在全球化石能源危机与碳中和目标共同驱动下，大力发展可再生能源已成为全球共识^［1］。光伏发电作为清洁能源体系的重要组成部分，正以前所未有的速度推进，显著降低对化石能源的依赖，助力应对气候变化^［2］。近年来，中国西北沙漠、戈壁及荒漠（“沙戈荒”）地区因丰富的光照与土地资源，成为光伏电站建设重点区域^［3-4］。然而，大规模光伏电站建设也显著改变区域地表辐射平衡、微气候及植被自然覆被状况，带来长期复杂的生态效应^［5］，甚至可能加剧土壤盐渍化、沙化和环境污染^［6］。为实现能源开发与生态治理双重目标，光伏治沙模式应运而生。该技术融合光伏发电、沙漠治理与节水农业^［7-8］，系统集成工程与生态措施，旨在通过优化光伏单元的空间配置，规模化生产清洁电力，同步推进荒漠化防治与生态修复，最终实现能源生产-生态修复-经济发展多重效益^［9］。

然而，沙漠极端环境对光伏电站的长期稳定运行构成严峻挑战。光伏组件常年暴露于强风沙环境中，持续遭受风沙流的磨蚀与冲击，易引发多种风沙灾害^［10］。其中，光伏立柱因风沙流绕流导致的掏蚀现象尤为突出（图1），严重威胁光伏阵列的结构稳定性和运营安全，显著缩短电站使用寿命。尽管已有研究提出多种防掏蚀结构及装置^［11-12］，但大多存在制造成本高、现场施工复杂、适应性差等问题，制约其规模化应用。因此，开发一种经济高效、施工便捷、环境适应性强的新型光伏立柱防掏蚀技术，已成为当前沙漠光伏工程建设中亟待解决的关键问题。草方格沙障通过农作物秸秆降低材料成本^［13］，但随着农业机械化收割的普及，秸秆普遍缩短，严重制约其原料供给与应用效果^［14］。针对这一瓶颈，屈建军等^［15］成功研制出新型刷状草方格沙障。该技术已实现机械化生产，将散装麦草或稻草制作而成的草帘和通用的草绳利用专用设备聚合形成多段刷状草绳。此类刷状结构具备更优的三维形态和抗风沙性能，在一般沙漠环境中固沙率可大于90%，施工效率也得到大幅提高^［16］。刷状草方格虽已应用于防沙治沙，但在光伏电站还鲜有使用。

本研究聚焦于光伏立柱掏蚀，不同于以往沙障的格状布置，创新性使用类似给光伏立柱“套围脖”的方式，将刷状草绳应用于光伏立柱防掏蚀保护，绿色环保、经济高效、施工便捷。通过系统设计3种不同的草绳缠绕方式（分别环绕1圈、2圈和3圈），构建多种防掏蚀模式，并利用风洞模拟试验模拟不同风速条件下的风沙环境，系统对比分析无防护立柱与3种草绳缠绕防护模式下的流场特性、风沙流结构和沙面蚀积状态，旨在明确刷状草绳对光伏立柱周边风沙过程的干扰机制与防护机理，进而筛选出最优防掏蚀模式。研究成果将为刷状草绳在沙漠光伏电站中的规模化应用提供关键理论支撑与技术依据，对促进沙区光伏产业与生态环境协调发展具有重要的实践意义。

本试验基于阿拉善光伏大基地，从年际特征来看，平均风速为3.01 m·s^-1，平均极大风速为5.5 m·s^-1；从季节变化来看，春夏季风速较高，秋冬季风速较低，其中春季平均风速最高（2.97 m·s^-1），夏季平均极大风速最高（5.75 m·s^-1）。风速主要分布在0~5 m·s^-1的低风速区间，而5~15 m·s^-1的较高风速区间也有相应分布。年内极端风速频次大于90 d，且起沙风速（6 m·s^-1）达标频次显著高于其他区域。

