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人类社会的发展经历了从农业社会向城市社会变迁的过程，城市在工业时代成为增长与发展的中心。20世纪70年代，城市增长机器理论开始兴起，增长机器论注重城市发展这一广阔领域。
世界各国城市化变迁具有一定共性。美国城市地理学家诺瑟姆认为，城市化进程可用一条稍拉平的S型曲线来归纳。诺瑟姆把城市化过程分为三个阶段：城市化水平在30%以下，为城市化水平较低、发展缓慢的初期阶段。城市化水平在30%~70%，为人口向城市迅速聚集的中期加速发展阶段。城市化水平在70%以上，为城市化发展后期成熟型发展阶段。进入高度城市化以后，城市化又趋缓慢。城市化S型曲线的拐点大约出现于城市化率50%的节点，该点将城市化中期阶段分为两部分：中前期与中后期。中前期城市人口增长呈递增趋势，中后期增长速度呈递减趋势。当城市化水平达到较高程度，会保持稳定缓慢增长，城市化进程进入后期发展阶段。发展趋势会呈现两种状态：一是城市人口有可能保持相对缓慢增长，但增长率逐渐递减，城乡之间将处于均衡状态；二是城市人口可能出现微弱下降趋势。20世纪20年代以来，西方发达国家城市发生了城市中心推向郊外的浪潮，即“城市郊区化”（suburbanization）现象。20世纪70年代，“逆城市化”（counter urbanization）首先在美国出现，随后在欧洲发达国家也发生了类似过程，经济活动和人口不断由城市中心向外围扩散。
城市化S型演变曲线存在多种解释，英国范登堡提出了“城市发展阶段说”，美国刘易斯提出了“城市周期发展规律说”“产业结构变动说”“人口转变说”等。理论界学者对S型曲线进行了大量研究，并各自提出了相应的理论模型。2001年，叶裕民用1978—1999年的数据进行回归分析，得出了回归方程，并预测了后50年的城市化进程。
S型曲线揭示了世界城市化发展规律。各国城市化起步早晚不同，发展速度各异。一些发达资本主义国家工业化与城市化起步较早，经历了较为完整的三个阶段：从产业革命至19世纪末，是城市化缓慢发展的初期阶段；19世纪末至“二战”后，进入上升的中期阶段；在经历了高峰期之后，城市化速度逐渐放慢，进入后期阶段。
英国作为工业革命的发源地，1880年的城市化水平已超过50%，处于中期阶段，而到20世纪初，城市化水平已超过70%，进入后期阶段。对于发展中国家来说，20世纪才刚进入城市化初期阶段。1982年，全世界城市化平均水平为42.4%，处于中期阶段，而欠发达地区城市化水平平均为28%，其中还有近40个国家低于20%，尚处在城市化初期阶段。
通过比较各国城市化发展曲线，可以发现，城市化伴随着工业化而发生，工业化驱动着城市化发展。各国的城市化过程有早有晚，大体都遵循S型发展曲线。但是，各国城市化发展速度却存在很大差别，S型曲线的斜率存在差异。英国城市人口比重从26%上升到70%，大约花费了90年时间；而日本只用了40年。
城市流是城市化的衍生物，随着城市化进程的推进，城市体中的人、财、物、信息这些要素在城市各节点之间涌动，形成了人流、物流、资金流和信息流组成的“流的空间”（space of flow）。当城市流出现不畅时，它就不能有效运转，就会阻碍区域资源实现帕累托最优配置。
关于城市流的概念，学者们从不同角度进行了诠释。李国平针对京津冀城市群的空间联系，在《协调发展与区域治理——京津冀地区的实践》一书中阐述了“城市流”概念。
城市群的空间交互作用，城市间人流、物流、信息流等空间流在城市群区域内频繁发生的、双向的和多向的流动现象，统称为城市流。
城市流是指在城市群地域内各种流（包括资金流、信息流、技术流、人流和物流等）高频率、高密度、多方向的流动现象。城市流强度指在城市群区域城市间的联系中城市外向功能（集聚与辐射）所产生的影响量。
计算模型为：
F=N×E
。在此公式中，
F
代表城市流强度；
N
代表城市功能效益；
E
为城市外向功能量。在城市群内部，人流、物流、资金流、信息流、技术流等空间流在各城市间发生的频繁、双向或多向的流动现象，就是所谓的城市流。
