水是關乎人類生存、生活和生產的基礎性自然資源和戰略性經濟資源。聯合國《2020年全球水資源發展報告》指出，因人口增長、經濟發展和消費模式的轉變，全球水資源消耗量在過去100年里增長了6倍，并繼續以每年約1%的速度穩步增長；到2050年，全球將有超過20億人口生活在水資源嚴重短缺的國家和地區，將有22個國家面臨嚴重的水資源緊缺問題。
對于我國而言，淡水資源總量僅占全球的6%，人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4。改革開放以來，我國利用有限的水資源支撐了大規模的工業化和城鎮化進程，但同時也帶來了具有復雜性、挑戰性和多樣性的水環境污染和水資源短缺問題，國家的水生態安全受到了嚴峻挑戰。
城市水系統是社會、經濟和環境要素共生發展的產物，是水的自然循環和社會循環的耦合載體，包括城市地表水和地下水、城市供水、城市排水、城市再生水、城市內澇防治以及城市河湖水體等系統單元。優化重構城市水系統的建設和發展模式，是統籌水資源、水環境、水生態治理的關鍵抓手，是全面提升城市水資源利用效率、保障國家水安全、促進經濟高質量發展的重要舉措。
▲城市水系連通 資料圖片
城市水系統以水的社會和自然循環為對象，研究其水量和水質的復雜變化規律以及水生態安全保障的工程技術問題，以實現水資源健康循環和可持續利用。城市水系統的建設與發展需面向新時代國家生態文明建設的總體方針和需求，以“提高水資源效率、提升水環境質量、恢復水生態功能、保障水健康循環”為導向，遵循“因地制宜、科學規劃、綠色低碳、經濟高效”的原則，滿足人民日益增長的安全用水需求，實現城市可持續發展、自然生態系統健康、人居環境質量改善的協調統一。
本文基于歷史視角梳理了城市水系統的發展歷程，分析和總結各歷史時期城市水系統迭代發展的背景、取得的成就和存在的不足，并探討未來城市水系統創新發展的若干關鍵任務和要點，為深入實施國家節水行動方案、推進水資源節約集約利用提供科學建議，以滿足增進人類福祉和保障水生態安全的重大需求。
01 城市水系統的發展歷程
自古以來，城市的發展離不開水，基本遵循“依水而居、因水而興”的普遍規律。清潔的水資源滿足了城市生產生活、生態宜居、航行運輸、景觀娛樂等多種需求。縱觀歷史，城市水系統隨著城市的興起而出現，也伴隨城市化進程而變革，是人類文明發展的重要組成部分之一。我國5000多年文明發展史中，城市發展的歷史可分為古代、近代、現代等不同階段，相應地，城市水系統的發展史也可根據其建設模式和技術特征劃分為古代、近代和現代等三個階段。
古代城市水系統
據考古發現，3000年前我國商朝都城殷墟就已擁有具備供排水功能的城市水系統雛形。隨著生產力發展，特別是畜牧業、手工業、商業社會分工的出現，人類開始聚居并形成了城市。此時，城市水系統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，通過建造基于重力作用的管渠系統以及一些簡單的配套設施實現城市居民用水供應。在排水方面，居民產生的尿液和糞便，起初是由周邊的庭院或農田消納，伴隨人口增長和城區民宅日益密集，人們開始通過修建簡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的雛形就此形成。
▲清理排水溝渠
近代城市水系統
18世紀中葉第一次工業革命爆發后，全球城市人口快速增長，社會經濟飛速發展，但也造成了人類史上第一次大規模的環境污染。城市居民日益增加，日常產生的尿液、糞便、垃圾得不到及時處理，直接排入自然水體，造成了城市水源污染，繼而引發了霍亂、傷寒等介水傳播疾病。為解決水源污染以及環境衛生問題，城市供水系統日臻完善。初期，主要通過工程規模擴張來應對問題，例如，將取水口向河流上游遷移或者修建遠距離排水管道，但這些措施無法長效地解決問題。水質凈化（例如過濾和消毒）和污水處理（例如早期沉淀分離，以及1912年英國人發明的活性污泥法）工藝的出現，成為近代城市水系統發展完善的標志。
現代城市水系統
