0038] 本发明的目的在于提供一种大规模平面网格污染物总量控制方法，以提高大规模 平面网格条件下污染物总量控制方法的适用性。
[0039] 为实现上述目的，本发明提供一种污染物总量控制方法，包括：
[0040] 步骤1，确定污染物总量控制的水域范围和陆域范围，以及需要进行总量控制的污 染物；
[0041] 步骤2,对步骤1所确定的总量控制范围内的污染源进行概化，确定进行污染物总 量分配的概化污染源以及各概化污染源的分配量的最小值和最大值；对总量控制范围内的 水域进行网格划分，设置步骤1确定的总量控制污染物要满足的水域水质浓度目标值；
[0042] 步骤3,在步骤1所确定的总量控制范围内，建立水质模型，进行水质模型参数识 别和验证，并计算污染源对应污染物在总量控制范围内的水质响应场；
[0043] 步骤4,采用污染源负荷分配量之和最大或公平性指数最大等目标，确定污染物总 量分配的目标函数；根据步骤2所确定的各污染源分配量的最小值和最大值，水域水质浓 度目标值，以及步骤3所确定的水质响应场，建立污染物总量分配的约束条件。采用总量分 配的目标函数和约束条件，构建污染物总量分配模型，进行污染物总量分配优化计算；
[0044] 步骤5,根据污染物总量分配结果，以实际情况对污染物总量分配优化计算结果进 行调整，确定污染物总量控制方案；
[0045] 其中，于步骤4中，采用线性规划方法建立污染物总量分配模型，对该模型中冗余 点的约束方程进行去除后，计算得到各个污染源分配负荷，并于步骤5中以该污染源分配 负荷对污染源总量进行控制。
[0046] 其中，于步骤1中，包括以下步骤：步骤11，根据关注的水体（比如说一个特定的 河口（例如长江口）、海湾（例如胶州湾等）、海域（例如渤海））或行政区边界等确定污染 物总量控制所涉及的范围，包括确定污染物总量控制所涉及的水域范围和陆域范围；步骤 12,调查污染物总量控制范围内各项污染物排放量和排放方式，确定水域范围内主要的污 染物种类和污染源，进行污染负荷压力因子排序；步骤13,定量分析水域范围内水质类别 和水环境功能区（连续且具有相同的水环境使用功能或生态功能，区域内水质目标相同） 达标情况，确定超标污染物种类和超标范围，进行水域水质超标因子排序；步骤14,根据污 染负荷压力因子排序、水域水质超标因子排序（步骤12至步骤13的内容均为水环境质量 评价内容）以及污染控制任务（如水质改善任务、富营养化控制任务等），确定需要进行总 量控制的污染物（种类）。
[0047] 其中，于步骤2中，包括以下步骤：步骤21，对污染物总量控制范围内污染源进行 归并，将其简化为概化污染源，再根据污染源最大削减潜力，确定概化污染源的污染物分 配量最大值和最小值；步骤22,以水质控制的空间精度需求为基础，对污染物总量控制范 围内的水域进行网格划分；步骤23,根据水域功能区划和污染源排放口附近允许超标混合 区，确定步骤22中所有水域网格的水质浓度目标值（超标混合区是指给予污染源排污口附 近一定的稀释范围，在稀释范围内水质浓度可不满足水质浓度目标值的要求）。
[0048] 其中，于步骤3中，包括以下步骤：步骤31，根据水域范围内污染物种类、水动力 条件、污染源排放规律，选择水质模型，构建概化污染源污染物负荷排放量与水质浓度的响 应关系；步骤32,根据水质的模拟值和实际观测值的对比，确定水质模型参数的取值；步骤 33,采用独立的实测数据，对水质模型的预测结果进行验证；步骤34,采用大气沉降负荷、 水产养殖负荷确定污染物背景浓度场；步骤35,采用水质模型，分别计算各概化污染源在 单位污染物负荷条件下总量控制范围内的水质响应浓度，得到概化污染源对应污染物的水 质响应场。
