任南琪院士：城市水系统发展历程分析与趋势展望
水是关乎人类生存、生活和生产的基础性自然资源和战略性经济资源。联合国《2020年全球水资源发展报告》指出，因人口增长、经济发展和消费模式的转变，全球水资源消耗量在过去100年里增长了6倍，并继续以每年约1%的速度稳步增长；到2050年，全球将有超过20亿人口生活在水资源严重短缺的国家和地区，将有22个国家面临严重的水资源紧缺问题。
对于我国而言，淡水资源总量仅占全球的6%，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4。改革开放以来，我国利用有限的水资源支撑了大规模的工业化和城镇化进程，但同时也带来了具有复杂性、挑战性和多样性的水环境污染和水资源短缺问题，国家的水生态安全受到了严峻挑战。
城市水系统是社会、经济和环境要素共生发展的产物，是水的自然循环和社会循环的耦合载体，包括城市地表水和地下水、城市供水、城市排水、城市再生水、城市内涝防治以及城市河湖水体等系统单元。优化重构城市水系统的建设和发展模式，是统筹水资源、水环境、水生态治理的关键抓手，是全面提升城市水资源利用效率、保障国家水安全、促进经济高质量发展的重要举措。
▲城市水系连通 资料图片
城市水系统以水的社会和自然循环为对象，研究其水量和水质的复杂变化规律以及水生态安全保障的工程技术问题，以实现水资源健康循环和可持续利用。城市水系统的建设与发展需面向新时代国家生态文明建设的总体方针和需求，以“提高水资源效率、提升水环境质量、恢复水生态功能、保障水健康循环”为导向，遵循“因地制宜、科学规划、绿色低碳、经济高效”的原则，满足人民日益增长的安全用水需求，实现城市可持续发展、自然生态系统健康、人居环境质量改善的协调统一。
本文基于历史视角梳理了城市水系统的发展历程，分析和总结各历史时期城市水系统迭代发展的背景、取得的成就和存在的不足，并探讨未来城市水系统创新发展的若干关键任务和要点，为深入实施国家节水行动方案、推进水资源节约集约利用提供科学建议，以满足增进人类福祉和保障水生态安全的重大需求。
城市水系统的发展历程
自古以来，城市的发展离不开水，基本遵循“依水而居、因水而兴”的普遍规律。清洁的水资源满足了城市生产生活、生态宜居、航行运输、景观娱乐等多种需求。纵观历史，城市水系统随着城市的兴起而出现，也伴随城市化进程而变革，是人类文明发展的重要组成部分之一。我国5000多年文明发展史中，城市发展的历史可分为古代、近代、现代等不同阶段，相应地，城市水系统的发展史也可根据其建设模式和技术特征划分为古代、近代和现代等三个阶段。
古代城市水系统
据考古发现，3000年前我国商朝都城殷墟就已拥有具备供排水功能的城市水系统雏形。随着生产力发展，特别是畜牧业、手工业、商业社会分工的出现，人类开始聚居并形成了城市。此时，城市水系统的主要功能是满足居民饮水需求，其特征是以井水、泉水以及河渠湖池为主要水源，通过建造基于重力作用的管渠系统以及一些简单的配套设施实现城市居民用水供应。在排水方面，居民产生的尿液和粪便，起初是由周边的庭院或农田消纳，伴随人口增长和城区民宅日益密集，人们开始通过修建简易排水沟渠以及陶制管道将污水、雨水就近排入自然水体，城市合流制排水系统的雏形就此形成。
▲清理排水沟渠 摄/严文辉
近代城市水系统
18世纪中叶第一次工业革命爆发后，全球城市人口快速增长，社会经济飞速发展，但也造成了人类史上第一次大规模的环境污染。城市居民日益增加，日常产生的尿液、粪便、垃圾得不到及时处理，直接排入自然水体，造成了城市水源污染，继而引发了霍乱、伤寒等介水传播疾病。为解决水源污染以及环境卫生问题，城市供水系统日臻完善。初期，主要通过工程规模扩张来应对问题，例如，将取水口向河流上游迁移或者修建远距离排水管道，但这些措施无法长效地解决问题。水质净化（例如过滤和消毒）和污水处理（例如早期沉淀分离，以及1912年英国人发明的活性污泥法）工艺的出现，成为近代城市水系统发展完善的标志。
现代城市水系统
