一、 前言
水资源是人类的基本生存资源，也是城市发展的重要支撑。随着我国城市工业的快速发展和城镇人口数量的大幅增加，经济社会用水规模长期居于高位，生态环境与经济社会的用水矛盾日渐凸显，造成了我国水资源不平衡、区域结构性缺水、水环境污染和水生态退化等一系列严峻的水环境问题，严重制约了我国的经济发展和生态建设。
我国的水资源战略布局从无到有，经历了不断深化认知的调整过程。20世纪80年代之前，水资源保护隐含于传统的流域管理中，以水土保持和水资源综合开发为重点，此后逐渐转向以水资源保护为管理核心的全面建设节水防污型社会时期 [1]。1988年，《中华人民共和国水法》的发布，标志着我国水资源管理进入有法可依和取水许可管理阶段，水利工作由工程水利转变为资源水利；2002年，对其进行修订，确立了水资源论证制度，明确在进行国民经济和社会发展规划以及城市总体规划的编制、重大建设项目的布局时，应当开展科学论证，并与当地水资源条件和防洪需求相适应 [2]。2011年，国务院发布《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，提出“三条红线”，对用水效率、水资源开发利用、环境容量3项内容进行控制 [3]。
在城市节水领域，近年来我国深入推进国家节水型城市建设，截至2021年年底，全国已建成130个国家节水型城市。2015年以来，从国家层面确定了50个城市开展海绵城市建设试点示范工作 [4]，在缓解城市内涝的同时，开展雨水收集利用，绿地及滨水空间得到扩展，人居环境得到相应改善。但总体来看，作为水资源利用和治理的重要主体，面向城市领域的水资源战略研究尚缺乏：① 以城市作为独立研究单元，针对全国各城市水环境和用水特征进行具体策略制定；② 引入未来发展视角，针对自然环境和城市产业、人口等要素，在时间向量上的变化进行规律学习和发展推演；③ 以城市安全为底线，通过安全底线倒推，确定水灾害防治、水资源利用、水环境治理及水生态保护标准，并纳入城市安全战略总方针。
为从根本上实现我国城市人口经济发展与水资源承载力相适应，提高城市发展质量和资源利用效率，本文依托中国工程院咨询项目“水平衡与国土空间协调发展战略研究（一期）”，立足于基本国情和水情，落实我国东北综合经济区、北部沿海综合经济区、东部沿海综合经济区、南部沿海综合经济区、黄河中游综合经济区、长江中游综合经济区、大西南综合经济区、大西北综合经济区八大综合经济区的369个城市（包含直辖市、地级市、地区、自治州、盟与省直管县级行政区等）的水资源刚性约束，通过城市水资源的现状诊断与未来推演，提出“以水定城、以水定人、以水定产”三大战略及具体策略，建构节水型生产生活方式，为建设资源节约、环境友好、永续发展的城市提供有效路径。
二、 数据来源与分析方法
本文基于2021年我国31个省级行政区的水资源公报数据（未包含香港特别行政区、澳门特别行政区、台湾省）、科学数据银行（Science Data Bank）的2000—2020年我国月降水量栅格数据、2011—2021年我国城市统计年鉴中的城市人口数据及城市工业生产总值数据，对我国城市的“基本水情”与“用水挑战”进行分析与诊断。
本文采用基于粒子群优化的神经网络模型（PSO_BP）对时序数据进行未来推演预测。BP神经网络算法采用梯度下降算法，具有强大的非线性拟合能力，可以高精度地逼近符合数据内在机理的函数。PSO通过群体智能进行全局寻优，从而有效提升BP网络的收敛速度与拟合精度。具体来看，本研究通过等距时间窗，重构时序数据结构，采用PSO_BP构建数据的时序联系与迭代运算，进行我国城市水情未来演进的时序推演。
三、 我国城市水情分析与推演
（一） 我国城市水情基本情况
1. 水资源总量分布不平衡
2020年我国水资源总量的地区分布总体呈现“南方多、北方少”的特点，水资源总量最丰沛的城市多位于我国大西南综合经济区、长江中游综合经济区、南部沿海综合经济区，其中水资源总量最多的城市为四川省甘孜藏族自治州，为7.876×1010 m3（见图1）。水资源最匮乏的城市多位于我国大西北综合经济区、黄河中游综合经济区、北部沿海综合经济区，其中水资源总量最少的城市为甘肃省嘉峪关市，仅为0.06×108 m3，人均水资源量为264.4 m³（见图2）。水资源最丰沛与最匮乏城市的水资源总量差异比值高达1.3万倍。
