Водные ресурсы Тамбовской области представлены реками, озерами, прудами, водохранилищами и подземными водами. В области протекает 193 реки длиною более 10 км. Вода — один из важнейших компонентов ландшафта. Она оказывает влияние на все стороны жизни природы и человека, входит в состав всех органических веществ, регулирует процессы обмена, температуру человеческого тела.

Из поверхностных вод наибольшее значение для Тамбова имели и имеют реки. Все реки, которые протекали и протекают ныне по территории города, принадлежат к бассейну Волги.

Поверхностные воды относятся к бассейнам Волги и Дона. В бассейн Волги входит р. Цна с притоками Челновая, Лесной Тамбов, Липовица, Керша, Кашма и др. В бассейн Дона — реки Ворона, Воронеж, Савала и Битюг. Средний многолетний сток рек области составляет 3,74 куб. км воды в год. Величина полного стока уменьшается от 120—130 мм в год на севере до 80 мм — на юге. Режим рек характеризуется высоким весенним половодьем, зимней и летней меженью. Средний весенний сток составляет 2,67 куб. км (72%), степень использования его определяет уровень хозяйственной освоенности водных ресурсов. Средний меженный сток равен 0,73 куб. км (летне-осенний — 0,46 куб. км, зимний — 0,27 куб. км). Летне-осенний сток колеблется от 20 мм на северо-западе до 10 мм на юго-востоке, зимний— от 8 мм на севере до 5—6 мм — на юге (А. Г. Курдов, 1975). В летнее и зимнее время реки питаются почти исключительно подземными водами.

На величину стока и его распределение оказывают влияние географические факторы — климат, геологическое строение, растительность, а также и хозяйственная деятельность человека. В маловодные засушливые годы объем речного стока уменьшается на 60—70 процентов от среднего многолетнего (1933—1939), в многоводные увеличивается до 170—200 процентов по сравнению с многолетней нормой (1932, 1942, 1953; К.В. Долгополов, Е.Ф. Федорова, 1973). Существенную роль на колебание стока оказывает характер подстилающей поверхности, способы обработки почвы. Так, в лесах поверхностный весенний сток с одного гектара составляет 60— 80 л в мин., в лесных полосах — 100—150 л в мин., с зяби 300—400 л в мин., со стерни зерновых культур — 700—800 л в мин., с посева многолетних трав 650 л в мин. До XVII века (времени интенсивной распашки территории и сведения лесов) поверхностный сток был сравнительно мал, половодья на реках не были высокими. В результате вырубки лесов, распахивания территории к началу 50-х годов XX века речной сток увеличился в три раза, поверхностный — в шесть, раз (А.М. Грин, 1965). Уменьшилось продуктивное испарение, возросла величина половодья. В результате повышения культуры земледелия, мелиорации (внедрения агротехнических, лесо- и гидротехнических мероприятий, строительства прудов и водохранилищ) к 2000 г. предполагается уменьшение речного стока в 1,5 раза за счет сокращения поверхностного стока (А. М. Грин, 1965). До 50 процентов весеннего стока будет задерживаться в водохранилищах и использоваться для водоснабжения и орошения.

В питании рек, озер, прудов и водохранилищ большая роль принадлежит подземным водам. На территории области наблюдается от трех до пяти подземных водоносных горизонтов. Они располагаются на глубинах от 4—5 до 600—800 м. Подземные воды подразделяются на две группы: воды напорные и безнапорные. Девонские, каменноугольные и юрские отложения вмещают напорные воды. Воды меловых и третичных отложений, в зависимости от условий залегания, в одних районах являются напорными, в других — безнапорными. Воды четвертичных отложений относятся к грунтовым, преимущественно безнапорным. Верхние горизонты четвертичных отложений, особенно в морене, в супесчаных суглинках характеризуются малой мощностью и небольшими запасами воды. Они содержат соли железа, кальция, натрия, используются при помощи колодцев и скважин для бытовых нужд. Воды в отложениях девона, юры и мела являются главными источниками водоснабжения городов, промышленных предприятий, совхозов и колхозов. Эксплуатируются они буровыми скважинами и шахтными колодцами. Подземные воды относятся к типу холодных с температурой + 8, +10°, содержат мало солей, пресны. Но встречаются (в Пичаевском, Кирсановском, Токаревском и Жердевском районах) участки жестких вод с повышенной карбонатностью, имеющих солоноватый вкус.

