Можайское водохранилище расположено на западе Московской области в средней полосе европейской части России и входит в состав Москворецкой системы водоснабжения г. Москвы. Это небольшое равнинное долинное водохранилище, образованное в 1960 г. в результате сооружения плотины в верхнем течении долины р. Москвы у д. Марфин Брод. Оно расположено на прямолинейном участке долины в 94 км от истока р. Москвы.

Водосбор Можайского водохранилища, как и сам водоем, имеет вытянутую с северо-запада на юго-восток форму. Общая его площадь, включая площадь акватории, составляет 1360 км², наибольшая протяженность – 54 км. На севере и северо-востоке граничит с водосборами рек Рузы и Исконы, на западе – с бассейнами рек Гжать и Яуза, на юге – с водосбором реки Протва.

Климат центра европейской части России, где расположено Можайское водохранилище, умеренно-континентальный и является переходным от мягкого европейского к резко-континентальному азиатскому. Он определяется западным переносом, прерываемым вторжением арктических воздушных масс. Весной потепление обусловлено вначале динамикой воздушных масс, а затем и увеличением солнечной радиации. Летом происходит трансформация воздушных масс, и наблюдаются 3 вида погоды: умеренно теплая, прохладная (при вторжении арктического или атлантического воздуха) и жаркая (с приходом антициклонов). Осенью учащаются холодные вторжения, поступление солнечной радиации снижается.

Бассейн водохранилища на 89% дренируется реками Москва, Лусянка и Колочь. На Москве и Лусянке действуют гидрологические посты Росгидромета. В долине Колочи расположено множество памятников Отечественной войны 1812 г. и Великой Отечественной войны 1941–45 гг., поэтому при создании Можайского водохранилища она была защищена от затопления плотиной Колочского гидроузла, оснащенного насосными установками для перекачки стока Колочи в водохранилище. Все три притока имеют преимущественно снеговое питание. Их гидрологический режим характеризуется высоким весенним половодьем и низкой летней и зимней меженью. Дождевые паводки чаще всего наблюдаются осенью и на спаде весеннего половодья.

Гидрологический режим Можайского водохранилища определяется соотношением притока с водосбора и объемом сброса. Водохранилище имеет замедленный водообмен: условно можно сказать, что вода в нем полностью сменяется от 1 раза за маловодный год до 3 раз за многоводный. В течение года максимальный водообмен наблюдается в апреле (когда обновляется в среднем около 60% объема водохранилища). Таким образом, это слабопроточное водохранилище многолетнего регулирования стока.

Скорости стоковых течений не превышают 1–2 см/с. Ветровые течения непродолжительны и ограничены пределами отдельных плёсов. При средней скорости ветра 3–5 м/с их скорость обычно не превышает 10 см/с. Благодаря замедленному водообмену и относительной глубоководности периодически возникают плотностные течения.

Летом и зимой в нем наблюдается термическая стратификация: зимой вода подо льдом холоднее, чем у дна, летом – наоборот, поверхностные слои прогреты намного сильнее, чем глубинные. Разрушение зимней стратификации начинается при интенсивном подъеме уровня воды, дальнейшее повышение температуры связано с поступлением вод половодья основных притоков. До середины мая наблюдается вертикальная гомотермия при наличии продольной термической неоднородности. Во второй половине мая начинает формироваться температурная стратификации при температуре 10–12 °С у поверхности и 6–8 °С в придонном слое. С августа начинается выхолаживание водной толщи, и слой скачка постепенно опускается до дна. В начале октября при температуре поверхности около 10 °С снова формируется вертикальная гомотермия при продольной неоднородности (охлаждение воды в верховьях наступает раньше в основном из-за поступления относительно холодных вод притоков).

Вода в водохранилище гидрокарбонатного класса с минерализацией от 90 мг/л весной до 530 мг/л зимой. Содержание органических веществ в воде сравнительно невелико. Концентрация биогенных элементов имеет зимне-весенний максимум и летний минимум. Содержание общего фосфора изменяется в пределах 0,01–0,64 мг/л, минерального – 0,01–0,54 мг/л.

Содержание в воде кислорода весной составляет 75–95% насыщения от поверхности до дна. Летом в эпилимнионе до глубины 6–8 м содержание О₂ постоянно высокое (>70%) и в поверхностном слое в отдельные дни при интенсивном фотосинтезе фитопланктона превышает 200% насыщения. С момента образования гиполимниона в нём начинается быстрое уменьшение содержания кислорода вплоть до полного исчерпания. Осеннее перемешивание приводит к выравниванию содержания растворенного кислорода по глубине и повышению его концентрации до 90–95% насыщения к моменту замерзания водохранилищ. Зимой вновь образуется кислородная стратификация, содержание кислорода подо льдом уменьшается к концу зимы до 50–70%, а в придонных слоях глубоководных участков – менее 10% насыщения.

Можайское водохранилище слабоэвтрофно. В нем регулярно наблюдается цветение воды в течение 1,5–2 летних месяцев, достигающее в отдельные годы большой интенсивности, когда биомасса фитопланктона составляет более 10 мг/л. Весной ежегодно наблюдается пик биомассы мелкоклеточных диатомовых водорослей (до 2,6 мг/л), ранним летом за ним всегда следует пик зоопланктона (до 7–9 мг/л). В июле–сентябре отмечается развитие цианобактерий (в 1980–1990-х годах наблюдались вспышки цветения пирофитовых водорослей до 18–24 мг/л). Биомасса бентоса составляет в среднем 3–5 м².

Прозрачность воды весной из-за повышенной концентрации взвесей и цветения диатомовых водорослей составляет 0,5–1,3 м. После окончания цветения и осаждения взвесей она увеличивается до 3–4 м, наступает «фаза чистой воды». С массовым развитием летнего фитопланктона прозрачность воды снова снижается до минимальных значений, а осенью увеличивается вследствие его отмирания и осаждения.

С первых лет после создания на Можайском водохранилище проводятся регулярные комплексные гидрологические, гидрохимические, гидробиологические исследования. Основной метод этих исследований – съемки. Получаемые во время съемок данные позволяют выделить водные массы различного происхождения и проследить изменение гидроэкологической структуры водоема как в пространстве, так и во времени.

Съемка состоит из наблюдений на заранее назначенных станциях, равномерно размещенных на акватории водохранилища (включая приустьевые участки его притоков). Расположение станций определяют при помощи GPS-координат (ранее – по схеме водоема и береговым ориентирам).

Самая полная, учащенная сетка станций, по которой проводились лишь отдельные наиболее детальные исследования, включает 61 станцию, что составляет 1 станцию на 0,5 км² при НПУ. Из них 34 расположены над затопленным руслом р. Москвы, по 1 – над руслами р. Лусянки и р. Колочи и 2 – над руслом р. Бодни (сток этой малой реки при создании водохранилища был переброшен в бассейн р. Исконы, а прилегающий участок долины защищен от затопления водами Можайского водохранилища глухой дамбой). Остальные 23 станции находятся над затопленной поймой.

Большая часть съемок водохранилища выполняется на 19 русловых станциях, равномерно расположенных над затопленными руслами р. Москвы (18 станций) и Лусянки (1 станция). Эти станции соответствуют 19 участкам, на которые принято разделять Можайское водохранилище (в том числе при его схематизации в гидроэкологических моделях). В зависимости от решаемых задач число русловых станций сокращается. Наименее детальные экспресс-съемки водохранилища проводятся по 5 станциям, отмеченным на схеме римскими цифрами.