未來(lái)城市要走可持續(xù)發(fā)展之路 。城市化發(fā)展的大背景下，“ 自然—社會(huì)”二元水循環(huán)基本模式不 會(huì)改變 ，未來(lái)城市水循環(huán)要通過(guò)對(duì)社會(huì)水循環(huán)過(guò)程各環(huán)節(jié) 的調(diào)控 ，通過(guò)對(duì) 自然水循環(huán) 的保護(hù)和恢 復(fù) ，使社會(huì)干擾不超過(guò)自然水循環(huán)的承載能力 ，以達(dá)到自然水循環(huán)與社會(huì)水循環(huán)耦合平衡的目的。

綜上所述 ，總結(jié)城市水循環(huán)的演變歷程及發(fā)展趨勢(shì)如圖 1 所示 。采用 0 ~ 1 來(lái)表示城市化程度和 對(duì)自然水循環(huán)的擾動(dòng)程度 ，0 表示無(wú)城市化以及對(duì)自然水循環(huán)無(wú)干擾 ，1 表示完全城市化或?qū)ψ匀凰?循環(huán)的完全干擾。

城市化帶來(lái)下墊面改變 ，洼地被填埋 ，用水量和排污量加大 ，水系格局改變 ，對(duì)自然水循環(huán)產(chǎn) 生影響 。隨著人類活動(dòng)對(duì)自然水循環(huán)的影響逐漸加深 ，  自然與社會(huì)水循環(huán)在循環(huán)通量上此消彼長(zhǎng)， 在循環(huán)過(guò)程上深度耦合 ，在循環(huán)功能上競(jìng)爭(zhēng)融合[ 12 ] 。自然生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)逐漸演變失衡，是一系列城市水問(wèn)題的產(chǎn)生根源 。變化環(huán)境下城市水循環(huán)的脆弱性以及由此衍生的城市水災(zāi)害 、水 資源 、水生態(tài) 、水環(huán)境等問(wèn)題成為水科學(xué)研究的熱點(diǎn)[ 18 ] 。水災(zāi)害問(wèn)題主要指氣候變化下的自然水循 環(huán)過(guò)程演變失衡導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害事件 ；水資源問(wèn)題主要指自然水循環(huán)-社會(huì)水循環(huán)過(guò)程演變失衡導(dǎo)致 的缺水問(wèn)題 ；水環(huán)境問(wèn)題大多指與水循環(huán)伴生的水環(huán)境過(guò)程演變失衡帶來(lái)的水污染 ；水生態(tài)問(wèn)題大 多指與水循環(huán)伴生的水生態(tài)過(guò)程演變失衡帶來(lái)的水生態(tài)退化[ 9 ] 。隨著全球氣候變化和快速城鎮(zhèn)化的發(fā) 展 ，深刻剖析城市水問(wèn)題的產(chǎn)生根源及發(fā)展情勢(shì) ，客觀認(rèn)識(shí)未來(lái)城市水循環(huán)面臨的主要矛盾是實(shí)現(xiàn) 城市良性水循環(huán)的關(guān)鍵。

城市洪澇問(wèn)題是多種因素綜合作用的結(jié)果 。張建云等[ 19 ] 、夏軍等[ 20 ] 、程曉陶等[ 21 ] 、 黃國(guó)如[ 22 ] 、宋曉猛等[ 23 ] 分別從流域產(chǎn)匯流 、城市化的水文效應(yīng) 、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 、城市暴雨和水循環(huán) 系統(tǒng)角度分析了我國(guó)城市洪澇的成因機(jī)制 �？偟膩�(lái)說(shuō) ，氣候變化帶來(lái)極端降水事件增多 ，城市 “熱 島效應(yīng)”、“雨島效應(yīng)”的影響 ，加之城市擴(kuò)張使得區(qū)域不透水面積迅速增大 ，雨洪調(diào)蓄面積被擠占， 導(dǎo)致城市范圍內(nèi)徑流系數(shù)和徑流量增加 ，改變了自然水循環(huán)過(guò)程 ，導(dǎo)致城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)增大。

