1 绪论 1
1.1 研究背景与目的 1
1.2 研究内容与技术路线 6
2 国内外研究进展 9
2.1 TMDL技术 9
2.1.1 TMDL及我国容量总量控制的发展历程 9
2.1.2 对比分析 17
2.1.3 三点不足之处 18
2.2 不确定性“质-量”模拟模型 22
2.2.1 研究热点与发展历程 22
2.2.2 模型特点与对比分析 29
2.2.3 重要的科学问题 33
2.3 不确定性优化模型 34
2.3.1 研究热点与发展历程 34
2.3.2 模型特点与对比分析 40
2.3.3 重要的科学问题 42
3 不确定性非线性系统“模拟-优化”耦合模型开发 44
3.1 DRSS模型 44
3.1.1 DRSS模型的数学理论 44
3.1.2 DRSS模型的算法 50
3.1.3 模型对比分析与讨论 51
3.2 BRRT模型 58
3.2.1 BRRT模型的数学理论 58
3.2.2 BRRT模型的算法 64
3.2.3 模型对比分析与讨论 66
3.3 EILP模型 73
3.3.1 EILP模型的数学理论 73
3.3.2 EILP模型的算法 84
3.3.3 EILP模型的衍生模型 86
3.3.4 模型对比分析与讨论 89
4 应用研究：Swift Creek水库流域营养盐TMDL最优分配与风险决策方案 94
4.1 研究区域与数据 94
4.2 水体污染物分布式源解析 97
4.3 半分布式水文、非点源和二维水质水动力机理模型校准 105
4.4 基于机理过程的不确定性“质-量”响应模拟 114
4.5 营养盐TMDL最优分配与风险决策方案 137
5 结论、创新点与展望 144
5.1 主要结论 144
5.2 创新点与贡献 147
5.3 研究展望 148
参考文献 151
附录 171
附录A SCR流域的其他子流域水文模拟结果 171
附录B SCR流域的其他子流域非点源模拟结果 173
附录C BRRT v1.0的C程序 177
附录D SCR流域营养盐TMDL的不确定性“模拟-优化”耦合模型的Lingo程序 207
彩图 14
表2-1 我国水体污染物容量总量控制发展历程 14
表2-2 面向系统优化的主流不确定性“质-量”响应模拟模型的对比分析 31
表2-3 主流的不确定性优化模型对比分析 41
表3-1 EI不确定性下风险水平与目标函数值、决策变量的对应关系 82
表3-2 BWC模型、ILP模型、MILP模型和EILP模型的计算过程 91
表4-1 SCR流域各子流域土地利用分布 95
表4-2 SCR流域各子流域土壤分布 96
表4-3 不同时空尺度下的SCR流域水体污染物潜在污染源识别及其特征 101
表4-4 不同时间尺度下的SCR流域水体污染物潜在污染源贡献率估计 104
表4-5 不同空间尺度下的SCR流域水体污染物潜在污染源贡献率估计 104
表4-6 SCR流域浮游植物TMDL最优分配模型参数与情景设计 138
表4-7 不同情景下SCR流域浮游植物TMDL最优分配方案（1998年） 139
表4-8 不同情景下SCR流域营养盐排放负荷最小削减方案（1998年） 140
图1-1 TMDL计划的制订与反馈过程 3
图1-2 不确定性非线性系统“模拟-优化”耦合模型开发的技术路线 8
图2-1 TMDL研究热点分析 10
图2-2 TMDL研究热点趋势分析 11
图2-3 水环境容量情景分析 19
图2-4 总量分配技术的5种模式 20
图2-5 TMDL中不确定性的来源分析 21
图2-6 不确定性“质-量”响应模拟模型研究热点分析 23
图2-7 不确定性“质-量”响应模拟模型研究趋势分析 24
图2-8 直接式“模拟-优化”耦合模型原理 30
图2-9 贝叶斯网络模型原理 30
图2-10 基于SCA的“模拟-优化”模型原理 32
图2-11 不确定性优化模型研究热点分析 35
图2-12 不确定性优化研究趋势分析 36
