可持续水生态环境安全保障
水是人类生活不可缺少的一部分。正因如此，人类从文明开始时就把他们的定居点设在靠近水域的地方。近两个世纪以来，定居点的规模随着人口的增加越来越大，并最终发展为现代城市。对于任何城市而言，自然水体和人工水体都发挥着多重作用，例如水资源用于供水、水体缓冲区可调节当地气候、水体景观区供人类享受，以及水生生态系统提供生态服务。另一方面，水体也在接收各种来源的污染物，特别是来自人类活动的污染物。生活污水和工业废水最终排放到污染负荷较大的受纳水体。来自不同源头的污染物在旱天积聚在地表，在雨天随地表径流进入水体中。在污染严重的情况下，水体不再能很好地发挥其功能。另一方面，由于水总是在水循环中流动或被流动，因此与水环境质量、水生生态功能和安全利用相关的所有问题都应纳入一个综合框架，即所述的“可持续水生态环境安全保障”。
水体污染治理
水体污染治理是一个传统话题，但也是一个非常重要的基本步骤。水污染的实际定义是：“外源物质或某种能量形式直接或间接改变水体性质，对其合理用途产生负面影响”。当水受到人为污染物的破坏时，通常被称为污染。
许多水质指标广泛用于评估水体的整体水质，例如COD和/或BOD，表示有机污染水平，总氮和磷，表示富营养化水平，以及粪便大肠菌群或总大肠菌群，表示粪便污染水平。要将这些常规污染物的浓度保持在允许的水平内，在一些国家和地区仍然是一项艰巨的任务，尤其是在人口密集的城市地区。在大多数情况下，严重水污染主要由所谓的点源造成，例如经处理和/或未经处理的废水排放。除了通过常规工艺（如大多数城市污水处理厂的二级处理）可去除的常规污染物外，还应关注不可生物降解的有机化合物（来自杀虫剂和除草剂等的化学品）以及通过化学、生物和光解过程抵抗环境降解的持续性有机污染物。这些污染物在水中的浓度通常较低，但毒性作用相当大。要有效地去除这些污染物，可能需要采用复杂的技术。
地表水污染控制在大多数情况为首要任务。对于沿海城市，地表水通常包括河流、湖泊、水库以及海湾。对于有污染物排放的河流或溪流，污染程度主要取决于进入水体的污染物浓度以及能够稀释污染物的河流流量。通常需要数学建模来帮助确定河流的允许污染物负荷。与河流及溪流相比，湖泊或水库中的水体由于不是流动或良好混合的状态，水污染的机理更为复杂。人们通常特别关注由于营养物质过多导致藻类生长异常的富营养化现象，沿海海湾也可能出现类似现象。在污染物负荷远远超过水体允许限度的情况下，可能会发生严重的水污染。近年来，在中国，所谓的“城市黑臭水体”引起了广泛关注，并成为一些城市地表水污染控制的首要任务。黑臭水体是一种严重的水污染状况，其特征为有机物和营养物的浓度极高，水中溶解氧严重耗尽，底部沉积物中可能释放甲烷、硫化氢和其他有害气体，水体散发臭味并呈黑色，由于水循环不良，刺激蓝藻和绿藻爆发。这种极端的地表水污染问题较难通过减少污染物负荷来解决，需要综合环境、水文、机械和生态措施的综合技术战略。
地下水污染控制包含两个方面的任务：污染防治和污染地下水修复。当污染物释放到地面并进入地下水时，就会发生地下水污染。由于地下水中存在少量有害成分、污染物或杂质，这种现象也可能会自然发生，在这种情况下，它可能更适合被称为“玷污”，而不是“污染”。地下水污染可能来自现场卫生系统、垃圾填埋场渗滤液、废水处理厂的废水、漏水的下水道、加油站、水力压裂过程或农业过度施用的化肥。由于大多数情况下污染物来自地表，地下水污染预防通常需要绘制土地利用分区图，其中包括含水层脆弱性图与水源保护图。