1.2 国内外研究进展
1.2.1 河渠水动力模型
Saint-Venant于19世纪通过研究建立了圣维南方程，奠定了非恒定流的理论基础。后期水动力数学模型的发展过程大致分为三个阶段：
首先是20世纪50—60年代，水动力数学模型刚刚开始发展，多为关于水流运动规律的基础性研究工作，以一维数学模型的研究为主，简单的二维模型开始出现。1952年，Hansen提出了基于潮汐运动的周期性的二维潮流的数值计算方法。之后的两年间，莱克森和斯托克等建立了Mississippi River、Ohio River某河段的水动力模型。1965年，Ziekiemicz和Cheung将有限元法用于势流问题的解决中。其次是在70年代二维数学模型得到进一步研究和推广，开始了对三维问题的研究。这10年间，莱恩德兹提出了半隐格式，巴特勒发展了一种全隐格式，瓦西里耶夫、普列斯曼、艾布特等也提出了各自的数值方法，丰富了水动力学模拟方面的研究。二维的应用性研究在这个时期也得到相应发展，可以用来解决实际问题。从水动力学的纯理论研究发展到对于泥沙运移、盐水入侵和污染物扩散问题的探讨，扩展了数值模拟的研究方向。然后从20世纪80年代至今，二维数学模型的研究和应用日趋完善，三维数学模型的研究迅速发展。
1.2.2 水质模型
水质模型是指用于描述水体的水质要素在各种因素作用下随时间和空间的变化关系的数学模型，是水环境污染治理规划决策分析的重要工具。当发生突发性水污染事故污染物进入水体后，在迁移扩散过程中受到水流、水温、物理、化学、生物、气候等因素的影响，产生物理、化学、生物等方面的变化，从而引起污染物的稀释和降解。需要使用水质模型来描述水体的水质要素在各种因素作用下随时间和空间的变化关系，从而预测污染物时空变化过程和危害程度。从1925年出现的Streeter-Phelps模型算起，到现在的90余年中，水质模型的研究内容与方法不断深化与完善，已出现了包括地表水、地下水、非点源、饮用水、空气、多介质、生态等多种水质模型。
1.2.2.1 河渠水质模型
河渠中污染物的迁移转化是一种物理的、化学的和生物学的联合过程，相对湖泊水情形而言，维数要低。其中物理过程包括：污染物在水体中随水流的推移，与水体的混合，与悬浮颗粒如泥沙颗粒的吸附和解吸，随着颗粒的沉淀和再悬浮，随着底泥的输送及其传热、蒸发作用等。其中，重金属在水体中是以分子、离子、胶体和颗粒态存在，它随水、悬浮物、底泥而迁移到下游。
河流中水流特性与污染物迁移转化的研究随着人们对环境问题重视程度的增加发展迅速，从一维到三维、从简单到复杂。Streeter-Phelps于1925年首次建立了水质模型，此后对水质模型的发展大致分为4个阶段。首先是1925—1965年间开发了较为简单的BOD-DO的双线性系统模型，将河流、河口问题视为一维问题解决。其次是1965—1970年间，计算机开始在水质模型研究中使用，同时科学家也加深了对生化耗氧过程的认识，使得水质模型向6个线性系统发展，计算方法从一维发展到二维。接着在1970—1975年间，相互作用的非线性模型系统得到发展，研究涉及营养物质磷、氮循环系统，浮游动植物系统等。最后在1975年以后，研究已经涉及有毒物质的相互作用，空间尺度发展到三维。
实际上污染物在水中的迁移转化是一种综合复杂的过程，目前为止已发展出很多综合水质模型，如QUAL-Ⅰ和QUAL-Ⅱ模型，建立于20世纪70年代，是最早的综合水质模型之一。后经多次修改和增强，相继发展出了QUAL2E、QUAL2EUNCAS及QUAL2K、QUAL2E模型适合于混合的枝状河流系统，QUAL2K则把系统分为不相等的河段。
WASP模型，由USEPA开发，可以模拟一维不稳定流等，用途广泛。自20世纪80年代该模型被提出以来，在国内外已经得到广泛应用。在国内，逄勇等（2007）曾进行了太湖藻类的动态模拟研究，廖振良等（2004）对WASP模型进行了二次开发，建立了苏州河水质模型，杨家宽等（2005）运用WASP6模型预测了南水北调后襄樊段的水质。
CE-QUAL-RIV1一维水流与水质模拟模型，由美国陆军工程师水道试验站开发。该模型能够分析非恒定性严重的河川条件，如电站峰荷变化的尾水，还能够模拟分支河流系统。
MIKE SHE，是由DHI开发的一个模型系统，作为多个模型的系统，它包括蒸散发、地表径流、非饱和流、地下水流和明渠流以及它们之间的相互作用。此模型系统提供了极好的界面和一个综合的水质变化过程系列。
SMS，地表水系统模型，由美国Brigham Young大学图形工程计算机图形实验室开发。与其他模型不同之处在于它不模拟降雨-径流过程，它在二维方向模拟河流、河口、海岸。在该系统中的主要包括水动力和泥沙模型（RMA2、RMA4、SED2D、HIVEL、FEWWMS、WSPRO等），仅含有限的水质变化过程。
