城市水资源综合管理研究进展

付永斐，姜 欣，刘玉玉，张保祥，李 丛

(1.济南大学 水利与环境学院，山东 济南 250022；2.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014；3.潍坊市水利事业发展中心，山东 潍坊 261061)

根据联合国发布的《世界城市化展望》：世界城市人口占总人口的比例已经从1950年的30%增长到当前的55%，预计到2050年将会达到68%；中国当前有5.78亿人口居住在农村，预计到2050年将会有2.55亿农村人口转变为城市人口[1]。随着城市化的快速发展，城市水系统与社会经济发展不相适应，各种城市水问题逐渐显现[2-3]。水资源量的短缺仅仅是城市水问题的初级表现，更深层次的制约在于水资源质量及利用效率、管理效率方面存在的问题，主要表现如下：水体污染致使城市水源质量严重受损；城市用水效率有待提高，水资源短缺与浪费并存；城市供水漏损现象普遍存在；城市污水处理回用水平发展不平衡[4-6]，因此，迫切需要开发更科学的城市水资源管理方法和策略，加强城市水资源管理，推动城市水资源可持续发展。

1992年，水资源综合管理(integrated water resources management，IWRM)概念在都柏林召开的“水和环境”大会上被正式提出[2]。IWRM改革了以往分散和局部的水资源供给管理模式，采用更加综合、全面的方法来管理水资源，将国家社会经济框架纳入水资源管理决策，协调水量、水质、地表水以及地下水之间的平衡关系，发展IWRM的新思想、新概念和新技术[7]。针对日益严峻的城市水问题，全球水伙伴技术咨询委员会(TAC)于2012年出版了《城市水资源综合管理》技术报告，推进了IWRM的进一步发展[8]。城市水资源综合管理(integrated urban water management，IUWM)是IWRM理论在城市层面上的应用，与传统个体、分散的城市水资源管理制度相比，IUWM提供了更为整体、系统的概念和方法，强调城市水资源管理要与可持续发展的经济、社会和环境目标相适应，有效促进了城市水资源管理方式的转变，提高了城市水资源管理效率[8]。

目前中国正在经历快速的城市化进程，未来十几年是推进水利现代化建设、提升水安全保障能力的关键时期，促进IUWM策略和方法的实施至关重要。为了更好地解决快速城市化进程中的水资源矛盾和复杂水问题，国内外学者基于IUWM理论从各个层面进行研究探索，国外相关研究较广[9-11]，国内研究正逐渐兴起[12-13]。本文中主要对IUWM理论框架、实践应用进行综述，总结国内外IUWM相关研究内容和研究成果，分析未来IUWM的研究重点。

1 基本理论

1.1 基本框架

全球水伙伴(GWP)对IUWM进行了定义，其基本框架如图1所示。IUWM对城市供水、卫生设施、雨水和废水等进行综合管理，考虑了城市水设施服务包含的所有单元，包括城市内的供水、污水处理和雨水排水设施，以实现可持续的经济、社会和环境目标[8]。固体废物管理也与城市的污水管理体系密切相关，特别是污水中含有高污染负荷的固体，极易堵塞排水沟和下水道，提高了洪水风险。

图1 城市水资源综合管理基本框架

IUWM包括水资源、水用户、水服务和水管理单元，各个单元紧密相连，统一为一个整体。IUWM克服了以往管理制度单一、局限的弊端，采用综合的思想管理水资源，追求经济效率、社会公平和生态环境可持续发展，具有如下特点[8]：

