Một nguồn thủy năng có thể được đo lường theo lượng công suất hữu ích, hoặc công trên một đơn vị thời gian. Trong các hồ chứa lớn, công suất hữu ích thường liên hệ với cột áp thủy lực, và tốc độ dòng chảy. Trong một hồ chứa, cột áp là chiều cao của nước trong hồ so với chiều cao của nó sau khi đã xã hết nước. Mỗi đơn vị nước có thể thực hiện một công bằng trọng lượng của nó nhân với cột áp.

Lượng năng lượng, E, được giải phóng khi một vật có khối lượng m rơi từ một độ cao h dưới tác động của trọng lực g[4] is given by

E = m g h {\displaystyle \,E=mgh}

Năng lượng này được tích bằng đập thủy điện, và có thể được giải phóng bằng cách hạ thấp mực nước theo cách điều khiển được. Khi đó, năng lượng sẽ tỉ lệ với vận tốc của lưu chất.

E t = m t g h {\displaystyle {\frac {E}{t}}={\frac {m}{t}}gh}

Thay thế P cho E⁄t và biểu diễn m⁄t dưới dạng thể tích khối chất lỏng di chuyển trên một đơn vị thời gian (vận tốc của dòng lưu chất, φ) và khối lượng riêng của nước, ta có được dạng thường gặp của biểu thức này:

P = ρ ϕ g h {\displaystyle P=\rho \,\phi \,g\,h}

hoặc

Một công thức đơn giản cho lượng điện năng gần đúng mà một nhà máy thủy điện tạo ra là:

P = hrgk

Trong đó P là công suất tính bằng kilowatt, h là độ cao tính bằng mét, r là tốc độ dòng chảy tính bằng mét khối trên giây, g là gia tốc trọng trường bằng 9.8 m/s2, và k là hiệu suất có giá trị từ 0 đến 1. Hiệu suất thường cao hơn ở những tua bin lớn hơn và hiện đại hơn. [5]

Một vài hệ thống thủy năng như bánh xe nước có thể chuyển đổi năng lượng từ dòng chảy của nước mà không phải thay đổi độ cao của nó. Trong trường hợp này, công suất hữu ích là động năng của dòng nước.

P = 1 2 ρ ϕ v 2 {\displaystyle P={\frac {1}{2}}\,\rho \,\phi \,v^{2}}

trong đó v là tốc độ của nước, hoặc với

ϕ = A v {\displaystyle \phi =A\,v}

trong đó A là tiết diện của dòng nước chảy qua, ta cũng có

P = 1 2 ρ A v 3 {\displaystyle P={\frac {1}{2}}\,\rho \,A\,v^{3}}

Bánh xe chạy bằng sức nước có thể tận dụng hiệu quả cả hai dạng năng lượng này.