自从有了人类，就有了水资源的开发、利用。地球上所有的水，除了大气，都以河、湖、水库和储存于地下径流等形式存在。从表1所示的地球水资源分布来看，尽管地球表面98 % 以上为水所覆盖，可供人类利用的淡水资源极其有限。最易利用的 河流、湖泊，只有占地球总水量的不到0.02%的水，而且地理分布及其不均。湖水的近一半集中在贝加尔湖和北美大湖地区。河水占地球总水量的比例，更是只有0.0002%。地下水占地球总水量的0.61%，但停留时间长，补水慢，一旦发生破坏、超采，恢复极其困难。例如，因为人类活动引起的超采、污染等原因，我国华北地区万年尺度形成的地下水，在短短的50 年内消耗殆尽。自然状态下的土壤储存了近10倍于河流的水量，因此土壤、土地才是距离人类最近的最大、最稳定的水库，土地利用与覆盖也才成为最重要的流域水文条件。

表1地球水资源分布[1]

Table 1. Distribution of water on Earth [1]

地球上微不足道的淡水，尤其是易得的淡水资源，之所以能够勉强满足人类不断增长的用水需求，所凭借的是以大气为储库，以降雨、蒸散发为途径的快速的自然水循环。人类利用水资源的历史，也是对自然水循环影响、改造的历史。

1、 水循环

乃知蓬莱水，复作清浅流。水循环（或水文循环），是指受太阳辐射和地心引力等自然力量的驱动，通过蒸发蒸腾、凝结降水、植被截留、土壤下渗、地表、地下径流和湖泊海洋蓄积等环节，地球上各种形态的水不断地发生相态转换和周而复始的运动的过程。这一自然循环过程将地球的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈相互联系起来，并以水气流动的形式在它们之间进行水分、物质和能量的交换，维持包括人类在内的地球生态系统[2]。地理条件(地形、地质、土壤、植被等) 是影响这一循环过程的重要因素。人类活动主要是通过对地理条件，如土地利用和覆盖，间接地影响自然水循环。城市化导致的土地利用格局变化，是一个对地区环境、社会和文化有负面影响的世界性的问题。无论是在地块尺度、流域尺度，还是全球尺度上，蒸散发（ET）及其伴随的能量、水及碳循环，是理解城市化对陆地过程影响的关键所在。

由“降水-坡面-河道-地下”四个路径构成的陆地自然水循环，主要是由面到点和线的具有“收敛”特征的水的“汇集”过程。最为典型的，是由地形、地理、地质特征决定边界包括地表过程、土壤过程和地下过程等基本单元的流域水循环。流域水循环是自然水循环过程中人类较早并容易触及的，同样也受到人类活动的直接和深重影响，所以也是至今被关注的部分。随着科学技术发展，人类改造自然的能力不断增强，满足人类生活、生产需要的取水、用水、排水等主要环节，逐步拓展为取、给、用、排水环节及其内部的循环、排水、污水收集与处理、再生利用等复杂的路径，形成一个在自然循环之外、交织于自然循环的社会水循环系统。与自然水循环不同的是， 由“取水-给水-用水-排水-污水处理-再生回用”等路径构成的社会水循环，是伴随着能量输入的由点到线和面的“耗散”过程。复杂、高通量的社会循环过程，分流了自然循环的流通水量、延长了循环路径，改变了降水、蒸发、入渗、产流和汇流等水循环各个过程，使原有的流域水循环系统由单一的受自然主导的循环过程转变为受自然和社会共同影响、共同作用的新的水循环系统，这种水循环系统称为“天然-人工”或“自然-社会”二元水循环系统[3]。

