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    分院人物

    程國棟院士:一片丹心在凍土

      這是一條綿亙在世界屋脊上的“天路”,一條世界上穿越凍土里程最長的高原鐵路……2006年,舉世矚目的青藏鐵路正式通車運營,12年來,路基穩定,列車時速達到100公里,創造了世界凍土區鐵路的最高時速。 

      在凍土層上修鐵路,如何解決凍土的凍脹和融沉問題?在當時是一個全世界都無法解決的難題。因此,青藏鐵路工程也被看作是“一項難以置信的事業”,《自然》(Nature)雜志更是將青藏鐵路的建成稱為“工程奇跡”。而這一奇跡的誕生,飽含了眾多科研人員的辛勤汗水。 

      這其中,有一位科學家的名字熠熠生輝,他就是凍土學家、中科院院士程國棟。 

       

      程國棟院士 

        

      少年興趣影響終身方向 

      1943711日,在二次世界大戰與抗日戰爭的硝煙炮火中,程國棟在上海出生了,他在這個時局混亂、動蕩不安的大時代下逐漸成長。這個時代的年輕人,都滿懷壯志報國的情懷與理想,程國棟也不例外。 

      高中畢業時,學校組織學生參觀華東師范大學地質地理系的活動,當時一位老師介紹了關于打開喜馬拉雅山改變中國氣候的大膽設想。這深深地引起了程國棟對于地質地理方面的興趣,也讓出生在南方的他,對中國西部產生了無窮的想象。 

      后來,他又從北京地質學院的招生信息中看到兩項大工程的簡介?!耙粋€是南京長江大橋,一個是南水北調。因為年輕,比較向往能夠投身大的工程建設?!背虈鴹澨寡?,“那時候就有這種建功立業的思想,所以我就報考了這個專業?!?/span> 

      1960年,程國棟考入北京地質學院(現中國地質大學)水文地質和工程地質系。經過5年的學習,畢業后,程國棟響應國家號召,告別老家上海的都市生活,來到中科院蘭州冰川凍土研究所凍土研究室工作?!澳莻€年代大學畢業后,大家都是服從國家分配。當初有5個志愿名額,我都寫了服從分配,最后就被分到蘭州了?!?/span> 

      那一年,程國棟22歲。 

      蘭州的工作條件很艱苦,對于生長在南方的程國棟而言,需要應對很多不適與挑戰,但是他沒有被困難嚇倒,反而更有斗志了?!爸灰晳T了就會好些,特別是搞了凍土專業以后,覺得還有好多實質性的問題沒有解決,需要靜下心來仔細研究并希望能夠得到解決,對于環境也就適應了?!?/span> 

      一旦選擇,便無怨無悔。從此,程國棟扎根西部,一待就是半個世紀。 

      歷經艱辛篤定青藏鐵路 

      1967年,程國棟前往青藏高原調研。也是從這時起,他的科研命運就跟青藏鐵路綁定在了一起。 

      程國棟說,他本來是搞地質的,不了解工程,但是他們的所有研究都和青藏鐵路緊密相連,因此研究的出發點就是鐵路建設。這也讓他們的凍土研究有了實踐的動力和基礎。 

        

       

      程國棟在野外考察 

      青藏鐵路承接了幾代人的夢想與心血,程國棟感慨道,“為了解決青藏鐵路多年凍土問題,科研工作者幾十年如一日,一直堅持在條件極為惡劣的高原環境里做科研?!?/span> 

      在青藏高原,第一個面對的問題就是缺氧,頭疼、睡不好覺都是很平常的事。在那里,解放牌卡車就是交通工具,車子開在“搓板路”上,就像喝多酒的醉漢,乘坐起來極為難受,如果卡車陷進地里,挖不出來,很難走出無人區。在雪域高原考察,往往幾天不見人煙,只有野驢和蒼鷹與他們做伴。除此之外,最危險的是要經受生死的考驗。 

      鐵路進拉薩,當時鐵路部門制定了兩個鐵路修建方案,一個是基本上沿青藏公路的西線方案,另一個為無人區的東線比選方案,程國棟毫不猶豫地選擇了條件艱苦的東線,帶隊前行。高原無路,汽車經常陷進松軟的土里?!捌嚺怀鰜?,隊員就有生命危險,無人區前后也沒法聯絡。最怕的是學生們患感冒,一旦并發肺水腫,送不出去只有等死?!痹僬f起這些經歷,程國棟依然心有余悸。 

      “當時跟我一起去的有一群唐山的學生,有一次搞測繪,作業完成后,下起了像冰粒一樣的雨,一個學生被淋后感冒了,當天晚上就發燒,眼看著就不行了。但沒辦法,也送不出去,只好靠著當時帶去的衛生箱搶救,好在那個學生體質好,熬過來了?!?/span> 

