任南琪院士：城市水系統(tǒng)發(fā)展歷程分析與趨勢展望

來源： 任南琪，王旭 中國水利雜志 

對于我國而言，淡水資源總量僅占全球的6%，人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4。改革開放以來，我國利用有限的水資源支撐了大規(guī)模的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程，但同時也帶來了具有復雜性、挑戰(zhàn)性和多樣性的水環(huán)境污染和水資源短缺問題，國家的水生態(tài)安全受到了嚴峻挑戰(zhàn)。

城市水系統(tǒng)是社會、經(jīng)濟和環(huán)境要素共生發(fā)展的產(chǎn)物，是水的自然循環(huán)和社會循環(huán)的耦合載體，包括城市地表水和地下水、城市供水、城市排水、城市再生水、城市內(nèi)澇防治以及城市河湖水體等系統(tǒng)單元。優(yōu)化重構(gòu)城市水系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展模式，是統(tǒng)籌水資源、水環(huán)境、水生態(tài)治理的關(guān)鍵抓手，是全面提升城市水資源利用效率、保障國家水安全、促進經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。

城市水系統(tǒng)以水的社會和自然循環(huán)為對象，研究其水量和水質(zhì)的復雜變化規(guī)律以及水生態(tài)安全保障的工程技術(shù)問題，以實現(xiàn)水資源健康循環(huán)和可持續(xù)利用。城市水系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展需面向新時代國家生態(tài)文明建設(shè)的總體方針和需求，以“提高水資源效率、提升水環(huán)境質(zhì)量、恢復水生態(tài)功能、保障水健康循環(huán)”為導向，遵循“因地制宜、科學規(guī)劃、綠色低碳、經(jīng)濟高效”的原則，滿足人民日益增長的安全用水需求，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展、自然生態(tài)系統(tǒng)健康、人居環(huán)境質(zhì)量改善的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

本文基于歷史視角梳理了城市水系統(tǒng)的發(fā)展歷程，分析和總結(jié)各歷史時期城市水系統(tǒng)迭代發(fā)展的背景、取得的成就和存在的不足，并探討未來城市水系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的若干關(guān)鍵任務(wù)和要點，為深入實施國家節(jié)水行動方案、推進水資源節(jié)約集約利用提供科學建議，以滿足增進人類福祉和保障水生態(tài)安全的重大需求。

自古以來，城市的發(fā)展離不開水，基本遵循“依水而居、因水而興”的普遍規(guī)律。清潔的水資源滿足了城市生產(chǎn)生活、生態(tài)宜居、航行運輸、景觀娛樂等多種需求。縱觀歷史，城市水系統(tǒng)隨著城市的興起而出現(xiàn)，也伴隨城市化進程而變革，是人類文明發(fā)展的重要組成部分之一。我國5000多年文明發(fā)展史中，城市發(fā)展的歷史可分為古代、近代、現(xiàn)代等不同階段，相應(yīng)地，城市水系統(tǒng)的發(fā)展史也可根據(jù)其建設(shè)模式和技術(shù)特征劃分為古代、近代和現(xiàn)代等三個階段。

據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，3000年前我國商朝都城殷墟就已擁有具備供排水功能的城市水系統(tǒng)雛形。隨著生產(chǎn)力發(fā)展，特別是畜牧業(yè)、手工業(yè)、商業(yè)社會分工的出現(xiàn)，人類開始聚居并形成了城市。此時，城市水系統(tǒng)的主要功能是滿足居民飲水需求，其特征是以井水、泉水以及河渠湖池為主要水源，通過建造基于重力作用的管渠系統(tǒng)以及一些簡單的配套設(shè)施實現(xiàn)城市居民用水供應(yīng)。在排水方面，居民產(chǎn)生的尿液和糞便，起初是由周邊的庭院或農(nóng)田消納，伴隨人口增長和城區(qū)民宅日益密集，人們開始通過修建簡易排水溝渠以及陶制管道將污水、雨水就近排入自然水體，城市合流制排水系統(tǒng)的雛形就此形成。