此外，还有如MMS、HEC5Q、GENSCN、OTIS、QUASAR、BLTM、AQUATOX2、FESWMS、SNTEMP、SIMUCIV等国内外较长使用的水质模型。水质模型今后的发展将以GIS为平台，模拟结果趋于动态化、可视化，污染机理、模型的不确定性研究进一步加强，参数估值准确度逐渐提高。
1.2.2.2 湖泊水质模型
水质模型是以水动力学为基础学为基础，即以动量守恒、质量守恒定律建立水动力学方程和污染物浓度方程，通过数值计算得到污染物的时空分布。湖泊水质模型是在河流水质模型发展的基础上建立起来的，对它的研究最早可以追溯到1925年Streeter和Phelps建立的第一个水质数学模型（Streeter-Phelps模型）。真正意义上对湖泊水质模型的研究始于20世纪60年代中期，经过40多年的发展，湖泊水质模型逐渐从简单的零维模型发展到复杂的水动力-水质-生态综合模型和生态结构动力学模型。
1975年加拿大湖泊专家Vollenweider提出了第一个预测湖泊水中营养性物质的“Vollenweider模型”；随后，Dillon等（1977）用磷的滞留系数代替Vollenweider模型中的磷沉积系数，提出了Dillon模型，并运用该模型模拟了休伦湖、伊利湖的叶绿素、总磷年平均浓度，结果表明计算值与实测值十分一致；Thomas James（1993）模拟了南美Okeechobee Lake中营养元素（磷、氮、叶绿素a）的含量；George B Arhondit sis（2004）模拟了Washington Lake的化学和生物特性；Magnus Dahl（2003）运用LEEDS模型模拟了瑞士Vanern Lake中悬浮颗粒和磷含量，LEEDS模型重点针对的是湖泊中的磷浓度，是国际上应用比较广泛的一个模型，除LEEDS模型以外，Lake Web也是应用比较多的一个模型。
我国从20世纪80年代中期才开始湖泊水质模拟的研究，刘玉生等（1988）将生态动力学模型与一维箱模型以及二维水动力学模型结合，运用于滇池；陈永灿（1998）建立了密云水库总磷、总氮、BOD、COD完全混合系统水质模型；陈云波（1999）在Vollenweider模型的基础上分析了滇池水动力特征，将完全均匀混合质量平衡水质模型应用于滇池水质有机污染浓度预测；洪晓瑜（2004）模拟太湖的水质指标CODMn；邢可霞（2005）运用HSPE模型对滇池流域的水文水质过程进行模拟，定量地计算出该流域的非点源污染负荷。
1.2.3 明渠运行控制
渠道自动控制起源于20世纪30年代，起初由法国人研制了许多用于自动控制的水力设备，并提出了水力自动化的控制方法，将其用于实际灌渠运行当中。Liu F采用显式有限差分的格式实现了罐渠闸前常水位控制，对多个渠池进行数值仿真模拟，结果比较理想。Ruiz-Carmona和Malaterre等对已有的研究成果进行分析总结，提出了将非线性的输水系统简化成为线性系统，但还没有在实际中得到应用。Rijo在一条141m长的模型渠道上研究闸前常水位和闸后常水位的PI控制过程，为研究渠道自动控制提供支持。
国内对渠道输水运行控制的研究开始较晚，始于20世纪50年代，20世纪80年代之后，由于国内调水工程的实施和大中型灌区自动运行控制的要求，有些科研单位陆续开展了渠道自动化试行的研究。王念慎等用现代控制理论构建了常水位和等体积实时控制模型，并进行了模型验证，总结出等水位控制比等体积控制简单，并具有计算速度、精度高等优点。20世纪90年代，武汉大学王长德运用水力自动闸门的控制原理，解决了水力自动闸门运行不稳定问题。之后，王长德又针对闸门过流的过程，假设闸门能任意速度进行调节，提出了P+PR与比威尔控制算法相结合的控制方式，并做了比较。近年来，国内学者尝试用现代控制理论、智能控制理论及模糊控制理论研究渠道运行系统。中国水利水电科学研究院用状态空间法仿真及实验研究了引黄济青工程等容量控制。韩延成运用两阶段的输水控制方法对渠道进行数值模拟，结果证明该方法具有响应时间短、闸门调节次数少等优点。目前，许多学者对下游常水位运行方式开展了大量的研究。姚雄等提出了流量主动补偿的前馈控制方法并与水位反馈控制相结合来改善闸渠道的响应特性，该模型没有考虑闸门开度变化对上下游渠道的影响，又由于在流量主动补偿阶段，需要各渠段上游流量变化都要超过下游流量变化，致使各渠段上游流量和闸门开度都有较大的超调，有待进一步改进。丁志良、王长德等把基于蓄量补偿的前馈控制运用到闸前常水位运行的方式中，并采用PI反馈控制对中线部分渠段进行了仿真模拟，在一定程度上改善了渠道的响应和回复特性。黄会勇、刘子慧等根据渠道初始和稳定时候渠道的流量、水位、渠道的蓄量、渠道水位降幅限制和水位波动限制条件等，制定了基于蓄量补偿的前馈控制策略，该方法涵盖了南水北调中线工程调度运行中可能出现的各种运行工况。