图1 2020年我国各城市水资源总量排行（正数前50名）
图2 2020年我国各城市水资源总量排行（倒数后50名）
我国水资源的空间分布不平衡严重影响了我国经济社会的布局。长期以来，我国沿用的是增加外源供水来支撑经济社会发展的“保障思维”。未来，在控制水资源消耗总量和强度的同时要统筹优化调整经济社会系统布局，使其与水资源承载力相适应 [9]。
2. 用水总量差距悬殊
2020年，我国用水量的地区分布总体呈现“胡焕庸线以东的综合经济区、黄河中游综合经济区部分区域、大西北综合经济区部分区域”较高的特点（见图3）。
图3 2020年中国各城市用水总量排行（正数前50名）
2020年用水量最大的城市多位于我国大西北综合经济区、东部沿海综合经济区、长江中游综合经济区、东北综合经济区等，其中用水量最多的是新疆维吾尔自治区的阿克苏地区，高达1.18×1010 m3（见图3）。用水量较小的城市多位于我国大西南综合经济区、北部沿海综合经济区等，其中用水量最少的是湖北省神农架林区，仅为0.13×108 m3。用水量最大城市与最小城市的差异比值高达908倍（见图4）。
图4 2020年我国各城市用水总量排行（倒数前50名）
3. 用水效率差异明显
地区的用水效率可以通过每万元国内生产总值（GDP）的耗水量来直观反映。2020年，全国每万元GDP（当年价）的用水量为60.8 m³ [10]，由于产业结构差异大，不同地区的每万元GDP的用水量差异显著（见图5）。
图5 2020年中国各城市用水效率排行（正数前50名）
2020年，我国用水效率较高的区域主要集中于水资源紧缺及经济较为发达的北部沿海综合经济区、东部沿海综合经济区、南部沿海综合经济区、长江中游综合经济区等，其中用水效率最高的城市是深圳市，每万元GDP用水量为7.69 m³（见图5）。用水效率较低的区域主要集中于农业用水比重较高的大西北综合经济区、大西南综合经济区、东北综合经济区，其中用水效率最低的地区是新疆维吾尔自治区的和田地区，每万元GDP用水量为1036.18 m³（见图6）。新疆和田地区的每万元GDP用水量为深圳市的134倍。
图6 2020年中国各城市用水效率排行（倒数前50名）
（二） 面向2035年的我国城市降水量推演
我国幅员辽阔，国土纵横广大，各地区距海距离差异显著，河流湖泊分布不均，地势高低多变，地形类型及山脉走向多样性显著，因此形成了丰富的气候环境，各地降水趋势复杂多样。
1. 城市降水总量与水资源总量呈线性相关
从各城市降水总量来看，2020年我国的降水分布呈现西南及东北两端高，中部匮乏的趋势。主要高值区位于“西南 ‒ 华南”连绵区，以及“华北北部 ‒ 东北”连绵区（见图7），主要低值区位于“环渤海 ‒ 华北下部 ‒ 西北”连绵区（见图8）。其中那曲市是我国2020年年降水总量最多的城市，高达2.823×1011 m³，甘孜藏族自治州与重庆市紧随其后，分别为1.771×1011 m³、9.747×1010 m³（见图7）；嘉峪关市是我国年降水总量最少的城市，仅为0.99×108 m³，石河子市以及乌海市略高于嘉峪关市，分别为1.01×108 m³、5.01×108 m³（见图8）。全国雨水分配极度不均，具有千余倍的差距。
图7 2020年我国各城市降水量总排行（正数前50名）
图8 2020年我国各城市降水量总排行（倒数前50名）
我国城市降水总量与水资源总量在全局上呈现高度的线性相关性（见图9），两者之间的相关系数为0.86。降水总量与水资源总量存在正相关关系，即降水总量多的城市，其水资源总量同样丰富，二者之间的线性权重为0.57，即城市降水总量每提升1×1010 m³，城市水资源总量提升5.7×109 m³。
图9 我国城市降水总量与水资源总量相关性
因此，本研究以2035年城市的降水量预测，推演2035年我国各城市的水资源总量。
2. 近20年我国城市降水量呈波动升高
