Mô hình toán học tập trung miêu tả hệ thống dưới dạng toán học. Mô hình toán học là tập hợp các phương trình toán học, các mệnh đề logic thể hiện các quan hệ giữa các biến và các thông số của mô hình để mô phỏng hệ thống tự nhiên, hay nói cách khác mô hình toán học là một hệ thống biến đổi đầu vào (hình dạng, điều kiện biên, lực v.v...) thành đầu ra (tốc độ chảy, mực nước, áp suất v.v...)
Hiện nay, sự phát triển của máy tính điện tử và phương pháp tính đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của mô hình toán, cấu trúc của mô hình ngày các đa dạng, phức tạp, mô tả sát thực được hiện tượng thuỷ văn.
Mô hình toán thuỷ văn hiện nay được phân làm hai loại: Mô hình tất định và mô hình ngẫu nhiên.
a. Mô hình tất định
Mô hình tất định là mô hình không xem xét đến tính ngẫu nhiên, các biến vào ra không mang tính ngẫu nhiên, không mang một phân bố xác suất nào. Các đầu vào như nhau đi qua hệ thống sẽ cho ta cùng một sản phẩm đầu ra. VenteChow (1964) có nêu ra định nghĩa: "Nếu các cơ hội xảy ra của các biến của quá trình thuỷ văn được bỏ qua trong mô hình toán, mô hình coi như tuân theo quy luật tất định và có thể gọi là mô hình tất định".
Mặc dù các hiện tượng thuỷ văn đều ít nhiều mang tính ngẫu nhiên, nhưng có những trường hợp mức độ biến đổi ngẫu nhiên của đầu ra có thể rất nhỏ bé so với sự biến đổi gây ra bởi các nhân tố đã biết. Trong những trường hợp này, sử dụng mô hình tất định là phù hợp.
b. Mô hình ngẫu nhiên
Trong mô hình ngẫu nhiên, các kết quả đầu ra luôn mang tính ngẫu nhiên, tức là luôn tuân theo một quy luật xác suất nào đấy. Nếu tính biến đổi ngẫu nhiên của đầu ra là lớn thì kết quả đầu ra có thể rất khác biệt với giá trị đơn nhất được tính toán từ mô hình tất định. Ví dụ, ta rất khó có thể xây dựng được mô hình tất định để dự báo được dòng chảy của một hệ thống sông nào đó, vì yếu tố mưa trong ngày là yếu tố ngẫu nhiên, nhưng lại có tác động quyết định đến kết quả dự báo.
Về thực chất, các quá trình thuỷ văn là các quá trình tự nhiên bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố. Từng nhân tố lại hàm chứa của rất nhiều nhân tố khác mà con người chưa thể nào mô tả được quy luật của nó. Tiếp đó, các quá trình thuỷ văn lại là sự tổ hợp của vô vàn các mối quan hệ phức tạp, biểu hiện là một mô hình ngẫu nhiên nên được mô tả bằng mô hình ngẫu nhiên.
Với quan điểm, dòng chảy là một quá trình ngẫu nhiên nên đầu vào để xây dựng mô hình chính là các chuỗi dữ liệu của bản thân nó trong quá khứ. Vì thế, chuỗi dữ liệu phải đủ dài để bộc lộ được nhiều đặc tính của nó.