城市流的国内外研究从概念逐渐转向量化研究工具。城市流计量模型被广泛应用于城市群空间研究之中，很多学者基于城市流模型，分析了中国不同城市群内部城市间的相互联系。有学者运用城市流强度定量分析方法，对中国十大城市群99座城市的外向型功能量、城市流强度和城市流倾向度进行了计算，并汇总求出了各城市群的上述指标，进而对城市群间城市流强度、各城市群核心城市及各城市群内部城市的城市流强度等相关指标进行了分析，分析结果显示
：城市群间外向型功能量和城市流强度存在巨大差距，并存在从东南沿海到西部地区逐渐减小的态势，京津唐、长三角、珠三角为三大高城市流强度的辐射中心；核心城市的外向型功能量和城市流强度变化趋势与城市群一致，对城市群影响巨大，北京、深圳和上海三座城市的综合实力和外向型服务能力最强，北京服务型产业在全国也有着超强的辐射功能；城市群内城市的城市流强度差巨大，核心城市的总体实力、城市流强度均较高，但有必要进一步提升其综合服务能力。
有学者运用城市流强度模型，以京津冀城市群13个城市为研究对象，测算了2002—2011年各城市的外向功能量、城市流强度等指标的动态变化，并进行了城市流强度等级划分和结构对比分析。结果表明：2002—2011年，各城市功能效率和城市流倾向度指标变化基本平稳，外向功能量和城市流强度两项指标变化显著而且差距较大。从城市流强度结构来看，北京、天津的城市总体经济实力与综合服务能力明显高于其他城市，表现出相对更强的集聚与扩散能力。未来，各城市应进一步加强总体经济实力的提升，大力发展外向型经济，从而大幅提升城市流强度，增强城市群整体对外服务功能。
通过理论梳理发现，对城市流这一概念存在不同理解：一种理解是城市内部的人流、物流、资金流、信息流、技术流的对流；另一种理解是城市之间的经济要素对流。这既易造成概念混淆，也不能体现区域一体化治理的本质。
随着区域一体化发展，人流、物流、资本流、信息流逐渐突破城市边界，沿着城市与城市之间的核心产业带进行高度频繁的交互对流，城市流逐渐融合汇入区域流，城市流的概念相应转换成区域流的概念。区域流意指区域内城市之间的人流、物流、资本流、信息流的各要素存在高频度对流，日益密切。区域流使区域由行政区划分割的“行政空间”转变为有机联系的“流空间”。当区域流发展到一定强度，超越临界点，必然要求行政区治理转向区域一体化治理，以降低区域交易成本。“不同的空间经济主体之间为了生产、消费、贸易等利益的获取而产生的市场一体化过程，包括从产品市场、生产要素（劳动力、资本、技术、信息等）市场到经济政策的统一逐步演化过程。”
伴随着城市化与区域一体化的深入发展，区域中心城市既形成了区域流的向心集聚，也形成了区域流的外向辐射与扩散，在聚集与扩散双重机制的共同作用下，城市群的空间轮廓逐渐浮现。美国地理学家乌尔曼在论文《交通的作用和相互作用的基础》中提出了“空间相互作用”（spatial interaction）。
乌尔曼（Ullman，1980）认为，空间相互作用指地理区域之间的相互依赖。这种相互依赖是某一地理区域内人—地相互依赖的补充。空间相互作用包括地理区域之间商品、人员、移民、金钱、信息观念等的运动。乌尔曼在探讨空间相互作用的基础时引入了三个词汇：互补性（complementarity）、干扰机会（intervening opportunity）和可转移性（transferability）。
只有存在互补性、干扰机会和可转移性的条件时，才会产生空间相互作用。在此之后，许多学者进而展开深入探讨，主要聚焦于三个问题：区位论中的距离因素、经济迁移理论和扩散模型中的距离因素、重力模型和潜力模型。总之，空间相互作用是指区域之间所发生的商品、人力资源、资金、技术、信息等的相互传输过程。
区域一体化治理兴起，是特定区域空间中城市发展、扩张、交叠的区域结果，是区域流对流日益密集的经济结果。“在城市群经济空间系统中，不同城市在空间位置和属性质量方面的区位势能以及转移动力方面的差异，客观上为各种空间要素在城市群网络中的流动提供了动力，要素流在空间整体上体现出‘差异—需求—流动—地域一体化’的过程与形式。”
在区域流的连接之下，长三角、珠三角、京津冀城市群已初步形成一体化的流空间结构，即以一个或两个中心城市为区域核心，借助于现代化交通网络与信息网络，形成了大中小城市“结构有序、功能互补、错位协作、共建共享”的同城化网络结构。