2、水循环与水患

气候环境的变化、有组织的人类活动如给排水、引水、高强度农业灌溉、景观蓄水等多种多样的行为，延长了自然水循环的通道、路径，改变了循环速率，人类活动产生的污染，通过排水、地表径流以点源、分散源的形式进入水体，使部分循环过程成为无效循环，实质上减少了循环通量。森林、绿地面积减少，改变了水循环中最为重要的以流域为单元、以蒸散发、土地水土保持为主要环节的“小循环”部分，以一种不易察觉但巨大又迅速的方式改变了流域水循环历程[4]。由于没有足量的水如期返回大气储库，自然水循环出现阻滞和紊乱，全球变暖导致的地表温度升高，大气与水循环的动力加强，循环加快，也变得更加不稳定，改变了流域水循环降水与蒸发的动力条件，造成降雨不均衡现象和频发的极端天气。越来越多的证据表明，尽管全球气候变化是影响全球大尺度水循环过程发生改变、降雨模式改变的重要因素，流域内降雨、土壤下渗、植物利用、蒸发与蒸腾、大气水循环等构成的 “小循环” 过程，才是决定流域尺度水循环的主要过程，也是气候变化的根本原因[3] 。而在长期只关注可见的地表水的水资源管理体系中，自然水文循环这个近乎无形但十分庞大的部分长期被忽视。正是这种对自然规律的系统性、制度性忽视，导致了随着人类活动能力的提高，如土地利用强度的改变、水利工程的兴建和城市化的发展，加剧了自然水循环系统原有规律失衡的程度、尺度，产生径流排放量增加、城市内涝、雨水资源流失、水生态环境恶化、水安全缺乏保障，洪涝和缺水共存的流域性问题。

3、绿水与蓝水

黄河之水天上来。地球上所有的水，都来自降雨。人们按照落地之后的流向和存在形式，分为蓝水和绿水[5]。蓝水是指以径流形式存在于河、湖、水库等地表水系，和储存于地下的水。蓝水部分被人类直接利用，是消耗性的，不可再生；而绿水是指雨水落地之后通过被植物、土壤吸收、截留，然后通过蒸发、蒸腾作用返回大气的部分。表面上，人类生存、发展、传承文明所需的水资源，主要来自取自河、湖、地下，用于居民生活、工业生产和农业灌溉。所谓蓝水流，主要是指地表径流。相对于蓝水流的形态、价值可见性和可直接利用性，通过降雨、土壤渗流、滞留、蒸发、植物吸收、蒸腾等无形过程循环的通量巨大的绿水流，才是维持地球生态系统的主要水资源，承载了地球的生态系统，生产人类所需的食物、纤维、木材和生物质能量，是可再生的。所以可以简单（但正确地）理解为：蓝水是以径流形式存在的生产、生活用水，而绿水是构成自然循环的生态用水。自然界水的色号分类，以及后文即将提及的基础设施的蓝、绿之说，大概也是由此而来。陆地生态系统是淡水资源的主要载体和利用者，维持陆地生态系统健康所需要的大量的淡水资源，主要是看似无形的绿水形式。

蓝、绿水并非相互完全独立、相互排斥，而是相互影响、相互转化的。地表水蒸发、雨水、地表水被植物截留、通过下渗被土壤吸收，成为绿水，再通过蒸发蒸腾作用进入大气水层形成水的自然循环，进入绿水流。绿水渗入地下形成径流，雨水在地表形成径流、地下水露头形成地表径流，则是绿-蓝转化的典型。在雨养（非灌溉）农业地区，绿水承担着蓝水的职能，维持着以集约化食品生产为目的的农业活动。长期以来国内外对水资源问题的关注，主要集中在“蓝水”资源，即表水和地下水，包括河流、湖泊及地下含水层中的部分。尤其在我国，城市水管理的重点主要集中在“供-用-耗-排”过程，即蓝水的社会循环，管理与维护对象主要是维持供-用-耗-排的“蓝色设施”，主要是河、湖等地表水系。

人类发展过程中时刻发生的与自然环境间的相互影响、相互作用，构成人与自然的关系。从城市管理的角度来看，水问题产生的根源，是人类主导的土地利用与覆盖（LULC）变化、受其影响的水文循环改变，以及建立在一定水文条件之上的生物多样性丧失。大量研究表明，在土地利用类型、不透水面积、水面比例、径流利用率、河网密度等诸多可量化的因素中，土地利用类型和不透水下垫面面积对城市化地区水文变化的影响尤为显著[6]。而作为一切的基础生物多样性，由于其影响的间接性和难以量化的特征，仅仅是以修饰语的形式出现于各种文件中，尚未在城市水管理中给于应有的重视。