全球范圍內(nèi) ，氣候變化與極端降水事件存在顯著的相關(guān)性[ 24 ] 。Hirabayashi 等[ 25 ] 和 Dottori 等[ 26 ] 構(gòu) 建的未來(lái)氣候預(yù)測(cè)模型顯示 ，全球洪水風(fēng)險(xiǎn)程度以及人員和經(jīng)濟(jì)損失將隨氣候變暖的程度增加而增 加�！吨袊�(guó)氣候變化藍(lán)皮書( 2019 )》顯示 ，我國(guó)氣候系統(tǒng)變暖趨勢(shì)進(jìn)一步持續(xù) ，極端天氣氣候事件趨 多趨強(qiáng) ，氣候風(fēng)險(xiǎn)水平呈上升趨勢(shì) 。不同增溫情景下氣候系統(tǒng)的響應(yīng)及極端水文事件響應(yīng)的差異及 其應(yīng)對(duì)策略是全球面臨的緊迫挑戰(zhàn) ，亦是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的迫切需求。

城市“熱島效應(yīng)”是指城市的溫度顯著高于周圍鄉(xiāng)村[ 27 ] ，城市“雨島效應(yīng)”是指城市的短時(shí)強(qiáng)降雨 顯著高于周圍鄉(xiāng)村[ 28 ] 。城市“熱島”與“雨島”的共同作用 ，導(dǎo)致了城市極端降雨事件頻發(fā) ，進(jìn)而引發(fā) 城市洪澇。

快速城市化帶來(lái)城市 土地利用變化導(dǎo)致城市 范 圍 的徑 流量激增 ，加劇城市洪澇風(fēng) 險(xiǎn)[ 29 ] 。徐 宗學(xué)[ 30 ] 利用水文模 型模擬了城市化對(duì)北京市暴雨洪水過(guò)程的影響規(guī)律 。柳楊等[ 31 ] 研究了城鎮(zhèn)化背景 下我國(guó)城市洪澇災(zāi)害的演變特征 。程曉陶[ 32 ] 對(duì)城鎮(zhèn)化和氣候變化大背景下我國(guó)面臨的洪澇風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì) 進(jìn)行了系統(tǒng)分析和判斷 。在過(guò)去的幾十年里 ，城市化對(duì)洪澇 、干旱和河流整體狀況的影響已經(jīng)得到 了廣泛的認(rèn)識(shí) ，但這種影響的量化和預(yù)測(cè)在水文學(xué)領(lǐng)域仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

城市水資源的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)維持城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義 。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā) 展和城市化進(jìn)程 ，水資源需求日益增長(zhǎng)(圖 3)， 加上全球氣候變化帶來(lái)的極端干旱事件增多 ，諸多城 市面臨缺水挑戰(zhàn)。擴(kuò)大的水資源供需矛盾造成城市自然-社會(huì)水循環(huán)矛盾越加尖銳。從供水角度來(lái)說(shuō) ，城市可利用的水資源量受區(qū)域降水稟賦的影響 。陸詠晴等[ 33 ] ，使用區(qū)域降水量 ，降水時(shí)間和空間不均勻性以及氣候變化導(dǎo)致的極端干旱評(píng)估了我國(guó)各城市的水資源壓力 。

總體而言 ，我國(guó)城市水資源呈現(xiàn)北少南多的特點(diǎn) ，氣候變化下 ，區(qū)域水資源不平衡狀況會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。  從需水角度來(lái)說(shuō) ，城市化對(duì)水資源的需求是剛性的 。Yang 等[ 34 ] 通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 ，模擬了社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)城市需水的影響 。陳似藍(lán)等[ 35 ]以水資源需求場(chǎng)為理論基礎(chǔ) ，以海河流域的城市為例定量剖析了城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水需求對(duì)自然水循環(huán)的干擾和驅(qū)動(dòng)原理 。欒勇等[ 36 ] 通過(guò)構(gòu)建分布式城市需水預(yù)測(cè)模型 ，模擬不同城市功能區(qū)的需水總量及其空間分布 。我國(guó)仍處于社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化快速發(fā)展階段 ，剛性用水需求在今后較長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期會(huì)持續(xù)增加 ，需求結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)一步演進(jìn)。