城市群是一个开放经济系统，“区域之间存在着各种物质和非物质的联系，导致区域经济体之间存在不同程度的相互影响。一个区域的经济增长不仅取决于自身的基础和投入，也依赖其他区域的经济增长轨迹，尤其是其周围相邻区域的经济增长状况”
。
“湖泊效应”为中国城市群治理提供了一种新思路。湖泊效应（Lake Effect）意指湖泊水库与相邻陆地区域所形成的水蒸气、空气诸气候要素的良性互动。这种互动逻辑可用以观察城市群区域中大都市与周边区域的人力、技术、资本、物流诸要素的对流与互动。Ellicott于1799年提出湖泊效应
，在这之后，Neumann对湖泊的湖陆风效应进行了理论分析
，Moroz对湖泊的湖风环流进行了数字模拟。
湖泊效应的互动逻辑主要表现为：湖泊是宽广水域，热容量远大于陆地，湖泊与相邻陆地之间存在着热力差异，进而形成湖陆风，风在白天从湖泊吹向陆地。由于湖陆风源源不断地为陆地输送了丰富的水蒸气，陆地降水量不断增加，促进了地面植被的保护与生长。地面植被通过涵养水源增加地下水源，地下水源又进一步增多植被，区域植被增加空气湿度，水蒸气进而向更远的外围区域扩散，从而为相邻陆地减温增湿。湖泊与陆地通过诸要素对流形成生态环境的良性循环。
城市群一体化治理也存在着湖泊效应：在城市群空间结构中，核心大都市与相邻区域之间存在着类似的生产要素对流，两者通过资金、人才、技术、信息诸要素的对流循环，形成了区域发展的良性小气候（见图1-1）。“区域经济增长的空间相关性说明一个区域的经济增长过程与周边区域关系密切，这就意味着空间上近邻的区域更容易发生俱乐部趋同，形成趋同俱乐部。”
在湖泊效应视角下，城市群一体化演进可以区分为两个阶段：在区域一体化第一阶段，大都市不断从周围区域吸纳人力、物力、资本，中心大都市的实力不断增强。随着大都市发展趋于成熟，中心城市产生外溢效应，资本、技术、产品诸要素向周围区域扩散。在区域一体化的第二阶段，在大都市外溢效应下，大都市周围区域土地升值并快速城市化，形成了一大批中小城市与新兴城镇。由于新兴城镇能有效吸纳并承担大都市的过剩功能转移，因而反过来促进了大都市产业结构升级和经济结构转型。核心大都市开始由传统工业向新型工业与现代服务业转型，并将优势产品输向外围区域，进而促进城市群一体化。
图1-1 “湖泊效应”下城市群一体化演进过程
资料来源：张战军．基于“湖泊效应”的“城市群效应”初探[J]．商丘师范学院学报，2008（12）：114-116.
下面，笔者以京津冀城市群为例来观察区域要素之间的良性对流。伴随着极化效应，北京市已经形成了三、二、一的国际大都市型产业格局，呈现出“服务主导、科技主导”的高端化趋势，处于产业升级、产业转移、发展现代服务和高端制造的关键时期。天津市形成了二、三、一的工业城市产业格局，呈现出重工业化、深加工化、技术集约化和产业高端化的特征，处于重化工业、现代制造业和高技术产业集聚和极化阶段。河北省则整体处于工业化中期阶段。京津冀产业结构梯度与发展阶段的不同步性为产业在区域范围内的转移、集聚与链接提供了现实基础。“以新型产业分工为基础，促进区域的产业转移、产业集聚，京津冀完全有可能形成错位竞争、优势互补、共赢发展的区域产业分工格局，为推动区域经济持续增长提供产业支撑力。”
有学者将渤海视为湖泊，利用湖泊效应分析环渤海地区城市群治理结构。圈层结构分析发现，环渤海地区存在着双核结构与倒U型结构，“随着与海岸线距离的增加，湖泊对城市经济的影响呈现先下降后上升，最后大幅下降的趋势。通过缓冲区分析和非线性回归分析方法，将缓冲区分为核心区、重点区和边缘区。圈层结构表现出：位于重点区的区域中心城市和位于核心区的港口城市构成双核结构；随着距离增加，从核心区到重点区再到边缘区，城市经济水平呈现先上升后下降的倒U型结构”
。
湖泊效应提供了一条城市群协同发展的新路径：核心大都市与周边区域通过诸要素良性对流形成互利双赢的新气候。通过良性对流，区域大都市与中小城镇基于各自比较优势形成了结构有序、功能互补、共建共享的网络体系。据国外研究统计：“工业协同布局可节约城市工业用地10%~20%，工业管网减少10%~20%，交通运输线路缩短20%~40%。企业将减少信息搜寻成本，降低交易成本，增强信息流动和知识技术外溢，密切上下游企业间的合作关系。”
湖泊效应使各城市通过区域公共服务的共享获得了规模效益。