自20世紀中葉至今，得益于民眾環保意識的覺醒和科學技術的發展，給水和污水處理工藝技術也在不斷地優化升級，新型處理技術層出不窮。然而，伴隨當前城市人口增長和經濟的高速發展，城市可持續發展面臨水資源短缺、排水溢流污染、河湖富營養化等新的挑戰。這些問題既破環了水生態健康，又極大限制了經濟社會發展。另一方面，人們也開始意識到開源節流的重要性。推廣使用節水器具，開發再生水、雨水和海水等非常規水源，規劃設計分流制排水系統，采取合流制溢流控制策略等措施成為當前城市水系統創新發展的方向。其中最為重要的變革，是人們開始基于系統思維重新思考傳統城市水系統的規劃設計和運行管理模式，而海綿城市與智慧水務的提出和實踐，則是當代城市水系統創新發展的重要代表。
海綿城市的起源與發展
2013年，習近平總書記在中央城鎮化會議中提出要建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市，這是新時代城市水資源管理和水生態環境改善的新理念。海綿城市是指城市在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”和“韌性”，海綿城市建設旨在重點解決城市澇災與城市水體污染等問題，充分考慮水資源、水環境、水生態、水安全、水文化，滿足城市水系統的統籌管理、保護與利用，實現“藍綠融合”、“灰綠結合”，緩解熱島效應，確保生態優先、綠色低碳發展。
海綿城市建設是具有中國特色的城市水系統綜合治理理念，基于海綿城市理念提出的城市水循環系統4.0，針對“源—網—廠—河湖”關鍵單元的統籌考慮，是對當代城市水系統的完善和提升。2014年以來，國務院及住房和城鄉建設部相繼發布《關于推進海綿城市建設的指導意見》《海綿城市建設技術指南》及《海綿城市建設績效評價與考核辦法（試行）》等，部署推進海綿城市建設工作。自2015年起，我國部分城市開展了海綿城市試點，并在解決城市內澇、水資源短缺以及水環境質量惡化等方面取得了顯著成效，也得到了國際認可和重視。
▲透水磚助力海綿城市建設 資料圖片
智慧水務的提出與發展
水務領域創新發展主要分為智能化、信息化和智慧化三個階段。其中，智能化階段的實現以機械設備的自動化為核心，重點在于提升供水廠和污水廠的生產效率、優化工藝技術，從而減少資源能源浪費；而信息化階段則是運用無線傳感、3G等技術構建各涉水部門的業務信息系統，實現水務企業信息資源的集成管理。隨著2018年“智慧地球”“智慧城市”等概念的提出，水務領域進入了智慧化發展階段。
智慧水務是充分利用物聯網、大數據、云計算及移動互聯網等新一代信息技術，對供水、排水、節水、水處理、防澇等水務關鍵環節進行智慧化管理，深入挖掘和廣泛運用水務信息資源，全面提升水務管理效率和效能，實現狀態感知、主動服務、整合資源、科學決策以及自動控制和應對未知風險等多目標，從而保障供水系統從“源頭”到“龍頭”的水質安全，以及“源—網—廠—河湖”一體化管控，實現城市宜居和水體生態環境安全。
自2019年起，隨著一系列中央政策文件的頒布，智慧水務行業蓬勃發展，多數省份均發布相關實施方案和行動計劃，充分結合各地特色推動智慧水務建設。如大力發展智慧管網，推動數字化升級改造，構建監控調度平臺，強化河湖一體化智慧管理，基于城市水系統打造空天地一體化數據采集、感知和智慧管控，是其中代表性舉措。
02 城市水系統取得的成就和存在的不足
城市水系統取得的成就
古代：具備基本的城市供水排水功能
古代城市水系統主要由溝渠、壕池以及天然河湖組成，其中輸水管道系統以陶質、鉛質為主。隨著城市規模的擴大，城市居民的日常用水排水需求不斷增加，這使得城市供排水系統的工程規模不斷突破。3000年前殷商時期都城殷墟，人口達10萬人，城池內排水系統發達，每家每戶排出的污水通過陶管排出，并經三通連接進入干管，干管排水流入沿道建設的大型邊溝，最后匯入河道、池苑水體等得以自然凈化。公元前約200年，西漢長安城修建了周長約為20km的昆明湖用于調蓄排水。在西方，公元前約300年，古羅馬建成了可以滿足50萬人口需求的供排水系統，以河道、管道或地下隧道組成了長達400km的引水渠，中途設有倒虹吸管、沉砂水槽、人工水塘等設施。在滿足居民日常供排水需求的推動下，古代城市水系統形成了基本的供水排水能力，有效保障了城市聚集群落擴建與長期穩定發展。
近代：發展水質凈化基礎理論和工藝技術