1)包括城市集水区的所有水源：蓝水(地表水、地下水、外地调水、海水淡化水)，绿水(雨水)，黄、灰、棕、黑水(污水)，回收再利用的水，洪水和虚拟水；

2)利用水质不同的水源(地表水、地下水、不同种类的污水、中水和雨水)供给对水质有不同需求的水用户；

3)把水存储、分配、处理、再利用和排放作为一个整体而不是分散的环节来考虑，并规划相应的水设施；

4)从源头出发来规划水资源的保护和开发利用；

5)鼓励利益相关者参与城市水资源的规划利用，与城区共享水资源的非城区水用户也被考虑在内；

6)承认并争取协调正规(机构、立法和政策)和非正式(规范和公约)部门与城市水管理相关的职责；

7)力争平衡经济效益、社会公平和环境可持续发展。

实施城市水资源综合规划和管理的难点之一是其多学科交叉性。水资源综合管理中的“综合”最初强调的是需要将工程驱动和经济驱动的方法进行综合考虑。实际上，“综合”二字的内涵也一直处于演变之中。目前，国内外的专家和学者在很多方面都达成了如下共识[14-16]：1)土地的利用和管理会影响水资源，反之亦然；2)水质和水量不能分开管理；3)人为的社会经济系统和自然的水资源系统需要综合考虑；4)水资源的管理决策需要同时考虑地区、省级、国家级和流域的相关系统。另外，“综合”并不意味着所有方面都必须综合到一起管理，也并不意味着当前各分部门的决策方法被完全废除。

IUWM框架可以理解为一种方法论，概括来讲，就是针对具体城市水问题，从战略上把不同管理部门、不同水服务提供者以及不同用水户等各利益相关者联系起来，辅助系统化地组织和理解城市水问题，综合考虑经济社会发展过程中有关城市水资源的各个方面，从而采用各种手段和方法管理水资源，尽可能地与自然水循环规律相适应，实现可持续发展的目标。另外，还应因地制宜地根据不同城市的环境、水文条件、土地利用、人口压力等实际情况来制定IUWM的具体实施方案。

1.2 实施环境

IUWM的有效实施需要一个集政府和公众于一体的、在立法和政策框架的支持下共同合作的制度环境，同时也需要跨部门的密切合作，而不仅仅是城市水务部门的单一职权范围，确保城市各级资源管理者之间的良好沟通，实现各部门之间政府各级之间、以及社区和利益相关者之间高度的内部整合和协调[14]。

GWP的技术报告里强调了可有效实现IUWM所需要的8个实施环境[8]，包括：1)中央政府的角色；2)地方政府的角色；3)私营部门的参与；4)整个价值链的商机，如养分的循环再利用；5)城市和流域管理；6)利益相关者的参与；7)培育新型城市水资源管理文化跨部门的合作和规划；8)改变游戏规则的技术和方法(如技术创新和新的管理体系)。

中央政府通过制定影响整个城市统一的土地政策、基础设施服务和其他国家政策，提供全国范围的城市水资源管理理念。地方政府在制定政策和策略时优先考虑当地需求，分享和管理可用资源。同时，私营部门的参与可以起到适当的监管作用，有助于确保国家行为者提供高质量、可持续和公平的服务。城市和流域管理则强调了将水资源管理与更广泛的流域层面相结合。通过专业人士、政府部门、非政府机构和公众等所有利益相关者的参与，预计到2050年，IUWM将会成为城市规划的主要规则之一。

2 实践成果

2.1 国外IUWM实践

自IUWM概念被提出以来，在水资源管理领域各机构的推动下，许多国家逐步把“综合”的思想融入到城市水资源管理政策中，欧美及其他发达国家的工业化和城市化进程发展较快，因此较早地开始了IUWM相关探索，许多国家已经在IUWM的相关实践中取得了重大进展[5,17]，主要实践成果如表1所示。

表1 城市水资源综合管理主要实践成果

低影响开发(low impact development，LID)可通过采取措施从源头上控制雨水径流，模拟雨水的入渗、蒸发和过滤等自然水文过程，从而达到消减污染物负荷的目的，有效促进城市雨水管理[20]。一些学者在LID设施对径流及污染物负荷的消减效果方面进行了相关探索并取得了丰富的成果。研究发现，不同LID设施对污染物负荷的消减效果不同，如表2所示。

表2 典型低影响开发(LID)设施对污染物的消减率

由表2可知，生物滞留池、绿色屋顶和渗滤沟对径流中总悬浮物(TSS)、总氮(TN)和总磷(TP)的消减效果显著，对水质的净化效果较好。另外，Speak等[26]研究发现，绿色屋顶对降雨的平均滞留率达到了65.7%。Drake等[27]对3种透水路面的水文性能研究发现，其对地表径流峰值的平均消减率达到了91%。Lee等[28]、Burszta-Adamiak等[29]、Trinh等[30]、Palla等[31]通过建立水文模型模拟了不同LID设施对城市排水的影响，证实了LID源头控制解决方案在城市集水区范围内的有效用途。综上，LID设施对降雨和地表径流的流量和流速也有很好的消减效果，能显著降低城市洪涝风险。