人类面临的水问题的形式，体现为水的质、量和时机，也就是水资源、水环境、水生态、水安全。城市化过程中土地利用、土地覆盖变化及其影响下的水文循环紊乱，导致城市地区常常是上述水问题高度集中的代表。随着城市化进程的不断加快和城市面积不断扩大，大量土地成为建成空间（Built Space/ Built Environment）。在变化的城市梯度中，工业生产、物流等商业化的人类活动场所日益密集，城市与自然环境之间的相互影响逐渐加强，受气候变化、城市热岛效应引起的蒸发快而蒸腾作用不足等，形成城市特有的“城市水循环（UWC）”。在有限的土地存量条件下，城市管理者总是以牺牲城市绿地为主的开放空间（Open Space）为代价来满足城市扩展、人口、产业经济发展的土地需要。城市化导致的植被受破坏、土地利用状况改变，土壤表面良好的透水性遭到破坏、不透水下垫面大量增加， 使得城市地区的水文过程发生巨大变化，导致了城市独有的降雨强度不均、内涝及面源污染严重、河道负荷增大、岸带空间受到挤压，水体被隔绝孤立现象，产生“城市水综合症”[7]。城市化过程中强烈的人类活动使土地自然地形和地表植被遭受到严重破坏，河流、坑塘、湿地等被占用、改造或消失，绿地面积、植被覆盖进一步下降、蒸散发减少。随着不透水面积的增加，降雨无法下渗进入绿水流，而是形成地面径流，也就是不可再生的蓝水流，导致绿水流量减少，自然循环通量下降，最终造成流域尺度水量失衡。城市地区密集的生产、生活活动制造的大量的污染，由于植被覆盖减少，对污染物的消解和拦截作用下降，无法阻止这些污染以点源、非点源形式进入地表、地下径流。污染不仅引起水质问题及因水质恶化而生的水生态退化，更是造成有效循环通量下降和水资源的减少，形成水质型资源短缺。城市流域自然水循环失调导致降雨形成条件和特征改变，干旱、暴雨洪涝灾害风险也随之增加。降雨在不透水陆地表面汇集产流，增加了极端水文事件发生的概率，需要水时缺水，不需要水时却洪水肆虐成灾，形成水的时机失当。不透水地面面积对雨水下渗、蒸散发及地表径流产流的影响见图1。

图１　水循环的扰动：不透水面积变化对城市水循环要素的影响示意（引自[8]）

Fig 1 Disturbance of water cycle: Schematic diagram for the Impact of Impervious surface area on water cycle in urban areas (afrom [8])

城市河流更多、更显著地体现土地利用与覆盖、人类活动的影响。一方面，城市的经济、社会活动高度依赖城市河流提供的防洪、供水、排水等功能；另一方面，城市高强度的经济、社会活动对河流的形态、水流、水质、泥沙输移有显著的影响。城市化改变了地形、地貌、地质条件，城市地区不透水面积的增加，形成额外产流能力，在暴雨条件下降雨更多地转化为流量和能量集中的地表径流，加大了水流的侵蚀能力，造成水土流失加剧，土壤侵蚀产生大量的泥沙淤积，造成排洪沟渠、下水道、河道等设施排洪泄洪能力降低。为了抵御洪水而进行的河流整治、沟渠化、河岸硬质化、截弯取直、河岸加固，提高了河道行洪能力，满足了航运需要 ，却严重破坏了河流的自然形态， 隔断了河流与周围环境的连通，岸带开发引起的缓冲带压缩甚至消失，水的横向运动空间急剧缩减，导致形态异质化降低，栖息地单一化，生态退化，逐步丧失河流原有的功能。随着城市生活对河流的景观、休憩、旅游、亲水休闲、文化等方面的需求不断提高，滨水娱乐、垂钓设施、亲水平台、航运码头等河滨带园林化、功能化建设都直接或间接改变了河流形态与动态空间。受多重胁迫的影响，最终造成河流水生态扰动，蓄水排涝能力、自我调节能力、自净能力的下降甚至完全丧失，洪灾风险增加。随着技术的进步，掌握了更强的材料、更优化的流体力学设计的城市管理者对以钢筋水泥为主的水利设施（称为灰色设施）防洪排涝能力过于自信，城市发展、土地利用规划通常以改造与控制自然为手段“建设城市”，注重提供更为坚固的 “硬工程”灰色 防洪基础设施，却忽略了开放空间的价值，对水动力学、水文循环的认识与重视不足[9，10]。