▲清理排水溝渠  攝/嚴文輝

18世紀中葉第一次工業(yè)革命爆發(fā)后，全球城市人口快速增長，社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，但也造成了人類史上第一次大規(guī)模的環(huán)境污染。城市居民日益增加，日常產(chǎn)生的尿液、糞便、垃圾得不到及時處理，直接排入自然水體，造成了城市水源污染，繼而引發(fā)了霍亂、傷寒等介水傳播疾病。為解決水源污染以及環(huán)境衛(wèi)生問題，城市供水系統(tǒng)日臻完善。初期，主要通過工程規(guī)模擴張來應(yīng)對問題，例如，將取水口向河流上游遷移或者修建遠距離排水管道，但這些措施無法長效地解決問題。水質(zhì)凈化（例如過濾和消毒）和污水處理（例如早期沉淀分離，以及1912年英國人發(fā)明的活性污泥法）工藝的出現(xiàn)，成為近代城市水系統(tǒng)發(fā)展完善的標志。

現(xiàn)代城市水系統(tǒng)

自20世紀中葉至今，得益于民眾環(huán)保意識的覺醒和科學技術(shù)的發(fā)展，給水和污水處理工藝技術(shù)也在不斷地優(yōu)化升級，新型處理技術(shù)層出不窮。然而，伴隨當前城市人口增長和經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市可持續(xù)發(fā)展面臨水資源短缺、排水溢流污染、河湖富營養(yǎng)化等新的挑戰(zhàn)。這些問題既破環(huán)了水生態(tài)健康，又極大限制了經(jīng)濟社會發(fā)展。另一方面，人們也開始意識到開源節(jié)流的重要性。推廣使用節(jié)水器具，開發(fā)再生水、雨水和海水等非常規(guī)水源，規(guī)劃設(shè)計分流制排水系統(tǒng)，采取合流制溢流控制策略等措施成為當前城市水系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的方向。其中最為重要的變革，是人們開始基于系統(tǒng)思維重新思考傳統(tǒng)城市水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計和運行管理模式，而海綿城市與智慧水務(wù)的提出和實踐，則是當代城市水系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的重要代表。

海綿城市的起源與發(fā)展

2013年，習近平總書記在中央城鎮(zhèn)化會議中提出要建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市，這是新時代城市水資源管理和水生態(tài)環(huán)境改善的新理念。海綿城市是指城市在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”和“韌性”，海綿城市建設(shè)旨在重點解決城市澇災(zāi)與城市水體污染等問題，充分考慮水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水安全、水文化，滿足城市水系統(tǒng)的統(tǒng)籌管理、保護與利用，實現(xiàn)“藍綠融合”、“灰綠結(jié)合”，緩解熱島效應(yīng)，確保生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳發(fā)展。

海綿城市建設(shè)是具有中國特色的城市水系統(tǒng)綜合治理理念，基于海綿城市理念提出的城市水循環(huán)系統(tǒng)4.0，針對“源—網(wǎng)—廠—河湖”關(guān)鍵單元的統(tǒng)籌考慮，是對當代城市水系統(tǒng)的完善和提升。2014年以來，國務(wù)院及住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部相繼發(fā)布《關(guān)于推進海綿城市建設(shè)的指導意見》《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》及《海綿城市建設(shè)績效評價與考核辦法（試行）》等，部署推進海綿城市建設(shè)工作。自2015年起，我國部分城市開展了海綿城市試點，并在解決城市內(nèi)澇、水資源短缺以及水環(huán)境質(zhì)量惡化等方面取得了顯著成效，也得到了國際認可和重視。

▲透水磚助力海綿城市建設(shè)  資料圖片

智慧水務(wù)的提出與發(fā)展

近代：發(fā)展水質(zhì)凈化基礎(chǔ)理論和工藝技術(shù)