目前，国内外对明渠的水动力学计算有了一些研究基础，但大部分研究集中在改进渠道的控制运行算法上。然而还有许多算法仍旧停留在理论研究阶段，未能运用到实际工程中，对于大规模复杂明渠系统的模拟分析和应用还不成熟，自动控制方式的研究也主要是应用在灌溉工程方面，还不能完全解决大规模调水渠道的整体集中自动控制的问题。另外，与国内外已建成的调水工程相比，南水北调中线工程规模巨大，线路更长，并且可利用的水头有限，沿线中可用于反调节的调蓄工程几乎没有，其输水的困难程度远远超过目前世界上已建成的调水工程。所以，必须从南水北调中线工程总干渠输水安全和稳定性出发，对其展开相应的运行控制研究。
1.2.4 水质预测预报
在水质预测预报模型的研究方面，欧美国家已经达到了很高水平，在国际上处于领先地位。在早期大量的基础研究数据的基础上，国外建立了一系列的水质预测预报模型，目前比较成熟的模型有以下几种。
（1）QUAL系列模型。美国环保局（USEPA）于1970年推出QUAL-Ⅰ水质综合模型，1973年开发出QUAL-Ⅱ模型，该模型能被用于研究污染物的瞬时排放对水质的影响，如有关污染源的事故性排放对水质的影响。
（2）BLTM（the branched lagrangian transport model）即分支拉格朗日输移模型，由美国地质调查局（USGS）开发。它没有模拟水动力情况，水动力条件要由其他模型提供。这个模型包括QUAL-Ⅱ包含所有的水质变化过程，而且是实时变化的。
（3）OTIS（one-dimensional transport with instream storage）即带有内部调蓄节点的一维输移模型，美国地质调查局开发的可用于对河流中溶解物质的输移进行模拟的一维水质模型。模型中的控制方程是对流扩散方程，并综合考虑了暂存、纵向入流、一阶衰减和吸附现象。
（4）WASP模 型（water quality analysis simulation program）是美国环保局（EPA）提出的水质模型系统，可用于河流、湖泊、河口、水库、海岸等不同环境污染决策系统中分析和预测由于自然和人为污染造成的各种水质状况，可以模拟水文动力学、河流一维不稳定流、湖库和河口三维不稳定流、常规污染物和有毒污染物在水中的迁移转化规律。
（5）QUASAR模型是由英国Whitehead建立的贝德福郡乌斯河水质模型发展而来的，该模型用含参数的一维质量守恒微分方程来描述枝状河流动态传质过程，可模拟的水质组分包括DO、BOD、硝氮、氨氮、p H值、水温和任一种守恒物质。该模型属于水质控制数学模型，其研究的目的是建立污染物排放量与河流水质问题的关系。
另外丹麦、德国、荷兰等也分别开发了比较有效的水质模型。如由丹麦水动力研究所（DHI）开发的MIKE模型体系、荷兰开发的PROTEUS体系的水质模块（water quality）可以实现对江河水体的二维和三维水质模拟。
我国在水质预警模型方面也做了大量研究，并把地理信息系统（GIS）与水质模型有机结合，把人工神经网络（ANN）技术应用于水环境预测及评价方面，大大推动了水质预警模型的研究进展。
南京水利科学研究院河港所针对长江口开发了CJK3D模型，可以实现对江河水体的二维和三维水质模拟。重庆市环境科学研究院和重庆大学针对长江嘉陵江重庆段干流和城区江段，分别开发了一维和二维水质预测模型，取得了较好的模拟效果。侯国祥（2001）建立了一个适合于与自然河流中污染物排放的远区计算模型，并将其应用于汉江仙桃段、湘江衡阳段、三峡库区重庆江段及其他堵河段，取得了较好的结果。王惠中、薛鸿超等（2001）在Koutitas等建立的准三维数学模型的基础上，考虑垂向涡黏系数沿深度变化，对其计算模式进行修改，针对太湖环境保护问题建立了一个三维水质模型，对太湖水体的主要污染指标进行模拟和分析，并提出了控制太湖水污染的防治政策。郭永彬、王焰新等（2003）将OUAL2K模型用于汉江中下游的水质模拟。杨家宽、肖波等（2005）将WASP5模型运用于汉江襄樊段的水质模拟，都取得了较为满意的结果。
