可持续水系统管理
以城市水系统为例，城市水系统应当是城市内诸多水元素的组合，包括自然水体（如河流、溪流和湖泊）、地表水、地下水以及与水有关的城市基础设施（如供水、污水收集处理及其最终处置等）。城市水通常来源于自然水体，然后多种途径使用后回归自然水体。因此，城市流域中形成整个城市水系统，而城市水系统的可持续管理是整个水循环的基本原则。
水系统管理
城市水系统由四个子系统组成：供水系统、废水系统、排水系统和地表径流。其中，供水系统是经水处理厂将水源净化满足饮水的水质要求，然后经配水管网输送至城市用户；废水系统通常经过管网收集用户使用过的水，再在污水处理厂中将其处理达标；排水系统用于处理达标污水的最终排放。为实现城市水系统子系统的可持续管理，相应的任务主要包括以下内容：
供水系统主要由供给水资源的水文工程和水力系统组成。 供水系统的可持续管理包括原水收集点、水体纯化设施、水存储设施、水增压部件、配水管网等方面的系列管理。 水系统的可持续管理目标是使各部分都保持在良好状态，并确保整个系统在任一情况下均能正常运行。
废水系统是城市供水系统的后续系统，也是由诸多工程水力系统组成，可促进水的使用、收集和最终处理。下水道或废水收集管网和废水处理设施是废水处理厂最重要的组分。其中，该系统主要由大型管道或下水道组成，管道将污水从生产点输送到处理厂或排放。在某些城市，市政污水也可能与雨水共同输送，即“联合下水道系统”，与污水和雨水分别输送的“分离系统”形成鲜明对比。然而，强降水可能会导致下水道系统出现溢流，迫使未处理废水直接流入受纳水体。
城市雨洪管理是指对城市及其周边地区发生内涝事件的管理。城市内涝的发生有多种原因，且影响广泛。为减轻城市内涝影响也有不同策略。其中，最常见的方法是通过城市排水系统来缓解城市内涝，该系统将雨水收集输送到储存和排水区域。另一种传统的城市内涝管理策略是灰色基础设施，即为防止水流动而设计的一些基础设施类型（包括水坝和海堤），通常由混凝土或其他不透水材料建造而成。绿色基础设施是灰色基础设施的替代方案之一，主要是通过在降雨点及其附近区域采取雨洪吸收和储存策略。其中，绿色基础设施包括诸多类型的植被、表面透水的开阔地域和雨水收集装置。鉴于区域中透水/不透水表面积比率在雨洪管理中的重要性，变更土地利用方式，优化不同用途类型的土地比例对于城市雨洪管理规划至关重要。其中，增加植被占地空间的比例有利于对暴雨径流进行吸收和储存。
水量管理
水量管理依赖于国家和各级地方政府的决策，且因季节和地理不同发生变化，以更好地管理用水需求，提高用水效率并合理配水，将水用在最需要的地方。需水政策的制订通常需要考虑对短期和长期用水需求的预测和不确定性，同时需要结合社会、经济和生态功能需水。生态可持续限制通常与水资源管理规划有关，即通过地表水和地下水资源的长期可持续分流限制，在环境可持续前提下使用水资源。
除考虑环境的可持续外，水资源分配制度的设计也需考虑经济效率和社会公平。为优化水资源使用的经济效益，制订的分配制度允许用户之间转让水权，以此实现水资源的高价值使用。其中，水量管理的重点任务通常包括：
水定额管理是水量管理的重要任务之一。水定额是单位时间内人均、单位面积或单位产品的取水标准，能够反映用户对水的需求、节水能力及其对水的管理水平。水定额是指在一定条件下对用水量的限制。 从政府管理的角度来讲，水定额是所有用户必须遵守的标准用水量，通常包括三个主要概念，即设计定额、统计定额和管理定额。其中，设计定额通常是指用于指导满足用户水需求对应的设施设计；统计定额通常用于预测需水量，以反映当前和未来的用水情况；管理定额主要用于管理实际用水，其目标是实施相应的指标体系，以量化定额指标，确定与各因素对应的合理用水量。其中，该指标体系融合了宏观尺度的区域配水和微观尺度的用户配水。
