2006年,国务院根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》设立了国家水体污染控制与治理科技重大专项,开展了我国水污染防治与治理技术体系研究;2015年,国务院颁布《水污染防治行动计划》,进一步推动了我国水质目标管理技术体系建设。由于监测数据的缺乏和对污染物运移规律认知的局限,开展基于不确定性方法的非点源污染负荷和最大日负荷总量（TMDL）安全余量的评估,对于实现流域水质目标管理及其控制污染物排放具有重要意义。本论文依托“十二五”国家水体污染控制与治理科技重大专项“淮河下游重污染河流水质改善技术集成与综合示范（NO:2014ZX07204-005）”课题,在国内外流域水质目标管理对比分析的基础上,深入辨析水质目标管理内涵及其技术流程;针对流域尺度水资源及水环境监测数据相对缺乏,利用水质多指标常规监测信息,以源混合假设和贝叶斯推断方法为基础,构建了基于逆建模技术的非点源污染负荷评估方法;针对水质模型不确定性分析的“维数灾”问题,利用水质模拟的代理模型技术,构建了基于不确定性分析的安全余量评估方法,并以淮河入海水道为对象开展了研究技术的应用实践。本文主要结论如下:（1）以OpenBUGS为开发平台,基于逆建模技术构建了淮河入海水道非点源污染负荷评估模型。模型验证结果表明,G-R统计量和自相关函数显示马尔可夫蒙特卡罗链（MCMC）收敛性良好,实测值和模拟值拟合优度（R~2）在0.85以上。以淮河入海水道为评估对象,NH4+、COD、TN和TP的非点源污染负荷分别占总污染负荷的16.35～27.58%、18.78～25.69%、21.68～29.71%和42.11～52.09%。（2）利用MIKE11水质模型,以Matlab为平台构建源负荷水质响应代理模型,基于蒙特卡罗（MC）技术分析代理模型的不确定性,建立了最大日负荷总量安全余量计算方法。评估了淮河入海水道最大日负荷总量的安全余量,构建的代理模型平均相对误差均小于2%,均方差均小于0.005;确定置信水平10%下汛期/非汛期TMDL的安全余量分别为9.43%和8.42%,置信水平20%下汛期/非汛期TMDL的安全余量分别为5.99%和5.62%。（3）以淮河入海水道为研究对象,开展了流域水质目标管理关键技术的实践应用。确定了该区域主要控制污染物为氨氮;基于逆建模技术评估了淮河入海水道的非点源污染负荷;基于不确定性分析方法计算了安全余量,确定了淮河入海水道TMDL,制定了汛期/非汛期现状负荷下的削减方案。结果显示,淮河入海水道汛期/非汛期TMDL分别为5962.22 kg/d和4395.88 kg/d;现状负荷在汛期需削减51.57～55.94%,非汛期需削减63.89～67.15%。本文主要创新点为:（1）针对流域尺度建立确定性模型海量数据的需求难以满足的问题,提出了一种利用水质多指标常规监测数据评估非点源污染负荷的方法该法从源混合模型假设出发,综合考虑污染物的衰减过程,根据贝叶斯定理将非点源污染负荷的评估转化为已知监测信息求解相应参数的逆建模问题,基于河流断面的监测数据反推非点源污染负荷入河比例及其污染负荷。该方法进一步论证了逆建模技术在非点源污染负荷评估中的适用性,实现了利用水质多指标常规监测资料进行多种污染物非点源污染负荷的同时求解。（2）针对水质模型不确定性分析中的“维数灾”问题,提出了一种基于代理模型进行不确定性定义及其TMDL安全余量评估的方法该方法将代理模型引入水质模拟不确定性分析,并基于不确定性计算TMDL的安全余量。该技术通过构建水质模型的代理模型,代替水质模型进行不确定性分析,降低了不确定性分析的计算成本,实现了TMDL安全余量的快速计算。该方法大大节省了水质模型不确定性分析的时间和人力成本,为复杂模型安全余量的制定提供了一种可行的方法。