彭虹等（2005）结合了河流一维水质综合模型和GIS建立了汉江武汉段水质预警预报系统，系统考虑了污染物的迁移和生态转化过程，可以实现污染物迁移扩散的常规预报、水华预警预报及突发污染事件的模拟。李志勤（2006）通过直接求解三维污染物输移方程来研究水库中溢油等污染物的运动规律，利用研究结果开发了紫坪铺水库三维水质预警系统，并以之提出了该水利枢纽工程应急运行的具体建议。程聪、林卫青等（2006）重点研究了突发性溢油污染事故排放的有毒、有害污染物在水体中的迁移扩散和转化规律，建立黄浦江溢油漂移和扩散数学模型，使黄浦江发生溢油突发性污染事故后，能迅速预测事故后果，确定最佳的处理方案。窦明等（2007）在重金属模型研究成果的基础上建立了一维河流重金属迁移转化模型，并通过2005年广东省北江镉污染事故实测资料进行验证，表明该模型能够较准确地反映重金属随水流运动和变化的过程及遭遇不同潮位会引起污染事故影响范围的差异。
鞠美勤（2009）在二维水动力、风场模型基础上，结合溢油本身特性变化，建立了二维溢油污染事故模拟模型。模型采用修正的FAY公式模拟溢油的扩展运动，采用油粒子模型模拟溢油漂移运动，并模拟溢油在扩展漂移过程中的蒸发、乳化过程，以及风化过程对溢油黏度、密度等性质的影响，讨论了溢油在水体中的迁移转化规律，为河道突发性溢油污染事故预报和应急处理提供技术支持。蒋新新、李鸿等（2009）采用溢油扩延计算模式、油膜漂移分析计算方法和可溶性危险化学品一维瞬时扩散模型预测了突发性污染事故对水体造成的影响。该预测模型能预测水体中污染物的实时浓度，分析污染水团的轨迹变化，有广泛的应用价值。王祥、黄立文等（2010）以环境流体动力学模型EFDC为基础建立了三峡库区万州段水动力模型，并进行了典型水文条件下的水动力数值模拟。溢油模型能预测溢油在扩散漂移过程中组分、性质、状态的变化及最终归宿，为应急决策的制定、清除手段的选择及溢油损害评估提供依据。
国外虽然已经有很多成熟的水质模型软件，但现有水质模型和软件用于突发性水污染事故的水质模拟存在模型参数众多、参数率定困难、模型结构复杂、分析工作量大等问题，很难满足应急预警的需要。国内水质预警模型对预警过程中的机理性问题研究不足，基础不够，缺乏完善的有效定量计算方法，影响预警方法的建立。现有预警模型侧重于模拟溢油事故、重金属污染事故等，模拟指标有限，采用的数学模型结构较为单一，模拟所需时间长，未能够及时准确反应突发性污染物的迁移转化过程。
1.2.5 污染源追踪溯源技术
明确污染物的来源是实现水质预测和水体污染控制与治理的先决条件，但现实中往往缺乏对污染来源的准确掌握。近年来国外学者纷纷开展了水污染事件追踪溯源的研究，并取得了积极的进展。水体污染溯源的研究方法，大体上可以分为生物学方法和数值模拟方法。
（1）生物学方法。水体污染的指示微生物应能够反映水体的污染状况，与致病菌存在密切的联系，易于监测，且非自然存在于水体或自然环境中。不同的环境样品指示微生物之间存在克隆现象，说明它们之间可能存在着必然的联系。微生物源示踪（microbial source tracking，MST）技术（又称微生物溯源技术）是一种通过判断污染样品与可能的污染源中指示微生物之间的亲缘关系来确定污染来源的方法。该技术不仅可以正确识别污染源，同时又能评价单一污染源的污染贡献率，最终为水体粪便污染风险评估、分配每日最大负荷量以及制定最佳管理方案等提供科学依据。
Liberty等依据指示微生物对于不同碳源或者氮源的利用情况（碳源利用分析）对废水处理系统中的微生物群落进行了分析。冯广达等以大肠杆菌为指示微生物，采用脉冲场凝胶电泳（PFGE）、肠杆菌间重复一致序列PCR（ERIC-PCR）和BOX插入因子PCR（BOX-PCR）3种分子分型方法对广东省某典型农村塘坝饮用水污染来源进行了追踪研究。Martellini等利用不同物种的细胞中线粒体DNA的差异进行了粪便污染溯源的研究。Bernhard等在研究美国俄勒冈州提拉木克县附近海湾的水质污染情况时，针对拟杆菌16S r RNA基因设计了拟杆菌群体特异性引物，以期直接通过PCR扩增从样品中获得拟杆菌的基因片段，运用LH-PCR和T-RFLP技术进行水质污染情况的分析。张曦建立了一种基于拟杆菌群体特异性16S r RNA基因进行溯源的PCR-DGGE方法，在快速、准确进行水体污染溯源方面取得了良好的效果。
（2）数值模拟方法。自20世纪80年代起，发展了许多应用于水体污染源位置和排放历史追踪溯源的方法。针对不同的水体采用的方法不一样，例如，用GIS技术和地学统计方法识别地表水污染源项，利用水文地质统计方法研究地下水污染源，运用改进的遗传算法和蒙特卡罗模拟方法等更现代的方法对河渠进行追踪溯源。
1.地表水及地下水污染源项的追踪溯源
由于水文地质统计方法在地下水研究中的广泛应用，以及直接监测地下水的巨大困难和环境管理研究中对地表水污染源识别的忽视，对地表水污染源追踪溯源研究的文献远远少于地下水。吴文强等通过建立准确的济源盆地地下水流场，结合周边污染源分布，运用Pathline模块模拟污染物迁移转化路径，从三维空间模拟济源盆地各区域浅层地下水污染物迁移转化规律，分析发现造成该区域面状污染的原因有侧向径流污染与垂向污染之分，各区域污染物垂向运移最大深度达100m，同时提出了各区浅层地下水污染治理侧重点应根据污染来源而分别开展的观点。