第一次工業革命爆發后，人口經濟迅速增長對城市水系統的完善提出新要求。由于環境質量的急劇惡化，城市水系統功能進一步升級，即在基本的供排水管道網絡上增設了飲用水凈化和污水處理單元，以應對新出現的水源污染和環境衛生問題，減少介水傳播的疾病患病率，進一步提高飲水的衛生安全，并形成了過濾和消毒結合的典型給水工藝，以及初級沉淀加活性污泥法的經典二級污水處理工藝，為日后諸多城市水處理系統的設計開發奠定了基礎的工藝形式。
現代：完善水污染控制和水質安全保障體系
20世紀中葉，工業發展和環境質量問題日益突出，一系列新型的水處理技術、工藝形式和理論得以開發和應用。飲用水廠采用臭氧—活性炭技術或超濾工藝，有效去除了水中低濃度有毒有機物和重金屬，污水廠增設過濾、活性炭、離子交換和消毒單元進一步提升出水水質。由此，城市水系統在實現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60年代，美國提出了“21世紀水廠”概念并進行了實踐，通過對傳統污水處理工藝的出水進行微濾、超濾、紫外消毒的再處理，將污水處理標準提升至飲用水標準，而后注入地下含水層，實現間接飲用的目的，這一創新實踐對污水再生利用產生了深遠影響。此外新加坡的“NEWater新生水”工藝、中國的海綿城市、污水資源概念廠等系列創新舉措，都為城市水系統的未來發展指明了重要方向。
▲巡河員打撈河道水草
城市水系統存在的不足
盡管城市水系統在過去千年間得到了長足發展，但仍存在一些不足，主要體現在前瞻性、生態性、系統性和整體性等方面的缺失。
缺乏前瞻性
城市水系統具有復雜的時空動態特征，其動態性根據發生的時間尺度可以劃分為小、中、大三個層次。小時間尺度的動態性主要包括城市用戶用水和排水的時間變化、水系統管網輸送延遲以及自然降雨引起的動態性；中時間尺度的動態性主要包括城市水系統服務區發展而導致的動態性；大時間尺度的動態性主要包括由于自然氣候、技術進步和社會行為變化給系統帶來的廣義的動態性。這些動態特征為城市水系統的規劃設計帶來不確定性。
在目前規劃體系中，城市水系統通常被認為是一個穩態的確定性系統，對系統描述的失真使規劃后的系統在運行過程中存在可靠性下降、脆弱性突出、系統間協調性較差等一系列問題。尤其在人口經濟快速發展、全球氣候變化背景下，未來水量和水質的變化將存在巨大的不確定性，如若缺乏對城市水系統的前瞻性規劃設計，將可能進一步地加劇水資源短缺、內澇、干旱、水污染等限制人類發展、影響社會安全穩定的水問題。
缺乏生態性
城市是自然生態系統和人工技術耦合的復雜體系，水系統作為其重要組成部分，同樣具有不可忽視的生態性。城市水系統是城市圈內水資源與社會、環境和生態各要素之間相互作用而形成的以水為中心的復雜系統，具有污染凈化、環境調節、水文調節、景觀娛樂和水源補給等重要功能。然而在既有的治水實踐過程中，城市水資源供給、水環境治理及水安全保障過度依賴灰色基礎設施，強調借助工程技術解決水問題，通過投入大量的能源和藥劑實現水安全保障，并未充分發揮自然系統的生態服務功能，“灰綠”基礎設施融合不充分、系統耦合不緊密，造成城市水系統運行能耗物耗高、碳排放量大等問題，既有城市水系統距離綠色低碳目標仍有較大的發展空間。
缺乏系統性
城市水系統包括水源、給水、用水、排水、回用、雨水以及城市水體等系統單元，它們之間具有自然的關聯性，存在互饋機制。但是，目前對城市水系統的規劃設計和建設管理卻缺乏對其系統性的考慮。在設計規劃階段，給水、排水、再生水及雨水各單元基本獨立，并未充分考慮系統單元之間的關聯和協調，也未考慮其他系統單元對自身的影響；在日常管理運行階段，各個系統單元通常分屬不同的管理部門，無法實現綜合管理。由此導致各個系統單元在規劃設計時只考慮自身的要求和可靠性，但當各個系統單元投入使用時，彼此缺乏聯動，使得整個系統功能難以充分發揮。例如，在城市發展過程中，城市及周邊的河流、坑塘、濕地、綠地、林草等“藍綠”空間被大量侵占，削弱了水生態系統在污染自凈、環境調節、水文調節、景觀娛樂和補充水源等多個方面的重要功能，阻斷了水的自然循環，降低了城市應對水問題的韌性，增加了區域水資源供應、水安全保障的壓力。
缺乏整體性
城市水系統是復雜城市大系統的重要組成部分，是水自然循環和社會循環在城市空間的耦合，涉及城市水資源開發、利用、保護和管理的全過程。在城市水系統規模較小時，各系統單元的功能相對單一，互動過程也較為簡單，雖然彼此之間存在聯系但并不緊密。
