近年来,关于污染物跨区域传输影响已成为政府乃至百姓广泛关注的环境问题,并基于相关研究提出了区域大气污染联防联控机制,和大气污染类似,水污染也同样存在跨区传输影响,并且由于污染物在上、下游间的逐级传递作用,使其跨区域传输责任问题更加不容忽视。然而,一直以来系统性理清跨区域水污染责任,尤其是对跨多个行政区传输责任的考虑较少,现有的流域水生态补偿机制仍然难以量化“传输责任”问题。在这一背景下,本研究基于地表水文流量监测与地表水质监测、地形地貌、降雨气象等数据,耦合机理性流域模型和高级统计建模方法,搭建了流域SWAT-Markov Chain模型系统,并以嫩江流域为应用示范,模拟了嫩江流域内跨水系、跨省区及跨地市的水污染传输数值特征,在此基础上进一步研发了流域水污染责任矩阵计算方法,界定了嫩江上、下游和各行政区间的“水污染责任关系”,该矩阵方法可为跨界或跨区域水生态补偿研究提供可行的技术框架,尤其是在大尺度如长江经济带等重点流域未来将可开展相关应用,从而极大丰富我国的流域水生态补偿理论及实践。本研究首先建立了嫩江流域SWAT模型,划分了 146个子流域,并采用SWAT-CUP软件对模型参数进行敏感性分析和率定、验证。结果显示,模型率定期的模拟值与实际观测值拟合效果较为理想,从月均流量指标来看,其模拟值经ENS效率系数评价在非常好的等级范围内,效率系数达到0.75以上,从水污染负荷指标来看,其模拟值经ENS效率系数评价也在比较好的等级范围内,效率系数达到0.65;模型在验证期的相对误差虽然有所扩大,但整体评价结果仍在可接受范围以内。总体来看,本研究构建的嫩江流域SWAT模型经各项指标评价结果均较好,反映本研究模拟的效果较好,模拟精度较高。基于嫩江流域SWAT模型输出数据,本研究构建了流域汇流关系矩阵P和污染传输效率矩阵RC,并采用Markov Chain方法计算NXN阶流域水污染传输矩阵H,并进一步计算得到流域内跨省区、跨地市的水污染物传输数值特征,结果表明流域上、下游间水污染物NH3-N存在显著的跨区输送特征;从省区层级来看,嫩江黑龙江省和内蒙古自治区污染排放的传输贡献分别占到50.25%和49.75%,从地市层级来看,嫩江呼伦贝尔市和齐齐哈尔市的污染扫排放分别贡献了流域出口处负荷通量的45.95%和41.68%。基于嫩江研究区水污染传输特征数值模拟结果,本研究进一步结合水功能区目标要求计算得到N×N阶的水污染责任矩阵H’,从河道或子流域层级来看,各关键节点处水质不达标的主要责任大都来自于相距较远的其他河道,甚至个别河道虽然位于流域上游水系,但其污染排放仍能通过河网传输作用对流域许多关键节点处的水质达标状况产生重要影响,如子流域17和18;从省区层级来看,虽然嫩江两省的污染传输贡献相当,然而不达标的责任贡献则主要来自于嫩江黑龙江省,占比达64.67%,从地市层级来看,污染责任则主要来自于黑龙江省齐齐哈尔市,责任贡献达到58.82%。最后,本研究基于流域水污染传输贡献与污染责任,定义了污染治理中广泛关注的“公平与效率问题”,以污染责任指标表征上游流域或区域水环境保护工作的公平性,以污染传输贡献表征上游流域或区域水环境保护工作的效率性,基于“公平-效率”理念筛选出优先控制区,本文中关于优先控制区的识别方法可为“十四五”松花江流域水污染防治规划中优先控制单元的划分提供依据,同时也可为其他重点流域的单元识别提供方法学参考;本研究随后设置不同的污染控制情景方案,模拟各方案实施对水质改善的效果,并最终构建了综合反映污染责任与传输贡献的优化模型,采用LINGO软件求解得到最佳的污染控制方案,结果表明在实现改善效率与责任公平兼顾的前提下,当流域内总的污染负荷削减实现7%目标时,出水口处水质量改善率可达到7.49%,水质改善对负荷削减的效率指数为1.07,较为高效。