近年来，越来越多的学者开始关注地表水污染源项的追踪溯源研究。Boana等应用地学统计的方法识别水体中的污染源，该一维方法假定排放历史和观测数据是线性相关的，并且排放历史向量是高斯联合分布的。Katopodes和Piaseckis利用二维伴随状态方程解决地表水环境中排污负荷优化问题，使其对环境影响达到最小。Cheng使用反向位置概率密度函数法和CCHE2D模型程序对水体污染源进行了识别。陈媛华等采用Matlab软件编写源项识别算法的核心计算代码，采用C#、C++和NET语言进行接口模块与主界面的编写，开发出独立的可视化应用软件，该模型系统应用于松花江苯污染突发事件的模拟取得了较好的效果。
随着GIS技术的发展，该技术逐渐被应用到水污染的追踪溯源中。韩天博认为在GIS中建立流域河系网络模型，并以河段为纽带，将污染源、水质监测站、取水口等信息集成后，就可利用GIS的网络分析功能对水体水污染源和突发性水污染事件的影响范围进行追踪，以提高水体污染源管理的效率，保障流域水环境安全。彭盛华等以Arc View GIS为平台，通过构建数字化河系网络模型、水体水环境数据库，建立了汉江流域河系网络模型，以及包括污染源、取水口、水质监测站等众多信息的水环境数据库，实现了水体污染物来源和去向追踪功能。杨海东等将溯源问题视为贝叶斯估计问题，在微分进化与蒙特卡洛基础上推导出污染源强度、位置和排放时刻等未知参数的后验概率密度函数；结合微分进化和蒙特卡洛模拟方法对后验概率分布进行采样，进而估计出这些未知参数，确定污染源项；该方法的稳定性和可靠性明显高于贝叶斯-蒙特卡洛方法，并能较好地识别突发性水污染源，为解决突发水污染事件中的追踪溯源难点问题提供了新的思路和方法。
2.河渠追踪溯源
河渠突发性水污染事故溯源一般是指河渠发生水污染事故后，利用各种方式追踪定位污染的来源，主要工作包括：分析污染物的来源和种类，寻找出污染源位置、泄漏时间、泄漏强度等关键信息。
国内外许多学者在河渠水污染事件追踪溯源方面进行积极而努力的探索，并取得了一定的成果。就污染物迁移扩散模型参数识别而言，目前主要有理论公式法、经验公式法和示踪试验法等方法。然而，实际应用过程中无法通过理论公式法和经验公式法获得表征污染物迁移扩散模型参数的统一表达式，只有示踪试验法识别得到的参数值能准确地反映出污染物在水体中迁移转化特性。此外，Rao和Zhai等将污染事件的污染源项识别方法分为正向、逆向及概率等三类模型方法。其中，逆向方法是基于反方向对污染物质的输运进行模拟，即从观测点至污染源位置方向的模拟；正向方法是指通过多次污染物迁移扩散模型的模拟，选用不同的候选结果进行迭代计算，最终目标是寻求合理的污染源项相关信息使得污染物浓度的模拟值与实际观测值吻合度最佳。
国内外有关河渠突发水污染追踪溯源研究大多是围绕优化思想和不确定分析的思路展开，即分别是从确定性理论方法和不确定性理论方法对河渠突发水污染事件进行追踪溯源研究与讨论。
（1）确定性理论方法。确定性理论方法包括传统优化方法和启发式优化方法，它是一种考察和衡量实际观测值与模型计算值之间匹配度的方法，这类方法的特点是在获取最优解的过程中涉及初始值的选取、全局收敛性或局部收敛性、收敛效率等方面。其中，传统优化方法一般采用目标函数的梯度信息来进行确定性搜索；启发式优化方法以仿生优化算法为主，它可以在目标函数不连续或不可微的情况下实现多可行解的并行、随机优化。
基于确定性理论方法的突发水污染追踪溯源研究是指求解过程中通过污染物迁移扩散模型模拟事件中污染物浓度分布，并建立以模拟结果与实测观测结果之间的误差平方和为目标函数的优化模型，之后利用确定性算法对优化模型的目标函数进行求解，通过迭代的方式寻求同实际观测值之间有最佳匹配度的计算结果。目前，在基于优化方法的河渠突发水污染追踪溯源研究中是以匹配度（目标函数）的优化为中心，利用不同优化算法实现对追踪溯源结果更新优化，偏向于不同方法的应用。
传统优化方法，如GLS、共轭梯度法（conjugate gradient method，CGM）和变分同化方法（variational data assimilation method，VDAM）等，在测量值和污染物迁移转化扩散模型的基础上构建对应的目标函数，之后以目标函数的梯度方向作为待求参数的迭代更新方向。但对于含有多个追踪溯源结果的情形，则难以通过目标函数来获取对应的梯度信息，进而导致上述优化理论方法在突发水污染追踪溯源研究中受到限制。