2000—2020年，我国城市年降水量波动明显，在整体上形成了山谷状的变化趋势（见图10） [11]。2000—2004年，我国大部分城市的年降水量曲线迅速下坠，城均年降水量从高值1003 mm降低到20年中的最低值864.3 mm。2005—2020年，我国城市的年降水量缓慢提升，并且在2016年城均年降水量达到了新高1046.1 mm，并且在随后的4年中保持在1040 mm左右震荡。
图10 2000—2020年我国城市平均降水量
3. 2035. 年我国城市800 mm等雨量线将显著北移
研究结果显示，2020—2035年，我国800 mm等雨量线逐渐从秦岭 ‒ 淮河一线显著北移。2020年，我国有222个城市的年降水量高于800 mm，到2035年将有273个城市年降水量高于800 mm。这种变换将对我国的生态格局、产业格局、社会格局产生深远的影响。
就城市年降水量情况来看，2020年，我国城市平均年降水量为1042.6 mm；到2035年，我国城均年降水量将为1244.6 mm，我国年降水量将显著增加。未来，各城市年降水量的提升情况仍会存在一定差异。2035年，广州、深圳的年降水量均将突破2000 mm，较2020年分别增加了352.8 mm、334.1 mm。到2035年，新疆维吾尔自治区的降水量仍较低，如阿拉尔市的年降水量将为199.6 mm，仅比2020年增加了56.7 mm；铁门关市的年降水量将为194.0 mm，较2020年增加了58.6 mm。虽然新疆维吾尔自治区各城市的年降水量提升有限，但提升比例为29.8%，远超全国平均值17.8%。
（三） 2035年我国城市供水缺口预测
我国是联合国列出的13个贫水国家之一，但水资源总量却位居世界前列。这一问题产生的主要原因是水资源供给与用水需求不匹配之间的矛盾，因此，加强用水需求预测成为水平衡调控的重要路径之一。按照推导逻辑来看，用水预测主要有两类方法，一类是根据历史用水记录进行预测，另一类是根据经验推导，如构建影响用水的各因素与总用水量的影响模型 [15]。按照使用的计算方法来划分，主要有数学模型、人工智能模型等，其中人工神经网络常用于用水预测，可有效解决常规数学方法难以克服的样本少、具有不确定性、波动性等问题。
本文基于各城市历史用水总量数据进行用水总量推演，其模型的拟含优度（R²）达到0.92。结合预测的水资源总量和用水量计算得到2035年我国各城市的供水缺口。
到2035年，我国共有140个城市存在供水缺口，以上海到克拉玛依为界，呈现显著的东北、西南分异，东北片区大部分城市供水情况呈现供小于求，西南片区大部分城市则是供大于求。在东北片区，黑龙江、吉林和辽宁的边境城市水资源较为丰富，用水供需压力偏小；在西南片区，福建、广东、广西部分城市有较大的用水缺口（见图11）。另外，新疆阿克苏地区的用水缺口高达9.518×108 m³，位居全国第一。到2035年，长江三角洲、珠江三角洲和京津冀三大城市群的主要城市皆位列全国前50名缺水城市名单中，面临严峻的用水考验（见图11）。
图11 2035年我国各城市供水缺口排行（正数前50名）
四、 我国城市用水面临的挑战
（一） “城渴型”城市水环境特征和空间分布
近30年我国人口总量持续增长，人口总量从1949年的5.4亿人发展到14.1亿人（2021年），年均增长率约为1.4%。随着城镇化进程的加快，人口高度集聚于城市区域，用水需求的大幅提高导致城市区域水资源供应不足的问题日益严峻，城市出现程度不一的“渴水”现象，故将此类缺水城市定义为“城渴型”城市，并重点结合水资源与人口规模矛盾最突出的“高度城渴型”城市，剖析城市人口集聚过程中的水平衡问题。
1. 我国2035年的各城市人口预测
随着我国经济社会发展，出现了人口不断向城市集聚的“城市化”现象，人口集聚对城市承载力带来了显著的压力。预测结果显示，我国城市人口总量总体呈平稳波动且持平趋势，百万人口城市占比为84%，千万人口城市占比为4%。常住人口排名前列的城市为重庆市、上海市、北京市、成都市、天津市、广州市、深圳市、保定市、武汉市等。
2. “城渴型”城市的水环境特征
在城市发展过程中，高强度人类活动对水循环过程造成了全方位影响，以特大、超大城市和城市群为主要增长极的快速发展导致我国人口高度聚集和经济迅猛增长，且对局部环境和水循环过程产生了剧烈扰动，强化了有限水资源承载能力和不断上涨的生活用水需求之间的不匹配性，形成水资源匮乏、城市人口规模较大的“城渴型”城市。