現(xiàn)代：完善水污染控制和水質(zhì)安全保障體系

20世紀中葉，工業(yè)發(fā)展和環(huán)境質(zhì)量問題日益突出，一系列新型的水處理技術(shù)、工藝形式和理論得以開發(fā)和應(yīng)用。飲用水廠采用臭氧—活性炭技術(shù)或超濾工藝，有效去除了水中低濃度有毒有機物和重金屬，污水廠增設(shè)過濾、活性炭、離子交換和消毒單元進一步提升出水水質(zhì)。由此，城市水系統(tǒng)在實現(xiàn)水污染控制和飲用水安全保障等方面取得了巨大成就。20世紀60年代，美國提出了“21世紀水廠”概念并進行了實踐，通過對傳統(tǒng)污水處理工藝的出水進行微濾、超濾、紫外消毒的再處理，將污水處理標準提升至飲用水標準，而后注入地下含水層，實現(xiàn)間接飲用的目的，這一創(chuàng)新實踐對污水再生利用產(chǎn)生了深遠影響。此外新加坡的“NEWater新生水”工藝、中國的海綿城市、污水資源概念廠等系列創(chuàng)新舉措，都為城市水系統(tǒng)的未來發(fā)展指明了重要方向。

▲巡河員打撈河道水草  攝/吳拯

城市是自然生態(tài)系統(tǒng)和人工技術(shù)耦合的復雜體系，水系統(tǒng)作為其重要組成部分，同樣具有不可忽視的生態(tài)性。城市水系統(tǒng)是城市圈內(nèi)水資源與社會、環(huán)境和生態(tài)各要素之間相互作用而形成的以水為中心的復雜系統(tǒng)，具有污染凈化、環(huán)境調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、景觀娛樂和水源補給等重要功能。然而在既有的治水實踐過程中，城市水資源供給、水環(huán)境治理及水安全保障過度依賴灰色基礎(chǔ)設(shè)施，強調(diào)借助工程技術(shù)解決水問題，通過投入大量的能源和藥劑實現(xiàn)水安全保障，并未充分發(fā)揮自然系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能，“灰綠”基礎(chǔ)設(shè)施融合不充分、系統(tǒng)耦合不緊密，造成城市水系統(tǒng)運行能耗物耗高、碳排放量大等問題，既有城市水系統(tǒng)距離綠色低碳目標仍有較大的發(fā)展空間。

缺乏系統(tǒng)性

城市水系統(tǒng)是復雜城市大系統(tǒng)的重要組成部分，是水自然循環(huán)和社會循環(huán)在城市空間的耦合，涉及城市水資源開發(fā)、利用、保護和管理的全過程。在城市水系統(tǒng)規(guī)模較小時，各系統(tǒng)單元的功能相對單一，互動過程也較為簡單，雖然彼此之間存在聯(lián)系但并不緊密。

然而，隨著水源污染加劇和用水需求增加，各系統(tǒng)單元之間的關(guān)系逐漸發(fā)生變化，例如一些城市因水源污染而需要在凈水廠前端設(shè)置污水處理設(shè)施對原水進行預(yù)處理，而一些城市因缺水需要對污水廠的出水進行深度處理后作再生水利用。此時，供水和排水兩個系統(tǒng)單元便相互交織成為了一體。城市水源、供水、用水、排水等系統(tǒng)單元之間的關(guān)系變得越來越密切，相互間的制約或支撐作用也越來越明顯。然而，既有的城市水系統(tǒng)規(guī)劃管理往往是借助現(xiàn)代工程措施快速解決局部的水問題，城市水務(wù)管理只負責供水、排水與污水處理中的部分環(huán)節(jié)，沒有實現(xiàn)全方位、全地域、全過程治理，顯然難以適應(yīng)城市水系統(tǒng)的整體性要求。

