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黄土塬是黄土高塬沟壑区典型的地貌类型，在黄土高原农果业生产中占据十分重要的地位，苹果成为国家地理标志性产品，但剧烈的沟头溯源侵蚀严重威胁该区土地安全和生态安全。开展黄土塬沟头溯源侵蚀研究及“固沟保塬”工作已成为该区十分紧迫的任务。目前的研究大多是基于遥感影像解译、定位监测等手段分析不同时空尺度沟头溯源侵蚀变化量，在沟头溯源侵蚀产沙、形态演变及其动力机制方面较为薄弱。鉴于此，本文以黄土塬沟头溯源侵蚀为研究对象，采用模拟沟头上方汇水试验与立体摄影测量技术相结合的方法，研究不同沟头上方汇水流量和沟头高度条件下溯源侵蚀过程、产沙与形态演变动力机制，阐明沟头溯源过程中跌水特性、沟头对坡面径流特性的影响及“塬面-沟头-沟床系统”各部位能耗和产沙分配比例，探明塬面-沟头-沟床侵蚀形态演变特征，揭示沟头溯源侵蚀过程中各部位侵蚀产沙与形态演变动力学特征，厘清跌水-贴壁流分配比例及其在沟头产沙和跌水潭形态发育中的影响。可为黄土塬“固沟保塬”战略实施和生态环境建设提供科学依据。主要结论如下：
(1)探明了沟头溯源过程中跌水特性及其对塬面-沟床径流变化的影响。沟头溯源过程中跌水出射流速随时间以幂函数形式增大，而跌水入潭流速、角度及剪切力则随时间以线性和对数函数形式逐渐降低。跌水入潭角度随流量增大而增大，随沟头高度增大而减小，其他跌水特性则均随流量和沟头高度的增大而增大。塬面径流流经沟头后，径流流速、雷诺数、弗劳德数及径流功率分别降低44.3%~67.4%、29.8%~65.9%、51.0%~67.1%和29.8%~65.9%，径流阻力系数、下垫面糙率系数及径流剪切力则分别增大1.63~10.82倍、0.60~2.60倍及2.8%~79.7%，塬面-沟床径流特性变化的55.8%是由沟头高度、放水流量及跌水特性导致。试验条件下塬面、沟头和沟床侵蚀能耗分配比例分别为11.0%~38.2%、55.2~83.0%和1.7%~11.7%。
(2)厘清了“塬面-沟头-沟床系统”侵蚀产沙特征及3个部位的产沙贡献。“塬面-沟头-沟床系统”产沙速率随时间呈快速增加至峰值后逐渐减小至稳定的变化过程；次试验产沙速率随流量和沟头高度的增大而增大，与二者呈极显著复合函数关系。沟头跌水含沙量和塬面产沙速率均随时间呈逐渐减小—稳定的变化趋势，二者均随流量增大而增大，但沟头高度对其影响不显著。沟头产沙速率随时间基本以对数函数形式逐渐降低，次试验沟头产沙速率与流量呈极显著的对数函数关系；≤4.8m3/h流量时沟床以泥沙沉积为主，沉积速率随时间而逐渐减小至稳定，＞4.8m3/h流量时沟床产沙则由沉积逐渐向侵蚀过渡。塬面和沟头产沙占比分别为9.2%~31.4%和68.6%~90.8%，其中在沟床沉积的泥沙占0.2%~18.6%，泥沙沉积速率与流量和沟头高度均呈负对数函数关系。与试验前土壤相比，沟头溯源侵蚀泥沙中黏粒含量减少6.9%~22.5%、砂粒增加9.6%~68.4%，粉粒含量则基本不受上方来水和沟头高度变化的影响。