3. 2035. 年“城渴型”城市空间分布推演
根据2035年我国各城市常住人口预测数量，按照2020年我国各城市人均生活用水量，推演2035年我国369个城市人口生活用水总需求量。通过生活用水需求与水资源供给的关系，定义“城渴型”城市的生活用水的稀缺程度，如公式（1）所示。
（1）
式（1）中，表示i城市2035年的生活用水压力，表示i城市2035年的生活用水量，表示i城市2035年的水资源总量。
（2）
研究表明，到2035年，我国共有129个“高度城渴型”城市，53个“中度城渴型”城市（见表1）。我国内蒙古城市群及京津冀城市群形成了一条巨型高度城渴区风险带，并向东北延伸与沈阳 ‒ 大连城市群相连，构成渤海湾环状城镇缺水地带。
表1 2035年我国的“高度城渴型”城市与“中度城渴型”城市
| 地区 | “高度城渴型”城市（129个） | “中度城渴型”城市（53个） |
|---|---|---|
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（二） “产旱型”城市水环境特征和空间分布
工业生产过程中的不断增加用水及废水处理问题加剧了地区的水资源压力 [21]和供需不平衡，而用水需求的扩展并没有对等的多源水资源供给，致使水资源的自我循环无法满足工业化的需求。针对于此，水资源量较少且工业占比较高的“产旱”现象成为城市缺水的核心问题。为衡量城市“产旱”现象的挑战，需要综合各城市历史工业用水数据来进行未来工业用水的预测，精准把握存在的和潜在的挑战。
对2035年的城市工业用水趋势进行预测推演，结果显示，到2035年，工业用水需求将以济南、成都为界，大体上呈现北低南高的趋势，包括长江三角洲东北部连绵区，湖南、湖北，福州、泉州及其周边连绵区，重庆市及其周边，东莞市及其周边，南宁及其东部城市在内的6个强工业用水需求区。
“产旱型”城市指工业生产需求与水资源供给不平衡的城市，根据2035年的城市工业生产需求与水资源供给不平衡程度，将城市根据工业用水压力划分为4类，具体见公式（3）与（4）。
（3）
（4）
式（3）、（4）中，表示城市i的2035年的工业用水压力,表示i城市2035年的工业用水量，表示i城市2035年的水资源总量。同“城渴型”城市分类依据，如公式（4）所示，将按照10%、20%、40%划为4个区间，划分出4类工业用水压力城市。将“高压力型”城市称为“高度产旱型”城市，将“中高压力型”城市称为“中度产旱型”城市。
研究表明，到2035年，“产旱型”城市主要集中在东北综合经济区、北部沿海综合经济区、东部沿海综合经济区、南部沿海综合经济区、黄河中游综合经济区（见表2），工业用水效率总体上处于全国较高的水平，工业单位GDP水耗仅为15.73 m3/万元，低于全国平均值33.05 m3/万元。
表2 2035年我国的“高度产旱型”城市与“中度产旱型”城市
| 地区 | “高度产旱型”城市（104个） | “中度产旱型”城市（62个） |
|---|---|---|
| 东北综合经济区 | 成都市、佳木斯市、抚顺市、鸡西市、长春市、沈阳市、绥化市、大连市、盘锦市、辽阳市、锦州市 | 丹东市、白城市、鹤岗市、双鸭山市、营口市、朝阳市、阜新市 |
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在“产旱型”城市中，北京、天津、陕西的工业用水效率位列全国前三位，京津冀地区整体表现为高效率。“产旱型”城市中用水效率较高的有轻工业、设备制造业、木材加工业、纺织业、烟草业等制造业部门。同时，“产旱型”城市集聚了大规模的高耗水行业，主要包括采矿、化学制造、造纸、金属冶炼等重工业行业。
（三） “房淹型”城市水环境特征和空间分布
根据2035年我国各城市年降水量推演结果，本文采用城市年降水量提升量超过250 mm或提升比例超过25%这两个指标对“房淹型”城市进行划定，将具有洪涝灾害风险的城市定义为“房淹型”城市。
研究表明，我国共有174个“房淹型”城市（见表3），其中基于降水量提升比例划定的“房淹型”城市集中在新疆维吾尔自治区、西藏自治区、宁夏回族自治区、甘肃省、内蒙古自治区。基于降水量提升比例划定的“房淹型”城市主要集中在海南省、广东省、广西壮族自治区、福建省、浙江省等沿海地区。