[0049] 其中，于步骤4中，包括以下步骤：步骤41，采用污染源负荷分配量之和最大、公平 性指数最大等作为目标，确定污染物总量分配优化目标函数；步骤42,根据步骤3的水质响 应场和各网格点的水质浓度目标值要求，建立水质约束方程组；步骤43,根据污染源的最 大削减潜力，采用污染物分配量最大值和最小值构建概化污染源的污染物分配量的约束方 程组，与步骤41的目标函数，步骤42的水质约束方程组共同构成污染物总量分配模型；步 骤44,去除步骤42中水质约束方程中的冗余方程（即污染物总量分配模型水质约束条件中 的冗余方程），进行总量分配优化计算，得到各个污染源分配负荷。
[0050] 其中，步骤44可进一步包括以下步骤：步骤441，分析水域网格的特征，将其划分 为结构性网格和非结构性网格，分别进行相邻网格点识别；步骤442,查找疑似冗余点，并 将其对应的水质约束方程去除，得到瘦身后的污染物总量分配模型；步骤443,求解瘦身后 的污染物总量分配模型的线性规划方程组，获得最优解；步骤444,检验最优解是否为步骤 42中水质约束方程组的可行解，将步骤443中的最优解代入步骤42中水质约束方程组，不 能满足约束条件的方程对应的点位为疑似冗余点中的非冗余点；步骤445,将步骤444找回 的非冗余点补回步骤443的线性规划方程组（称为瘦身线性规划方程组）；步骤446,重复 步骤442至步骤445,直至瘦身线性规划方程组的最优解满足原规划方程组的所有约束条 件。
[0051] 其中，于步骤442中，如果该网格结点的水质浓度目标值比所有其它相邻网格点 水质都要宽松或者相等，则该网格点被认定为疑似冗余点。
[0052] 其中，于步骤5中，包括以下步骤：对步骤4所计算出的各个污染源分配负荷进行 可行性分析，对污染源分配负荷进行调整后，再对各个污染源排污情况进行控制。
[0053] 以下对本发明的原理及方法进行进一步阐述。
[0054] 请参见图1，其为本发明的方法流程图。污染物总量控制的方法路线包括环境问题 分析、污染物总量分配计算条件设置、水质模拟、污染物总量分配优化计算以及确定污染物 总量分配方案等多个方面。
[0055] 分析环境问题主要是指对该区的水环境特点、污染源特点、社会经济发展特点等 进行分析，确定水环境总量分配的目标、原则等，是整个方法的基础。在此基础上，根据现有 的水文数据，确定规划的设计水文条件，采用水动力学数学模型模拟设计水文条件下的流 场；确定点源、面源的位置分布，计算在单位负荷排放量条件下，控制水域范围的水质响应。 确定研究的水质保护目标，为计算区域的污染物总量提供污染物浓度约束。根据总量控制 目标和原则，采用线性的方法，对区域内的污染物总量进行分配计算。各污染源计算所得到 的分配负荷还需要进行可行性分析与调整。
[0056] 污染物总量分配是根据污染源和水质的响应关系，在规定的水质浓度目标值和分 配原则条件下，计算水环境污染物最大允许排放量的过程。一般情况下，水环境中污染源和 水质响应关系可近似为线性响应，线性规划方法为在预定的水质浓度目标值约束条件下进 行污染物总量分配优化计算提供了切实可行的解决办法。线性规划方法的理论基础是每一 个污染源在计算区域形成独立的浓度场，计算区域总的污染物浓度为各个污染源响应浓度 值的代数叠加。从水质模型的表达形式及应用实践来看，这一假设是在大多数情况下是成 立的。如果此时所求的目标函数也为线性函数，则整个分配问题构成了线性规划问题。 [0057] 采用线性规划方法解决污染物总量分配问题的步骤为：（1)确定优化变量，通常 优化变量为污染源分配负荷，也就是给予每一个污染源的允许污染物排放限值。（2)确定 目标函数，也就是分配过程希望达到最优的函数。例如可通过采用污染物分配负荷总量最 大、或者公平性指数最大等构建目标函数。（3)确定污染物总量分配的约束条件。约束条件 是指污染物总量分配必须满足的前置条件。污染物总量分配的约束条件，除了污染源分配 负荷不得为负、某些污染源需给定分配最大值和最小值以外，最为重要的约束条件为水质 约束条件，也就是计算水域必须全面达到功能区水质浓度目标值的要求。实际水域为二维 连续平面，必须对其进行离散化才能在计算机上实现计算过程。离散化是指在控制范围内 选取足够的控制点位，通过这些控制点位达到水质控制目标来代表水域达到水质浓度目标 值。由于水质模型能够给出的最大精度为每一个模型网格的水质浓度值，因此通常采用水 质模型网格作为污染物总量分配的控制点位。污染物总量分配的目标函数和约束条件所构 成的优化问题称为污染物总量分配模型。