自20世纪中叶至今，得益于民众环保意识的觉醒和科学技术的发展，给水和污水处理工艺技术也在不断地优化升级，新型处理技术层出不穷。然而，伴随当前城市人口增长和经济的高速发展，城市可持续发展面临水资源短缺、排水溢流污染、河湖富营养化等新的挑战。这些问题既破环了水生态健康，又极大限制了经济社会发展。另一方面，人们也开始意识到开源节流的重要性。推广使用节水器具，开发再生水、雨水和海水等非常规水源，规划设计分流制排水系统，采取合流制溢流控制策略等措施成为当前城市水系统创新发展的方向。其中最为重要的变革，是人们开始基于系统思维重新思考传统城市水系统的规划设计和运行管理模式，而海绵城市与智慧水务的提出和实践，则是当代城市水系统创新发展的重要代表。
海绵城市的起源与发展
2013年，习近平总书记在中央城镇化会议中提出要建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市，这是新时代城市水资源管理和水生态环境改善的新理念。海绵城市是指城市在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”和“韧性”，海绵城市建设旨在重点解决城市涝灾与城市水体污染等问题，充分考虑水资源、水环境、水生态、水安全、水文化，满足城市水系统的统筹管理、保护与利用，实现“蓝绿融合”、“灰绿结合”，缓解热岛效应，确保生态优先、绿色低碳发展。
海绵城市建设是具有中国特色的城市水系统综合治理理念，基于海绵城市理念提出的城市水循环系统4.0，针对“源—网—厂—河湖”关键单元的统筹考虑，是对当代城市水系统的完善和提升。2014年以来，国务院及住房和城乡建设部相继发布《关于推进海绵城市建设的指导意见》《海绵城市建设技术指南》及《海绵城市建设绩效评价与考核办法（试行）》等，部署推进海绵城市建设工作。自2015年起，我国部分城市开展了海绵城市试点，并在解决城市内涝、水资源短缺以及水环境质量恶化等方面取得了显著成效，也得到了国际认可和重视。
▲透水砖助力海绵城市建设 资料图片
智慧水务的提出与发展
水务领域创新发展主要分为智能化、信息化和智慧化三个阶段。其中，智能化阶段的实现以机械设备的自动化为核心，重点在于提升供水厂和污水厂的生产效率、优化工艺技术，从而减少资源能源浪费；而信息化阶段则是运用无线传感、3G等技术构建各涉水部门的业务信息系统，实现水务企业信息资源的集成管理。随着2018年“智慧地球”“智慧城市”等概念的提出，水务领域进入了智慧化发展阶段。
智慧水务是充分利用物联网、大数据、云计算及移动互联网等新一代信息技术，对供水、排水、节水、水处理、防涝等水务关键环节进行智慧化管理，深入挖掘和广泛运用水务信息资源，全面提升水务管理效率和效能，实现状态感知、主动服务、整合资源、科学决策以及自动控制和应对未知风险等多目标，从而保障供水系统从“源头”到“龙头”的水质安全，以及“源—网—厂—河湖”一体化管控，实现城市宜居和水体生态环境安全。
自2019年起，随着一系列中央政策文件的颁布，智慧水务行业蓬勃发展，多数省份均发布相关实施方案和行动计划，充分结合各地特色推动智慧水务建设。如大力发展智慧管网，推动数字化升级改造，构建监控调度平台，强化河湖一体化智慧管理，基于城市水系统打造空天地一体化数据采集、感知和智慧管控，是其中代表性举措。
城市水系统取得的成就和存在的不足
城市水系统取得的成就
古代：具备基本的城市供水排水功能
古代城市水系统主要由沟渠、壕池以及天然河湖组成，其中输水管道系统以陶质、铅质为主。随着城市规模的扩大，城市居民的日常用水排水需求不断增加，这使得城市供排水系统的工程规模不断突破。3000年前殷商时期都城殷墟，人口达10万人，城池内排水系统发达，每家每户排出的污水通过陶管排出，并经三通连接进入干管，干管排水流入沿道建设的大型边沟，最后汇入河道、池苑水体等得以自然净化。公元前约200年，西汉长安城修建了周长约为20km的昆明湖用于调蓄排水。在西方，公元前约300年，古罗马建成了可以满足50万人口需求的供排水系统，以河道、管道或地下隧道组成了长达400km的引水渠，中途设有倒虹吸管、沉砂水槽、人工水塘等设施。在满足居民日常供排水需求的推动下，古代城市水系统形成了基本的供水排水能力，有效保障了城市聚集群落扩建与长期稳定发展。
近代：发展水质净化基础理论和工艺技术