随着城市发展，工业废水和生活污水处理能力不足，大量直排入河，污染负荷加大。城市地区以污水排放为主的点源和地面径流为主的非点源输入，造成河流污染和水质恶化。以营养盐、重金属、有机物为主的污染输入，导致我国主要城市河流水体、底泥污染负荷居高不下。近年来病原体及新兴污染物，如抗生素、致癌类多环芳烃（PAHs）、溴化阻燃剂、激素、内分泌干扰物（EDCs）、药品和个人护理用品（PPCPs ）残余、全氟化合物（PFAS，如PFOS、PFOA）等被频繁检出[11]。在不少城市，黑臭水体已成为城市水体的一大水患，而且普遍存在难以治理、治后反弹、雨后返黑等不可持续特征。流域生态多样性丧失、河流自我调节能力、陆地、岸带缓冲拦截能力减损，即河流生态功能的退化，是深层次、决定性的原因。

健康的河流，是以冲蚀、底泥输移及沉积为特征，自由流动的河流需要适度的洪水冲蚀以维持动态的水生态系统稳定[12]。在变化的环境中，自然河流的形态和生物多样性受河流水流情势及允许其自我调整的廊道空间的支配[13]。在城市化环境梯度中，很多河流已经丧失了恢复自无调整的廊道空间。城市河流特有的问题与环境现状，决定了在多数城市同时存在水资源短缺、防涝压力日益增大、污染治理的难题， 也就是水资源、水安全和水环境问题共存，而代表水安全的防洪排涝，一直是城市河流管理无法回避的首要问题。