风洞模拟试验于2025年6月在中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头野外风洞实验室进行，该风洞气流为直流闭口吹气式，可调风速1~40 m·s^-1，测量精度±0.3%~±0.5%。试验段横截面1.2 m×1.2 m，长度21 m，边界层最大厚度为0.5 m，配有风速测量仪风速控制平台、多通道防沙风速风压自动采集系统、数码相机、台式计算机和秒表等设备^［17］。

为模仿真实光伏立柱，试验材料选取外径30 cm的PVC管，高度为1.1 m。将其表面均匀涂抹白乳胶，并铺满沙子，待其风干后，使用砂纸打磨表面，使其接近真实光伏立柱表面粗糙度，最后将其固定于风洞横截面中央底面。刷状草绳则是草绳和稻草草帘通过专有设备聚合为一体制作而成^［15］，平均直径为20 cm。

防掏蚀刷状草绳布设模式分为3种。模式1（图2A）为在立柱底部紧贴风洞底面围绕1圈草绳，形成高度20 cm的单圆环结构。模式2（图2B）为在立柱底部紧贴风洞底面围绕2圈草绳，形成高度20 cm的双同心圆环结构，草绳之间紧贴，中心相距20 cm。模式3（图2C）为在模式2基础上紧贴底部草绳再围绕1圈草绳，形成底部双圆环、顶部单圆环组合而成的高度40 cm圆台形结构，上层草绳与下层内部草绳中心相距20 cm。为研究刷状草绳防掏蚀性能，选取来自腾格里沙漠区域沙子铺设成厚度为10 cm沙床，立柱前方沙床长度大于4 m，以保证沙源充足。沙床铺设后，立柱漏出高度1 m，而草绳从紧贴风洞底面变为紧贴沙面，草绳布设位置相当于整体升高10 cm。

试验风速基于研究区风速状况，应对未来气候不确定性，参考风洞试验风速设计^［18-19］，选择从起沙风速（6 m·s^-1）开始，依次增加4 m·s^-1，得到6、10、14、18 m·s^-1等4种试验风速。分别选取4组试验风速，使用皮托管对不同高度和水平位置的流场特征进行测定。皮托管设置在风洞横截面中央，在垂直方向设定与风洞底面相距的10个测量高度（z），分别为0.3、0.6、1.1、1.6、3.1、6.1、12.0、20.0、35.0、50.0 cm。试验过程中，通过移动皮托管改变流场水平测点，立柱周围测点共19个（图3A），即-200、-140、-100、-60、-40、-20、-10、0、30、40、50、70、90、130、170、230、330、430、530 cm，测点与立柱前缘的距离用x表示，负值为立柱前缘上风向的测点，正值为立柱前缘下风向的测点。对于每个风速测量点，风力数据采集的持续时间为30 s，风速记录频率为1 s，每次记录时间为20 s。

将空白立柱及3种防掏蚀模式布置于10 cm厚的积沙表面，每组试验前，均补充沙样，并用工具刮平，以保证沙床的厚度、长度、表面形态一致。利用直立式集沙仪（图3B）收集0~60 cm 高度的输沙量，集沙仪有60个集沙口，分别长1 cm，宽0.5 cm。在立柱后缘下风向1 m处（集沙仪1）和2 m处（集沙仪2）摆放。设置6、10、14、18 m·s^-1等4组试验风速，分别吹蚀10、4、2、1 min。同时以空洞条件为对照，吹蚀条件与设置沙障时相同。每次吹蚀完成后，用天平（1/1000）称取每个高度层收集的沙重。

运用插钎法对空白立柱及防掏蚀模式的蚀积情况进行监测。空白立柱共布设40根插钎（图3C），1圈立柱共布设40根插钎（图3D），2圈立柱和3圈立柱分别共布设38根插钎（图3E）。设置6、10、14、18 m·s^-1等4组试验风速，分别吹蚀10、4、2、1 min，每次吹蚀结束后，根据插钎刻度线确定蚀积深度。

图4为不同风速下空洞的风速廓线，其遵循对数分布：

式中：u_z 是高度z cm处的风速（m·s^-1）；z是高度（cm）；a和b是回归系数。拟合优度R²均大于0.90，所有回归关系均具有统计学意义（P<0.001）。