表3 2035年我国的“房淹型”城市
| 地区 | “房淹型”城市（174个） |
|---|---|
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五、 适应水条件的我国城市发展政策建议
（一） 以水定城：适应水条件的新型城镇化对策
1. 实现区域城镇化进程与水资源协调
“以水定城”的“定”是建构新型“水 ‒ 城”关系的核心。“定”不仅限于“城”的个体，需要综合考虑“域”的系统。一方面，对于“水 ‒ 城”矛盾尖锐的区域或流域，应进行城镇化进程速度与规模的调控，通过规划引导城镇化进程由“城渴型”区域向“城润型”区域进行转移；另一方面，借助区域已有的信息共享机制、标准衔接机制、协调联动机制，推进区域水资源的共建共享，完善区域水资源与区域城镇化的协同配置。
2. 将水资源刚性约束纳入国土空间规划
充分考虑全球气候变化趋势、水利工程调控能力、河湖生态保障目标、外调水和非常规水资源利用等因素的影响，合理确定城市地表水资源可利用量、城市地下水可开采量和城市水环境容量等城市水循环系统承载能力的指标阈值，并将其纳入国土空间规划的基本指标体系。以此为基本约束，完善资源环境承载力和国土空间开发适宜性评价，优化城市国土空间发展战略和目标，确定城市国土空间使用规模与布局，严格进行“以水定城”的管控与传导，使水资源真正成为国土空间“一张图”的底色。
3. 推进城市水安全治理能力现代化建设
建设城乡“空天地一体化”高速动态暴雨洪水智能监测预警系统，提升洪水预报的精度，并运用人工智能、大数据、云计算、物联网等新技术，提高城市建成区、城市水库、城市河道、城市蓄滞洪区的洪水模拟推演的智能化水平。动态编制 / 修订城市洪涝灾害防御预案，推行基于多情景、海量方案的预案编制方法，形成超标洪涝预案实时修正与动态调整体系。同时，建立“快速反应、协同应对”的洪涝灾害应急体系，将气象、水务等部门的“预、防、报”与应急管理等部门的“抗、救、援”有机衔接。
（二） 以水定产：适应水条件的产业发展对策
1. 促进城市产业结构与水资源相匹配
促进城市产业结构与水资源匹配的重要途径是选择与城市水资源条件相匹配的产业结构，宜粮则粮、宜农则农、宜工则工、宜商则商，构建与城市水资源承载能力相适应的现代产业体系。“产旱型”城市原则上不引入“高耗能、高污染和消耗资源性”的“两高一资”产业，需要制定一票否决的产业清单。同时，要推行“以水定产、量水而行”的发展战略，推动建立超用水量的产业退减机制，倒逼地方经济转型升级。此外，应引导“产旱区”的高耗水产业向水资源相对充足地区转移。
2. 研创节水与减排的置顶与管理技术
产业节水可分为技术性、管理性节水。在技术性层面，鼓励科技创新研发，提高产业用水效益、减少产业用水损失、可替代常规水资源等的城市节水置顶技术。在管理性层面，优化企业用水网络，提升企业用水管理水平，通过“分质供水、一水多用、梯级用水、循环用水”，大力推广企业水网络的高速动态监测与优化技术，提升企业用水质效。此外，持续完善工业节水标准体系，研究“量水而行、节水为重”的发展模式，进一步引导“产旱型”城市的产业转型。
（三） 以水定人：适应水条件的人口发展对策
1. 科学明确水资源人口承载规模阈值
基于未来气候情景的模拟推演，耦合城市水资源可利用量、城市地下水可开采量、城市水环境容量和城市洪涝调控能力等控制指标，提高水资源承载力评估的科学性和可操作性，明确国土空间适度承载的人口规模。针对人水矛盾尖锐的“城渴型”城市，在考虑跨流域调水等外部因素基础上，应充分考虑水资源承载力的阈值条件并作为城市人口增长的限制“短板”，切实贯彻“以水定人”的基本原则。
2. 严格控制“城渴型”城市人口规模增长
遵循“城渴型”城市的人口规模“天花板”，制定相应政策，严格控制“城渴型”城市的人口规模增长，放开、放宽“城润型”城市的落户限制，主动适应和引导“城渴型”城市到“城润型”城市的人口有序流动疏解，提高城市人口与城市水资源分布的匹配性。同时，对极偏远的“城渴型”地区实施生态移民，因地制宜提高人口聚集度，提高水资源供给保障以改善生活水平。