虽然统称为Flooding的“洪水”的定义具有灾害意味，但实际上只有极端性的（如暴雨在不透水陆地形成能量集中的径流）洪水才构成灾害风险。造成极端性洪水的原因主要有暴雨引起的地表集中产流（Pluvial flood）和河湖等水体的外溢（Fluvial flood）。极端性洪水被定义为“水深或排水量超过某一个特定的时段（如30年、50年、100年）水文记录的均值两倍标准偏差的洪水”[14]。极端性洪水也可以用同等水深、流速的的洪水再次发生的时间间隔， 如“50年一遇”、“100年一遇” [15]，等来表示。与极端性洪水强度与发生频率相对应，以河流为最终的泄洪归宿、 包括河道和陆地排水系统的城市水系统设计中，以能“抗击XX年一遇的洪水”作为对“灰色”的“硬工程” 设施（钢筋水泥为主的水利设施）防洪能力的估计和预期。人们越来越意识到，不受控制的城市扩张与增长所产生的影响随时有可能超过已有排水系统的接纳容量，人工设计无法应对所有的洪灾可能性，总会有超过设计标准的雨洪事件发生，所以导致防洪设施崩溃的可能性永远存在。这种超过防洪设施设计能力并导致意外崩塌的风险称为“残余风险”[16]。事实证明，这种残余风险的解决，无法通过单纯的不断加强的灰色的结构型“硬”工程设施实现。任何设计，都存在残余风险。近年来城市管理中关于“洪水是无法避免的自然现象”的认识，引发了洪水从自然灾害向社会-自然灾害属性，再到“雨水资源”的定义扩展，也促使防洪涝理念从传统的以“硬工程” 主的结构型抵御（Defense）、抗击（Fight），向“与洪水共存”的综合风险管理（Risk Management）转变[17，18]。基于对洪水的再认识，城市水安全管理模式从企图彻底杜绝洪水径流向从源头降低洪峰水的规模、缩短洪水持续时间、减轻洪水产生的不利的影响和后果转变，开始重新重视和利用自然的力量，引入被统称为“绿色基础设施（Green Infrastructure）”的“软”工程设施，应对、预防和补偿硬工程天然存在的残余风险 [19，20 ]。从上世纪80 年代国外提出并开始实施的以雨洪管理为目标的最佳管理措施（BMP，美国）、水敏城市设计（WSUD，澳大利亚）、基于可持续排水系统（SDUD，欧洲），以及我国开展的海绵城市建设，都是这种“软工程”形式的典型代表。其共同之处，都是旨在恢复城市原始的水文生态过程，降低雨水的产汇流及其影响。通过一系列低影响开发技术，建立基于地面、屋面、路面的绿色基础设施，如绿色屋顶、雨水花园、下沉式绿地、植草沟等，以植被、土壤为媒介，对雨水进行吸收、滞留、净化，恢复下垫面渗透性、恢复流域蒸散发、增加流域空间对雨水的积存能力，分散、转化降雨径流，避免局部汇集，减轻城市河流的输洪压力，降低洪灾风险。这些理念的现实目标，是通过工程性人工辅助，恢复地表径流的水文形态，恢复水的自然循环，利用水系统的生态过程，提高城市陆地对水的滞纳、截留能力，有效削减雨洪径流携带的非点源（面源）污染输入，并促进雨水径流的资源化利用，通过自然水文形态的恢复，延长洪水在水体中的停留时间，降低峰高度和洪水流速，推迟洪峰到达，为防洪争取时间。从对自然生态过程进行辅助恢复的角度来说，这些对维持生态过程的自然水循环的恢复，都属于生态修复的范畴。在实践中，构建雨水花园、生物滞留池、下沉式绿地、绿色屋顶，以及河流滨岸湿地恢复与管理、河流的再蜿蜒化、河流漫滩恢复与重新划分、岸线再自然化、滨岸森林恢复、沿程水坝拆除等等，也正是以流域管理为目标的水生态修复技术的核心。图2为城市屋顶 转化为绿色屋顶对地表径流的影响的模拟结果 [21] 。

图2不同绿色屋顶转化率条件下地表径流水峰值及形成时间 （引自[21]） 。水文模拟显示，绿色屋顶的广泛实施，可显著降低地表径流峰值流量及流速。在100%转化为绿色屋顶时，对峰值流量及流速的削减幅度可达30%及35%。Figure 2 Flood peak runoff magnitudes and delays under different green roof conversion conditions. Hydrologic modelling demonstrated that widespread green roof implementation significantly reduces peak runoff rates and runoff volumes by up to 30 and 35 %, respectively, in the case of 100 % conversion (adopted from [21]).

Figure 3有助于提高就地水滞留能力、降低洪水强度、推迟洪峰的典型生态修复技术（修改自 [27] ）。

Figure 3 A visual overview of different restoration methods that contribute to increasing on-site water retention capacity, thereby reducing flood peaks downstream. (Revised from [27]).

城市水问题的解决，主要集中在保障供水（保质、保量、控制适时）、降低洪峰（控量）、延迟洪峰（控制时机）和水质（保质）。为了应对日益普遍和增强的城市内涝压力，国际上众多先进、系统化的城市水系统管理框架，如美国的最佳管理措施（BMPs）、澳大利亚的水敏城市设计（WSUD），欧洲的可持续排水系统（SUDS），以及我国开展的海绵城市建设，都是以城市雨洪管理作为首要目标，作为灰色基础设施的补充，应对和管理城市化产生的日益严重的城市水安全“残余风险”。其核心目标都是“让自然做功”，通过软工程辅助干预，恢复自然水循环，借助自然的力量解决水的质、量和时机问题。在局部尺度上，通过低影响开发技术的实施，充分发挥植被、土壤等自然下垫面对雨水的渗透作用，充分发挥湿地、绿地等对水质的自然净化作用；在流域尺度上，恢复自然水文循环、恢复水文的过程，充分发挥山水林田湖等原始地形地貌对降雨的积存作用，恢复流域自然水循环过程，实现蓝绿水流分流合理、蓝绿设施配置适当、合留则留、合流则流、保障下渗、减少径流，建立“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市[29，30]；正确认识城市河流生态健康所需的冲刷、底泥输运与泄洪、防涝之间的关系，保证河流所需的连通与自我调整空间，实现城市水体的自然循环。改善城市土地利用与土地覆盖、恢复陆地透水性、减轻河流的排洪压力，成为城市河流防洪涝的关键。在滨岸带、河流漫滩已经被严重挤占、无法恢复河流自然空间的的城市地区，河床、河岸自然化只能有选择地在部分河段实施，而在容易遭受冲击的脆弱河段，河流修复则仍然体现为以保护财产和基础设施为目的的硬工程(硬化与强化)。