可持续城市排水系统(sustainable urban drainage systems，SUDS)是利用城市景观基础设施中雨水的渗透、存储、滞留、蒸发、输送和处理等自然过程来模拟水文循环的城市雨水管理系统[32]。与LID相类似，SUDS也可促进城市集水区的洪水管理，同时改善雨水径流质量。Cotterill等[33]通过超声波传感器实时监测到SUDS可使地表平均径流减少25%～30%。Mguni等[34]、Hellmers等[35]、Johnson等[36]、Pappalardo等[16]分别在撒哈拉沙漠以南各发展中国家城市、德国汉堡、德国柏林、意大利南部城市的城市集水区内通过建立模型评估了SUDS的各项服务能力，证实SUDS具有减轻城市洪水风险的发展潜力。Miró等[37]通过评估生态系统的生境特征，发现SUDS可提高城市水环境的生态质量。Monberg等[38]用生境的结构异质性替代生物多样性潜力，发现了SUDS具有增强城市生境结构异质性的潜力。总的来说，SUDS不仅能降低城市洪涝风险，还具有可观的生态环境效益。

水敏感城市设计(water sensitive urban design，WSUD)作为城市综合水循环管理的一部分，将城市规划与城市水循环的管理和保护有机结合，以确保城市水管理对自然水文和生态循环的敏感性[39-40]。Coutts等[41]、Broadbent等[42]的研究均表明WSUD可以帮助改善城市地区的人类热舒适度，冷却城市小气候，并产生其他环境效益。同时许多学者也基于WSUD基础框架不断创新探索。Lu等[43]提出了一个WSUD简明框架，以寻求在WSUD实施和缓解城市洪涝灾害之间的平衡。Bach等[44]开发了将城市规划与雨水管理相结合的UrbanBEATS模拟器，进一步推进了WSUD的实施。目前WSUD仍处于实践阶段，还需进一步的创新和试验。

低影响城市设计与开发(low impact urban design and development，LIUDD)以LID为基础，是新西兰在全国范围内开展的关于推行LID的科学实践。Van Roon[18]分析了LIUDD的政策和实践框架，调查了LIUDD在荷兰、澳大利亚和新西兰城市增长区的绿地开发项目中的实施状况，研究表明，LIUDD的有效实施不仅依赖于政府部门的合理规划，还需要开发商和社区的有力配合。

“活力(active)-美观(beautiful)-洁净(clear)”(ABC)水计划体现了新加坡基于LID思想和实践向水敏感型城市主义的转变，是热带地区推行的第一个全面LID计划。截至2017年，新加坡已规划实施了36个ABC水计划项目。Yau等[45]、Goh等[46]基于暴雨洪水管理模型(SWMM)在不同试验区内进行模拟实践，均证实ABC水计划设计可有效减少降雨径流和峰值流量。ABC水计划已基本实现了计划中的活力和美观部分，一些学者致力于探索洁净部分的有效实施途径。Lim等[19]在全面总结ABC水计划的设计目标、特点和理念的基础上，研究了具有ABC水计划设计特色的人工湿地、雨水花园、绿化屋顶和河流恢复等项目在水质修复方面的效果。研究结果显示，ABC水计划在去除水杂质微粒方面效果良好；但脱氮性能较差，因此还需开发更有效的水质修复技术，实现活力、美观和洁净的全面发展。

2.2 国内IUWM实践

通过总结近年来发达国家的经验，许多IUWM措施可供借鉴，例如加强水的回收和再利用，使用滞水池等进行暴雨雨水管理，通过径流或屋顶集雨，建立绿色基础设施以及高效用水等。2012年，中国以国外实践经验为基础，提出了一个适合本国发展实际的IUWM战略——海绵城市(sponge city)，这是首个适合处于快速城市化进程的发展中国家实施的IUWM整体战略[4]。海绵城市指城市具有海绵特性，下雨时能够吸水、蓄水、渗水和净水，需水时可将水释放并加以利用[3,47]。与传统模式相比，海绵城市尊重城市水循环的自然调节原则，旨在合理利用雨水资源，缓解城市内涝。传统模式和海绵城市模式的比较如图2所示。从图中可以看出，海绵城市有利于构建社会经济系统和城市水循环之间的良性互动，提高城市面对环境变化和自然灾害的应变能力。

