流域生态补偿机制被认为是解决相邻区域、上下游及更高层次上经济发展与生态系统保护问题的有效途径。但是生态补偿标准的计算十分复杂且目前还未解决。关键问题是对流域各方责任的界定。而流域环境责任可理解为流域各区域所应分配的排污权，本文提出并设计流域排污权优化分配模型，以满足各行政区之间公平性为基础，同时考虑经济最优（效率）的目标，构建了初始排污权免费分配的一个非线性决策模型，通过计算得到流域各方排污权的最优分配方案。然后以沿淮河流域四省作为应用实例，以此计算出各个行政区的规划排污量。结果显示：不仅分配方案比原配额分配更加公平，而且经过模型分配后，污染物削减成本大幅降低。