分别表示两个含水层的导水系数；c是越流含水层阻滞系数。
使用λ参数可对含水层越流现象做如下判断：
● 在双含水层系统的一个含水层中抽水通常会导致来自另一个含水层的渗漏，这种渗漏有95%发生在抽水井周边4λ的范围内；
● 在双含水层系统中，若上部含水层有溪流，则通常会导致来自下部含水层的渗漏，这些渗漏有95%发生在溪流边界的3λ范围内。因此，超过这个范围的两个含水层水头差可能将减少到<5%。从另外一个角度讲，大多数（95%）水在岸边3λ区域进入或离开河岸或湖泊，当地表水体边界之间的距离比3λ大一个数量级，则双含水层系统将表现出单含水层特征；
● 在区域面状补给条件下，总垂向补给中达到特定含水层的份额与含水层对应的导水系数成比例，即
，其中，Rm是 到达含水层m的补给量，Tm是第m含水层的导水系数。此时上下含水层的水头将会有持续稳定的差异△h，即
，其中，Cm 是越流含水层阻滞系数，Rm是通过它的补给量。第1点到第3点的结论可推广至多于两个含水层的情况，前提是在计算时需采用λ的 最大值；
● 多含水层系统中的有限差分模型剖分的单元格宽度应小于λ。在理想情况下，单元格宽度应小于0.1λ。
岩性天窗
承压含水层隔水顶板的间隔区称为“岩性天窗”。它是上下两含水层地下水的主要通道。为了较精确地确定主要“岩性天窗”过水能力的参数，在该“岩性天窗”附近的主含水层和邻含水层中最好各布置一个观测孔。通过“岩性天窗”的流量Qz为：
其中：Kz为“岩性天窗”的垂向渗透系数；Mz为“岩位天窗”垂向渗流长度；ω为“岩性天窗”的横截面积；H为含水层的水头值；Hz为邻含水层的水位值。
然而，“岩性天窗”的横截面积在勘探中难以控制，此时可以把ω、Kz、Mz合成一个综合性参数，称为“天窗”流量系数Cz，即：
此时，通过“天窗”的流量即可写为：
无明确底板时的处理
有一些地下水盆地在垂向上赋存很深，可达地下数千米，此时如果强求将模型底部边界于实际地质边界一致，则会为模型增加许多本不需要的不确定性。底部边界条件的选择应当反映已知情况和建模的目标。这时可以人为设定一个假想的含水层底板。有研究建议，作为近似，可以使用主要赢水河（地下水排泄到地表水）之间平均距离1/4到1/8作为含水层的有效厚度。