图2 传统模式和海绵城市模式的比较

许多学者系统梳理了海绵城市理论内涵，丰富了海绵城市理论体系。赵银兵等[48]提出了全方面关注生态水文恢复的海绵城市优化体系框架。王浩等[49]提出了基于系统思维的海绵城市科学范式和构建模式。Wang等[50]创新性地提出了海绵城市建设的再生论点，揭示了新旧框架之间的兼容与分歧。一些学者还进行了相关实践探索和创新应用，推动了IUWM策略在中国的发展。Li等[51]调查了中国30个试点海绵城市的建设进展，基于发现的问题改进了海绵城市建设计划。杨默远等[52]深入剖析了海绵城市建设区的产汇流、污染物转移等城市水循环过程。王家彪等[53]以北京、广州等城市为例系统分析了径流控制和降雨控制2种海绵城市降雨控制模式的利弊。

随着海绵城市建设在全国范围内的有序推进，必须客观地评估各种措施的实施效果及社会效益。刘家宏等[54]定量分析了评估海绵城市建设效果的径流总量控制率指标，为试点城市的考核提供依据。Leng等[55]提出了一个综合评估海绵城市建设中水量和水质控制目标达标情况的“绿-灰-蓝”耦合系统，可确定海绵城市建设的最优方案。

与国外较早开展IUWM实践相比，我国的海绵城市相关研究起步较晚，理论创新和实践探索还需要持续多年。

3 未来研究重点

3.1 城市水系统的监测、评估和管理体系研究

通过总结国内外IUWM相关策略的研究进展和发展现状可以看出，IUWM实施进程缓慢的主要原因之一是缺乏系统的监测、评估和管理体系。在实施IUWM各项策略前，需要对城市水系统的各个环节进行持续和综合监测，以便确定应采取什么措施、怎样实施各项措施以及项目资金投入的适当规模。在管理策略实施后，必须对各项措施的效果及其对整个城市水系统生命周期带来的改变进行有效评估，客观评价其经济、社会和生态效益，制定可持续的IUWM策略，因此，需要开发评估可持续城市水管理长期发展政策的基准测试工具或系统。目前，城市水系统评估方法和指标的典型代表有欧洲创新水伙伴组织研发的城市蓝图方法[56]、澳大利亚开发的水敏感城市指数[57]、英国开发的可持续城市水指数[58]。尽管一些学者已经进行了相关研究；但关于开发支撑城市水系统综合管理可持续性评价的专用框架和指标体系方面的研究仍相对较少，因此，未来IUWM的研究可围绕开发更准确、科学的城市水系统可持续性评估方法和指标体系，并建立规范协调的监测、评估和管理体系。

3.2 城市水系统的综合模拟模型研究

综合模拟模型可以模拟城市水循环过程，揭示各子系统间的相互作用关系，证明IUWM各项设计策略、管理策略和运行策略的有效性，帮助城市水资源管理者和决策者制定合理、可行的城市水规划和政策，是应对城市水资源管理挑战的重要工具。目前关于开发城市水资源管理模型方面取得了丰硕的研究成果，MIKE Urban、SWMM、Sobek、DAnCE 4Water等模型涉及城市废水管理、雨水管理以及洪水管理等各子系统，考虑了地表渗漏、城市排水管道设计、水质参数以及温室气体排放等各项因素。今后的模型模块开发研究可重点关注以下几个方面：在城市地区高度异质性地表的限制下模拟城市降雨-径流情况；城市污染物累积、冲刷和迁移的物理化学过程；不同形式绿色基础设施的水文、水质和生态水循环耦合模拟；整个城市水系统的自然和社会水文循环的耦合模拟。

多数模型的实践应用研究进程较为缓慢，管理者缺乏实用的工具来根据具体需求选择合适的模型建模，一些学者也进行了相关探索。Bach等[59]根据集成水平由低到高将IUWM模型分为基于组件的集成模型(ICBMs)、集成排水模型(IUDMs)、集成供水模型(IWSMs)、城市水循环模型(IUWCMs)和城市水系统集成模型(IUWSMs)；Renouf等[60]评估了城市水管理模型，并将评估方法分为城市水系统建模、城市代谢、消费方法和复杂系统；Pea-Guzmn等[61]对1990—2015年的城市水循环模拟和管理模型进行了总结、评估和分类。以此为基础，今后可重点关注模型的应用研究，探究根据IUWM策略具体实施环境选择适宜模型的工具和方法，辅助更快地实现城市水管理目标。