水层脆弱性图反映地下水系统对污染的固有（或自然）脆弱性；水源保护图反映单个地下水源周围的采集区，例如水井或泉水，以保护它们免受污染。当地下水含水层受到污染时，减少地下水污染比减少表面污染要困难得多，因为地下水可以通过看不见的含水层流动，范围广。通过各种处理技术，包括生物、化学和物理处理技术可以去除地下水中的污染物。然而，如果被污染地下水的处理或补救措施过于困难或成本较高，那么放弃使用该含水层的地下水并寻找替代水源是唯一选择。
改善水环境和生态质量
水环境和生态质量改善旨在提高水体的整体质量，以提高其更好的环境和生态系统服务的能力。根据定义，环境强调影响生物体（人类或其他生物）的周围条件，而生态系统强调生物体与环境之间的相互作用。因此，针对水环境和生态质量这一术语，我们不仅强调影响人类生活的水质，同时强调其与生态系统服务相关的功能，这与更高层次的水安全目标相对应。
关于饮用水源水，通常有水质标准规定不会对人类健康造成不利影响的特定化学物质水平或条件。而对于环境水，最高的水质要求通常遵循水生生物标准，该标准代表水体中不会对大多数物种构成重大风险的污染物的特定浓度。许多重要的水体必须满足人类健康和生态健康的质量要求。这需要考虑水污染控制措施不仅要遵循现行的水质标准，还要考虑水生态环境整体安全保障的要求。
非点源污染削减是水污染控制的第二步，以进一步改善水环境和生态质量。根据定义，非点源污染是指非单一离散源的扩散污染或水污染。这类污染通常是从大面积聚集的少量污染物的累积效应，例如流域或水体的整个集水区。与可能连续进入受纳水体的点源污染物不同，面源污染物在雨天可能主要通过地表径流进入水体。许多研究表明，初始雨水径流携带的污染物浓度通常远高于未经处理的下水道水体，从而导致严重的水污染。另一方面，活污水和工业废水可能没有来自面源的多种剧毒污染物，如农药、除草剂和其他农业和种植业相关化学品。在一定程度上，对于确保水安全而言，水体面源污染削减比加强点源污染削减更重要。为了控制面源污染，可以在城市和郊区采取不同的措施。例如缓冲带在不透水的铺路材料（如停车场和道路）和最近的水体之间提供了一道植物屏障，因而污染物在进入当地水生系统之前被土壤吸收。同时也可以在排水区域建造蓄水池，以在径流污染和水环境之间建立水生缓冲区，将径流和雨水排入蓄水池，污染物则会沉淀并滞留在水池中。另外，多孔路面可使得雨水排入路面下方，减少直接排入水体的径流量。除此之外，建设人工湿地等措施也被用于减少径流和减轻污染。
水生生态系统修复是指在水体在先前受到污染的情况下恢复水体的环境和生态状况。所谓的修复应该是点源或面源污染控制目标实现后采取的措施。多项研究表明，水生生态系统的恶化是由外源污染和内源污染共同造成的。因此，水生态系统的修复需要彻底控制来自外源和内源的污染物。在例如湖泊或水库的水体中，底部沉积物通常是内源污染的主要来源。防止底部沉积物中污染物持续释放的方法包括机械或物理消除（如沉积物疏浚），以及通过化学、物理化学和生物措施隔离污染。在这里，强调的是水生生态系统修复或恢复，而不是水质修复或恢复，因为健康的水生生态系统象征良好水质。有多项表征健康水环境条件的生态指标，如淡水生物指标，包括大型无脊椎动物或鱼类多样性、底栖藻类生长和底栖需氧量、以及栖息地指标，同时包括提供关于陆地和水体之间界面的信息的河岸植被。各种生物毒性测量工具也有助于评估水生生态健康状况。这些方法都是基于选定的细菌、藻类、水蚤、原生动物和鱼类物种进行的生物测定。许多针对遗传毒性、雌激素、生物群落结构的特定毒性试验也可用于表征水生生态环境质量。
