进入21世纪以来，世界性的水危机逐渐凸现，水资源紧缺和水环境退化已经成为人类社会生存发展的制约因素。水环境退化的控制和恢复研究是市政环境工程领域的前沿课题。但是引起水环境退化的成因错综复杂，其控制和恢复是一个多学科交叉的开放复杂巨系统问题。当前对水体污染的研究大多限于具体单元处理技术的研发，我国在水环境恢复领域的研究还处于萌芽阶段，对于水环境恢复的理论和实践还未进行系统研究。 本文从水的社会循环和自然循环相互作用的角度出发，首次对水环境退化的根源、水环境恢复原理与方略、城市排水系统等进行了深入探索，并将水环境恢复原理应用于北京和大连市的水资源与水环境工程规划之中。 综合运用层次分析方法、系统科学思想以及生态系统和环境科学等相关知识，对水环境退化的原因进行了深入论述。提出水环境退化的主要成因是人口过度增长、错误的自然观以及粗放增长大量废弃的生产生活方式。在此基础上，进一步指出粗放资源利用模式，其中尤其是粗放的水资源利用模式——无节制地取用自然水，任意干扰和改变水的自然循环，污水处理率和处理程度低下，随意排放垃圾和畜禽废弃物，无度使用农药化肥——是造成水资源短缺和水环境普遍退化，引起深刻的社会水危机的直接原因。水环境退化根源分析和确定为后续水环境恢复原理与系统方略的研究提供了基础。 在明确水环境退化根本成因基础上，分析了人类社会现状水循环的诟病，从地球水循环系统和水的社会循环两个层面分析了人类社会用水对自然水循环的影响以及维系社会用水循环健康发展的关键。指出水环境恢复与维系的基础是建立起健康的社会水循环，给出了明确的水健康循环定义：在水的社会循环中，尊重水的自然运动规律和品格，合理科学地使用水资源，不过量开采水资源，同时将使用过的废水经过再生净化，满足水环境自净的要求，使得水资源同时满足人类发展与良好自然生态环境的要求，上游地区的用水循环不影响下游水域的水体功能，水的社会循环不损害水自然循环的客观规律，从而维系或恢复城市乃至流域的良好水环境，实现水资源的可持续利用。并论述了流域范畴上的水健康循环模型以及流域内城市应该具备的健全水循环系统，提出新的“取水—输水—用户—再生水循环”反馈式水资源循环利用模式。 基于社会用水循环与自然水循环的系统分析，统筹考虑水社会循环的各个组成部分的各自功能和相互影响以及与自然水循环的复杂耦合作用，对水环境恢复原理与系统方略进行了深入研究。首次提出节制用水，污水深度处理与再生回用，污水厂污泥肥料化，城市雨水循环的恢复，面源污染控制与水资源统筹管理等系统的水环境恢复策略和措施。 流域是水环境恢复的基本地理单位，通过将城市用水置于流域范畴之内，综合考虑城市排水系统在维系水的社会循环健康发展中的地位和作用，反思传统排水系统的不足和缺陷，重新定义和阐述城市排水系统的任务和功能，构建21世纪城市排水系统新模式。21世纪排水系统的功能应从以前的防涝减灾、防污减灾逐步转向污水和营养物质的再循环，从而恢复良好水环境，促进水资源的可持续利用。它的基本任务是收集、处理、回用和再循环尽可能多的水资源和营养物质，以实现水资源和营养物质的重复和循环利用，达成流域内城市群间水资源的可持续利用和良好水环境的恢复与维系。 应用上述水环境恢复原理在北京市进行了实例研究，明确了北京市水环境恢复策略和基础措施，并预测各种措施的实施效果和潜力，确定不同基础措施的效果贡献率，从而提出了各种策略的优先次序。其中城市污水深度处理回用对方略整体效果的贡献率在50％以上，是北京市水环境恢复策略的重中之重。研究成果引起北京市领导的高度重视，批示环保部门逐步参考实施部分策略。此外，还将水环境恢复原理应用于大连市，进行了非传统水资源的优先利用次序和水资源统筹配置研究。 通过上述研究，本文首次提出了水健康循环的概念和模型、创新的城市排水系统以及水资源利用新模式，开创性地提出了系统的水环境恢复原理和实施方略，并已应用于国家中长期科技发展规划战略研究中，提出国家水事指导方针，在“973”项目和“十一五”科研计划中得到充分体现。