對(duì)于我國(guó)而言，淡水資源總量?jī)H占全球的6%，人均水資源占有量?jī)H為世界平均水平的1/4。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)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(jìn)程，但同時(shí)也帶來(lái)了具有復(fù)雜性、挑戰(zhàn)性和多樣性的水環(huán)境污染和水資源短缺問(wèn)題，國(guó)家的水生態(tài)安全受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

城市水系統(tǒng)是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)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(huì)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(guó)家水安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。

城市水系統(tǒng)以水的社會(huì)和自然循環(huán)為對(duì)象，研究其水量和水質(zhì)的復(fù)雜變化規(guī)律以及水生態(tài)安全保障的工程技術(shù)問(wèn)題，以實(shí)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(shí)代國(guó)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(fù)水生態(tài)功能、保障水健康循環(huán)”為導(dǎo)向，遵循“因地制宜、科學(xué)規(guī)劃、綠色低碳、經(jīng)濟(jì)高效”的原則，滿足人民日益增長(zhǎng)的安全用水需求，實(shí)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(shí)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(lái)城市水系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的若干關(guān)鍵任務(wù)和要點(diǎn)，為深入實(shí)施國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案、推進(jìn)水資源節(jié)約集約利用提供科學(xué)建議，以滿足增進(jìn)人類福祉和保障水生態(tài)安全的重大需求。

自古以來(lái)，城市的發(fā)展離不開(kāi)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(yùn)輸、景觀娛樂(lè)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(jìn)程而變革，是人類文明發(fā)展的重要組成部分之一。我國(guó)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(gè)階段。

據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，3000年前我國(guó)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(huì)分工的出現(xiàn)，人類開(kāi)始聚居并形成了城市。此時(shí)，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(guò)建造基于重力作用的管渠系統(tǒng)以及一些簡(jiǎn)單的配套設(shè)施實(shí)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(zhǎng)和城區(qū)民宅日益密集，人們開(kāi)始通過(guò)修建簡(jiǎn)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。

18世紀(jì)中葉第一次工業(yè)革命爆發(fā)后，全球城市人口快速增長(zhǎng)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)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(wèn)題，城市供水系統(tǒng)日臻完善。初期，主要通過(guò)工程規(guī)模擴(kuò)張來(lái)應(yīng)對(duì)問(wèn)題，例如，將取水口向河流上游遷移或者修建遠(yuǎn)距離排水管道，但這些措施無(wú)法長(zhǎng)效地解決問(wèn)題。水質(zhì)凈化（例如過(guò)濾和消毒）和污水處理（例如早期沉淀分離，以及1912年英國(guó)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(biāo)志。

現(xiàn)代城市水系統(tǒng)

自20世紀(jì)中葉至今，得益于民眾環(huán)保意識(shí)的覺(jué)醒和科學(xué)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(jí)，新型處理技術(shù)層出不窮。然而，伴隨當(dāng)前城市人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)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(yíng)養(yǎng)化等新的挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題既破環(huán)了水生態(tài)健康，又極大限制了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。另一方面，人們也開(kāi)始意識(shí)到開(kāi)源節(jié)流的重要性。推廣使用節(jié)水器具，開(kāi)發(fā)再生水、雨水和海水等非常規(guī)水源，規(guī)劃設(shè)計(jì)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(dāng)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(kāi)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(jì)和運(yùn)行管理模式，而海綿城市與智慧水務(wù)的提出和實(shí)踐，則是當(dāng)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(xí)近平總書記在中央城鎮(zhèn)化會(huì)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(shí)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(duì)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(diǎn)解決城市澇災(zāi)與城市水體污染等問(wèn)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(hù)與利用，實(shí)現(xiàn)“藍(lán)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(guó)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(duì)“源—網(wǎng)—廠—河湖”關(guān)鍵單元的統(tǒng)籌考慮，是對(duì)當(dāng)代城市水系統(tǒng)的完善和提升。2014年以來(lái)，國(guó)務(wù)院及住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部相繼發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》及《海綿城市建設(shè)績(jī)效評(píng)價(jià)與考核辦法（試行）》等，部署推進(jìn)海綿城市建設(shè)工作。自2015年起，我國(guó)部分城市開(kāi)展了海綿城市試點(diǎn)，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(guó)際認(rèn)可和重視。