立柱周围存在大范围减速区，靠近地表（z取值0~5 cm）减速区范围最大（x取值-200~530 cm），远离地表（z为5~50 cm）减速区范围x为-50~200 cm。在立柱前缘底部（z为0~5 cm）出现加速区，而立柱后方气流方向发生反转，形成顺向涡流（x为30~100 cm）。随着风速增加，立柱后方气流削减效果变强，减速区域几乎不变（图5）。

在4种试验风速 （6、10、14、18 m·s^-1） 下，空白立柱与不同防掏蚀模式周围的风速流场呈现出相似的变化规律和结构，因此选取风速为18 m·s^-1的流场进行对比（图6）。3种防掏蚀模式立柱前方底部均未出现加速区，呈现出倾斜向上的喷射流。空白立柱后方顺向气旋可分为两部分（z为0~20 cm和30~50 cm）。1圈立柱相较于空白立柱， z为0~20 cm气旋风速削弱效果变强，范围移动至x为50~150 cm，而z为30~50 cm气旋分裂成z为30~40 cm和45~50 cm两部分。2圈立柱与1圈立柱相比，z为0~20 cm气旋范围变大（x为70~200 cm），且其余气旋范围也扩大。3圈立柱后方气流分布最平缓，10 m·s^-1风速以下范围最大，8 m·s^-1风速以下范围可达x=450 cm，z为0~20 cm气旋范围与2圈立柱差异较小，z为30~40 cm气旋消失。

在6 m·s^-1风速下，空白立柱相较于空洞0~15 cm高度范围内输沙量提升3.4~9.0倍，而防掏蚀模式相较于空白立柱输沙量则减少83.9%~96.7%。在10 m·s^-1和14 m·s^-1风速下，空白立柱相较于空洞1 m后5~20 cm高度输沙量提升4.7~10.0倍，而防掏蚀模式相较于空白立柱输沙量则减少95.4%~99.9%（图7）。

对空洞输沙量数据进行了非线性拟合，发现沙面上方输沙量遵循指数衰减函数分布（图8）：

式中：q_z 代表高度为z cm处的输沙量（g·cm^-2·min^-1）；z代表高度（cm）；c、d和f代表回归系数。表1展现了回归结果，拟合优度R²均大于0.81，所有回归关系均具有统计学意义（P<0.001）。

对于不同风速下不同防掏蚀模式，输沙量分布差异较大（图9），可用指数函数式（2）以及高斯分布拟合，高斯分布如下：

式中：q_z 代表高度为z cm处的输沙量（g·cm^-2·min^-1）；z代表高度（cm）；h、i、j和k代表回归系数。表2展现了回归结果，拟合优度R²均大于0.61，所有回归关系均具有统计学意义（P<0.001）。

空白立柱输沙量分布均遵循指数衰减规律（图9A、B），最大输沙量在最靠近沙面位置。由于3种防掏蚀模式在6 m·s^-1风速下输沙量以及1圈立柱在10 m·s^-1风速下1 m后输沙量获取数据过少，因此并未对其进行拟合。1圈立柱2 m后输沙量均呈指数衰减分布，而1 m后在14 m·s^-1风速下输沙量分布可分为两部分：指数衰减分布（z为0~20 cm）和高斯分布（z为20~60 cm）。2圈立柱和3圈立柱在10 m·s^-1风速下输沙量分布遵循指数衰减规律，而1 m后在18 m·s^-1风速下输沙量分布可分为两部分：指数衰减分布（z为0~20 cm）和高斯分布（z为20~60 cm）；2 m后在14 m·s^-1和18 m·s^-1风速下输沙量分布可分为两部分：极速指数衰减分布（z为0~20 cm）和缓慢指数衰减分布（z为20~60 cm）。

在不同风速下空白立柱周围均出现风蚀现象（图10）。空白立柱后缘风蚀较轻，左右两侧风蚀最为严重。6、10、14、18 m·s^-1风速下风蚀最大深度分为可达-2.8、-3.9、-6.2、-8.8 cm。

