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针对流域水环境容量总量控制方案关键技术问题，研发以流域污染负荷估算和水质响应为核心的流域水环境系统模型；研究基于水功能分区—入河排污口（支流口）—控制单元（或行政区）的水环境容量总量分配技术方法；借助帕累托最优思想，从区域公平和协调发展角度出发，提出以水功能区水质达标为导向的控制单元污染物排放总量分配方案，形成流域“分区、分级、分类、分期”的容量总量控制技术体系。通过实地调研、文献归纳和理论分析，综合运用数学模型和数字分析技术，建立污染物控制模型和补偿标准测算方法，合理确定污染物的产生量、流域水生态保护成本，构建基于水环境容量总量控制的流域水生态补偿标准计算方法体系，提出切实可行的水生态补偿标准实施要点及流域水生态恢复策略。本书是促进区域协调发展、构建系统的流域水生态补偿标准，实现生态治理工作从重点治理向预防保护、综合治理、生态修复相结合转变，确保区域和流域经济、社会、生态环境的全面协调、可持续发展。
在对国内外水环境容量总量控制方案及流域生态补偿研究成果进行梳理的基础上，结合当前流域水生态补偿研究中缺少针对水生态恢复过程的定量测算标准及可行性实施方案等问题，选择浑河流域为典型区，对基于水环境容量总量控制的流域水生态补偿标准测算方法和实施机制进行实例研究。
结合浑河流域水环境调查与试验成果、流域水功能区控制单元经济社会及污染源特征调查分析，系统诊断浑河流域水环境问题，分析评估流域水功能区达标重点问题与成因。
研发浑河流域分布式非点源模型与水质响应模型，建立流域负荷估算与水质响应模型系统，分析流域污染物迁移转化特征。
（1）结合流域的下垫面、水文气象、污染源的物理特征，基于试验监测数据，校准验证模型，建立降雨径流、土地利用方式对应下的非点源污染负荷输出模型，对流域非点源污染物的迁移—转化过程进行模拟计算，系统解析流域非点源污染物排放数量、分布、构成特征，识别关键源区污染物排放规律。
（2）概化流域非点源污染物的入河方式，结合流域点源污染物的入河特征，识别污染物的入河、削减过程。在综合考虑流域水体本底污染物浓度影响下，构建多因子综合评价方法，确定水质所属的级别及不同污染因子间质量的优劣。
（1）容量总量计算设计水文条件。本书系统总结国外TMDL技术方法中有关不利水文条件设计方法，针对动态容量计算以及综合考虑点源及非点源负荷控制的需求，在国内容量总量计算相关技术标准或现有技术方法等的水文条件设计原则基础上，按照流域综合统筹的原则，针对多类型水文条件及控制性水工程调控情景，按照水体类型特点（河流、水库、河口等），遵循流域水量过程和化学过程连续的基本要求，并提出满足不同水质达标管理要求的容量总量计算水文条件设计原则与方法。
（2）容量总量流域—控制单元分配方法。从安全裕量（MOS）的产生机理和最不利条件出发，利用联合法给出流域基于污染物总量控制的MOS计算量。结合流域的水质规划目标和区域纳污红线考核指标，采用“均衡削减—区别对待—协商博弈”的相关方法优化分配流域容量总量到计算单元及水功能区。依据流域经济有限支撑能力与水环境最大程度改善间的对应关系，结合帕累托最优理论，量化流域超标排污行业（面源）的总排放量。
（3）典型流域容量总量控制方案。
1）方案的制订。在考虑MOS的前提下，依据浑河流域水环境质量保护目标，遵循“流域/流域—子流域（支流）—排污口（直排口）”的分配思路，借助经济技术可行性分析，利用污染负荷的优化分配手段，制订总量控制方案。
2）方案的可行性。根据多目标决策的基本原理，利用欧几里得范数作为距离测度，计算水环境容量总量控制方案相对于理想方案的距离，并将每个可行方案的贴近度大小进行排序，确定方案的满意解，判定分配方案的可行性。
（1）水污染治理补偿标准。针对水生态破坏流域的特点，依据水生态恢复过程的水量、水质考核标准，在构建污染物处理成本控制模型的基础上，通过对基于均衡理念的流域污染物排放许可交易进行研究，结合容量总量控制方案合理地分配各排污口的污染物排放总量，给出流域超标污染物总治理成本—模糊风险—安全系数、污染物治理成本—水质达标程度（超标风险）—区域污染物处理能力均衡曲线，实现区域治污成本投入水平与流域水环境容量分配合理性的有效耦合。