城市涉水安全保障
根据定义，城市安全取决于在多种因素的基础上确保人类安全生活的环境。构成当地城市安全的所有因素分为以下几类：自然、建筑、社会、环境、技术和基础设施。与自然、环境甚至基础设施有关的因素则包含多项与水密切相关的因素。城市通常位于流域内或与流域相连，可提供源水用于各种供水目的，并可以容纳使用过的水和雨水。给排水设施是城市不可或缺的基础设施。
近年来，水循环管理的概念被引入以协助讨论与水相关的城市安全。这一概念基于这样一个事实，即水的利用不仅仅是利用水本身，而是利用由一系列自然水循环、自然净化、相变等过程组成的自然水文循环。在自然条件下，水文循环始终处于动态平衡状态。人类对水的利用导致在水文循环中增加了小型人工水循环。这可以解释为对原始自然水循环的干扰，但只要我们知道如何通过尽可能遵循自然方式将人类干扰程度降至最低，我们就可以将整个水循环维持在健康状态，使与水有关的城市安全得到保障。
城市防汛始终是城市安全治理的首要任务。事实上，地表洪水是暴雨期间雨水不能被土壤完全吸收并向下渗透，最终汇聚在地面上形成地表径流的自然现象。然后水可以通过自然路径流入溪流和河流以完成径流过程。然而，由于城市化，建筑的建造、道路和广场的铺装等使得下垫面发生很大变化。由于吸收雨水的自然土壤表面积较小，地表径流形成更快，流量更大。这是许多城市特别是快速城市化的大都市频繁发生城市内涝问题的主要原因。城市内涝控制基本包含两种策略。一是提供和/或扩建排水系统，以容纳和排放与洪水控制目标相对应的峰值洪水流量；二是通过自然排水渠道、多孔路面和湿地减少街道、停车场和建筑物的不透水表面，这些统称为绿色基础设施或可持续城市排水系统。此外，被确定为洪水易发区的地区可以改造成公园和游乐场，以承受偶尔的洪水风险。同时，还可以通过条例规范要求开发商在施工现场截留雨水，并要求建筑物被抬高，建造防洪墙和堤防进行保护，或设计为能够承受临时洪水的建筑物。业主也可以自行投资解决方案，例如重新完善其房产使得建筑物远离雨洪危险，并安装雨水桶、污水泵和止回阀。
建设节水型城市被公认为是确保与水相关的城市安全的综合系统解决方案。建设节水型城市，意味着从高度依赖工程的传统城市供水系统向以工程为特征的全新城市供水系统的范式转变。以此为方向上，有多种方法和概念在发展。在北美，低影响开发（LID）用于描述作为绿色基础设施的一部分来管理雨水径流的土地规划和工程设计方法。这种方法实现了工程化的小规模水文控制，通过渗透、过滤、储存、蒸发和滞留径流，来复制流域开发前的水文状况。在欧洲，可持续排水系统（SuDS）是一系列水管理实践的集合，旨在将现代排水系统与自然水处理相结合。SuDS的利用使城市排水系统更符合自然水循环的组成部分也更具兼容性，如风暴潮溢流、土壤渗滤和生物过滤。在澳大利亚，水敏感城市设计（WSUD）是一种土地规划和工程设计方法，将城市水循环（包括雨水、地下水、废水处理和供水）与城市设计相整合，以最大限度地减少环境退化，提高美学和娱乐吸引力。近年来，海绵城市成为中国一种新的城市建设模式，用于洪水管理，从而加强生态基础设施和排水系统。海绵城市可以缓解城市内涝问题、水资源短缺和城市热岛效应，通过吸收和收集雨水并利用其减少洪水，改善生态环境和生物多样性。收集的雨水可以重新用于灌溉和家庭使用。海绵城市是一种城市规模及更大范围内可持续排水系统的一种形式。