在6 m·s^-1风速下，空白立柱出现风蚀现象，而3种防掏蚀模式并未出现蚀积变化，因此未对其进行比较。对10 m·s^-1风速下空白立柱与3种防掏蚀模式蚀积状态进行对比（图11），可见防掏蚀模式周围风蚀现象明显减弱，3种模式前缘和后缘风蚀较弱，左右两侧风蚀较强。1圈立柱、2圈立柱和3圈立柱最大风蚀深度分别可达-2.2、-2.1、-0.9 cm，相较而言3圈立柱风蚀强度与范围最小。

在14 m·s^-1风速下，3种防掏蚀模式周围风蚀现象明显轻于空白立柱（图12）。3种防掏蚀模式均呈现出前缘和后缘风蚀较弱、左右两侧风蚀较强现象。1圈立柱、2圈立柱和3圈立柱最大风蚀深度分别可达-2.7、-2.3、-2.1 cm，相较而言1圈立柱风蚀强度与范围最大。

在18 m·s^-1风速下，立柱经过刷状草绳防护风蚀现象明显轻于空白立柱。3种防掏蚀模式也都呈现出前缘和后缘风蚀较弱、左右两侧风蚀较强现象。1圈立柱、2圈立柱和3圈立柱最大风蚀深度分别可达-2.9、-2.7、-2.5 cm（图13）。

空白立柱的存在使得气流受到强烈干扰，在立柱前缘底部，气流最易受到挤压而产生风力集中现象^［20］，从而出现加速区，使得立柱出现掏蚀现象，影响光伏使用年限。而经过刷状草绳防护，作用于地表，底部呈现倾斜向上的喷射流^［21］，形成完整减速区，有效固定流沙，掏蚀现象得到减轻。气流经过立柱绕流，发生边界层分离现象^［22］，在空白立柱及3种防掏蚀模式后方均出现较大减速区和顺向涡流^［23］。顺向涡流会重新分配沙粒位置，对沙粒产生抬升、搬运和分选作用，使立柱后方形成稳定的沙面^［24］。通过对空白立柱进行刷状草绳防护，立柱后方减速区范围变大，其中3圈立柱模式在8 m·s^-1风速以下范围最大，可达x=450 cm。 3圈立柱模式较其余2种模式在高度z为20~40 cm缠绕刷状草绳，导致该高度气旋消失，使得整体减速区范围扩大，气流分布更加平缓，凸显出3圈立柱模式对风速减弱的综合效果更好。

在6 m·s^-1沙粒起动风速下，输沙活动本身较弱，但立柱后方产生的涡流起到助推效果，导致空白立柱高度z为0~15 cm输沙量大幅增加。在10 m·s^-1和14 m·s^-1风速下，输沙活动本身已经很强，立柱后方涡流强度更大、结构更加集中，抬升能力变强，在高度z为0~5 cm风沙流接近饱和，导致涡流的附加效应相对不明显，使得空白立柱高度z为5~20 cm输沙量大幅提升。在18 m·s^-1风速下，输沙活动本身非常强，风沙流接近饱和状态，立柱产生的涡流虽强，但不足以影响整体输沙活动，使得空白立柱输沙量并未提升。在3种防掏蚀模式下，具有柔性的刷状草绳消耗风沙流能量，显著降低了空白立柱引起的输沙量增加。

试验结果表明空洞输沙量符合指数衰减分布，这在之前研究中得到了验证^［25-27］。在设置立柱后，风沙流虽受到干扰，但仍符合指数衰减规律，可见立柱在水平面上重塑了风沙流的布局^［28］，而没有颠覆风沙流在垂直方向上的基本分布规律。在3种防掏蚀模式下，输沙量分布变得复杂，涡流的影响使得一些输沙量分布不再遵循一般的指数衰减分布。部分情况输沙量先下降再提升后下降，呈现出指数衰减分布和高斯分布两段结构^［29］，这是因为在刷状草绳组合高度以下，受到草绳干扰，风速减弱使得沙粒沉降，输沙量呈现出下降趋势；而刷状草绳组合高度以上，先是受到涡流与喷射流输送而来沙粒共同影响导致输沙量增加，而后逐渐脱离涡流与喷射流影响导致输沙量减少，使得输沙量呈现先增后减的趋势。