图3-1 时空分异性分析子模型原理 45
图3-2 AFS-MLR子模型原理 47
图3-3 DRSS模型的算法 50
图3-4 DRSS模型算例：香港东部近海海域 52
图3-5 基于Euclid空间距离平方和离差平方的EHK近海海域空间分类 53
图3-6 EHK近海海域最优空间分类分析 54
图3-7 空间分异性影响（Ⅰ）：影响因素载荷 55
图3-8 空间分异性影响（Ⅱ）：影响因素的因子得分？ 56
图3-9 空间分异性影响（Ⅲ）：影响因素贡献率 57
图3-10 反标准化对影响因素贡献率估计的影响 57
图3-11 BRRT模型的算法流程 65
图3-12 随机样本中独立变量和因变量之间的响应关系 67
图3-13 BRRT及主流模型（CART、CHAID、BCART和BTREED）的回归树结果 68
图3-14 BRRT模型与以往回归决策树模型的准确度比较 69
图3-15 BRRT模型与以往贝叶斯模型的计算效率和稳定性比较 71
图3-16 四类不确定性比较分析 75
图3-17 EILP模型的定理1图解 76
图3-18 EILP模型主要思想的图解 85
图3-19 EI不确定性的极端与非极端风险决策分析 92
图4-1 Swift Creek水库流域的部分气象数据（1998.01.01～2000.12.31） 96
图4-2 Swift Creek水库流域最优时间和空间分类分析 98
图4-3 Swift Creek水库空间尺度显著性指标的IDW模拟 98
图4-4 Swift Creek水库时间尺度显著性指标的IDW模拟 99
图4-5 Swift Creek水库采样点受潜在污染源影响程度分析 102
图4-6 Horsepen-Otterdale-Blackman Creek子流域HSPF模型的水文校准 106
图4-7 Swift Creek子流域HSPF模型的水文校准 107
图4-8 Horsepen-Otterdale-Blackman Creek子流域HSPF模型的水质校准 108
图4-9 Swift Creek子流域HSPF模型的水质校准 109
图4-10 Swift Creek水库二维水质水动力模拟的计算网格划分 111
图4-11 Swift Creek水库水位在1998～2000年的模拟值与监测值 111
图4-12 Swift Creek水库温度在1998～2000年的模拟值与监测值 112
图4-13 Swift Creek水库第16个断面的温度模拟值与监测值的垂直分布 112
图4-14 Swift Creek水库NH4+、NO3-和Chl-a在1998～2000年的模拟值与监测值 113
图4-15 Swift Creek水库第16个断面的DO模拟值与监测值的垂直分布 114
图4-16 BRRT模型先验分布的参数与lnp（Y｜ X,Ti）和叶节点数的关系 116
图4-17 SCR流域BRRT模型校准与验证准确度分析（Ⅰ）：Multi-restart全局随机搜索过程 117
图4-18 SCR流域BRRT模型校准与验证准确度分析（Ⅱ）：基于Wilks似然比的局部贪婪搜索过程（全局随机搜索之后） 118
图4-19 SCR流域BRRT模型最终回归树TFinal 119
图4-20 SCR流域BRRT模型校准与验证准确度分析（Ⅲ）：建立不确定性回归方程 122
图4-21 与传统TMDL分配方法对比分析（Ⅱ）：最小削减负荷 122
图A-1 Tomahawk Creek子流域HSPF模型的水文校准 171
图A-2 Dry-Ashbrook Creek子流域HSPF模型的水文校准 172
图A-3 West Branch子流域HSPF模型的水文校准 172
图B-1 Tomahawk Creek子流域HSPF模型的水质校准 173
图B-2 Dry-Ashbrook Creek子流域HSPF模型的水质校准 174
图B-3 West Creek子流域HSPF模型的水质校准 175