(3)阐明了沟头溯源过程中“塬面-沟头-沟床系统”各部位侵蚀形态演变特征。塬面侵蚀沟宽度、深度、切割度及弯曲度随时间增长呈初期快速增大—逐渐稳定的变化，而宽深比则呈逐渐减小至稳定的过程；侵蚀沟宽度、深度、切割度、弯曲度均随流量增大而增大，宽深比则随流量增大而减小，沟头前进对塬面侵蚀沟形态的影响不显著。跌水冲刷沟头底部和贴壁流冲刷沟头立壁是沟头溯源和侵蚀沟下切的主要动力，沟头溯源距离随时间变化经历3个阶段：初期快速增加—中期易发沟头崩塌导致溯源波动式增长—后期增长缓慢逐渐稳定；沟头溯源距离随流量增大而增大，随沟头高度增大而减小，上方来水流量较大时沟头崩塌导致溯源距离随沟头高度波动变化，其中沟头崩塌导致的沟头溯源占总溯源距离的7.0%~39.3%；侵蚀沟深度随沟头高度的增大而增大，沟壁崩塌是造成侵蚀沟深随流量呈波动式变化的原因，侵蚀沟横断面呈“U”形。
(4)揭示了沟头溯源过程中“塬面-沟头-沟床系统”各部位侵蚀产沙与形态演变动力学特征。塬面和沟床产沙速率显著受到径流水动力特性的影响，沟床产沙对径流特性的敏感性强于塬面；沟头产沙速率与跌水特性(除跌水入潭角度)呈显著递增的对数、幂函数及线性函数关系；塬面、沟头和沟床产沙速率均与能耗关系最优，且存在侵蚀临界能耗，分别为0.37J/s、0.68J/s、0.007J/s。跌水特性和能耗对沟头溯源距离的影响因沟头高度而异，其中跌水剪切力和径流能耗是影响沟头溯源的主要因素，溯源启动的临界跌水剪切力和能耗分别为6.69~73.50Pa和0.74~8.08J/s。除跌水出射流速外，侵蚀沟发育深度和跌水潭深度与其余跌水特性和能耗均呈显著正相关关系，其中跌水入潭流速和剪切力对其影响最大。
(5)量化了沟头跌水和贴壁流分配比例及其对沟头产沙和跌水潭形态演变的影响。沟头溯源过程中跌水和贴壁流分配比例分别为77.4%~84.3%和15.7%~22.6%，跌水分配比例随流量增大而增大，贴壁流则相反。试验条件下跌水、贴壁流及二者交互作用产沙贡献比为4∶3∶1~4.4∶2∶1，平均为4.6∶3∶1，其中跌水产沙占比随流量和沟头高度的增大呈波动式变化，贴壁流产沙占比和跌水-贴壁流互作产沙占比不受沟头高度的影响，但随流量的增大以对数函数方式分别增大和减小。0.3~0.9m沟头高度时贴壁流使跌水潭宽度和深度发育分别减小24.3%~57.3%和27.8%~71.4%，但贴壁流的影响随流量和沟头高度增大逐渐减小，在1.2m沟头高度、＞4.8m3/h流量时贴壁流可使跌水潭宽度平均增大7.5%。
(1)探明了沟头溯源过程中跌水特性及其对塬面-沟床径流变化的影响。沟头溯源过程中跌水出射流速随时间以幂函数形式增大，而跌水入潭流速、角度及剪切力则随时间以线性和对数函数形式逐渐降低。跌水入潭角度随流量增大而增大，随沟头高度增大而减小，其他跌水特性则均随流量和沟头高度的增大而增大。塬面径流流经沟头后，径流流速、雷诺数、弗劳德数及径流功率分别降低44.3%~67.4%、29.8%~65.9%、51.0%~67.1%和29.8%~65.9%，径流阻力系数、下垫面糙率系数及径流剪切力则分别增大1.63~10.82倍、0.60~2.60倍及2.8%~79.7%，塬面-沟床径流特性变化的55.8%是由沟头高度、放水流量及跌水特性导致。试验条件下塬面、沟头和沟床侵蚀能耗分配比例分别为11.0%~38.2%、55.2~83.0%和1.7%~11.7%。