城市水系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展任務(wù)與展望

基于以上回顧和總結(jié)，探討在新時代生態(tài)文明建設(shè)新要求下，未來城市水系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的主要任務(wù)和關(guān)鍵要點，為新形勢下深入實施國家節(jié)水行動、大力推進水資源節(jié)約集約利用提供參考借鑒。

提高傳統(tǒng)水資源利用效率，豐富非常規(guī)水源的開發(fā)利用途徑，形成水量充沛、水質(zhì)優(yōu)良、安全高效的水資源保障體系，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，按照以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)“四水四定”原則，助力經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。

加強城市污水綜合整治，推進雨污分流制排水系統(tǒng)完善和污水處理提質(zhì)增效協(xié)同綠色低碳發(fā)展，有效控制城市水體污染和消除黑臭，以進一步完善城市功能，提升城市品位，改善人居環(huán)境。

建設(shè)功能復合、綠色生態(tài)的城市水基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)“藍綠融合連片”“灰綠結(jié)合低碳”，將水系統(tǒng)各類設(shè)施因地制宜、統(tǒng)籌考慮，保護和修復山水林田湖草沙等生態(tài)空間，樹立以生態(tài)功能發(fā)揮、生態(tài)安全保障和生物多樣性構(gòu)建為指導的水體保護理念。

探索非常規(guī)水源的生態(tài)融合與資源高效利用

涉水基礎(chǔ)設(shè)施作為城市建設(shè)的重要組成部分，是民生保障的基石。未來，涉水基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)應(yīng)統(tǒng)籌發(fā)揮自然生態(tài)功能和人工干預(yù)功能，即充分利用城市河湖水系和自然土壤、人工濕地等“藍色”和“綠色”自然生態(tài)系統(tǒng)，科學強化管渠系統(tǒng)、物化凈水單元等城市的“灰色”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在城市水系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃管理中，充分協(xié)調(diào)統(tǒng)籌“藍”“綠”“灰”三類基礎(chǔ)設(shè)施，并與城市土地利用規(guī)劃、水系統(tǒng)優(yōu)化布局等城市綜合規(guī)劃和涉水專項規(guī)劃相協(xié)調(diào)、相適應(yīng)。

維持水生態(tài)的健康完整是發(fā)揮水生態(tài)功能的關(guān)鍵。水生態(tài)完整性包括水文情勢時空變異性、河湖地貌形態(tài)空間異質(zhì)性、河湖水系三維連通性、適宜生物生存的水體物化特性、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和生物多樣性。各生態(tài)要素相互作用，形成完整的結(jié)構(gòu)并具備一定的生態(tài)功能。未來，應(yīng)將生態(tài)學理念與環(huán)境工程方法充分融合，以“生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳”為目標，重構(gòu)城市的水生態(tài)完整性，維系水生物多樣性，恢復水生態(tài)功能，構(gòu)建可持續(xù)的城市水系統(tǒng)，支撐城市的高質(zhì)量發(fā)展。

發(fā)展城市水系統(tǒng)智慧感知與風險防控體系

城市水系統(tǒng)具有系統(tǒng)性、整體性、復雜性和面向未來的不確定性，對其進行全過程、全要素的智慧管控具有重要意義。未來，城市水系統(tǒng)需結(jié)合社會、經(jīng)濟、環(huán)境和生態(tài)全要素大數(shù)據(jù)信息，開展數(shù)字規(guī)劃和前瞻設(shè)計，以應(yīng)對人口發(fā)展、氣候變化和突發(fā)疫情等不確定因素對城市水系統(tǒng)安全的影響。應(yīng)構(gòu)建空天地一體化環(huán)境大數(shù)據(jù)與人工智能平臺，實時感知城市水系統(tǒng)的狀態(tài)變化與面臨的潛在風險，構(gòu)建智慧化的風險防控體系，實現(xiàn)城市水系統(tǒng)的優(yōu)化管理。