未來城市要走可持續(xù)發(fā)展之路 。城市化發(fā)展的大背景下，“ 自然—社會”二元水循環(huán)基本模式不 會改變 ，未來城市水循環(huán)要通過對社會水循環(huán)過程各環(huán)節(jié) 的調(diào)控 ，通過對 自然水循環(huán) 的保護(hù)和恢 復(fù) ，使社會干擾不超過自然水循環(huán)的承載能力 ，以達(dá)到自然水循環(huán)與社會水循環(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)展趨勢如圖 1 所示 。采用 0 ~ 1 來表示城市化程度和 對自然水循環(huán)的擾動程度 ，0 表示無城市化以及對自然水循環(huán)無干擾 ，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 ，對自然水循環(huán)產(chǎn) 生影響 。隨著人類活動對自然水循環(huán)的影響逐漸加深 ，  自然與社會水循環(huán)在循環(huán)通量上此消彼長， 在循環(huán)過程上深度耦合 ，在循環(huán)功能上競爭融合[ 12 ] 。自然生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)逐漸演變失衡，是一系列城市水問題的產(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)境等問題成為水科學(xué)研究的熱點[ 18 ] 。水災(zāi)害問題主要指氣候變化下的自然水循 環(huán)過程演變失衡導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害事件 ；水資源問題主要指自然水循環(huán)-社會水循環(huán)過程演變失衡導(dǎo)致 的缺水問題 ；水環(huán)境問題大多指與水循環(huán)伴生的水環(huán)境過程演變失衡帶來的水污染 ；水生態(tài)問題大 多指與水循環(huán)伴生的水生態(tài)過程演變失衡帶來的水生態(tài)退化[ 9 ] 。隨著全球氣候變化和快速城鎮(zhèn)化的發(fā) 展 ，深刻剖析城市水問題的產(chǎn)生根源及發(fā)展情勢 ，客觀認(rèn)識未來城市水循環(huán)面臨的主要矛盾是實現(xiàn) 城市良性水循環(huán)的關(guān)鍵。

城市洪澇問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)角度分析了我國城市洪澇的成因機(jī)制 �？偟膩碚f ，氣候變化帶來極端降水事件增多 ，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)過程 ，導(dǎo)致城市洪澇風(fēng)險增大。

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) 建的未來氣候預(yù)測模型顯示 ，全球洪水風(fēng)險程度以及人員和經(jīng)濟(jì)損失將隨氣候變暖的程度增加而增 加。《中國氣候變化藍(lán)皮書( 2019 )》顯示 ，我國氣候系統(tǒng)變暖趨勢進(jìn)一步持續(xù) ，極端天氣氣候事件趨 多趨強(qiáng) ，氣候風(fēng)險水平呈上升趨勢 。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)對策略是全球面臨的緊迫挑戰(zhàn) ，亦是我國實現(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[ 29 ] 。徐 宗學(xué)[ 30 ] 利用水文模 型模擬了城市化對北京市暴雨洪水過程的影響規(guī)律 。柳楊等[ 31 ] 研究了城鎮(zhèn)化背景 下我國城市洪澇災(zāi)害的演變特征 。程曉陶[ 32 ] 對城鎮(zhèn)化和氣候變化大背景下我國面臨的洪澇風(fēng)險形勢 進(jìn)行了系統(tǒng)分析和判斷 。在過去的幾十年里 ，城市化對洪澇 、干旱和河流整體狀況的影響已經(jīng)得到 了廣泛的認(rèn)識 ，但這種影響的量化和預(yù)測在水文學(xué)領(lǐng)域仍然是一個挑戰(zhàn)。

城市水資源的數(shù)量和質(zhì)量對維持城市社會經(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(圖 3)， 加上全球氣候變化帶來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-社會水循環(huán)矛盾越加尖銳。從供水角度來說 ，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 ，降水時間和空間不均勻性以及氣候變化導(dǎo)致的極端干旱評估了我國各城市的水資源壓力 。

