城市水循環演變及對策分析

王 浩，王 佳，劉家宏，梅 超

（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.水利部水資源與水生態工程技術研究中心，北京 100038）

1 研究背景

城市是人類文明的集中載體。隨著人類社會的不斷發展，城鎮化也將高度發達。聯合國2018年的報告顯示，1950年，全球人口的30%是城市人口，2018年全球55%的人口是城市人口，到2050年，預計世界68%的人口將居住在城市。全球特大型城市的數量也在急劇上升。1990年，全球只有10個人口超過1000萬的特大型城市，2018年已增至33個，預計到2030年將增至43個，主要位于發展中國家[1]。我國是世界上最大的發展中國家，城鎮化率從2000年的36.22%增加到了2019年的60.60%。我國正處于快速城鎮化階段，在新型城鎮化戰略的進一步推動下，未來一段時間內，我國的城鎮化率以及城市人口將進一步增加。

隨著城鎮化的快速發展，人水關系逐漸增強，水循環和人類逐漸演變成為一個耦合系統[2]。水循環由自然水循環逐漸演變為“自然-社會”二元水循環模式[3]。城市是人類活動與自然水循環相互耦合最劇烈的區域，在自然、社會等多種因素的綜合影響下，城市水循環的過程與結構呈現復雜化，由此引發的城市水問題越來越突出[4]。我國城市目前正面臨著水災害頻發、水資源短缺、水環境污染、水生態退化等新老四大水問題[5-6]。未來在快速城市化和氣候變化的大背景下，水問題呈復雜化、綜合化趨勢，城市水循環面臨嚴峻挑戰，成為制約經濟社會持續健康發展的突出瓶頸[7-8]。如何應對這一嚴峻形勢，既是一個具有現實緊迫性的問題，也是一個具有長遠戰略意義的問題。

城市水循環演變機理及過程是當前水文水資源學研究的熱點問題[9]。由于城市水循環的“自然-社會”二元性和復雜性，量化水在時間和空間上的變化非常困難。現有研究對氣候變化、城市發展、人類社會經濟活動等多因素影響下，水資源開發利用過程、供水、用水、回用、污水和雨水等城市水循環過程、流域二元水循環及其伴生水生態和水環境過程、大尺度陸地水循環過程的變化規律及發展趨勢進行了探索[10-13]。這些研究解析了水循環變化過程及其關鍵影響因素，但未能綜合分析影響因素及整個城市水循環過程間復雜的相互作用及演化機理。目前為止，涵蓋整個城市水循環系統演變機理及過程的定量化綜合集成模型仍然處于起步階段[14]。

本文將在識別城市水循環的演變機理和驅動機制的基礎上，系統剖析城市水問題的產生根源，并對發展情勢做出判斷，進而闡述未來城市水循環構建的總體思路和關鍵策略，為科學推動未來城市水循環的可持續發展提出切實可行的實現途徑。

2 城市水循環的演變歷程及機理

2.1 城市水循環演變歷程人類經濟社會的發展過程也是人類對自然水循環逐漸介入的過程[15]。隨著城市的發展，城市水循環的演變過程大致可以分為三個階段：工業化前階段，工業化初期階段和大規模工業化、快速城市化階段。

工業化前階段：早期的城市出現在原始社會到奴隸社會的過渡時期。畜牧業、手工業和商業社會分工出現后，人類開始聚居并形成了城市。以飲用水為主的城市供水系統逐漸建立，并開始修建排水溝渠將雨污水引入附近的水體，形成了早期的合流制排水系統。這個階段人類對自然水循環的擾動微乎其微。

工業化初期階段：第一次工業革命標志著人類跨進了以機器代替手工的工業時代。清末我國開始了工業化的起步，一直到1949年。這一時期工業發展速度較為緩慢，城市的人口和經濟得到一定集聚，供水服務范圍擴大，污水排放增加，水源開始受到污染。為應對水源污染問題，出現了城市的凈水和污水處理單元。這個階段的水循環模式仍以自然水循環為主導。

