Водохранилища следует рассматривать как природно-технические системы, комплексы, которые состоят из природной и технической подсистем, диалектически взаимодействующих между собой. Учет этого взаимодействия может существенно увеличить возможности рационального и комплексного использования водохранилищ, а игнорирование — привести к значительным потерям. Управляя технической подсистемой водохранилищ, человек может вызвать развитие таких процессов, явлений и эффектов в природной подсистеме, которые он пока не в состоянии предотвратить либо их преодоление требует значительных затрат трудовых и материальных ресурсов. Поэтому управляемыми объектами водохранилища можно считать лишь частично.
Непосредственно и полностью человек управляет только запасами воды, а экосистемой и геосистемой водохранилища — частично и косвенно.
При создании водохранилищ происходят многообразные изменения природных и хозяйственных условий на территориях, как непосредственно прилегающих к новому водоему, так и на удаленных от него вниз по течению реки. Масштабы, глубина и направленность этих изменений определяются размерами нового водоема (площадь, объем водной массы, длина, ширина) и своеобразием природных условий района, которые могут ослаблять или, наоборот, усиливать влияние водохранилища. Когда говорят, что водохранилищам присуща особая система внутриводоемных процессов, имеют в виду, что свойственные им гидрологические, гидрофизико-химические и гидробиологические процессы не идентичны тем, которые наблюдаются в других водных объектах — озерах, реках и каналах. Ведущими факторами, определяющими специфику взаимосвязанных и взаимообусловленных внутриводоемных процессов в водохранилищах, служат водообмен и уровенный режим водоема. Один из показателей водообмена — период, в течение которого происходит полная смена водной массы: для водохранилищ разного типа он может составлять от нескольких суток до нескольких лет.
Амплитуда колебаний уровня воды в разных водохранилищах изменяется также в широких пределах — от нескольких десятков сантиметров для равнинных водохранилищ до многих десятков и даже более 100 м для горных водохранилищ.
Именно эти факторы и отличают условия развития внутриводоемных процессов в водохранилищах от тех, которые характерны для озер и рек. Проявляется это в том, что в водохранилищах создаются активные гидродинамические зоны транзитного стока, т. е. направленного движения воды к плотине, и образуются зоны водоворотных циркуляции, когда частицы воды перемещаются по очень сложным замкнутым траекториям. Наличие такой сложной гидродинамической структуры определяет многие важные для водоемов особенности: формирование и движение водных масс; термический, газовый и биогенный режимы; перемещение и осаждение минеральных и органических взвесей; процессы самоочищения воды и, наконец, жизненно важные условия обитания бактерий, организмов, живущих в толще воды (планктон), донных организмов (бентос), водной растительности, рыб.
Процессы трансформации вещества и энергии в водохранилищах имеют иные, чем в озерах и реках, масштабы, направленность, интенсивность и длительность. Это выражается в показателях качества воды, в структуре и продуктивности водных экосистем. В целом водохранилища можно рассматривать как своеобразные огромные преобразователи и аккумуляторы вещества и энергии, но только не автономные, как, например, озера. Рекам же в отличие от водоемов с замедленным водообменом, наоборот, свойствен поточный механизм преобразования вещества и энергии.
Этот накопительный эффект водохранилищ имеет как положительное (осветление воды, снижение ее цветности, уменьшение содержания вредных бактерий), так и отрицательное значение (уменьшение самоочищающей способности воды, образование застойных зон, большее, чем в реках, прогревание воды, особенно на мелководьях, и как следствие — евтрофирование новых водоемов). Характерные примеры евтрофирования водохранилищ: избыточное развитие синезеленых водорослей (цветение воды), чрезмерное продуцирование биомассы водной растительности (заболачивание акватории). Иначе говоря, для многих гидробионтов в водохранилищах создаются не самые лучшие условия; они к тому же усугубляются недостаточно благоприятным уровенным режимом. Это в итоге существенно отражается на количестве и качестве хозяйственно наиболее ценной для человека рыбной продукции.
Возрастающее экономическое значение водохранилищ, особенно крупных, выражается в формировании водохозяйственных комплексов. Водохранилища оказываются вовлеченными в систему связей и отношений не только собственно водохозяйственных, но и социально-экономических. Даже когда водохранилище создается в интересах только одной отрасли, со временем и другие отрасли хозяйства оказываются заинтересованными в его использовании.