第一次工业革命爆发后，人口经济迅速增长对城市水系统的完善提出新要求。由于环境质量的急剧恶化，城市水系统功能进一步升级，即在基本的供排水管道网络上增设了饮用水净化和污水处理单元，以应对新出现的水源污染和环境卫生问题，减少介水传播的疾病患病率，进一步提高饮水的卫生安全，并形成了过滤和消毒结合的典型给水工艺，以及初级沉淀加活性污泥法的经典二级污水处理工艺，为日后诸多城市水处理系统的设计开发奠定了基础的工艺形式。
现代：完善水污染控制和水质安全保障体系
20世纪中叶，工业发展和环境质量问题日益突出，一系列新型的水处理技术、工艺形式和理论得以开发和应用。饮用水厂采用臭氧—活性炭技术或超滤工艺，有效去除了水中低浓度有毒有机物和重金属，污水厂增设过滤、活性炭、离子交换和消毒单元进一步提升出水水质。由此，城市水系统在实现水污染控制和饮用水安全保障等方面取得了巨大成就。20世纪60年代，美国提出了“21世纪水厂”概念并进行了实践，通过对传统污水处理工艺的出水进行微滤、超滤、紫外消毒的再处理，将污水处理标准提升至饮用水标准，而后注入地下含水层，实现间接饮用的目的，这一创新实践对污水再生利用产生了深远影响。此外新加坡的“NEWater新生水”工艺、中国的海绵城市、污水资源概念厂等系列创新举措，都为城市水系统的未来发展指明了重要方向。
▲巡河员打捞河道水草 摄/吴拯
城市水系统存在的不足
尽管城市水系统在过去千年间得到了长足发展，但仍存在一些不足，主要体现在前瞻性、生态性、系统性和整体性等方面的缺失。
缺乏前瞻性
城市水系统具有复杂的时空动态特征，其动态性根据发生的时间尺度可以划分为小、中、大三个层次。小时间尺度的动态性主要包括城市用户用水和排水的时间变化、水系统管网输送延迟以及自然降雨引起的动态性；中时间尺度的动态性主要包括城市水系统服务区发展而导致的动态性；大时间尺度的动态性主要包括由于自然气候、技术进步和社会行为变化给系统带来的广义的动态性。这些动态特征为城市水系统的规划设计带来不确定性。
在目前规划体系中，城市水系统通常被认为是一个稳态的确定性系统，对系统描述的失真使规划后的系统在运行过程中存在可靠性下降、脆弱性突出、系统间协调性较差等一系列问题。尤其在人口经济快速发展、全球气候变化背景下，未来水量和水质的变化将存在巨大的不确定性，如若缺乏对城市水系统的前瞻性规划设计，将可能进一步地加剧水资源短缺、内涝、干旱、水污染等限制人类发展、影响社会安全稳定的水问题。
缺乏生态性
城市是自然生态系统和人工技术耦合的复杂体系，水系统作为其重要组成部分，同样具有不可忽视的生态性。城市水系统是城市圈内水资源与社会、环境和生态各要素之间相互作用而形成的以水为中心的复杂系统，具有污染净化、环境调节、水文调节、景观娱乐和水源补给等重要功能。然而在既有的治水实践过程中，城市水资源供给、水环境治理及水安全保障过度依赖灰色基础设施，强调借助工程技术解决水问题，通过投入大量的能源和药剂实现水安全保障，并未充分发挥自然系统的生态服务功能，“灰绿”基础设施融合不充分、系统耦合不紧密，造成城市水系统运行能耗物耗高、碳排放量大等问题，既有城市水系统距离绿色低碳目标仍有较大的发展空间。
缺乏系统性
城市水系统包括水源、给水、用水、排水、回用、雨水以及城市水体等系统单元，它们之间具有自然的关联性，存在互馈机制。但是，目前对城市水系统的规划设计和建设管理却缺乏对其系统性的考虑。在设计规划阶段，给水、排水、再生水及雨水各单元基本独立，并未充分考虑系统单元之间的关联和协调，也未考虑其他系统单元对自身的影响；在日常管理运行阶段，各个系统单元通常分属不同的管理部门，无法实现综合管理。由此导致各个系统单元在规划设计时只考虑自身的要求和可靠性，但当各个系统单元投入使用时，彼此缺乏联动，使得整个系统功能难以充分发挥。例如，在城市发展过程中，城市及周边的河流、坑塘、湿地、绿地、林草等“蓝绿”空间被大量侵占，削弱了水生态系统在污染自净、环境调节、水文调节、景观娱乐和补充水源等多个方面的重要功能，阻断了水的自然循环，降低了城市应对水问题的韧性，增加了区域水资源供应、水安全保障的压力。
缺乏整体性
城市水系统是复杂城市大系统的重要组成部分，是水自然循环和社会循环在城市空间的耦合，涉及城市水资源开发、利用、保护和管理的全过程。在城市水系统规模较小时，各系统单元的功能相对单一，互动过程也较为简单，虽然彼此之间存在联系但并不紧密。