В отложениях среднего девона обнаружены минеральные воды. Они относятся к типу хлориднонатриевых с довольно высокой минерализацией — от 20 до 102 г на литр. В них содержится биологически активный бром. Скважины, дающие минеральную воду, пробурены в Мичуринском, Моршанском, Инжавинском, Мучкапском, Токаревском и других районах.

В связи с ростом промышленности, переходом сельского хозяйства на промышленную основу остро встала проблема охраны рек, озер, водохранилищ, подземных вод от истощения и загрязнения. В решении данной проблемы важным звеном является, выявление, учет и организация водных памятников природы и примечательных водных урочищ. Безусловно, не все водные объекты, подлежащие охране, являются памятниками природы. Но среди них имеются редкие и уникальные урочища — участки рек, речки, озера, водохранилища, а также одиночные объекты — родники, ключи, которые являются эталонами; они характеризуются оригинальным гидрофизическим и гидрохимическим режимом, имеют большое научное, культурно-эстетическое и рекреационное (для отдыха) значение.

При выявлении, учете и организации охраны водных памятников специалисты руководствовались постановлениями Совета Министров СССР от 11 июля 1976 г. «О порядке частичного или полного запрещения использования водных объектов, имеющих особое государственное значение, либо особую научную или культурную ценность». В основу выделения памятников были положены особенности режима отдельных объектов — ключей, родников, источников, рек, озер и водохранилищ (питание, гидрофизический и гидрохимический режим), их научная и культурно-эстетическая ценность.

Режим рек, особенно их гидрохимические особенности, зависит от участия основных водоносных горизонтов в их меженном питании. По этим признакам на территории области выделяются три района (А. Г. Курдов, 1970).

Первый занимает нижнее течение р. Иловай у лесных поселков Верхняя и Нижняя Мельница. В питании реки принимают участие ключи, родники из отложений верхнего девона и флювиогляциальных (флювиогляциальные отложения образуютя талыми ледниковыми водами) песков.

Второй район находится в центральной и западной частях области: бассейны верхнего и среднего течения рек Цны, Матыры, Польного и Лесного Воронежа, Битюга, Савалы. Реки здесь питаются водоносными горизонтами, связанными с песками неогена, флювиогляциальными и аллювиальными отложениями террас. Реки Цна, Челновая, Матыра и их притоки начинаются в балках, ложбинах, в местах выхода грунтовых вод на поверхность в виде источников. Из водоемов этого района представляют большой интерес долины притоков Цны — Мошляйки, Студенки, Гремячки с их многоисчисленными источниками, а также озера Чистое, Чистозерское, истоки р. Челновой с Челнавским водохранилищем, Шушпанское «море» (водохранилище), родник у села Горелое (правый берег р. Цны) и другие.

Третий район располагается в восточной части области в бассейне рек Керша, Кашма, среднего и верхнего течения р. Вороны. Все они питаются водами флювиогляциальных и меловых отложений.

Основным водоносным горизонтом, служащим для питания, является сеноманоальбский, с которым и связаны многочисленные ключи и источники в долине реки Вороны (у сел Вячка, Иноковка), на ее притоках — Калаис, Мокрая Панда, Вяжля, Карай и др. Дебиты их колеблются от 0,5 до 10—15 л. в сек. («Гремячие источники в верховьях р. Вяжля», В. И. Куделин и др., 1963). В данном районе находятся озера Рамза, Ильмень, Кершинское водохранилище.