面源污染也称非点源污染（Non-point Source Pollution,NPS）,是指在自然降水和融雪等过程中,污染物从非特定地点经地表径流过程汇入受纳水体（河流、湖泊、水库和海湾等）引起的污染。20世纪60年代以来,点源污染控制技术与管理方法取得很大进步,面源污染成为全球水环境污染的重要来源。与点源不同,面源污染来源多样,空间分布复杂,发生时间具有随机性,因此难以得到有效控制。20世纪80年代,在美国58%的总氮（TN）、87%的总磷（TP）和98%的总悬浮固体（TSS）来源于面源污染;进入20世纪90年代,全球30-50%的水体受到面源污染的影响。当前,农业面源污染已成为美国、日本和欧洲等许多发达国家和地区水环境的第一污染源。在中国,点源与面源污染并存,农业面源污染与城市面源污染并存,情况十分复杂。近30年以来,中国处于快速城市化进程中。城市化往往意味着土地利用方式在不太长的时期内发生剧烈改变,从而导致面源污染物负荷在空间和时间维度上呈现复杂的动态变化。本文以中国最大的流域——长江流域为例,利用1980年、2005年、2010年流域地形、降水量、土地利用及地表径流氮、磷污染物浓度等数据,运用改进的输出系数模型模拟长江流域面源氮、磷污染负荷;研究其空间分布与时间变化规律;利用相关分析和自组织映射模型（SOM）分析面源污染负荷时空分布的影响因素;利用城市化模型（CA）、多目标最佳化模型（MOP）、遗传算法（GA）,对长江流域面源污染与经济发展的最优规划方案进行探讨。本文主要研究内容及结论如下:1、基于文献计量学方法的面源污染国际研究趋势分析。（1）面源污染研究相关文章的发表量呈现2个阶段,分别为1973年到1990年、1991年到2012年,其中1991年到2012年文章发表量呈明显增长的趋势,从1991年的60篇增长到2012年的272篇。（2）面源污染相关文章的作者全球分布集中在欧洲国家和美国,特别是美国东部地区,其次是中国、印度、澳大利亚和南美洲,而非洲发表文章数量较少。在发表关于面源污染文章的所有国家中,美国独立发表文章数量和国际发布文章数量均位于第一位,中国和加拿大紧随其后,分别排名第二和第三。（3）分1900-1997年、1998-2005年、2006-2012年三个研究阶段对作者关键词进行研究,排名第一的是“面源污染”,共1064篇文章;第二名是“水质状况”,共577篇文章;第三名是“磷”,共240篇文章。2、长江流域1980年、2005年和2010年的土地利用变化分析。长江流域的主要土地利用类型为农业用地、森林、荒地、水域、湿地、建设用地、沙漠用地和草地与1980年相比,2005年、2010年农用地面积有所减少,森林、荒地和城市建设用地面积有所增加,湿地面积在2005年有所减少,而在2010年有所增加。3、基于改进的输出系数模型（IECM）的长江流域面源污染负荷评估和基于SOM模型的流域面源污染负荷影响因素分析。结果表明:（1）长江流域影响因子空间分布。1980年降雨量影响因子数值范围是0.027-2.12mm,2005年的数值范围是0.063-1.835mm,2010年的数值范围为0.22-1.72mm。降雨影响因子的高值区主要分布在流域东部和中部的部分地区,低值区主要分布在流域的西部和北部的小部分地区。地形影响因子的值从0.85增长到1.1475,地形影响因子的低值区主要分布在长江流域的东部和西部的大部分区域,高值区主要分布在流域中部。（2）长江流域TN和TP污染负荷都表现出显著的时空分布特征。1980、2005和2010年的TN负荷强度分别为:0-59.67 kg/ha、0-50.02 kg/ha、0-51.16 kg/ha;TP负荷强度分别为:0-1.83 kg/ha、0-1.52 kg/ha、0-1.55 kg/ha。1980年与2005年TN的空间分布格局比较类似:高值区主要位于长江流域东部,约占整个流域总面积的3/4,低值区主要分布在流域西部和地势较高的区域;但2010年TN负荷的高值和低值区在东西方向上比较分散,而南北方向上的高值区主要集中在流域北部,低值区主要分布在流域南部。同TN污染空间分布一样,TP的空间分布格局在1980年与2005年比较类似,高值主要分布在流域东部,约占整个流域总面积的3/4,低值区主要分布在流域西部;而在2010年,高值区主要分布在流域中部及东部的局部区域,低值区主要分布在西部和中部偏东的局部地区。（3）长江流域各子流域的不同土地利用类型下的面源污染负荷分析。1980年,太湖流域TN平均负荷量最高（22.81kh/ha）,金沙江流域的TN平均负荷量最小（4.76kg/ha）。8种土地利用类型的TN平均负荷量范围为4.76kg/ha-22.81kg/ha,其中,在太湖流域,农业用地、城市建设用地上的TN平均负荷量最高;在鄱阳湖流域,森林用地种类的TN平均负荷量为最高;在金沙江流域,TN平均负荷量主要来源于草地、荒地和沙漠。2005年,TN平均负荷量范围为4.28kg/ha-15.48kg/ha,且TN平均负荷量在长江下游地区是最高（15.48kg/ha）,金沙江流域最低（4.28kg/ha）。