随着人工智能和计算机技术的飞速发展，诞生了启发式方法，且这些方法在环境保护和防治过程中得到了广泛的应用。如王薇等利用SAA估计河流水质模型参数；Ng等利用GAs对河流污染物迁移扩散模型的参数进行率定；Chau、刘国东等运用GAs率定了的水质扩散模型参数；闽涛等采用GAs分别研究了一维河流的流速、扩散系数和衰减系数等多参数识别问题和一维对流-扩散方程的右端项识别问题。
此外，进化策略（evolutionary strategy，ES）、ANNs和模糊优化方法等被成功应用于环境污染事件追踪溯源研究中。其中，ES是专门针对连续区间的优化方法，它能较好地用于污染事件追踪溯源研究中污染源项识别问题；ANNs是一种模仿结构及其功能的非线性信息处理系统，它具有强大的记忆、较强的稳健性以及大规模交互计算等能力。
综上所述，优化理论方法适用于数据有限的情形下河渠突发水污染追踪溯源研究，即在有限信息条件下，采用优化理论方法较为快速地率定污染物迁移扩散模型参数（纵向弥散系数、横向扩散系数或降解系数等）和确定污染源特性（污染源的位置、排放强度及排放时间等），从而为应急决策提供依据。GAs、BP网络、PSO和DEA等确定性理论方法虽然能在河渠突发水污染追踪溯源研究中得到广泛的应用，但是计算成本较大且存在一定的局限性，主要表现为通过上述方法只能给出追踪溯源的“点估计”，即一组最优解，然而就河渠突发水污染追踪溯源本身而言，“点估计”无法提供更多有关污染事件追踪溯源的信息，从而不能保证预测结果的可靠性与模型应用的精度。另外，为验证突发污染追踪溯源方法的有效性，许多学者通常用污染物迁移扩散模型的模拟值替代监测设备的观测值，而监测设备得到的观测值一般存在由事发现场、监测仪器设备、取样等引起的测量误差，所以通过模拟模型得到污染物浓度不能准确地反映实际情况。因而从确定性理论方法着手进行河渠突发水污染事件追踪溯源研究，通常没有充分考虑污染物迁移扩散模型参数和观测数据的不确定性问题。
（2）不确定性理论方法。水环境系统是由水体与人工系统组成的一个复杂性系统，影响和制约该系统的因素很多，因而该系统具有很强的不确定性。另外，河渠突发水污染事件中广泛存在随机现象，如事发时间和事发地点的随机性。因此，对河渠突发水污染事件进行追踪溯源研究往往是追寻所有可行解而非“最优解”或“点估计”，此时确定性理论方法就难以胜任。当前，随机方法是处理不确定问题较为普遍的方法之一，它是通过概率分布来描述客观事物的随机性，常用的有统计归纳法、最小相对熵（minimum relative entropy，MRE）和贝叶斯推理（Bayesian inference）等。
贝叶斯推理是一种以概率论为理论基础的、能反映河渠突发水污染事件不确定性的方法，它在充分利用了似然函数和待求参数的先验信息基础上，求解待求参数的后验概率分布，再通过相应的抽样方法得到诸如污染物迁移扩散模型参数或污染源项各参数等待求参数的估计值，即该方法能给出水污染事件追踪溯源结果的分布函数。因此，基于贝叶斯推理的方法主要是对突发水污染事件的发生概率进行估计，它能得到追踪溯源结果的后验概率分布，而非单一解，同时能量化追踪溯源结果的不确定性，可以提供更多的关于突发水污染事件追踪溯源的信息。为有效获取突发水污染追踪溯源结果的估计值，需要贝叶斯推理与相关抽样方法结合，如马尔可夫链蒙特卡罗（Markov Chain Monte Carlo，MCMC）和随机蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）等抽样方法。其中，MC方法是一种不管初始值是否远离真实值时均容易收敛到次优解的估计方法，因此该方法得到追踪溯源结果的准确率不高。通过将贝叶斯推理与MC方法或MCMC方法结合方式迭代得到的追踪溯源结果的分布函数，能够弥补MC方法的不足。如Bergin等和Sreedharan等认为传统MC方法的抽样结果与待求参数及其先验分布相关性较强；Sohn等利用BMC（Bayes Monte Carlo）方法通过比较传感器的数据流与模拟结果的一致性确定最匹配的模型输入以及对应的误差。然而，BMC方法虽然通过采用连续似然函数来改善误差估计，但它的计算效率不高。
