根据我国社会与经济发展对水环境和水资源的需求以及相关的国际前沿科学问题，天津市水环境与水资源重点实验室的研究方向和未来主要研究工作突出以下三方面的要求：（1）基础研究突出国际水科学研究前沿领域；（2）应用基础或应用研究服务于水环境与水资源的国家和天津市的战略需要；（3）建设天津市水资源和水环境相关的社会应急机制。在此三个要求原则基础上，实验室规划以水环境和水资源为基本定位，以地表水体（河、湖、水库等）、地下水、和海水三者立体构型为对象，重点瞄准地下水污染、海陆相互作用现状与未来、区域水资源概况及其对全球气候变化的相应、水污染现状、水体立体流通模式、以及地面沉陷和相对海平面变化对天津中长期发展的影响等进行研究。

一、水环境研究领域
1.物质水文地球化学循环与生态环境效应
本研究以水文水动力学、环境地球化学、生态毒理学为基础，强调宏观过程和微观机理研究相结合，重点研究污染物在水体、水/土、水/气界面和跨介质中的迁移转化过程和生态环境效应。主要研究领域包括：污染物在水环境中的迁移转化规律；污染物输移扩散数值模拟及高精度计算；非点源污染机理与控制技术；多介质多界面污染物迁移转化机理；水环境规划、评价与管理等。
2.海－陆相互作用过程与近海和海岸带生态环境
陆地物质向海洋的输出，及其对海洋尤其是近海海域生态环境的影响，是全球水循环与物质输运研究的重要组成部分，也是全球水环境研究的重要领域，对全球环境变化研究也有相当重要的意义。海岸带是海洋与陆地相接的地带,由于陆源性污染物多经地表径流携带入海,在污染物迁移过程中,海岸带是污染物的最先受纳者,又是污染物向深海扩散的中继站,因此海岸带是最容易感受污染物的场所。加之经济发达地区多集中在沿海，这些地区不仅人口密度大,工业集中,而且大量河流、排污渠在此汇集入海,因此海岸带是遭受人类过度活动、各类污染物排放、气候变化和生态环境退化综合影响的区域。
实验室将瞄准与近海海岸带生态环境变化和咸水入侵对沿海地区的影响等重大科学问题，深入研究在自然变化和人类活动影响下的海洋生态系统对环境变化的响应和反馈，集中开展：（1）近海污染物生物地球化学行为及其生态与毒理效应研究；（2）近海海域环境变迁趋势预测和通量计算，开展近海海域生态环境变迁对全球气候变化和人类活动的响应研究；（3）滨海湿地生态系统的结构、功能及其对全球变化的响应；（4）盐水入侵对沿海陆地生态环境、工农业生产等影响。
3.水环境污染物生物地球化学和修复基础理论与技术
该方向将瞄准我国迫切需要解决的水环境污染和水生态退化问题，面向水环境重大科学问题和国家可持续发展战略实施的急需，以受损河湖生态系统为主要研究对象，重点研究流域、水系和城市不同尺度下的水环境修复技术与恢复机理，提出和完善水环境修复的理论体系和优化技术。构建景观功能与水质净化功能相结合的水环境修复技术，实现水环境污染控制中环境功能与生态功能的和谐统一。主要包括：水环境生态修复与重建技术；水污染生物控制与净化技术。
二、水资源研究领域
1.水循环过程与水资源形成、分布与演化
该研究方向将以陆地水文物理过程为核心，探索人类活动以及气候变化影响下的陆地水循环变化规律，揭示流域水循环与地表过程的相互作用机理。通过以流域为对象的水文物理过程数值模拟手段，探索陆地水循环变化的基本规律，结合国家对水问题的重大需求，探讨人类活动与气候变化影响下洪涝灾害、水资源短缺、水土流失及生态退化的物理成因，为国家的水资源高效利用、流域灾害治理和生态环境改善等问题决策提供科学依据。该研究方向的另一个中心任务是，寻找潜在的地下水资源、以及现有资源的合理规划和保护。
2.水资源评价、探测和综合利用理论与技术
该方向主要研究水资源规划分区以及用水源保护区划分技术和地下、地表饮用水源地水环境标准，突破水源地环境风险评估与环境管理技术体系的关键技术，从而为区域水资源的评价、探测和综合利用提供理论和技术保障。开发水源地监控技术、水源地突发性污染事故的预警与风险评估技术、饮用水安全预警、风险评估与风险管理技术，建立饮用水安全预警及应急技术体系。开展工农业用水及饮用水安全保障的监控技术、绩效评估技术，建立水安全保障信息网络平台。

三、水处理技术与水资源再生综合利用
面向国家解决水环境问题的重大需求和本领域的国际前沿，深入研究天然水体和水处理及再生利用过程中水质转化的基本规律，发展水处理高新技术和更新水资源再生利用的基本理念。采用环境工程、环境科学、微生物学、生物化学、化学工程学和管理学等多学科交叉技术手段，深入研究水和废水处理过程中水质转化的基本规律，重点发展水污染控制的高新技术应用基础理论，为城市和居民生活提供安全优质的饮用水水质，从而为我国总体水环境质量的改善和提高提供技术支持。主要包括：（1）统筹考虑水资源的合理分配使用与水处理技术的有效衔接；（2）保障城镇集中供水的饮用水水质安全，追踪污水中有毒有害物质组分及其迁移转化规律，有效改善和提高城市水体环境质量；（3）高新生物处理技术在水质控制工程中的研究和应用；（4）针对我国饮用水源地水质达标率低、有毒有害有机物污染趋势日益加重，净水技术相对落后、应急保障能力较弱等问题，研究和开发适用于饮用水安全风险控制和水质保障关键技术。