国内传统的总量控制主要立足完成国家总量控制指标任务,与水质改善衔接不够紧密,支撑流域水环境质量改善的力度不够。容量总量控制虽以水质目标为约束,但在天然径流缺乏、水体几乎没有环境容量的缺水型、高开发强度城市流域中的应用受到限制,实施面临较大困难。北运河流域属海河流域上游,面临水资源短缺和水环境污染的双重危机,是中国北方缺水型城市河流的典型代表,水环境改善的技术难度大。本研究以北京境内北运河流域为研究对象,开展未来中长期不同水质目标下流域总量调控技术研究,以期破解水资源短缺和水环境污染之间相互作用、互为因果的恶性循环,为我国北方城市河流的水污染治理提供有益的借鉴。本论文在调查分析北运河流域水环境和污染源排放现状、试验研究流域氨氮的迁移变化规律以及底泥污染物释放规律、测算评估流域畜禽养殖业土地承载力和空间布局适宜性的基础上,构建了定量表征污染排放与水质之间响应关系的水质模型,制定了近、中、远三个水平年的分阶段水质目标,设计了不同污染减排和治理的情景方案,模拟预测了不同情景方案的水质改善效果,最终研究提出了流域总量调控的技术方案。论文的主要结论:（1）北运河流域水环境污染状况不容乐观,水污染物排放量居高不下。基准年2013年,流域水质尤其是IV、V类水体水质超标严重,中下游水体基本是劣V类。流域主要以有机型和营养型污染为主,主要污染指标有氨氮、COD、BOD₅、TP等。2013年,流域氨氮、COD的总排放总量分别是1.21万t和12.37万t。按照工业源、农业源、生活源、城市面源四类污染源的全口径统计,氨氮、COD的排放比例分别为2%、11%、81%、6%和3%、19%、57%、20%,生活源是流域最主要的污染源。在生活源污染物排放中污水处理厂集中排放的占比最大,在农业源排放中畜禽养殖占绝对优势。在排放的空间分布上,农业源排放主要集中在六环路以外的凤河、北运河干流、沙河等子流域,生活源排放集中在污水处理规模较大的中心城区凉水河等子流域,以及污水处理设施不完善、生活直排量较大的郊区、城乡结合部的温榆河干流等子流域。（2）氨氮是北运河流域超标最严重、达标难度最大的污染物。以污水处理厂出水为对象开展的静态实验表明,氨氮的转化主要是硝化细菌的硝化作用以及藻类的同化作用共同作用的结果。在温度适宜的条件下,水中硝化作用的硝化反应速率为0.21d^-1。通过室内温控培养实验测算得到氨氮综合降解系数与温度的关系,在10-27.5℃温度范围内为K（28）0.41?1.06^{（7）t-20（8）}。（3）北运河流域底泥沉积物营养盐含量丰富,污染物释放速率受水力条件的影响显著,是制约水环境质量改善的重要因素。北运河主要支流清河的底泥中铵态氮和有效磷含量分别达到104mg/kg和144mg/kg。底泥污染物在静水环境中与流速0.05m/s的缓流水体中的释放规律基本相同,但流速进一步增加,氮磷释放加快,然而水力条件的变化同时也会显著增加水体中溶解氧含量,促进氮素的硝化作用,使水体中氨氮浓度降低;同时,流速加快形成的扰动会使颗粒物含量增加,从而促进磷吸附行为,使得水体中磷酸盐浓度下降。（4）畜禽养殖污染排放控制是北运河流域水环境质量改善的关键因素之一,流域畜禽养殖的规模和空间布局应基于土地承载力进行调整优化。流域内规模化畜禽养殖呈现明显的南北两带的分布格局,通过流域内畜禽养殖的土地理论承载力和实际承载量的计算和对比分析,沙河、温榆河干流流等子流域的畜禽养殖实际承载量超过理论承载力,需削减养殖规模,凤河、小中河等子流域的畜禽养殖还有一定的发展空间,昌平、海淀区的超额养殖量大,应削减规模,而通州、顺义区的养殖还有适当发展空间。采用层次分析法对北运河流域234家规模化养殖场进行适宜性评价,得分30分以下、30-60分、60-80分、80分以上的养殖场数量分别占1.7%、31.06%、66.38%、0.85%,适宜性很差和很好的养殖场数量都很少,得分60分以下的养殖场应调整退出。（5）由于流域现状污染物排放量远远超过环境容量,因此近期应采取分阶段水质目标总量控制,远期逐渐过渡到容量总量控制。采用建模软件MIKE 11,以上游流量和下游水位为外边界条件,考虑闸坝、沟渠、支流、污染源以及农业面源和城市面源的影响,构建了北运河流域干、支流一维河网水动力、水质模型,主要污染物模拟浓度误差基本控制在±15%以内。基于出境榆林庄断面氨氮、COD浓度达到V类水体的水质目标,模拟得到北运河流域氨氮、COD的环境容量分别为2228t、40998t。分阶段水质目标设定为近期2020年消除黑臭水体,中期2025年水环境质量显著改善,远期2030年水环境质量基本达标。（6）为实现近、中、远三个水平年的分阶段水质目标,对不同污染减排治理情景方案的水质改善效果模拟预测显示,北运河流域水环境质量的改善和达标是一个长期和艰巨的过程。基于弱、中、强三级人口调控方案,以及工业、农业、生活、城市面源四类主要污染源的治理减排措施,设置9种污染治理常规情景方案、2种强化减排措施、3种环境增容措施以及6种组合强化方案,选定土沟桥中心、后苇沟桥、北运河1#、北运河2#四个水质指征断面作为水质模拟预测的评价断面,对不同单项及组合情景方案进行水质模拟预测,结果显示:近期2020年前,采取弱人口调控方案,流域氨氮、COD的入河允许排放总量应分别控制在3957t和6.20万t,分别相对基准年削减67%和50%;中期2025年前,采取弱人口调控方案,北运河流域氨氮、COD的入河允许排放总量应分别控制在2665t和4.76万t,分别相对基准年削减78%和61%;远期2030年前,采取中人口调控方案,再加上强化节水高方案和重点流域强化减排方案,控制氨氮、COD入河排放量分别到1429t、3.93万t,相对基准年分别削减88%和68%,同时还要辅以水系连通增容、生态补水方案来增加环境容量,才能够基本实现水质达标的目标。上述不同水平年总量控制要求按措施分配到各子流域及各行政区,可作为规划决策和治理考核的依据。