大規模工業化、快速城市化階段：改革開放政策帶來了我國經濟的騰飛。我國的工業化和城市化進入飛速發展階段。隨著人類開發利用水資源強度的加大，自然水循環的轉換路徑、轉換方式和轉換強度被改變，城市水循環已經從“自然”模式占主導逐漸轉變為“自然-社會”二元模式[16]。人類活動持續干擾下，自然水循環和社會水循環耦合過程演變失衡，并且呈現持續惡化趨勢，引發了城市水災害、水資源、水生態、水環境等一系列水問題。

未來城市要走可持續發展之路。城市化發展的大背景下，“自然—社會”二元水循環基本模式不會改變，未來城市水循環要通過對社會水循環過程各環節的調控，通過對自然水循環的保護和恢復，使社會干擾不超過自然水循環的承載能力，以達到自然水循環與社會水循環耦合平衡的目的。

綜上所述，總結城市水循環的演變歷程及發展趨勢如圖1所示。采用0～1來表示城市化程度和對自然水循環的擾動程度，0表示無城市化以及對自然水循環無干擾，1表示完全城市化或對自然水循環的完全干擾。

圖1 城市水循環演變歷程及發展趨勢

2.2 基于DPSIR的城市水循環演變機理分析“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”（DPSIR）模型通常用于識別和描述人類與環境系統演變過程中的驅動機制、交互過程和相互作用。DPSIR模型是一種系統動力學模型，基于特定指標的因果關系，分析人類社會與環境在過去到現在的演變規律和未來的發展方向，了解人類活動如何以及多大程度影響了自然系統，最終使決策者能夠就當前的環境質量以及將來可能引起的環境影響做出工程、政策和管理方面的反饋[17]。本文基于DPSIR模型，提出城市水循環演變的機理分析方法（圖2）。城市水循環的驅動力包括太陽輻射、氣溫、風、氣候變化等自然力以及經濟增長、人口擴張、土地利用等社會力。壓力是人類活動對自然水循環可能產生的直接擾動，包括社會需水、產污排污以及徑流等。狀態是指在壓力影響下水循環系統所處的狀態，包括自然水循環的匯集過程、樹狀結構、單項通量，以及社會水循環的耗散過程、網狀結構、雙向通量，也包括自然水循環與社會水循環之間在過程、結構、通量之間的動態耦合。影響是指水循環狀態改變引起的自然以及人類社會經濟結構的改變效應，包括資源效應——體現在徑流性水資源衰減，生態效應——體現在天然生態退化，環境效應——體現在水體和環境污染，社會效應——體現在科技水平，水價值觀與水文化的變化，經濟效應——體現在經濟發展狀態、產業結構、水的經濟價值與流向等變化[3]。響應是指人類在緩解水循環耦合狀態失衡方面所采取的對策，包括工程技術和政策與管理等。

圖2 城市水循環演變機理分析方法框架

3 城市水問題的產生根源及發展情勢

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，對自然水循環產生影響。隨著人類活動對自然水循環的影響逐漸加深，自然與社會水循環在循環通量上此消彼長，在循環過程上深度耦合，在循環功能上競爭融合[12]。自然生態系統和經濟社會系統逐漸演變失衡，是一系列城市水問題的產生根源。變化環境下城市水循環的脆弱性以及由此衍生的城市水災害、水資源、水生態、水環境等問題成為水科學研究的熱點[18]。水災害問題主要指氣候變化下的自然水循環過程演變失衡導致的洪澇災害事件；水資源問題主要指自然水循環-社會水循環過程演變失衡導致的缺水問題；水環境問題大多指與水循環伴生的水環境過程演變失衡帶來的水污染；水生態問題大多指與水循環伴生的水生態過程演變失衡帶來的水生態退化[9]。隨著全球氣候變化和快速城鎮化的發展，深刻剖析城市水問題的產生根源及發展情勢，客觀認識未來城市水循環面臨的主要矛盾是實現城市良性水循環的關鍵。