[0058] 基于线性规划方法构建的污染物总量分配模型的一般形式为：
[0061] 式中，Z为目标函数，C为系数，如果考虑污染物总量最大时，取：C = [1，1，…，1] T 〇
[0062] A为响应系数矩阵，
[0064] \为第j个污染源单位负荷在第i个模型网格点所形成的响应浓度。B为背景浓 度，
[0065] B = Lb1, b2, *··, bm]T (式 4)
[0066] S为污染物对应的水质标准，
[0067] S = [S1, S2,…，sm]T (式 5)
[0068] Xd1和Xu分别为污染源的分配负荷排放量向量、分配负荷排放量下限向量和分配 负荷排放量上限向量，
[0072] 计算实践表明，方程的最优解代入（式2)的线性响应方程组以后，大量的方程均 不能取得其上限水质浓度目标值，这些方程称为冗余方程。也就是说，去除这些方程以后的 瘦身方程组构成的规划问题与原规划问题是同解问题。
[0073] 尽管采用线性规划技术，在具有大量污染源的条件下，仍然可以精确求解各污染 源允许排放量的最优解，但是当网格数量变得非常庞大时，求解仍然十分困难，例如某些水 体的计算网格往往达到上万个、甚至几十万个。以渤海为例，当模型步长取500m时，模型的 计算网格达到137025个。这意味着线性规划的约束方程也有上万个、甚至几十万个，如此 庞大的约束条件给求解带来很大的困难。
[0074] 结合污染物总量分配的具体技术问题，考虑到这一问题的特殊性，其具有不同于 普通线性规划问题的特点。由于污染物的稀释和降解等原因，污染源的响应场具有以污染 源为中心向距离更远的区域逐步衰减的特点；且由于水环境功能划分同一片区的水域具有 同样的水质浓度目标值，因此污染物总量分配模型的约束方程有相当一部分方程为冗余方 程。如果能够有效地去除这些冗余方程，在减少求解方程组规模的同时保证最优解的一致 性，则不但可以使模型求解的速度大幅提高，而且还可把一些在个人计算机上由于内存、速 度等原因而无法实现求解的规划问题转化为可求解的问题，进而实现污染源污染物总量分 配的优化计算，最终实现污染物总量控制。
[0075] 因此，本发明针对复杂水环境，在具有大量平面网格控制点的条件下，减少污染物 总量分配模型的约束条件个数，提高总量分配计算的效率，解决在复杂网格条件下污染物 总量优化分配计算与控制方法的适用性问题。
[0076] 从严格的数学意义上，污染物总量分配模型的冗余方程是指（式2)中，如果除自 身以外的其它一个或多个方程成立，则该方程必然成立的方程，也就是所谓的"多余方程"。 去除冗余方程以后的污染物总量分配模型与原模型是同解问题。
[0077] 以一个方程为例，如果第k个方程同时满足：
[0078] akj ^ Bl j (I ^ j ^ η) (式 9)
[0079] Ck 彡 C1 (式 10)
[0080] 当：
[0082] 成立时，必然有：
[0084] 成立。则第k个方程称为冗余方程。
[0085] 事实上，由于污染源位置分布的分散性及水流方向的复杂性，从数学意义上严格 满足上述条件的冗余方程（以下称"严格冗余方程"）个数非常少，通常条件下严格冗余方 程个数不足1 %，如果仅去除这些严格冗余方程，仍然不能达到有效减少污染物总量分配计 算约束方程个数的目标。
[0086] 本发明充分考虑污染物总量分配计算问题的特殊性并加以利用，采用迭代的方 法，可大大