我国城市集群（Conurbation）的出现，加剧了城市人口、财产、产业不断集中的趋势。随着气候变化带来的不确定性日益增加，城市洪涝管理将面临更多的挑战。城市是一个生态系统，是一个生态 - 社会 -技术融合的复杂系统。我国于2015年提出的城市双修的行为框架，及至目前开展的海绵城市建设、国土空间生态修复及规划，其最终目标都是恢复城市生态系统的结构和功能，以及联结结构与功能的生态过程。世界自然保护联盟（IUCN）等国际机构于2008年提出的“基于自然的解决方案”（NBS），将所有上述概念统一到同一个框架之下，以建设城市韧性（Resilience ，也叫弹性）与可持续性（Sustainability）为目标，倡导将  NBS  作为面对未来的适应性管理（Adaptive Management）融入城市设计，以应对人类面临的挑战，如洪涝、干旱、人口增长、生物多样性丧失等[31]。与价值导向的工程化生态修复行动相比，NBS 更多地是一种综合考虑局部与流域尺度的城市建设和管理理念：通过城市空间管理，尤其是蓝绿空间管理，在减少地表产流的同时，恢复水的循环动力学、恢复自然循环，使大量的雨水重新进入水循环，恢复水循环中的绿水流，解决造成洪涝灾害的根源性问题，使雨水成为可利用的资源，实现“自然洪涝管理”（NFM，Natural Flood Management）[32]。代表蓝色空间的城市河流，在多大程度上、如何在空间有限的城市地区恢复漫滩、岸带缓冲区域、恢复连通性，还水以自由的空间（  Space  of  Water and for Water  ），更是需要在城市设计中，通过生活、生产、生态空间的配置来实现。水循环应作为一个核心子系统融入城市规划和设计，调和生态修复与城市防洪减灾目标，让生态修复成为流域管理、城市管理中预防性、适应性的日常，而不仅仅是突击性、防御性的工程手段。综合综合软、硬工程，融合蓝、绿、灰色设施，发挥各自的优势和相互补充作用，代表了生态视野下城市规划与建设的方向。

近年来，互联网技术、大数据、算法技术、机器学习、人工智能技术的飞速发展、  3S（GPS，RS，GIS）技术的运用，极大地提高了人类的感知、认知能力和预测能力。利用城市大数据分析用地、基础设施潜力、运用生态智慧规划基础设施建设、通过绿色设施弥补老化的城市灰色建筑设施、通过数字模型了解雨洪事件与城市生态过程的交互影响关系，以基础设施的高度，把生态修复融入城市规划建设，消除灾害性雨洪事件的消极影响，已经成为许多城市水务管理的主要内容。以城市水系统智能、智慧管理为目标和实施平台的水文、水质模型，以及耦合多种自然、社会、经济、技术过程的综合模型的不断涌现，必将使得融入生态智慧、生态修复理念的城市规划与管理、空间规划变得更加容易，也更加经济和有效。

作者：李弘  上海万涓源环境工程设计有限公司经济师、工程师，上海十方生态园林股份有限公司研发中心主任。曾参与多项水生态修复治理、农业面源污染治理、海绵城市建设技术研发及工程设计项目。