3.1 城市洪澇城市洪澇問題是多種因素綜合作用的結果。張建云等[19]、夏軍等[20]、程曉陶等[21]、黃國如[22]、宋曉猛等[23]分別從流域產匯流、城市化的水文效應、基礎設施建設、城市暴雨和水循環系統角度分析了我國城市洪澇的成因機制?？偟膩碚f，氣候變化帶來極端降水事件增多，城市“熱島效應”、“雨島效應”的影響，加之城市擴張使得區域不透水面積迅速增大，雨洪調蓄面積被擠占，導致城市范圍內徑流系數和徑流量增加，改變了自然水循環過程，導致城市洪澇風險增大。

全球范圍內，氣候變化與極端降水事件存在顯著的相關性[24]。Hirabayashi 等[25]和Dottori 等[26]構建的未來氣候預測模型顯示，全球洪水風險程度以及人員和經濟損失將隨氣候變暖的程度增加而增加?！吨袊鴼夂蜃兓{皮書（2019）》顯示，我國氣候系統變暖趨勢進一步持續，極端天氣氣候事件趨多趨強，氣候風險水平呈上升趨勢。不同增溫情景下氣候系統的響應及極端水文事件響應的差異及其應對策略是全球面臨的緊迫挑戰，亦是我國實現可持續發展戰略的迫切需求。

城市“熱島效應”是指城市的溫度顯著高于周圍鄉村[27]，城市“雨島效應”是指城市的短時強降雨顯著高于周圍鄉村[28]。城市“熱島”與“雨島”的共同作用，導致了城市極端降雨事件頻發，進而引發城市洪澇。

快速城市化帶來城市土地利用變化導致城市范圍的徑流量激增，加劇城市洪澇風險[29]。徐宗學[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律。柳楊等[31]研究了城鎮化背景下我國城市洪澇災害的演變特征。程曉陶[32]對城鎮化和氣候變化大背景下我國面臨的洪澇風險形勢進行了系統分析和判斷。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得到了廣泛的認識，但這種影響的量化和預測在水文學領域仍然是一個挑戰。

3.2 水資源短缺城市水資源的數量和質量對維持城市社會經濟發展具有重要意義。隨著經濟的發展和城市化進程，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。擴大的水資源供需矛盾造成城市自然-社會水循環矛盾越加尖銳。

從供水角度來說，城市可利用的水資源量受區域降水稟賦的影響。陸詠晴等[33]，使用區域降水量，降水時間和空間不均勻性以及氣候變化導致的極端干旱評估了我國各城市的水資源壓力?？傮w而言，我國城市水資源呈現北少南多的特點，氣候變化下，區域水資源不平衡狀況會進一步擴大。

從需水角度來說，城市化對水資源的需求是剛性的。Yang等[34]通過構建系統動力學模型，模擬了社會經濟增長對城市需水的影響。陳似藍等[35]以水資源需求場為理論基礎，以海河流域的城市為例定量剖析了城市社會經濟用水需求對自然水循環的干擾和驅動原理。欒勇等[36]通過構建分布式城市需水預測模型，模擬不同城市功能區的需水總量及其空間分布。我國仍處于社會經濟和城市化快速發展階段，剛性用水需求在今后較長一個時期會持續增加，需求結構會進一步演進。

圖3 2000—2019年我國城鎮化率及用水總量的變化過程

3.3 水污染污染源排放是發生水污染的首要條件。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境的影響；隨著城市化快速發展，人口迅速增長，人類活動增加引起污染物排放量明顯增多。圖4為2000—2018年我國廢水排放總體情況，廢水總量及生活污水排放量仍存在持續增加的趨勢。隨著污染物排放量的增加，對自然水循環伴生的水環境過程的擾動加大，超出了水體自凈能力，催生了水污染。隨著我國產業結構的不斷調整，工業用水效率的不斷提高，近10年來工業廢水排放量呈逐年減小趨勢。盡管工業廢水排放量已經得到有效控制，但突發的工業水污染事件仍對水環境造成巨大的壓力[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，河道內淤泥、城市垃圾等導致水流不暢、水動力學條件不足，加劇了水污染[38]。

