“黄土塬”是黄土高原上平坦的台塬,是过去260万年间,由风沙堆积形成的边缘陡峭、中部平坦的地貌结构,其中董志塬被看做是典型的代表区。黄土塬面积占黄土高原总面积的1/10以上,具备优越的土地资源,适宜耕种和居住,是工农业发展和人口集中的重要区域。当前,黄土塬面临最严峻的问题当属剧烈的沟壑侵蚀导致的塬面破碎化和瓦解,尤其是黄土沟头部位。沟头部位地形起伏大,径流集中,导致沟头发育扩张,引发塬面面积不断缩小,严重威胁村镇发展和人民生活生产安全。近年来,针对严峻的塬面破碎和沟头侵蚀问题,相关部门出台了“固沟保塬”的治理方针,但由于塬区沟头侵蚀规模大、范围广、类型多,且在国际上无可借鉴的先例,治理难度极大。这就迫切需要在塬区开展大范围的沟头侵蚀形态监测及机理方面的基础研究,为塬面综合治理及规划提供参考。现有的沟头侵蚀研究主要集中在小规模沟头体积测量,在区域沟头侵蚀预测和控制方面研究存在不足。针对上述研究现状,本文以甘肃董志塬沟头为研究对象,在野外调查、资料收集、取样分析的基础上,综合运用多时相合成孔径雷达（SAR）影像数据,开展基于时序合成孔径雷达干涉测量（In SAR）技术的高精度、大范围的沟头侵蚀形变监测,利用统计及机器学习方法构建区域上的沟头侵蚀模型,并进一步结合现场“降雨+放水”模拟试验,开展了基于三维激光扫描技术的黄土沟头侵蚀形态及演化过程研究,阐明水动力特性及产流、产沙特性,揭示黄土沟头侵蚀水动力机制,最终确定黄土塬区沟头侵蚀启动条件。论文取得的主要创新性成果如下:（1）从地貌学角度确定沟头位置并分析沟头的特征及沟头发育模式。沟头区定义为某条沟谷中,从沟底线始端与沟沿线相交位置开始,在一定长度的沟底线范围内,沟沿线以下负地形组成的汇水区。基于此定义,本研究借助地理信息系统（GIS）和高精度DEM数据提取出研究区415个沟头位置,并随机选取六个采样区的60个沟头,通过目视法和利用全站仪进行野外调查验证,验证提取准确率为85.5%。系统分析了研究区沟头特征,总结出沟头具有形态不确定、种类多变、空间分布复杂及侵蚀过程关联度高等四大基本属性。阐明了沟头发育的三大模式:沟头前进、沟头处细沟下切、沟沿线扩张。通过计算沟头发育度和沟谷密度发现研究区沟头发育度高,侵蚀剧烈。（2）采用In SAR技术进行了沟头区长时间、高精度的侵蚀形变监测,并结合地形因子,构建了沟头侵蚀速率模型。基于2007-2011年的22期SAR影像数据,借助短基线集（SBAS-In SAR）技术,获取了沟头侵蚀速率;通过分析地形因子与侵蚀速率的相关性,确定影响黄土沟头侵蚀的主要地形因子有坡度(,m m-1)、汇水面积（,m~2）、地形湿度指数（）和坡长（,m）。基于地貌临界关系和相关因子间的拟合,建立沟头侵蚀率(m~3 yr-1)模型,表达式为:,该模型可准确监测研究区沟头侵蚀（R~2=0.889）。此外,通过野外调查及形变监测结果分析发现,沟头坡度和汇水面积对侵蚀的影响最剧烈,为有效降低沟头侵蚀发生的概率,可采取减小汇水面积、增大沟头处排水通道的方法,如可通过沟头回填、沟口筑坝、辅以排洪渠和边坡护理等。（3）基于GIS平台,利用两种先进的数据挖掘技术——确定性系数和随机森林模型,建立了小流域尺度上黄土沟头侵蚀评价方法及指标体系,分析了沟头侵蚀敏感性,评估了两种模型的可靠性。两种模型均可准确进行黄土沟头侵蚀敏感性评价,相比确定性系数（AUC=84.1%）,随机森林模型（AUC=88.8%）预测效果更优。将侵蚀敏感性分为非常高、高、中和低敏感四个等级,对比分析了沟头位置和整个黄土塬区的非常高和高敏感等级分布,证实了沟头是主要侵蚀部位。此外,基于随机森林模型评估了影响沟头侵蚀敏感性的地形因子重要性,确定出坡度、坡向、地形湿度指数和坡长是导致沟头侵蚀的重要因子。（4）选用具有简单地貌结构的黄土坡沟系统为研究对象,利用现场“降雨+放水”试验,结合三维激光扫描技术,研究了不同坡度和水蚀强度下黄土沟头侵蚀的形态演化特征。确定出沟头侵蚀最剧烈的试验条件为60°坡度,8 Lmin-1放水流量和90mm h-1雨强。通过分析不同时段沟头侵蚀的变化过程,提出“面蚀—跌坑—沟蚀—崩塌”四种侵蚀演化类型。基于三维激光扫描点云数据,提出一种考虑地形变化信息的沟头侵蚀量三维表征方法,并通过对比分析计算结果与实际测得侵蚀量,证实了该方法的精确性。为更清晰分析沟头形态演化过程,将沟头处侵蚀发展过程分解为水平向和竖直向:水平向发展主要是水蚀和重力崩塌诱发沟头后退和沟壁扩张;竖向发展主要是沟头坍塌和陷穴间的互馈影响,共同促进沟头发育。塌陷与统计结果发现,塌陷发生集中在上坡0-60 cm处,陷穴集中在坡顶和中部0-65 cm处。（5）定量分析了不同雨强、坡度条件下沟头侵蚀产沙和水动力学参数演变特征,从沟头侵蚀形态演变过程、水动力学及径流、产沙特征角度,揭示了黄土沟头侵蚀发育过程中的径流产沙动力学特征。确定流速的波动与沟头坡面侵蚀沟相关,流速大小与坡度无明显的相关性。沟头坡面水流流态为紊流。确定水流功率是沟头侵蚀产沙最优的水动力学参数。初始产流时间受降雨和坡度控制,且与二者呈反比关系。土壤入渗率和降雨强度呈负相关。土壤径流受坡面侵蚀状态的影响,也与降雨强度强相关,90 mm h-1降雨条件下径流量是35 mm h-1雨强的9.4-17.5倍。