（2）水量水质补偿标准。针对流域层面业已开展的水生态补偿标准以水量为主、难以体现上游污染治理成本投入转移的弊端，在对区域间利益协调方法进行研究的基础上，结合污染物治理成本和流域水环境保护目标，分析流域上下游的成本与效益转移规律，给出耦合二元水循环规律与区域发展承载负荷特征的水量水质补偿标准计算方法。
本书通过实地调研、文献归纳和理论分析，综合运用数学模型和数字分析技术，结合流域污染物输出模型和水环境容量计算方法，形成流域分区、分级、分类、分期的容量总量控制方案。依据最优管理模式，结合流域污染物控制模型和污染治理补偿标准测算方法，给出基于水环境容量总量控制的流域水生态补偿标准测算体系，从可持续发展的角度出发给出流域污染物优化排放格局。研究结合流域水环境容量总量分配、生态补偿实施过程中涉及的关键技术，从微观层面阐述拟采用的研究方法。
结合流域的下垫面、水文气象、污染源的物理特征，基于试验监测数据，校准验证模型，建立降雨径流、土地利用方式对应下的非点源污染负荷输出模型，对流域非点源污染物的迁移—转化过程进行模拟计算，系统解析流域非点源污染物排放数量、分布、构成特征，识别关键源区污染物排放规律。
概化流域污染物的入河方式，结合流域点源污染物的入河特征，识别污染物的入河、削减过程。在综合考虑流域水体本底污染物浓度影响下，构建多因子综合评价方法，确定水质所属的级别及不同污染因子间质量的优劣。
从安全余量（MOS）的产生机理和最不利条件出发，利用联合法给出流域基于污染物总量控制的MOS计算方法。
结合流域的水质规划目标和区域纳污红线考核指标，采用“均衡削减—区别对待—协商博弈”的相关方法优化分配流域容量总量到计算单元及水功能区。依据流域经济有限支撑能力与水环境最大程度改善间的对应关系，结合帕累托最优思想，量化流域超标排污行业（面源）的总排放量。
结合水生态破坏流域的特点，依据河流跨界断面的水量、水质考核标准，在构建污染物处理成本控制模型的基础上，通过对基于均衡理念的流域污染物排放许可交易进行研究，合理分配各排污口的污染物排放总量，给出流域超标污染物总治理成本—模糊风险—安全系数、污染物治理成本—水质达标程度（超标风险）—污染物治理水平均衡曲线，依据水质类别判定污染治理的成本投入情况。
研究依据“立足宏观，着眼微观”的原则，依托浑河流域水环境系统模型进行适合多类污染源、多类不利水文条件和不同水质目标达标控制要求等情景下的水环境容量计算技术方法；提出浑河流域基于功能分区—入河排污口（支流口）—控制单元（或行政区）的容量总量分配技术方法；在合理设计MOS的基础上，制订浑河流域分区、分级、分类、分期的容量总量控制方案。在对国内外流域生态补偿标准研究状况进行系统分析和分类总结的基础上，结合水环境容量总量控制与污染物合理排放间的关系，从污染物治理成本投入、水量水质达标控制、农业面源污染治理层面合理确定流域水生态补偿标准，给出体现流域水量公平分配、水质控制目标及实施过程的流域水生态恢复补偿标准测算体系。研究技术路线见图1-2。
图1-2 研究技术路线
结合水功能区达标现实水文条件与不利水文条件下的容量总量计算设计水文条件分析技术。按照流域综合统筹的原则，针对多类型水文条件及控制性水工程调控情景，按照水体类型特点（河流、水库、河口等），遵循流域水量过程和化学过程连续的基本要求，提出满足不同水质达标管理要求的容量总量计算水文条件设计原则与方法。
借助帕累托最优思想，从区域公平和协调发展角度出发，根据多目标决策满意度判定与可持续发展策略构建理论，针对流域控制单元污染负荷时空变化特征与河段水质响应规律提出不同控制口径的污染物容量总量分配机制，并探索提出基于多类数学方法的流域—控制单元容量总量分配技术方法。
针对水生态破坏流域的特点，依据水生态恢复流域的水量、水质考核标准，在构建污染物处理成本控制模型的基础上，通过对基于均衡理念的流域污染物排放许可交易进行研究，依据水环境容量总量分配方案合理确定各排污口的污染物排放总量，给出流域超标污染物总治理成本—模糊风险—安全系数、污染物治理成本—水质达标程度（超标风险）—区域污染物处理能力均衡曲线，实现区域治污成本投入水平与流域水环境容量分配合理性的有效耦合。