然而，随着水源污染加剧和用水需求增加，各系统单元之间的关系逐渐发生变化，例如一些城市因水源污染而需要在净水厂前端设置污水处理设施对原水进行预处理，而一些城市因缺水需要对污水厂的出水进行深度处理后作再生水利用。此时，供水和排水两个系统单元便相互交织成为了一体。城市水源、供水、用水、排水等系统单元之间的关系变得越来越密切，相互间的制约或支撑作用也越来越明显。然而，既有的城市水系统规划管理往往是借助现代工程措施快速解决局部的水问题，城市水务管理只负责供水、排水与污水处理中的部分环节，没有实现全方位、全地域、全过程治理，显然难以适应城市水系统的整体性要求。
城市水系统创新发展任务与展望
基于以上回顾和总结，探讨在新时代生态文明建设新要求下，未来城市水系统创新发展的主要任务和关键要点，为新形势下深入实施国家节水行动、大力推进水资源节约集约利用提供参考借鉴。
关键要点
提高水资源效率
提高传统水资源利用效率，丰富非常规水源的开发利用途径，形成水量充沛、水质优良、安全高效的水资源保障体系，实现水资源的可持续利用，按照以水定城、以水定地、以水定人、以水定产“四水四定”原则，助力经济高质量发展。
提升水环境质量
加强城市污水综合整治，推进雨污分流制排水系统完善和污水处理提质增效协同绿色低碳发展，有效控制城市水体污染和消除黑臭，以进一步完善城市功能，提升城市品位，改善人居环境。
恢复水生态功能
建设功能复合、绿色生态的城市水基础设施，实现“蓝绿融合连片”“灰绿结合低碳”，将水系统各类设施因地制宜、统筹考虑，保护和修复山水林田湖草沙等生态空间，树立以生态功能发挥、生态安全保障和生物多样性构建为指导的水体保护理念。
保障水健康循环
充分挖掘城市“蓝绿”资源构建雨水大排水系统，改善城市下垫面硬化状况，实现小区、道路、广场等暴雨径流控制和初雨污染减排，消减城市内涝和面源污染。提高涉水安全事件的预警和应急能力，以确保城市供水安全，保障人民生命财产安全。
▲城市水生态岛 摄/耿玉和
发展趋势
探索非常规水源的生态融合与资源高效利用
我国淡水资源严重匮乏，人均淡水资源拥有量仅为世界平均值的1/4，雨水和污水等非常规水源已成为重要的水资源。非常规水源的生态处理、生态储存和生态利用已经成为国家重大需求和科技前沿。未来，如何针对不同用水目标和多尺度循环过程，针对非常规水源中不断检出的优控污染物和新污染物，发展以健康为终点效应的水安全评价方法，研发水中风险物质高效控制方法与技术体系，对实现城市非常规水源的高效开发、绿色储存与安全利用具有重要意义。
建设“蓝绿融合”与“灰绿结合”的水设施
涉水基础设施作为城市建设的重要组成部分，是民生保障的基石。未来，涉水基础设施的建设应统筹发挥自然生态功能和人工干预功能，即充分利用城市河湖水系和自然土壤、人工湿地等“蓝色”和“绿色”自然生态系统，科学强化管渠系统、物化净水单元等城市的“灰色”基础设施建设。在城市水系统基础设施规划管理中，充分协调统筹“蓝”“绿”“灰”三类基础设施，并与城市土地利用规划、水系统优化布局等城市综合规划和涉水专项规划相协调、相适应。
实现水生态完整性重构与水体功能恢复
维持水生态的健康完整是发挥水生态功能的关键。水生态完整性包括水文情势时空变异性、河湖地貌形态空间异质性、河湖水系三维连通性、适宜生物生存的水体物化特性、食物网结构和生物多样性。各生态要素相互作用，形成完整的结构并具备一定的生态功能。未来，应将生态学理念与环境工程方法充分融合，以“生态优先、绿色低碳”为目标，重构城市的水生态完整性，维系水生物多样性，恢复水生态功能，构建可持续的城市水系统，支撑城市的高质量发展。
发展城市水系统智慧感知与风险防控体系
城市水系统具有系统性、整体性、复杂性和面向未来的不确定性，对其进行全过程、全要素的智慧管控具有重要意义。未来，城市水系统需结合社会、经济、环境和生态全要素大数据信息，开展数字规划和前瞻设计，以应对人口发展、气候变化和突发疫情等不确定因素对城市水系统安全的影响。应构建空天地一体化环境大数据与人工智能平台，实时感知城市水系统的状态变化与面临的潜在风险，构建智慧化的风险防控体系，实现城市水系统的优化管理。