3.3 IUWM策略实施的空间尺度效应研究

IUWM各项策略在不同空间尺度上的水文响应和实施效果均会有所差异，在小尺度的水文响应单元内达到预期效果的基础设施建设项目或许不适用于大尺度的城市水系统。空间尺度的变化可能会改变其经济和生态效益，Newman等[62]、Bach等[63]关于IUWM的研究均是在特定的空间尺度下进行的。以海绵城市为例，陈垚等[64]关于海绵城市改造方案的研究是基于中小尺度试点区域开展的，而贺弋桓等[65]关于雨水径流控制方法的研究是在流域尺度视角下进行的。城市管理者虽然了解单个海绵单元的基本性能和水文响应过程；但缺乏对由其组成的整个海绵城市的水文循环过程的系统了解，因此无法简单地预测适用于海绵单元的措施对整个海绵城市所带来的影响。

在某些情况下，过多的IUWM绿色基础设施建设项目也可能会导致整个城市的水文特征发生重大变化，从而破坏城市水系统的可持续发展，因此有必要对IUWM策略实施的空间尺度效应进行深入研究，利用综合监测系统进行长期监测，以数据为支撑，采用情景分析法模拟不同尺度的城市水系统可能实施效果。

3.4 IUWM建设项目的成本效益分析和方案优化研究

IUWM的有效实施能够带来改善空气质量、减少碳排放、降低洪水风险以及优化雨水管理等效益，但同时也伴随着巨额的建设成本和管理维护费用，投资和收益之间的平衡与其可持续性密切相关。客观评估IUWM建设项目的成本效益可以支撑项目的设计、实施和后续推进工作。根据国家经济制度的不同，IUWM建设项目的资金来源有所不同，多数项目由国家政府补贴，部分项目也采用公私合营的模式。目前一些城市的IUWM相关计划仍处于试点阶段，其维护和盈利模式将直接关系到IUWM的发展情况，因此有必要对其进行成本效益分析。李大龙等[66]采用情景分析法探究了中国城市实施典型LID技术设施的成本效益，发现南、北方城市在雨水处理效益、建设成本和维护费用方面均有所差异。李江云等[67]对中国沿海城市不同潮位影响下的LID措施进行了成本效益分析，确定了LID优化方案。Fan等[68]通过三维模型模拟了城市淹没结果，分析了哈尔滨海绵城市建设的成本效益情况。目前IUWM的成本效益相关研究较少，将会是IUWM未来研究重点之一。

此外，董新宇等[69]将SWMM模型与非支配排序遗传算法耦合，得到了成本效益曲线，实现了LID设施空间布局的自动寻优，改进了项目建设方案。IUWM的成本效益分析结果可以为其方案优化提供数据支撑，建设项目的不同空间布局会产生不同的水文响应和经济效益，需要对不同情况下的IUWM进行系统评估和研究，确定经济投资与项目收益达到平衡的性价比最高的项目实施方案，这也是今后IUWM的一个研究重点。

4 结语

随着人们对水资源利用和管理问题理解的不断深入，城市水资源管理面临的严峻挑战逐渐被认识，迫切需要更有效和更可持续的水资源管理方法来解决世界各国快速城市化进程中遇到的复杂水问题，IUWM理念和框架逐步发展。许多国家在此基础上开发和实施了适合自身城市实际的IWRM策略，如LID、SUDS、WSUD、LIUDD、ABC水计划以及海绵城市等，已有的研究成果为其他国家制定IUWM策略提供了参考依据，推动了IUWM从理论到实践的进一步发展。

IUWM的有效实施不仅依赖于科学的理论框架和良好的实施环境，还取决于城市水务部门和各级资源管理者之间的高度内部整合和密切合作。未来IUWM研究可重点开发城市水系统的监测、评估和管理体系，开发和应用城市水系统的综合模拟模型、考虑管理策略实施的空间尺度效应、分析建设项目的成本效益和优化建设方案。