(2)厘清了“塬面-沟头-沟床系统”侵蚀产沙特征及3个部位的产沙贡献。“塬面-沟头-沟床系统”产沙速率随时间呈快速增加至峰值后逐渐减小至稳定的变化过程；次试验产沙速率随流量和沟头高度的增大而增大，与二者呈极显著复合函数关系。沟头跌水含沙量和塬面产沙速率均随时间呈逐渐减小—稳定的变化趋势，二者均随流量增大而增大，但沟头高度对其影响不显著。沟头产沙速率随时间基本以对数函数形式逐渐降低，次试验沟头产沙速率与流量呈极显著的对数函数关系；≤4.8m3/h流量时沟床以泥沙沉积为主，沉积速率随时间而逐渐减小至稳定，＞4.8m3/h流量时沟床产沙则由沉积逐渐向侵蚀过渡。塬面和沟头产沙占比分别为9.2%~31.4%和68.6%~90.8%，其中在沟床沉积的泥沙占0.2%~18.6%，泥沙沉积速率与流量和沟头高度均呈负对数函数关系。与试验前土壤相比，沟头溯源侵蚀泥沙中黏粒含量减少6.9%~22.5%、砂粒增加9.6%~68.4%，粉粒含量则基本不受上方来水和沟头高度变化的影响。
(3)阐明了沟头溯源过程中“塬面-沟头-沟床系统”各部位侵蚀形态演变特征。塬面侵蚀沟宽度、深度、切割度及弯曲度随时间增长呈初期快速增大—逐渐稳定的变化，而宽深比则呈逐渐减小至稳定的过程；侵蚀沟宽度、深度、切割度、弯曲度均随流量增大而增大，宽深比则随流量增大而减小，沟头前进对塬面侵蚀沟形态的影响不显著。跌水冲刷沟头底部和贴壁流冲刷沟头立壁是沟头溯源和侵蚀沟下切的主要动力，沟头溯源距离随时间变化经历3个阶段：初期快速增加—中期易发沟头崩塌导致溯源波动式增长—后期增长缓慢逐渐稳定；沟头溯源距离随流量增大而增大，随沟头高度增大而减小，上方来水流量较大时沟头崩塌导致溯源距离随沟头高度波动变化，其中沟头崩塌导致的沟头溯源占总溯源距离的7.0%~39.3%；侵蚀沟深度随沟头高度的增大而增大，沟壁崩塌是造成侵蚀沟深随流量呈波动式变化的原因，侵蚀沟横断面呈“U”形。
(4)揭示了沟头溯源过程中“塬面-沟头-沟床系统”各部位侵蚀产沙与形态演变动力学特征。塬面和沟床产沙速率显著受到径流水动力特性的影响，沟床产沙对径流特性的敏感性强于塬面；沟头产沙速率与跌水特性(除跌水入潭角度)呈显著递增的对数、幂函数及线性函数关系；塬面、沟头和沟床产沙速率均与能耗关系最优，且存在侵蚀临界能耗，分别为0.37J/s、0.68J/s、0.007J/s。跌水特性和能耗对沟头溯源距离的影响因沟头高度而异，其中跌水剪切力和径流能耗是影响沟头溯源的主要因素，溯源启动的临界跌水剪切力和能耗分别为6.69~73.50Pa和0.74~8.08J/s。除跌水出射流速外，侵蚀沟发育深度和跌水潭深度与其余跌水特性和能耗均呈显著正相关关系，其中跌水入潭流速和剪切力对其影响最大。
(5)量化了沟头跌水和贴壁流分配比例及其对沟头产沙和跌水潭形态演变的影响。沟头溯源过程中跌水和贴壁流分配比例分别为77.4%~84.3%和15.7%~22.6%，跌水分配比例随流量增大而增大，贴壁流则相反。试验条件下跌水、贴壁流及二者交互作用产沙贡献比为4∶3∶1~4.4∶2∶1，平均为4.6∶3∶1，其中跌水产沙占比随流量和沟头高度的增大呈波动式变化，贴壁流产沙占比和跌水-贴壁流互作产沙占比不受沟头高度的影响，但随流量的增大以对数函数方式分别增大和减小。0.3~0.9m沟头高度时贴壁流使跌水潭宽度和深度发育分别减小24.3%~57.3%和27.8%~71.4%，但贴壁流的影响随流量和沟头高度增大逐渐减小，在1.2m沟头高度、＞4.8m3/h流量时贴壁流可使跌水潭宽度平均增大7.5%。