然而，隨著水源污染加劇和用水需求增加，各系統單元之間的關系逐漸發生變化，例如一些城市因水源污染而需要在凈水廠前端設置污水處理設施對原水進行預處理，而一些城市因缺水需要對污水廠的出水進行深度處理后作再生水利用。此時，供水和排水兩個系統單元便相互交織成為了一體。城市水源、供水、用水、排水等系統單元之間的關系變得越來越密切，相互間的制約或支撐作用也越來越明顯。然而，既有的城市水系統規劃管理往往是借助現代工程措施快速解決局部的水問題，城市水務管理只負責供水、排水與污水處理中的部分環節，沒有實現全方位、全地域、全過程治理，顯然難以適應城市水系統的整體性要求。
03 城市水系統創新發展任務與展望
基于以上回顧和總結，探討在新時代生態文明建設新要求下，未來城市水系統創新發展的主要任務和關鍵要點，為新形勢下深入實施國家節水行動、大力推進水資源節約集約利用提供參考借鑒。
關鍵要點
提高水資源效率
提高傳統水資源利用效率，豐富非常規水源的開發利用途徑，形成水量充沛、水質優良、安全高效的水資源保障體系，實現水資源的可持續利用，按照以水定城、以水定地、以水定人、以水定產“四水四定”原則，助力經濟高質量發展。
提升水環境質量
加強城市污水綜合整治，推進雨污分流制排水系統完善和污水處理提質增效協同綠色低碳發展，有效控制城市水體污染和消除黑臭，以進一步完善城市功能，提升城市品位，改善人居環境。
恢復水生態功能
建設功能復合、綠色生態的城市水基礎設施，實現“藍綠融合連片”“灰綠結合低碳”，將水系統各類設施因地制宜、統籌考慮，保護和修復山水林田湖草沙等生態空間，樹立以生態功能發揮、生態安全保障和生物多樣性構建為指導的水體保護理念。
保障水健康循環
充分挖掘城市“藍綠”資源構建雨水大排水系統，改善城市下墊面硬化狀況，實現小區、道路、廣場等暴雨徑流控制和初雨污染減排，消減城市內澇和面源污染。提高涉水安全事件的預警和應急能力，以確保城市供水安全，保障人民生命財產安全。
▲城市水生態島
發展趨勢
探索非常規水源的生態融合與資源高效利用
我國淡水資源嚴重匱乏，人均淡水資源擁有量僅為世界平均值的1/4，雨水和污水等非常規水源已成為重要的水資源。非常規水源的生態處理、生態儲存和生態利用已經成為國家重大需求和科技前沿。未來，如何針對不同用水目標和多尺度循環過程，針對非常規水源中不斷檢出的優控污染物和新污染物，發展以健康為終點效應的水安全評價方法，研發水中風險物質高效控制方法與技術體系，對實現城市非常規水源的高效開發、綠色儲存與安全利用具有重要意義。
建設“藍綠融合”與“灰綠結合”的水設施
涉水基礎設施作為城市建設的重要組成部分，是民生保障的基石。未來，涉水基礎設施的建設應統籌發揮自然生態功能和人工干預功能，即充分利用城市河湖水系和自然土壤、人工濕地等“藍色”和“綠色”自然生態系統，科學強化管渠系統、物化凈水單元等城市的“灰色”基礎設施建設。在城市水系統基礎設施規劃管理中，充分協調統籌“藍”“綠”“灰”三類基礎設施，并與城市土地利用規劃、水系統優化布局等城市綜合規劃和涉水專項規劃相協調、相適應。
實現水生態完整性重構與水體功能恢復
維持水生態的健康完整是發揮水生態功能的關鍵。水生態完整性包括水文情勢時空變異性、河湖地貌形態空間異質性、河湖水系三維連通性、適宜生物生存的水體物化特性、食物網結構和生物多樣性。各生態要素相互作用，形成完整的結構并具備一定的生態功能。未來，應將生態學理念與環境工程方法充分融合，以“生態優先、綠色低碳”為目標，重構城市的水生態完整性，維系水生物多樣性，恢復水生態功能，構建可持續的城市水系統，支撐城市的高質量發展。
發展城市水系統智慧感知與風險防控體系
城市水系統具有系統性、整體性、復雜性和面向未來的不確定性，對其進行全過程、全要素的智慧管控具有重要意義。未來，城市水系統需結合社會、經濟、環境和生態全要素大數據信息，開展數字規劃和前瞻設計，以應對人口發展、氣候變化和突發疫情等不確定因素對城市水系統安全的影響。應構建空天地一體化環境大數據與人工智能平臺，實時感知城市水系統的狀態變化與面臨的潛在風險，構建智慧化的風險防控體系，實現城市水系統的優化管理。
本文引用格式：
任南琪，王旭。城市水系統發展歷程分析與趨勢展望[J].中國水利，2023（7）：1-5.
來源：《中國水利》2023年第7期
京公網安備 11010802021286號