MCMC方法是通过随机游动得到的一条足够长的Markov链，这样才能保证抽样结果接近于追踪溯源结果的后验分布，即用Markov链的极限分布来表示追踪溯源结果的后验概率密度函数。因此，MCMC方法推广了贝叶斯推理在环境污染事件追踪溯源研究中的应用。如Senocak等、Chow等研究了在污染物浓度观测值有限的条件下采用Bayesian-MCMC方法来获取污染源排放强度及其位置问题；曹小群等利用Bayesian-MCMC方法研究对流-扩散方程的污染源项识别问题，陈海洋等采用了Bayesian-MCMC方法研究二维河流污染源项识别问题，并将识别结果与基于GAs方法进行对比分析。然而，MCMC方法通常是经过几千甚至几万次迭代才能保证抽样结果与追踪溯源结果的后验分布接近，因此无法满足突发水污染事件应急要求。因此，国内外部分学者尝试将MCMC方法和其他的方法进行结合来应对突发水污染事件追踪溯源的需要。如Keats等、Yee等结合伴随方程和MCMC方法来确定待求参数的似然函数，数值研究结果表明该方法能显著提高追踪溯源的计算速度；Keats等研究得出非守恒情况下采用Bayesian-MCMC方法能快速识别污染源项各参数的结论。
但是，事先设定追踪溯源结果的先验分布是不确定性追踪溯源方法运行的前提条件，并且需要对追踪溯源结果的后验概率分布进行大样本抽样。因此，从不确定性理论研究河渠突发水污染事件追踪溯源的难点是提高其计算效率。
1.2.6 突发水污染事件应急调控
自20世纪60年代以来，许多发达国家环境污染事件处于高发期，关于环境污染事故的防范和应急在国际上开始受到重视。由于突发水污染事件具有不确定性、处理的艰巨性以及应急主体的不明确性等特点，因此主要采用数值模拟和一些水质监测网站结合的方法预测污染物浓度变化情况。随着突发性污染事件控制重要性的增加，应急监测在机构、编制、机制及装备上也有了较大的提高。
在突发水污染事件应急处理技术上，国内外主要都是利用计算机、无线通信等现代化手段，通过计算机编程与GIS界面结合，构建突发性水污染事件的预警系统。其中国外开发出一个称为“seans”的软件包，可以为突发性水污染事件提供应急决策，还有一些学者把人工智能和模式识别技术用于溢油事件过程的模拟、应急计划的评估，能够对大型溢油事件应急处理设施的选择和人员的配备进行辅助决策；我国虽然在突发性环境污染事件的防范和应急方面起步较慢，但是国内不少学者结合本地区具体情况，对突发性环境污染事件进行研究提出一些应对措施，如在VB集成环境下，用MapBasic语言、SQL语言以及DAO来实现MapInfo电子地图上的空间数据处理技术；综合应用一些高新技术成果，实现指挥中心对污染现场的远程指挥和信息快速传输；通过对系统设计、数据库设计、系统实施、系统功能等方面的介绍，给出了一种突发性环境污染事件预警、应急监测和处理方面软件开发的新方法。而目前的这些技术与方法，主要还是借助于软件建立了一些水质预警系统来识别污染源，追踪污染物的迁移过程，但是这些模型的建立需要大量的基础数据，同时模型运行需要大量的时间，缺乏突发性水污染事件应急调控技术和不能快速有效地做出解决的方案。
因此，为高效应对南水北调输水工程中突发水污染事件，最大限度地减小污染范围和程度，对突发水污染应急调控技术的研究是十分必要的。
（1）突发水污染应急管理与决策支持系统。20世纪70年代，关于环境污染事故的防范和应急在国际上开始受到重视。一些国际组织在环境污染事故应急的总体原则方法、实施机制和组织管理方面开展了专门研究，提出了系统的指导性成果。如：经济合作与发展组织（OECD）对各类环境污染事故情况组织了研究，并专门对化学品之类的环境污染事故的防治、应急处理准备和应急响应总结出版了指导性专著OECD's Guiding Principles for Chemical Accident Precention，Preparedness，and Response，联合国环境署（UNEP）开发的用于指导防患环境污染事故的工具等。
发达国家在环境污染事故防范与应急计划与方法方面已取得了很多发展。美国对各类环境污染事故的应急处理技术做了最为全面、详尽的研究，并针对各种典型情况形成了规范性的综合处理流程和技术文件。美国对国内化学品类、石油泄漏等较常见的典型污染事故的防范、处理均推荐了专门的技术，并有一系列相关的法律规范环境污染事故管理和应急响应行动。美国对与邻近国家之间的跨国环境污染事故的应急处理也非常重视，与加拿大、墨西哥就污染事故的处理方法、管理方法、协同合作等方面进行了合作研究并达成了共时性的规范文件，如《美墨关于应对内陆边界地区有害物质泄漏、火灾或爆炸聚合应急计划》。加拿大对环境污染事故的防范和应急技术的研究和应用也非常重视，其国家环境保护局有专门的应急计划，即“E2计划”，并在各方面与美国合作。
在危险源的定义、识别和监测方面，不少国家也做了许多基础性的工作。如美国、加拿大、澳大利亚等国，已将限制危险物质的生产与使用的各种控制措施列入法律，亚洲一些国家如韩国、菲律宾等也制定了《有毒化学品管理法》或类似的法律，对有害物质的生产、使用、存储与运输过程进行严格控制。