Водохранилища посредством гидравлических и водохозяйственных связей неизбежно оказываются также включенными в сложную разветвленную систему природно-хозяйственных отношений сначала в пределах участка реки, затем в пределах речного бассейна; в дальнейшем с развитием межбассейновых перебросок поверхностного стока ключевая роль водохранилищ распространится на еще большие регионы.
Влияние современных водохозяйственных суперсистем и систем прослеживается во многих социально-экономических сферах государств и простирается далеко за пределы районов самих водохранилищ как базовых элементов этих систем. Один из ярких примеров — водохозяйственная суперсистема бассейна Волги, насчитывающая 14 крупных и небольших водохранилищ, режим использования которых ощущается на всей протяжении великой русской реки. Вели кой также и потому, что на территории волжского бассейна проживает почти каждый четвертый житель страны и производится четверть всей промышленной и сельскохозяйственной продукции. Аналогичные водохозяйственные суперсистемы на базе водохранилищ сформировались на Днепре, Сырдарье, Амудары Ангаре, а также на Колумбии, Теннесср Паране и многих других крупных река планеты.
Эта динамичность обусловлена тремя факторами: 1) изменчивостью гидрометеорологических процессов, определяющих гидрологический режим водоем 2) стремительным изменением воздействия хозяйства на природную среду, в том числе и на водоемы; 3) изменениями по разным причинам режима эксплуатации водохранилищ. Совокупное воздействие указанных факторов приводит к тому, что водохранилища крайне редко можно считать стационарными объектами, эволюцию которых легко и однозначно определить на основе прошлой предыстории. Поэтому если и говорится о каком-либо равновесном состоянии водохранилищ, то всегда подразумевается динамическое равновесие их как природно-хозяйственных объектов, которое может резко нарушиться при изменении любого из указанных выше факторов. Динамичность водохранилищ проявляется во всех их характеристиках, но, пожалуй, наиболее ярко — в процессах формирования берегов, изменении качества воды, структуры и продуктивности водных и наземных (в береговой зоне) экосистем. В специальной литературе иногда даже употребляется термин «эволюция водохранилищ», однако если эволюция озер продолжается в течение многих сотен и тысяч лет, то в водохранилищах существенные изменения основных процессов и явлений происходят по крайней мере на порядок быстрее. Если в озерах изменения носят постепенный и направленный («правильный») характер, то водохранилища развиваются циклически и скачкообразно в соответствии с соотношением изменений ведущих факторов.
Главная цель создания водохранилищ — регулирование стока. Оно делается в основном в интересах энергетики, ирригации, водного транспорта, водоснабжения и в целях борьбы с наводнениями.
Для этого в водохранилищах аккумулируется сток в одни периоды года и отдается накопленная вода в другие периоды.
Период аккумуляции стока называется наполнением водохранилища, а процесс отдачи накопленной воды — сработкой водохранилища. Как наполнение водохранилища, так и его сработка производятся всегда до более или менее определенных уровней. Высший проектный уровень водохранилища (верхнего бьефа плотины), который подпорные сооружения могут поддерживать в нормальных эксплуатационных условиях в течение длительного времени, называется нормальным подпорным уровнем (НПУ).
На нормальный подпорный уровень рассчитываются как сооружения инженерной защиты, так и все промышленные, транспортные, коммунальные и другие сооружения, располагающиеся на берегах водохранилища. Минимальный уровень водохранилища, до которого возможна его сработка в условиях нормальной эксплуатации, называется уровнем мертвого объема (УМО). Объем воды, заключенный между НПУ и УМО, называется полезным, так как именно этим объемом воды и можно распоряжаться в различных хозяйственных и других целях. Объем же воды, находящейся ниже УМО, называется мертвым, так как использование его в нормальных условиях эксплуатации не предусматривается.
Пропускная способность гидроузла (его турбин, водосливных пролетов, донных отверстий, шлюзов) по экономическим и реже техническим соображениям ограниченна. Поэтому когда по водохранилищу идет расход очень редкой повторяемости (раз в сто, тысячу, а то и десять тысяч лет), гидроузел не в состоянии пропустить всю массу воды, идущую по реке. В этих случаях уровни воды на всем водохранилище и у плотины повышаются, увеличивая его объем иногда на значительную величину; одновременно увеличивается пропускная способность гидроузла.
Термический режим рек определяется балансом тепла, поступающего в основном от солнечной радиации.