城市水循環是水污染過程的載體。水污染成因復雜，在區分不同地區、污染源、水體類型等的基礎上，構建水文水質或水動力水質耦合模型，綜合分析污染源輸入構成及負荷與水污染形成、遷移、轉化等一系列過程的響應機理，未來需要進一步探索[38-40]。

3.4 水生態退化城市建設擠占了原有的生態系統，導致植被破壞，水土流失，濕地退化，湖泊萎縮，河湖水體破碎，生態斑塊、廊道整體連通性減弱，水生態呈持續退化態勢，生態系統服務功能大幅喪失。同時，地下水的嚴重超采，也造成對地表水生態系統的破壞性影響。尤其我國京津冀、長三角、珠三角等城市群區域城市建設范圍廣、強度高，水資源開發量大，導致生態環境承載力脆弱，保護水生態環境形勢嚴峻。

水循環過程控制著水生態系統特征、功能和過程。水文條件的改變是水生態退化最主要的驅動因素[41]。為集成研究水循環及其伴生的水生態過程，衍生出了生態水文學，并受到學術界的高度重視[42]。Fraaije 等[43]采用動態監測的方法，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]通過構建濕地水文-水動力-生態耦合模型，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系，并定量評估了地下水超采對地表水生態環境的影響機制。城市化背景下二元水循環自身演變失衡問題沒有得到有效解決的情況之下，水生態退化風險將會持續，水生態保護與恢復任務艱巨。

圖4 2000—2018年我國廢水排放總體情況

4 城市水循環調控總體思路

4.1 城市水循環調控的四大戰略城市水循環的系統性和城市水問題的復雜性決定了未來城市水循環調控方向必定是綜合的。在深刻剖析城市水循環的演變機理和城市水問題產生根源的基礎上，概括提出理水、用水、治水和管水四大戰略。四大戰略相互依存、相互影響，綜合協同實現城市水循環的可持續發展，如圖5所示。

理水戰略：水城共融，構建和諧的城水關系。和諧的城水關系，是科學配置城市水資源，提升城市功能，改善人居環境，增強城市競爭力，實現人與自然協調發展的前提和基礎。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、經濟、文化等的相互聯系、相互作用的最佳融合方式，讓水中蘊含的生態價值、經濟價值、文化價值和美學價值等得以充分發揮。在城市化進程中，要持續秉承“建城先理水”的思路，把理水建城理念貫穿城市規劃、建設、發展與管理的全過程。

圖5 城市水循環調控的四大戰略及其相互關系

用水戰略：嚴格利用，構建集約的社會水循環。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強度雙控，減少從自然水循環取水，提高用水效率，減少向自然水循環排放污水，減少對自然水循環的干擾，實現社會水循環從粗放式向集約式的轉化，以維持自然與社會水循環結構、過程和通量的平衡。

治水戰略：系統治水，保障良性的自然水循環。系統治水要尊重水循環的自然規律，維系和恢復城市健康的水環境。海綿城市理念以保障良性的自然水循環為出發點，為我國城市系統治水提供了新思路。海綿城市理念是適合中國國情的城市水問題生態化的綜合治理戰略，既是城市水問題治理的中國智慧，也是人類學習大自然智慧的集中體現。

管水戰略：智慧水務，助力精細的水務管理。隨著人工智能技術的發展，智慧水務的構想應運而生。智慧水務的目標是充分利用云計算、大數據分析、物聯網技術、地理信息系統以及水文、水動力模型等，深入挖掘和廣泛運用水務信息資源，通過水務信息采集、傳輸、存儲、處理和服務，全面提升水務管理的效率和效能，實現水務的動態和精細化管理。

4.2 城市水循環調控的八字方針以上述四大戰略作為方向指引，概括提出城市水循環調控“安”“和”“暢”“?！薄肮潯薄盎亍薄皟簟薄爸恰卑俗址结?，統籌綜合調控城市水循環。