城市化早期 ，人口密度低 ，人類排放的污染物相對(duì)較少 ，水體自凈能力足以抵消人類活動(dòng)對(duì)水環(huán)境的影響 ；隨著城市化快速發(fā)展增長(zhǎng) ，人類活動(dòng)增加引起污染物排放量明顯增多 。廢水總量及生活污水排放量仍存在持續(xù)增加的趨勢(shì) 。隨著污染物排放量的增加 ，對(duì)自然水循環(huán)伴生的水環(huán)境過(guò)程的擾動(dòng)加大 ，超出了水體自凈能力 ，催生了水污染 。隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整 ，工業(yè)用水效率的不斷提高 ，近 10 年來(lái)工業(yè)廢水排放量呈逐年減小趨勢(shì) 。盡管工業(yè)廢水排放量已經(jīng)得到有效控制 ，但突發(fā)的工業(yè)水污染事件仍對(duì)水環(huán)境造成巨大的壓力[ 37 ] 。此外 ，雨水徑流帶來(lái)的面源污染也是城市水污染的重要來(lái)源。水動(dòng)力學(xué)條件不足也是引起城市水污染的主要原因 。河道水量不足 ，河道渠化 ，河道內(nèi)淤泥 、城市垃圾等導(dǎo)致水流不暢、水動(dòng)力學(xué)條件不足 ，加劇了水污染[ 38 ]。

城市水循環(huán)是水污染過(guò)程的載體 。水污染成因復(fù)雜 ，在區(qū)分不同地區(qū) 、污染源 、水體類型等的 基礎(chǔ)上 ，構(gòu)建水文水質(zhì)或水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型 ，綜合分析污染源輸入構(gòu)成及負(fù)荷與水污染形成 、遷 移、轉(zhuǎn)化等一系列過(guò)程的響應(yīng)機(jī)理 ，未來(lái)需要進(jìn)一步探索[ 38-40 ]。

圖 4    2000— 2018 年我國(guó)廢水排放總體情況

城市建設(shè)擠占了原有的生態(tài)系統(tǒng) ，導(dǎo)致植被破壞 ，水土流失 ，濕地退化 ，湖泊萎 縮 ，河湖水體破碎 ，生態(tài)斑塊 、廊道整體連通性減弱 ，水生態(tài)呈持續(xù)退化態(tài)勢(shì) ，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能 大幅喪失 。同時(shí) ，地下水的嚴(yán)重超采 ，也造成對(duì)地表水生態(tài)系統(tǒng)的破壞性影響 。尤其我國(guó)京津冀、 長(zhǎng)三角 、珠三角等城市群區(qū)域城市建設(shè)范圍廣 、強(qiáng)度高 ，水資源開發(fā)量大 ，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境承載力脆 弱 ，保護(hù)水生態(tài)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻。

水循環(huán)過(guò)程控制著水生態(tài)系統(tǒng)特征 、功能和過(guò)程 。水文條件的改變是水生態(tài)退化最主要的驅(qū)動(dòng) 因素[ 41 ] 。為集成研究水循環(huán)及其伴生的水生態(tài)過(guò)程 ，衍生出了生態(tài)水文學(xué) ，并受到學(xué)術(shù)界的高度重 視[ 42 ] 。Fraaije 等[ 43 ] 采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法 ，分析了不同的水文梯度對(duì)植被格局及生物多樣性演替的影 響 。Huckelbridge 等[ 44 ] 通過(guò)構(gòu)建濕地水文-水動(dòng)力-生態(tài)耦合模型 ，模擬了上游截流后濕地水文條件的 變化對(duì)濕地植被退化的影響機(jī)制 。de Graaf等[ 45 ] 基于全球視角 ，分析了地下水位下降與地表徑流減少 之間的關(guān)系 ，并定量評(píng)估了地下水超采對(duì)地表水生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)制 。城市化背景下二元水循環(huán)自 身演變失衡問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決的情況之下 ，水生態(tài)退化風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)持續(xù) ，水生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)任務(wù) 艱巨。

城市水循環(huán)的系統(tǒng)性和城市水問(wèn)題的復(fù)雜性決定了未來(lái)城市水循 環(huán)調(diào)控方向必定是綜合的 。在深刻剖析城市水循環(huán)的演變機(jī)理和城市水問(wèn)題產(chǎn)生根源的基礎(chǔ)上 ，概 括提出理水 、用水 、治水和管水四大戰(zhàn)略 。四大戰(zhàn)略相互依存 、相互影響 ，綜合協(xié)同實(shí)現(xiàn)城市水循 環(huán)的可持續(xù)發(fā)展 ，如圖 5 所示。

