城市化和城市发展是对生态环境影响最显著的人类活动，伴随人口增长和消费水平提升，城市化引发了一系列复杂的水资源与水环境问题。尤其在发展中国家，城市排水系统不足加剧了水环境恶化，严重威胁城市健康与可持续发展目标。为此，从地球系统科学视角探讨城市三维下垫面结构、水文过程与水资源管理之间的复杂关系成为关键科学问题。本研究基于“地球关键带科学”和“社会-生态系统科学理论”,系统梳理了城市下垫面结构与水循环动态变化、水环境质量及水资源可持续利用的耦合机制。通过整合物理、化学与生物过程，研究揭示了不透水面扩张对降水-径流-渗透动态平衡、污染物迁移及水资源供需分配的影响机制，强调社会与自然系统耦合研究对水资源优化管理的重要性。此外，研究结合水文过程与生态系统服务的关联，深入分析了水文动态对生态系统服务功能及人类福祉的调控作用，初步提出了基于社会-生态系统理论的城市水资源可持续管理框架。该框架为理解城市水文系统结构-过程-功能的耦合机制提供了科学支撑。本综述研究不仅有助于理解复杂的城市水文动态与生态服务关系，打通水文分支学科间壁垒，还为城市水资源管理和政策制定提供了理论依据和实践指导。