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(jì)中葉，工業(yè)發(fā)展和環(huán)境質(zhì)量問(wèn)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(kāi)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(jī)物和重金屬，污水廠增設(shè)過(guò)濾、活性炭、離子交換和消毒單元進(jìn)一步提升出水水質(zhì)。由此，城市水系統(tǒng)在實(shí)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(jì)60年代，美國(guó)提出了“21世紀(jì)水廠”概念并進(jìn)行了實(shí)踐，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)污水處理工藝的出水進(jìn)行微濾、超濾、紫外消毒的再處理，將污水處理標(biāo)準(zhǔn)提升至飲用水標(biāo)準(zhǔn)，而后注入地下含水層，實(shí)現(xiàn)間接飲用的目的，這一創(chuàng)新實(shí)踐對(duì)污水再生利用產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。此外新加坡的“NEWater新生水”工藝、中國(guó)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(lái)發(fā)展指明了重要方向。

城市是自然生態(tài)系統(tǒng)和人工技術(shù)耦合的復(fù)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(huì)、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(fù)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(lè)和水源補(bǔ)給等重要功能。然而在既有的治水實(shí)踐過(guò)程中，城市水資源供給、水環(huán)境治理及水安全保障過(guò)度依賴灰色基礎(chǔ)設(shè)施，強(qiáng)調(diào)借助工程技術(shù)解決水問(wèn)題，通過(guò)投入大量的能源和藥劑實(shí)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(yùn)行能耗物耗高、碳排放量大等問(wèn)題，既有城市水系統(tǒng)距離綠色低碳目標(biāo)仍有較大的發(fā)展空間。

缺乏系統(tǒng)性

城市水系統(tǒng)是復(fù)雜城市大系統(tǒng)的重要組成部分，是水自然循環(huán)和社會(huì)循環(huán)在城市空間的耦合，涉及城市水資源開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)和管理的全過(guò)程。在城市水系統(tǒng)規(guī)模較小時(shí)，各系統(tǒng)單元的功能相對(duì)單一，互動(dòng)過(guò)程也較為簡(jiǎn)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(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理，而一些城市因缺水需要對(duì)污水廠的出水進(jìn)行深度處理后作再生水利用。此時(shí)，供水和排水兩個(gè)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(lái)越密切，相互間的制約或支撐作用也越來(lái)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(wèn)題，城市水務(wù)管理只負(fù)責(zé)供水、排水與污水處理中的部分環(huán)節(jié)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全方位、全地域、全過(guò)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(shí)代生態(tài)文明建設(shè)新要求下，未來(lái)城市水系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的主要任務(wù)和關(guān)鍵要點(diǎn)，為新形勢(shì)下深入實(shí)施國(guó)家節(jié)水行動(dòng)、大力推進(jìn)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(kāi)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(shí)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(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

加強(qiáng)城市污水綜合整治，推進(jìn)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(jìn)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(fù)合、綠色生態(tài)的城市水基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)“藍(lán)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(hù)和修復(fù)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(dǎo)的水灞；だ砟睢�

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(lái)，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(lán)色”和“綠色”自然生態(tài)系統(tǒng)，科學(xué)強(qiáng)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(lán)”“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(xiàng)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(shì)時(shí)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(lái)，應(yīng)將生態(tài)學(xué)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(biāo)，重構(gòu)城市的水生態(tài)完整性，維系水生物多樣性，恢復(fù)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(fēng)險(xiǎn)防控體系

城市水系統(tǒng)具有系統(tǒng)性、整體性、復(fù)雜性和面向未來(lái)的不確定性，對(duì)其進(jìn)行全過(guò)程、全要素的智慧管控具有重要意義。未來(lái)，城市水系統(tǒng)需結(jié)合社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)全要素大數(shù)據(jù)信息，開(kāi)展數(shù)字規(guī)劃和前瞻設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)人口發(fā)展、氣候變化和突發(fā)疫情等不確定因素對(duì)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(tái)，實(shí)時(shí)感知城市水系統(tǒng)的狀態(tài)變化與面臨的潛在風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建智慧化的風(fēng)險(xiǎn)防控體系，實(shí)現(xiàn)城市水系統(tǒng)的優(yōu)化管理。