气候变化和人类活动复合作用影响下的水资源系统表现出随机性、模糊性、灰色性、未确知性、混沌等不确定特性，探讨识别水资源系统行为特征和结构特征的各种不确定性是水文水资源学科的研究热点和前沿领域。集对分析理论从集合论的角度可以有效剖析水资源系统中如时间演变过程中前后、空间分布、研究对象之间属性方面等的关系性质和结构，可以通过同异反多元联系度模型定量表征确定一不确定系统的综合特性，改进了传统概率统计、模糊集和灰色集分别基于相关系数、隶属度和灰关联度等单一指标量化不确定关系结构的局限性，为研究水资源系统不确定性关系提供了新的思路。本文在介绍集对分析理论多元联系度模型的构建、联系数确定方法、集对势的类别与演变等基本概念及原理的基础上，选取地下水环境质量评价、地下水脆弱性分析及地下水位动态预报三个切入点，构建了集对分析理论在地下水环境不确定性研究模式，取得了如下主要成果:　　 (1)提出了地下水环境质量评价的六元联系度模型，从同一度、差异度和对立度分析了水质指标因子与分级标准的非线性关系。通过引入三角模糊数理论定量表征差异不确定系数（I），引入博弈论集结模型优化组合了水质指标因子的主客观权重，探讨了基于加权联系数表示水质综合评价等级的置信区间表示形式，较真实地反映了水体本身受污染的程度以及偏离水质分级标准的程度。SPA-TFN法应用于浅层地下水环境质量评价中改进了以往水质评价粗略的等级划分，还对处于同一等级标准的水体给出了水质优劣排序;同时给出了不同α截集下的评价等级的定量表示，α取值愈大，置信区间长度愈短，模糊性降低，精确性提高。　　 (2)完善了地下水脆弱性分析的理论与方法，改进了DRASTIC模型应用于地下水脆弱性分析中的局限性。从地下水脆弱性的内涵和特性及分析目的出发，研究了同时考虑固有脆弱性和特殊脆弱性的指标体系构建原则，提出了地下水脆弱性分析的集对分析五元联系度模型，并将模型应用于下辽河平原地下水脆弱性分析研究中。通过采用基于置信度准则的属性识别模型对各评价水文地质单元的地下水脆弱性综合等级进行了判别，评价单元与脆弱性等级标准的复杂非线性关系结构通过同异反联系度和集对势势序演变的角度予以较好地展示，取得了较为满意的评价结果。　　 (3)建立了基于最大相似度准则的地下水动态预报的集对分析模型(SPA-MSF)。在借鉴相似预测理论思想的基础上，通过时间序列一致性分析，给出了以最大联系度来定量测度地下水位历史样本之间的相似度，提出了地下水位动态预报的建模步骤和求解思路，并将五元联系度模型应用于黑河流域中游张掖盆地的山丹桥观测井的地下水埋深年内预报和地下水埋深年际预报中。预报结果表明SPA-MSF模型预测值与实测值具有较好的拟合优度，两者呈现较强的趋势性，同时模型的有效性和可靠性经后验差法检验表明预测精度较高，泛化能力较好。