由于立柱的存在，在6 m·s^-1沙粒起动风速下，立柱周围已经出现掏蚀现象，可见这种危害的严重性，在实际中可能导致光伏安全问题，而布设刷状草绳后在此风速下未出现蚀积变化，可见刷状草绳有优秀的固沙效果^［16］。随着风速增大，空白立柱掏蚀现象越来越严重，立柱后缘风蚀较轻，左右两侧风蚀最为严重，风蚀分布与雷诺数Re>300 000的圆柱流场分布相似^［30］，本试验光滑立柱情况的雷诺数接近该值，而粗糙表面则使其边界层提前转捩为湍流，从而达到该流场状态。在10、14、18 m·s^-1风速下，3种防掏蚀模式均可减轻风蚀强度，此时风蚀主要出现在左右两侧，风蚀严重程度表现为：1圈立柱模式>2圈立柱模式>3圈立柱模式，可见3圈立柱模式有着更佳的防掏蚀效果。

刷状草绳已实现机械化生产，每条草绳长约9 m，每米成本仅1.1元。在实际施工时，仅需将生产出的刷状草绳运往光伏基地，草绳围绕光伏立柱进行裁剪捆扎，无需压埋。刷状草绳相较于传统草方格，使用寿命从2~3 a提升至6 a，风速减弱率可达80%以上，固沙效率可达90%以上^［16］。可以看到刷状草绳在工程性、成本性和抗蚀性方面均表现出优势。

本试验仅研究单根立柱的风沙运动规律，而在实际光伏基地中分布着光伏阵列，立柱之间相互干扰。在风洞试验中模拟光伏阵列，根据相似性原理，模型一般需要大幅度缩小，净风流场可测量，而关键性问题在于沙粒，沙粒缩小相关比例会成为灰尘，其在气流中的物理本质完全改变，而采用原尺寸沙粒，放大至实际状况会成为石块，难以真实模拟实际风沙流^［31］。而数值模拟方法提供了帮助，未来可运用计算流体力学技术的风沙二相流模型^［32］来模拟实际的光伏阵列风沙运动情况。

空白立柱前缘底部出现加速区，使得立柱出现掏蚀现象，而经过刷状草绳防护，作用于地表，掏蚀现象得到减轻。不同模式后方均出现较大减速区和顺向涡流，1圈立柱模式（高度20 cm）、2圈立柱模式（高度20 cm）和3圈立柱模式（高度40 cm）在8 m·s^-1风速以下范围分别可达x为200、300、450 cm。3圈立柱模式减速区范围最大，气流分布最平缓，对风速减弱的综合效果最好。

在6 m·s^-1风速下，空白立柱z为0~15 cm输沙量大幅增加3.4~9.0倍；在10 m·s^-1和14 m·s^-1风速下，空白立柱z为5~20 cm输沙量大幅提升4.7~10.0倍；在18 m·s^-1风速下，空白立柱输沙量并未提升；而3种防掏蚀模式可显著降低空白立柱输沙量83.9%~99.9%。空洞及空白立柱输沙量分布均遵循指数衰减规律，而3种防掏蚀模式的输沙量分布较为复杂，部分情况输沙量呈现出指数衰减分布和高斯分布两段结构。

在6 m·s^-1风速下，空白立柱周围已出现掏蚀现象，且随着风速增大，掏蚀越来越严重。3种防掏蚀模式均可减轻风蚀强度，风蚀严重程度表现为1圈立柱模式>2圈立柱模式>3圈立柱模式，3圈立柱模式有着更佳的防掏蚀效果。

空白立柱会引起严重的掏蚀危害，而刷状草绳有着优秀的固沙效果，可减轻掏蚀，3圈立柱模式防风固沙效果优异，可考虑应用于实际，保证光伏电站的正常安全使用。