在整个美国突发性重大环境事故应急决策系统框架中最为重要的环节，是对于污染事故危害的合理评估、选取合适的应急措施、措施有效性的评估，以及协调中央和地方政府的应急处理工作。这些工作依赖环境污染事故应急决策系统、环境污染事故应急数据库、不同环境下不同污染事故危害传播模型、地理信息系统等系统完成。
欧盟的研究表明，欧盟突发性重大环境污染事故从20世纪80年代开始呈下降趋势，但是，欧盟突发性重大环境污染事故应急决策系统的建设一直在加强中，其突发性重大环境污染事故应急决策系统中最新的欧盟危险事故数据库（MARS4.0）在2001年开始使用，它主要包括两大内容：一是欧盟危险事故数据库（MARS），包含欧洲主要危险品、危险工业的各个方面的详细信息；二是相关的地理信息系统组件，该组件基于GIS技术服务于重大环境污染事故应急决策的辅助系统。
我国的突发性环境污染事故的应急管理起步较晚，1984年4月国家环保局成立了“海上污染损失应急措置方案调查组”，开始了对海上突发性污染事故的调研工作；1988年，《海上污染损害应急措施方案》诞生，成为我国第一份突发性污染事故应急方案。2002年5月，广西壮族自治区南宁市应急联动系统正式运行，成为我国最早的城市应急管理系统。2005年1月，温家宝总理主持召开国务院常务会议，原则通过了《国家突发公共事件总体应急预案》和25件专项预案、80件部门预案。2005年7月，全国应急管理工作会议的召开，标志着中国应急管理纳入了经常化、制度化、法制化的工作轨道。2006年，国务院发布的《国家突发公共事件总体应急预案》，是国家应急预案体系的总纲，明确了各类突发公共事件分级分类和预案框架体系。
2011年10月，国务院发布了《关于加强环境保护重点工作的意见》，对环境应急管理工作提出了新的更高的要求，首次将环境应急管理纳入国家战略层面。当前，环境风险异常突出并且突发环境事件频发，党中央、国务院高度重视环境应急管理工作，《国家环境保护“十二五”规划》将防范环境风险纳入指导思想，并将环境应急能力建设作为重要内容。
（2）突发水污染应急处置技术。发生在自然水体中的突发污染事件现场往往难以为一些处理技术的实施提供足够的环境条件，这使得其应急处置技术的选择除了要保证良好的去除效果之外，更要考虑其在现场的适用性，即在大水量、污染物浓度高、停留时间短、污染团持续迁移扩散、流场情况复杂、动力供应设施有限等条件下，仍能够高效地将污染物从水中移除。
而在目前的污染处理技术中，膜分离法虽然工艺简单，但因膜通量有限、对水质要求较高，其实施前需先将污染水体截留储存，并需大量的配套设备，显然难以适用于大量连续流动、水质状况复杂的突发污染事件的现场应急处置，如果条件允许，可以作为移动式处理方法。吸附法是目前可以将污染物从水中直接移除的主要方法，已在一些应急处置事故中成功应用；然而由于吸附材料多为颗粒状多孔物质，且吸附容量越大的吸附材料，其粒径往往越小，这些吸附材料一般都须被装在编织网袋中固定，但对于水大流急的污染事故现场，紧密堆积的吸附材料会产生很大的流体阻力，吸附坝这样的装置难以继续适用。化学沉淀法虽已多次应用到重特大水体中突发污染事件中，操作简单，药剂来源较广泛，但在自然水体中，其与重金属形成的絮凝物会沉在水底并随推移质和悬移质一起继续迁移，通过水中食物链成为二次污染源。其他的化学法如电化学法等，因其操作较为复杂，所需的设备在现场难以应用，在短时间内难以适用于大水量、流场情况复杂、动力供应设施有限的突发污染事件的现场应急处置。如果条件允许，可以作为移动式处理方法。生物法操作成本相对较低，实施条件较为简单，但其处理速度较慢，难以快速从水体中去除重金属。根据情况，可在受污染水体引入到附近的可安置区域（如湿地或池塘）后进行静态处置时使用。
从总体上看，应急处置技术、材料和装备还有很大的研究空间，目前远没有满足政府、市场需求，有必要在“污染源控制—污染团防扩散—污染物消除—应急废物处置”全过程突发污染控制的框架下开发新型的应急处置装置和材料。
（3）应急处置技术预案。完善科学的应急预案在污染事故响应阶段能发挥作用巨大的作用。在当前的突发水污染应急机制下，应急预案编制和研究主要在应急管理领域，各级政府已经发布了各类应急管理行政预案，而具体指导应急处置工程实施操作的技术预案十分匮乏，这和目前应急处置技术缺少系统梳理、应急水处理技术装备仍旧有限等原因不无关系。和行政预案相对稳定不同，不同的污染情景所需要采用的应急处置技术以及相应的应急材料物资装备等都会有巨大差异。在技术预案编制过程中只可能依据典型污染情景提出应急处置操作路线，不可能穷尽所有可能情景。有必要建立一个动态的技术预案生成系统，来解决此问题。如何选择最适宜的应急处置技术及应急处置材料，集合专家知识经验确定工程实施操作和运行参数，都是在技术预案制定过程中要考虑的关键问题。从而有必要开展应急处置技术预案生成的研究。