Водохранилища бывают с однолетним и многолетним регулированием уровня воды.
Первичное заполнение водохранилища и его последующее ежегодное пополнение до нормального горизонта происходят в основном весной, однако не каждое водохранилище может быть наполнено до проектного горизонта в один, даже многоводный год. Такие водохранилища наполняются в течение нескольких лет (до 8—10 лет).
В водохранилищах с постоянным уровнем воды паводковые воды пропускаются транзитом через водослив плотины. В районе водохранилищ паводки проходят при значительно меньших скоростях, особенно в средней и приплотинной частях.
Нормальный подпорный уровень (НПУ) воды около плотины значительно выше естественных паводковых уровней воды в реке данного участка. По мере удаления от плотины превышение уровня воды уменьшается. Выклинивание подпорного уровня водохранилища происходит на всех притоках зарегулированного участка реки, причем на каждом притоке на различном расстоянии от основной реки. Дальность выклинивания определяется величиной уклона продольного профиля, площадью поперечного сечения и дебитом каждого притока.
Как правило, водохранилища имеют весьма сложную разветвленную конфигурацию, зависящую от рельефа речных долин, попадающих в зону затопления. Нередко встречаются водохранилища, плесы которых изобилуют множеством островов, полуостровов, кос, заливов, балок, грив, прирусловых возвышений (Иваньковское, Цимлянское, Куйбышевское).
По режиму сработки уровня воды в годовом размере различают водохранилища:
- с относительно постоянным уровнем воды в течение года, когда ГЭС работает на транзитном стоке многоводных рек или дебита выше расположенных гидроэлектростанций (например, Горьковское, Саратовское, Волгоградское и др.);
- со срабатываемым уровнем воды в зимний период, когда ГЭС работают летом на транзитном стоке, а зимой — частично и за счет аккумулированного стока (например, Куйбышевское, Камское, Иваньковское, Угличское, Боткинское, Бухтарминское и др.);
- с постоянно понижающимся уровнем воды после наполнения в весеннее половодье (к этой группе относятся все горные и часть среднеазиатских водохранилищ).
При указанных режимах не учитывается повышение уровня при прохождении паводковых вод или возникающие изменения в уровнях воды под действием сгонно-нагонных ветров.
Как правило, наибольшая сработка уровня воды осуществляется в предпаводковый период в целях подготовки свободного объема водохранилища для принятия весеннего стока вод. Наибольший расход воды для турбин ГЭС приходится на осенне-зимний период.
Для орошения земель сработка уровня воды начинается с весны и продолжается все лето до окончания полива полей.
При наполнении водохранилища в расширенных местах поймы течение, образующееся от стока воды через плотину, практически неощутимо. Летом в этих районах течение наблюдается главным образом под действием ветра. Заметные скорости течений наблюдаются в суженных местах и в районе выклинивания подпора. Скорости увеличиваются по мере сработки уровня воды и достигают максимума в предпаводковый и паводковый периоды. В эти периоды по руслам рек отмечаются скорости 1 м/с и более.
Основной сток воды даже при наполненном водохранилище происходит по руслам затопленных рек, в меньшей степени — с поймы. У берегов течение воды почти отсутствует, если не считать течений от сгонно-нагонных явлений. Такое неравномерное распределение скоростей течения создает неравномерность водообмена по отдельным участкам.
Водообмен — величина, важная для оценки рыбохозяйственного значения водохранилищ, — варьирует в различных его частях от 1 до 50 раз в год.
По мере сработки уровня воды на водохранилищах как летом, так и зимой происходит осушение прибрежных площадей. На небольших водохранилищах осушение бывает так велико, что под водой остается одно русло реки. На крупных водохранилищах осушение при сработке уровня воды происходит в меньших размерах. Осушаются в первую очередь мелководные (прибрежные) участки и мелководные возвышенности на пойме, образующие при этом острова. В это время затопленные реки в верховье и средних частях входят в свои русла. Зимой при сработке уровня воды лед оседает пластами на осушенное дно, местами взламывается на пнях. Иногда лед придавливает в изолированных углублениях дна большое количество рыбы, которая погибает под тяжестью. Зимняя сработка тем опаснее для рыбы, чем больше осушается площадь мелководья, при этом увеличивается концентрация рыбы на этих участках и наблюдаются заморы.
Водохранилище сочетает элементы реки и озера. Сходство с реками состоит в наличии в предпаводковый и паводковый периоды повышенных скоростей течения, большой протяженности, составляющей 600 км и более (например, Волгоградское водохранилище и др.); сходен также рельеф дна в верховьях. Сходство с озерами состоит в том, что те и другие имеют большие площади, достигающие 500—600 тыс. га (например, Куйбышевское, Братское водохранилища и др.), большую ширину, составляющую 56 км (например, Рыбинское водохранилище), большие глубины, достигающие 200—300 м (например, Нурекское, Саяно-Шушенское водохранилища и др.).
Для водохранилищ характерны значительные колебания уровня воды, засоренность и неровность дна. Неровность дна обусловливается затоплением русел рек и их притоков, пойменных озер и стариц, склонов террас, холмов, грив, дорожных насыпей, канав. Затопляемые площади имеют несведенные массивы леса, мелколесья, кустарников или участки пней, а также захламленные площади бывших населенных пунктов и предприятий.
Площадь, покрытая лесонасаждениями, нередко составляет 60—80% общей площади водохранилища. Такой засоренности и изрезанности ложа не наблюдается на озерах.
Волновой, ветровой и ледовый режимы водохранилищ близки к режимам озер.
С созданием водохранилищ большой площади изменяются микроклимат, направление ветров. Продолжительность слабых умеренных ветров уменьшается, а сильных — возрастает. Меняется и температурный режим воздуха. Преобладают ветры, дующие в направлении наибольшего протяжения водохранилища. Сокращается продолжительность навигации. Очищение от льда задерживается на 10—15 сут, а ледостав начинается на 6—10 сут раньше по сравнению с рекой.
Замерзание водохранилищ происходит вначале у берегов, в заливах и на мелких местах, а затем ледостав распространяется на всю площадь водохранилища. Иногда фарватер долгое время остается незамерзшим. Ветром отрываются льдины и дрейфуют по водохранилищу, образуя торосы высотой до 3 м.
Таяние льда начинается с верховьев и по отрогам. Если господствующие ветры дуют к плотине, то в низовой части у плотины скапливается много льда.
Большинство водохранилищ имеет значительную изрезанность береговой линии, что в сочетании с благоприятным гидрологическим режимом обеспечивает необходимые условия для нереста рыб и нагула ее молоди, развития кормовых организмов и таким образом способствует повышению общей рыбопродуктивности водохранилища.
Как правило, наибольшая прозрачность отмечается в глубоководных участках водохранилищ. С приближением к берегам, мелководьям, устьям рек и ручьев она уменьшается. Режим водных взвесей, от которых зависит прозрачность воды, связан с динамикой вод и главным образом с интенсивностью водообмена.