• 理水戰(zhàn)略 ：水城共融 ，構(gòu)建和諧的城水關(guān)系 。和諧的城水關(guān)系 ，是科學(xué)配置城市水資源 ，提升 城市功能 ，改善人居環(huán)境 ，增強(qiáng)城市競(jìng)爭(zhēng)力 ，實(shí)現(xiàn)人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展的前提和基礎(chǔ) 。城市理水 ，是 以水為主體 ，尋求水與城市的空間 、 自然 、人文 、生態(tài) 、經(jīng)濟(jì) 、文化等的相互聯(lián)系 、相互作用的最 佳融合方式 ，讓水中蘊(yùn)含的生態(tài)價(jià)值 、經(jīng)濟(jì)價(jià)值 、文化價(jià)值和美學(xué)價(jià)值等得以充分發(fā)揮 。在城市化 進(jìn)程中 ，要持續(xù)秉承“建城先理水”的思路 ，把理水建城理念貫穿城市規(guī)劃 、建設(shè) 、發(fā)展與管理的全 過(guò)程。

圖 5    城市水循環(huán)調(diào)控的四大戰(zhàn)略及其相互關(guān)系

用水戰(zhàn)略 ：嚴(yán)格利用 ，構(gòu)建集約的社會(huì)水循環(huán) 。解決城市缺水問(wèn)題的核心 ，是集約用水 ，實(shí)施 水資源總量和開發(fā)強(qiáng)度雙控 ，減少?gòu)?自然水循環(huán)取水 ，提高用水效率 ，減少 向 自然水循環(huán)排放污 水 ，減少對(duì)自然水循環(huán)的干擾 ，實(shí)現(xiàn)社會(huì)水循環(huán)從粗放式向集約式的轉(zhuǎn)化 ，以維持自然與社會(huì)水循 環(huán)結(jié)構(gòu)、過(guò)程和通量的平衡。

治水戰(zhàn)略 ：系統(tǒng)治水 ，保障良性的自然水循環(huán) 。系統(tǒng)治水要尊重水循環(huán)的自然規(guī)律 ，維系和恢 復(fù)城市健康的水環(huán)境 。海綿城市理念以保障良性的自然水循環(huán)為出發(fā)點(diǎn) ，為我國(guó)城市系統(tǒng)治水提供 了新思路 。海綿城市理念是適合中國(guó)國(guó)情的城市水問(wèn)題生態(tài)化的綜合治理戰(zhàn)略 ，既是城市水問(wèn)題治 理的中國(guó)智慧 ，也是人類學(xué)習(xí)大自然智慧的集中體現(xiàn)。

管水戰(zhàn)略 ：智慧水務(wù) ，助力精細(xì)的水務(wù)管理 。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展 ，智慧水務(wù)的構(gòu)想應(yīng)運(yùn) 而生 。智慧水務(wù)的目標(biāo)是充分利用云計(jì)算 、大數(shù)據(jù)分析 、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 、地理信息系統(tǒng)以及水文 、水 動(dòng)力模型等 ，深入挖掘和廣泛運(yùn)用水務(wù)信息資源 ，通過(guò)水務(wù)信息采集 、傳輸 、存儲(chǔ) 、處理和服務(wù)， 全面提升水務(wù)管理的效率和效能 ，實(shí)現(xiàn)水務(wù)的動(dòng)態(tài)和精細(xì)化管理。

• 安 ：確保水安全 。要保障水源地 ，全面提高水廠運(yùn)行安全系數(shù) ，加強(qiáng)供水管網(wǎng)的檢測(cè)和改造， 加強(qiáng)飲用水衛(wèi)生監(jiān)測(cè) ，確保供水安全 。要加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管理 ，合理布局防洪治澇體系 ，既要防城市外過(guò) 境洪水——“外水”，又要治城市內(nèi)積存澇水—— “內(nèi)水”，構(gòu)筑“由外向內(nèi) 、 由內(nèi)向外”兩道防線(圖 6 )， 綜合統(tǒng)籌內(nèi)外水 ，保障防洪治澇安全