安：確保水安全。要保障水源地，全面提高水廠運行安全系數，加強供水管網的檢測和改造，加強飲用水衛生監測，確保供水安全。要加強風險管理，合理布局防洪治澇體系，既要防城市外過境洪水——“外水”，又要治城市內積存澇水——“內水”，構筑“由外向內、由內向外”兩道防線（圖6），綜合統籌內外水，保障防洪治澇安全。

圖6 城市防洪治澇兩道防線

和：水城共融、人水和諧。處理好城水關系、人水關系對于構建可持續城市水系統至關重要。實現水城共融，就要做到以水定城，以水定人、以水定產、以水定地，把水資源作為城市的剛性約束。

暢：河湖水系健康通暢，保持一定的水動力。河湖水系連通性是城市河流健康以及提高水資源利用的一個重要指標。通過疏導、溝通、引排、調度等措施，維持河湖水系連通，提高水資源利用，保障行洪，保持一定的水動力，改善水生態環境和維持生物多樣性。

保：保護水生態環境。加強城市水系的保護與生態修復，加強城市黑臭水體的治理力度，恢復城市雨水循環的自然通道，保障城市水生態環境健康。

節：節約用水、高效利用。在宏觀上要控制自然水資源的開采量，在用水的各個環節上要完善節水法規和標準體系，優化配置水資源，應用先進的節水技術，控制社會水循環的通量，實現水資源的節約和高效利用。

回：污廢水和雨水再生回用。社會用水要實現從“直線型”用水模式向“循環型”用水模式的轉變。在城市乃至城市群間，進行污廢水和雨水的分類施策、分質循環利用，加強社會水循環轉小圈，等于在社會用水單元上的水通量加大，減少了對自然水循環的干擾。

凈：源頭減排、過程阻斷、末端治理。水污染治理與防控由傳統以“末端治理”為主的思路，轉變為“源頭減排、過程阻斷、末端治理”的思路，全過程、多尺度、最大化減少污染排放對河流下游的干擾和沖擊。

智：智慧水務。綜合采用氣候模型、水文模型、水資源配置模型與宏觀經濟多目標決策模型及其耦合模型等，實現對城市二元水循環及其伴生的“水資源-水環境-水生態”三大系統全方位的耦合模擬，建立精細化的城市水循環監測、分析、預警、調度和管理工具，為城市水循環調控提供技術支撐。

5 結論與展望

城市化是世界經濟社會發展的大趨勢，未來城市水循環將會面臨更加嚴峻的挑戰，城市治水是未來生態文明建設的重點和基礎之一。本文基于“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”（DPSIR）模型，提出了城市水循環演變機理分析方法。以“自然-社會”二元水循環理論為基礎，剖析了自然水循環過程、自然水循環-社會水循環耦合過程、與水循環伴生的水環境過程以及與水循環伴生的水生態過程逐漸演變失衡的發展歷程，這種“不平衡”是一系列城市水問題的產生根源。論文綜述了城市洪澇、水資源短缺、水污染和水生態退化等四大水問題的形成機理及發展情勢。未來要加強城市水循環過程、機理和預測的綜合集成模型研究，要在保護“山水林田湖草”生命共同體的基礎上維系城市水循環系統健康，進行水循環過程、水環境過程、水生態過程等多過程的耦合調控，以應對不同水問題的交織和疊加。未來城市水循環調控須落實“理水”“用水”“治水”“管水”四大戰略，貫徹“安”“和”“暢”“?！薄肮潯薄盎亍薄皟簟薄爸恰卑俗址结?，綜合應用現代化技術手段，讓自然水循環和社會水循環高效、協調、共生共榮，最終實現城市水循環系統的可持續發展。本文作為基礎研究，僅做了理念層面的梳理和探討，至于如何落實“四大戰略”，貫徹城市水治理“八字方針”，尚需進一步深化探討。未來擬在該頂層設計框架的基礎上，提出“八字方針”落實情況的指標體系及其量化方法，為城市水治理方案評估和效果考核提供技術支撐。