在长江下游地区,农业用地TN负荷量为最高;对于草地、湿地、荒地和沙漠用地,TN负荷量最大值均出现在金沙江流域。2010年,TN平均负荷量范围为4.87kg/ha-15.53kg/ha,其中太湖流域的TN平均负荷为最高,洞庭湖流域TN平均负荷为最小。森林、农业用地、和城市建设用地的TN负荷量最大值出现在太湖流域,而草地和沙漠用地TN负荷量最高的地区分布在金沙江流域。TP负荷量的空间分布在1980年和2005年与TN的分布十分相似。1980年,TP平均负荷量范围为0.16kg/ha-0.69kg/ha,其中太湖流域的TP平均负荷量为最高。2005年的TP平均负荷量范围为0.12kg/ha-0.47kg/ha,长江下游地区的TP平均负荷量为最高,且农业用地的TP负荷量最大值也出现在下游地区。2010年的TP平均负荷量范围为0.18kg/ha-0.51kg/ha,其中太湖小流域的TN平均负荷量为最高,同时森林、农业和城市建设用地上的TP负荷量为最大值出现在太湖流域,草地和沙漠用地上的TP负荷量最大值出现在金沙江流域。（4）基于回归分析的总氮平均负荷量和总磷平均负荷量之间的相关性分析。1980年、2005年和2010年的回归模型分别为Y=0.031X+0.011、Y=0.031X+0.008、Y=0.033X–0.004。其中,1980年R~2为0.981,2005年R~2为0.964,2010年R~2为0.983,且P值都在0.0001以下。由此说明TN平均负荷量在很大程度上影响TP平均负荷量。且二者在2010年关系表现得最为密切,其次是1980年和2005年。（5）基于自组织映射模型（SOM）的面源污染负荷影响因素分析。结果表明,总氮负荷和总磷负荷具有显著的相关性,且本文所考虑的潜在因素都与TN和TP负荷呈现正相关,特别是农业用地与TP、TN负荷之间的相关性最为显著。1980年各影响因素的相关性:农业用地与森林、城市建设用地与住宅用地分别具有显著相关性,TN负荷和TP负荷具有密切相关性,且农业用地和森林在最高值处有高度相关性,湿地和荒地除在某些中值区域不相关以外,从最低值到最高值的大部分区域都有密切关系性;农业用地和森林在最高值处有密切相关性;城市建设用地、住宅用地、农业用地和森林在最低值处有密切相关性;荒地和湿地的密切相关性表现在最高值处。2005年各影响因素的相关性:降雨量与森林、草地与荒地分别在最低值处显示出相关性;草地与农业用地、森林与降雨量分别在最高值处显示出相关性;农药用量与城市建设用地在高值处有较高相关性;湿地与荒地、TN负荷与TP负荷分别在最高值和最低值有较高相关性;而森林覆盖率与其他因素均没有相关性。2010年各影响因素的相关性:TN负荷、TP负荷和降雨量在最高值处有相关性,其中TN负荷和TP负荷从最低值到最高值均有密切相关性;湿地和草地在最低值和最高值处有相关性;农业用地、森林和草地两两之间在高值均具有相关性;农药用量与城市建设用地在高值和有相关性。4.基于最小面源污染、最大国内生产总值、最小发展成本、和最小不相容指数四项目标,运用多目标优化模型（MOP）研究长江流域最优方案。结果表明:（1）多目标优化过程中,目标的适应度在前100次迭代中有变化,在第100次迭代后趋于稳定。（2）虽然在目标优化过程中,实现各项目标指标（最小面源污染、最大国内生产总值,最小发展成本和最小不相容指数）最优化之间存在较大冲突,但得出了综合四项指标的最优解。最小面源污染和最小发展成本的最佳优化解法有六个。最小面源污染和最高GDP总值的最佳优化解法有十一个。最小面源污染和最小不相容指数的最佳优化解法有九个。而且,与第一代相比,在下一代具有更多的最优解。5、长江流域面源污染控制最佳管理措施（BMPs）。本文将长江流域根据边界的长江流域分成11个最佳管理控制单元,其中金沙江流域,嘉陵江流域,洞庭湖盆地和鄱阳湖盆地为控制的关键地区,并据此提出了面源污染最佳管理措施。（1）宏观BMPs管理措施,如建立面源污染管理机构并设立基金;加强政府环境管理职能;合理规划土地布局,设立面源污染监测网络;提高公众意识和教育。（2）BMPs源头控制措施、过程削减措施和末端治理措施。源头控制措施分为乡村和城市两种源头控制措施:乡村源头控制措施如限制广泛和过度使用杀虫剂,利用高效、低残留农药、建立动物粪便化粪池回收利用固体废物与废液;种植草木以增加植被率尤其是在长江流域属于青海和西藏省的东北部地区。城市源头控制措施如改善城市环境植树造林;减少城市不透水面积;减少城市街道和停车场的沉积物、碎片、人行道配备吸尘器或扫帚清扫车、建筑工地附近种植树木吸收灰尘和径流和合理处理生活垃圾。过程削减措施如回收降雨径流;妥善处置机油和化学物质,禁止其直接倒在地上或径流;建筑工地附近种植草和树木的盆地吸收灰尘、径流和减少污染物排放到环境中。末端治理措施的重点是通过净化污染物从而影响径流的池塘、湿地和湖泊生态系统,具体措施包括建设河岸缓冲带和人工湿地来吸收农业径流。河岸缓冲带的建设主要通过提高植被覆盖率,利用草地和森林有效地阻碍污染物,从而改善地区环境;人工湿地的建设主要通过拦截、吸附、沉淀等方式从而更好的去除氮和磷。