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城市污水排放量和化学需氧量（COD）排放量的预测工作十分重要，本文在了解城市污水排放量和污染物总量控制的研究进展的基础上，分析常规模型在预测中所存在的问题，建立了一种改进的灰色马尔可夫模型，然后将其应用到城市污水排放量和COD排放量的预测中。在灰色模型、马尔可夫模型的基础上，针对传统灰色马尔可夫模型的优缺点，本文建立了一种改进的灰色马尔可夫模型。改进的灰色马尔可夫模型是通过对马尔可夫预测结果进行优化来提高预测结果的准确度，它的实质是在充分考虑各种状态的基础上加大了高概率状态的权重。改进的模型既具有灰色马尔可夫模型建模数据少、计算方法简单、适用于随机波动的数据处理等特点，又能避免单个灰色马尔可夫模型可能出现的最差预测结果。根据2001年到2009年的天津市城市污水排放量数据，应用本文建立的改进灰色马尔可夫模型进行预测。结果表明：改进的灰色马尔可夫模型的预测精度远高于灰色模型，且能避免传统灰色马尔可夫预测结果的最差情况；根据改进的模型预测结果，到2015年，天津市生活污水排放量达到65412.41万吨，工业废水排放量为18707.69万吨，城市污水排放总量为84120.10万吨，生活污水排放量在城市污水排放总量中的比例为77.76%。根据2001年到2009年天津市COD排放总量的数据，应用本文建立的改进灰色马尔可夫模型进行预测。结果表明：改进的灰色马尔可夫模型与传统的灰色马尔可夫模型预测结果一致，都有较高的预测精度；2010年到2015年间，天津市COD排放总量大致呈指数减小趋势，于2015年达到11.04万吨，可以实现天津市“十二五”规划中削减COD排放总量的目标。在“十一五”期间，天津市生活污水中COD排放量呈缓慢增长趋势，工业废水中COD排放量呈逐年减小趋势，城市污水中COD排放量呈现缓慢减小趋势，它们在2010年的数值较2005年分别减小了-2.28万吨、3.69万吨和1.41万吨，因此“十一五”期间天津市COD减排工作主要依靠工业减排来实现。