總體而言 ，我國城市水資源呈現(xiàn)北少南多的特點 ，氣候變化下 ，區(qū)域水資源不平衡狀況會進(jìn)一步擴(kuò)大。  從需水角度來說 ，城市化對水資源的需求是剛性的 。Yang 等[ 34 ] 通過構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型 ，模擬了社會經(jīng)濟(jì)增長對城市需水的影響 。陳似藍(lán)等[ 35 ]以水資源需求場為理論基礎(chǔ) ，以海河流域的城市為例定量剖析了城市社會經(jīng)濟(jì)用水需求對自然水循環(huán)的干擾和驅(qū)動原理 。欒勇等[ 36 ] 通過構(gòu)建分布式城市需水預(yù)測模型 ，模擬不同城市功能區(qū)的需水總量及其空間分布 。我國仍處于社會經(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一個時期會持續(xù)增加 ，需求結(jié)構(gòu)會進(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較少 ，水體自凈能力足以抵消人類活動對水環(huán)境的影響 ；隨著城市化快速發(fā)展增長 ，人類活動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 。隨著污染物排放量的增加 ，對自然水循環(huán)伴生的水環(huán)境過程的擾動加大 ，超出了水體自凈能力 ，催生了水污染 。隨著我國產(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 年來工業(yè)廢水排放量呈逐年減小趨勢 。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)水污染事件仍對水環(huán)境造成巨大的壓力[ 37 ] 。此外 ，雨水徑流帶來的面源污染也是城市水污染的重要來源。水動力學(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)化等一系列過程的響應(yīng)機(jī)理 ，未來需要進(jìn)一步探索[ 38-40 ]。

圖 4    2000— 2018 年我國廢水排放總體情況

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 ，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能 大幅喪失 。同時 ，地下水的嚴(yán)重超采 ，也造成對地表水生態(tài)系統(tǒng)的破壞性影響 。尤其我國京津冀、 長三角 、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)境形勢嚴(yán)峻。

水循環(huán)過程控制著水生態(tài)系統(tǒng)特征 、功能和過程 。水文條件的改變是水生態(tài)退化最主要的驅(qū)動 因素[ 41 ] 。為集成研究水循環(huán)及其伴生的水生態(tài)過程 ，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 ] 采用動態(tài)監(jiān)測的方法 ，分析了不同的水文梯度對植被格局及生物多樣性演替的影 響 。Huckelbridge 等[ 44 ] 通過構(gòu)建濕地水文-水動力-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 ，并定量評估了地下水超采對地表水生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)制 。城市化背景下二元水循環(huán)自 身演變失衡問題沒有得到有效解決的情況之下 ，水生態(tài)退化風(fēng)險將會持續(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)性和城市水問題的復(fù)雜性決定了未來城市水循 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)城市競爭力 ，實現(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 ，讓水中蘊含的生態(tài)價值 、經(jīng)濟(jì)價值 、文化價值和美學(xué)價值等得以充分發(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)建集約的社會水循環(huán) 。解決城市缺水問題的核心 ，是集約用水 ，實施 水資源總量和開發(fā)強(qiáng)度雙控 ，減少從 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 ，減少對自然水循環(huán)的干擾 ，實現(xiàn)社會水循環(huán)從粗放式向集約式的轉(zhuǎn)化 ，以維持自然與社會水循 環(huán)結(jié)構(gòu)、過程和通量的平衡。

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 ，為我國城市系統(tǒng)治水提供 了新思路 。海綿城市理念是適合中國國情的城市水問題生態(tài)化的綜合治理戰(zhàn)略 ，既是城市水問題治 理的中國智慧 ，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 而生 。智慧水務(wù)的目標(biāo)是充分利用云計算 、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 動力模型等 ，深入挖掘和廣泛運用水務(wù)信息資源 ，通過水務(wù)信息采集 、傳輸 、存儲 、處理和服務(wù)， 全面提升水務(wù)管理的效率和效能 ，實現(xiàn)水務(wù)的動態(tài)和精細(xì)化管理。

• 安 ：確保水安全 。要保障水源地 ，全面提高水廠運行安全系數(shù) ，加強(qiáng)供水管網(wǎng)的檢測和改造， 加強(qiáng)飲用水衛(wèi)生監(jiān)測 ，確保供水安全 。要加強(qiáng)風(fēng)險管理 ，合理布局防洪治澇體系 ，既要防城市外過 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