水供需平衡管理旨在实现供水量和实际需水量之间的平衡。供水系统的供水能力通常与可利用淡水资源密切相关。其中，可利用淡水资源可能随着气候变化发生波动甚至持续减少。与此相反，随着人口增长、生活条件改善和经济发展，用户需水量可能会逐渐增加。如何实现水供需平衡一直是亟待研究解决的问题。当供水不能满足当地需求时，会导致引发冲突。气候因素（如干旱和全球变暖）、水管理策略和过度开采等均会增加供水压力。通过转移水资源可增加供水量，但常对水质和当地生态造成不利影响。为避免水危机，需在健全科学原则的基础上，采取节水措施并进行水资源管理。
水质管理
水质在很大程度上决定了不同用水的可用性。从技术来讲，基于水使用标准，水质是指水的化学、物理和生物特征，常作为评估水处理效果的参考依据。最普遍的标准常用于检测评估水质，表征水生态系统健康、人类接触安全性、水污染程度和饮用水条件。
水质能显著影响水的供给，且往往决定供水方案。饮用水不应含病原体，且无机和有机化学品浓度均应低于危害人类健康的限值。其他不同目的用水也制订了相应的水质标准。如：可溶性离子（高浓度钙、镁离子）可能会影响工业和居民用水的适用性。为了维持水体（如湖泊、河流和海洋）相关的环境水体质量，相应的水质标准也需依据环境条件、生态系统和人类用水目的不同（尤其是水中有毒物质）进行制定。其中，最常见的水质管理内容主要包括：
饮用水水质通常按照饮用水安全计划进行管理，该计划明确了从集水（水源水）到消费（自来水用户）的可信风险，并确定了此类风险的优先级，然后制定了相应的风险缓解控制措施。同时，还需对管控系统的有效性和产水的水质进行过程确认。首先，饮用水质量管理需从源头到水龙头进行全系统风险评估，然后识别监测最有效控制点以削减已知风险，最后制定有效的管理控制系统和操作计划以应对常规和非常规的操作条件。必须警惕潜在恶性事件的发生可能性，并制定此类事件相应的应对管理措施。饮用水质量管理是在一系列水质量指南或标准的基础上进行的管理，主要针对水中存在的可能影响人体健康的无机或有机杂质。因此，系统评估的目的是判定饮用水整体供应（即从水源到水处理再到消费点）是否能够满足符合健康目标的水体水质。
污废水处理可将污染物从废水中去除，然后将其转化达标排放继续进行自然水体循环。污废水处理后排放至自然水体，且对环境造成的影响是可接受的。因此，污废水处理的目标是保护环境水体质量。不同的废水类型需要采用相应的污水处理厂，如生活污水处理、工业废水处理和其他类型的废水处理（如农业废水处理和渗滤液处理）。其中，在大多数生活污水处理厂中，需要去除的主要污染物包括悬浮固体、有机物和营养物质。因此，固液分离和生物氧化是常用的工艺单元。通常工业废水中含有传统废水处理方法难以去除的有毒无机物和/或有机物，此时需考虑采用更复杂的处理工艺方法，如化学氧化法和吸附法。在生活污水处理过程中，微污染物对环境的危害越来越受人们的关注（如废水处理后排水中ECDs、PPCPs和农药残留等）。因此，为实现微量污染物的有效去除，高级处理工艺越来越广泛的用于传统污水处理中。为缓解水资源短缺，水回用处理的需求也逐渐增加，且回用水需满足安全用水的水质要求。
排水负荷控制是一种水环境保护广泛采用的策略。自然和人工水体均有其分界线，但都不可避免的接收一定量的点源（如已处理和/或未处理的废水排放源）或非点源（如地表径流）污染物。当集水区的总污染物负荷超过其自净能力时，水体水质必将恶化。污染物负荷是指在一段时间内排入水体的污染物的量。与国家/地方法规限定的废水处理厂污染物排放浓度值不同，通常没有可用于确定污染物负荷限值的法规。因此，按照废物排放标准进行水体排放并不意味着收纳水体不会被污染。针对水体保护，尤其是封闭或半封闭水体（如湖泊、水库和海湾），某些国家已在区域范围内实施了“总污染物负荷控制系统”。总污染物负荷的确定需要全面评估所有污染物流入量、水体承载力、水力条件季节变化和环境水保护的最终目标。