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流域水环境系统是一个充满不确定性的复杂系统。这种不确定性是影响水环境目标实现的重要因素。如果忽略不确定性的存在，那么流域水环境管理策略无法达到预定的水体保护目标。流域日最大负荷总量(Total Maximum Daily Load，TMDL)计划是美国控制水体污染的主要手段之一，它不仅考虑了点源和非点源的负荷分配，同时也充分考虑了由季节变化等因素导致的不确定性，并将其以安全余量(Margin Of Safety，MOS)的形式加入到TMDL的分配中，以此消除由不确定性带来的超标风险。流域TMDL虽然提出了安全余量的内容，但是安全余量定量化计算仍缺乏科学依据，没有形成一个科学规范的计算方法，成为流域TMDL确定中的薄弱环节。
本文以太子河上游为研究区域，基于“分区、分类、分级、分期”的流域污染控制理念，构建了基于不确定性条件下的流域TMDL技术体系，并对安全余量计算方法进行了研究。具体包括：(1)系统分析流域TMDL中潜在存在的不确定性因素，构建基于不确定性的TMDL技术体系，提出安全余量确定方法；(2)基于水生态分区，开展了辽河流域河流健康评价，选取太子河流域典型生态区作为研究区域，通过对水环境问题识别，确定主要控制因子及其保护目标；(3)基于SWAT模型对太子河流域水环境系统进行模拟，研究各种污染源排放污染负荷贡献，以及水库下泄流量情景对NH4+-N浓度的影响。(4)在不同达标率约束条件下，使用SCE-UA方法分别对年、月TMDL进行优化分配，并研究水库下泄流量对年TMDL优化分配结果的影响；(5)使用LHS-MC方法对流域TMDL优化分配方案进行不确定性分析，定量化确定安全余量，探讨不同达标率、不同月份以及不同水库下泄流量增幅对安全余量的影响。
本文的主要结论如下：
(1)基于“分区、分类、分级、分期”理念，提出了基于不确定性的流域TMDL技术体系，分析了TMDL中安全余量的内涵，指出安全余量的设定不仅需要考虑管理上存在的不确定性还要考虑河流季节性变化特征对安全余量的影响，并提出了基于不确定性分析的安全余量计算方法。
(2)开展了流域河流健康评估，结果表明辽河干流河流生态系统健康受到严重破坏，其中识别出研究区的主要影响因子是NH4+-N。依据河流健康要求，将Ⅲ类水质标准作为河流功能保护目标。
(3) SWAT模型模拟结果表明，2001-2006年流域出口断面NH4+-N年平均负荷为1634.t/a，由点源引起的NH4+-N污染负荷占到了总负荷的96.9％，流域出口断面对各点源单位污染负荷的响应浓度相差不大，但上游点源P1-P4断面实际响应浓度相对较小，平均值仅为0.064mg/L。下游P5-P8断面实际响应浓度平均值为0.64mg/L。当水库下泄流量增幅为-20％、-10％、10％、20％时，出口断面流量平均增幅在-12.2～9.0％之间变化，NH4+-N浓度平均增幅为在-6.8～13.3％之间变化，并随水库下泄流量的增加而减少，水库下泄流量的减少对出口断面NH4+-N浓度的影响相对更为明显。
(4)年TMDL优化分配结果表明，在70％、75％、80％、85％、90％、95％达标率条件下，研究区NH4+-N日最大允许排放负荷总量处于907.2～1528.8 kg/d之间，其值随水质达标率的上升而降低。月TMDL优化分配结果表明，在70％、80％和90％达标率条件下1-12月日最大允许排放负荷总量在889.4～4699.8kg/d之间变化，日总负荷削减率在23.3％～85.5％之间变化，日总负荷削减率最小值出现在5月份，而最大值则出现在12月份，达标率变化对优化结果影响较小。与基于年尺度的TMDL优化分配结果相比，90％达标率条件下基于月尺度的NH4+-N日最大允许排放总量平均值(2259kg/d)是年尺度日总最大允许排放量(1090kg/d)的2.1倍。当水库下泄流量增幅为-20％、-10％、10％、20％时，排污口日允许排放负荷总量处在956.7～1148.7kg/d之间，水库下泄流量越大，排污口日最大允许排放负荷总量越大。水库下泄流量的减少对NH4+-N日最大允许排放负荷总量的影响更为明显。
(5)70％、75％、80％、85％、90％、95％达标率条件下，年TMDL优化分配方案的安全余量计算结果表明，年TMDL优化分配方案中存在的不确定性较小，MOS/TMDL在0.99～1.44％之间变化，随着达标率的增大，MOS在TMDL中所占的比例也呈增大趋势。90％达标率条件下，不同月份的TMDL优化分配方案的安全余量计算结果表明，6～9月份的MOS/TMDL取值较大，在5～5.6％的范围内波动，其他月份则在0.33～1.81％范围内变化。说明丰水期的模拟不确定性要大于枯水期的模拟不确定性。在90％达标率以及-20％、-10％、10％、20％水库下泄流量增幅条件下，MOS/TMDL在0.95～1.10％之间变化，与水库下泄流量呈负相关关系。
(6)年TMDL优化分配方案MOS上限参考值建议设为5％，而月TMDL优化分配方案在90％的达标率条件下6～9月份MOS上限参考值建议设为10％，其余月份MOS上限参考值建议设为5％。