      程國棟還記得,和他們一起勘測的青藏鐵路建設總指揮部專家咨詢組組長張魯新,當時他在鐵道部西北研究所工作。19767月,張魯新一行三人外出考察,回來時迷了路,程國棟在大本營里苦苦等候,一直到天黑也沒見他們回來,便帶人頂著夜色四處搜尋,在空曠的荒原里找人如同大海撈針。張魯新三人沒帶干糧,早已筋疲力盡,最后靠著火柴點燃煙盒的細微光亮被程國棟發現才得救。 

      “還有食物中毒等問題,面臨的危險確實不少?!背虈鴹澬χf起這些往事,他像一個久經沙場的老軍人般,在經歷生死的考驗后對于這英雄般的事跡很是淡然。 

      1978年,青藏鐵路由于技術制約第二次“下馬”,作為項目負責人之一的程國棟需要完成由國家組織的聯合攻關項目——青藏鐵路建設中的凍土問題研究。 

      當時,凍土學中存在一個懸而未解的問題,即“近地面厚層地下冰的成因及變化規律”難以破解。從青海格爾木至西藏拉薩,要經過500多公里的多年凍土區。凍土在冬天結冰,膨脹起來,在夏天融化,就像稀泥,鐵路的路基就會隨之受到破壞。這是青藏鐵路修建中繞不過去的技術難題,也成為了程國棟長達幾十年的研究課題。 

      “程氏假說”攻克世界難題 

      在參加“青藏鐵路建設中的凍土問題研究”、“青海熱水煤礦厚層地下冰地段路堤試驗”、“青藏公路沿線凍土研究”和“青藏公路多年凍土地區黑色路面修筑技術”等重大課題研究中,程國棟逐漸積累了大量的解決厚層地下冰成因問題的有關資料。 

      特別是1979年,在主持青藏公路改建工程中的凍土工程地質工作中,恰因公路沿線打了幾十個鉆孔,程國棟有幸仔細觀測了形形色色厚層地下冰的分布形態,發現了正在融化的土中的成冰現象。 

        

       

      程國棟在工作中 

      在工作中,程國棟除認真吸收前人總結的“正在凍結過程中水分遷移成冰作用”外,他還注意到了前人忽視的“已凍土中的未凍水和正融土中仍凍結部分的未凍水”,都具有遷移和分凝成冰作用。根據自己此前數十年的思考、實地考察,并在總結大量資料、進行試驗的基礎上,1981年,程國棟創造性地提出了高海拔地區多年凍土的三向地帶性分布規律及“厚層地下冰形成的重復分凝機制”。這個理論主要有三個部分組成,其中最核心的部分是程國棟創造建立的“未凍水的不等量遷移規律”,揭示了厚層地下冰形成的本質,其次提出了冰的自凈作用,并將國外學者的實驗成果用來解釋多年凍土上部高含冰量土中土顆粒移動規律。1983年他的論文在國際凍土權威雜志《寒區科學與技術》上發表,立即在國際凍土學界引起強烈反響。許多凍土學家給予了高度評價,并冠之以“程氏假說”。 

      在后來的研究工作中,程國棟并不滿足理論上的突破與成功,他又去了室內實驗條件較好的美國陸軍部寒區研究和工程實驗室進行了專門的模擬實驗,親自設計實驗來驗證他的這一理論,證實學術的正確性。 

      與此同時,加拿大卡爾頓大學的史密斯教授,花3年時間完成了對程國棟理論的驗證?!俺淌霞僬f”成為迄今為止很有說服力、較完善的厚層地下冰形成學說,也使國際凍土界長期懸而未決的一個重要理論問題獲得較完美的解決。這一理論被形象地稱為凍土學中的“相對論”,這也是世界凍土研究領域第一次以中國人的姓氏命名的原理。 

      在之后的青藏鐵路建設中,“程氏假說”為解決凍土工程技術難題提供了重要的理論依據。 

      1983年,程國棟被推舉為國際雪冰委員會地下冰分會主席。 

      1993年,第六屆國際凍土學會議在北京舉行,程國棟被推選為國際凍土協會主席。同年12月,程國棟被選為中國科學院院士。這一年他50歲,是當時所有院士中最年輕的一位。 

      2000年年底,青藏鐵路第三次“上馬”,凍土依舊是修建鐵路最大的制約瓶頸。 

      保持凍土不融化,是青藏鐵路的關鍵點。最易行的辦法就是加高路基或鋪設保溫材料,用程國棟的話說,這等于給凍土“蓋被子”,就像老太太夏天賣冰棍,為防止冰棍融化,總是在冰棍箱上蓋一層被子。但是,這只能減緩凍土融化的速度。青藏鐵路建設是百年大計,需要考慮幾十到一百年的工程和全球變暖對凍土的影響,這就要求在保護凍土方面必須有新的思路。這時,“主動冷卻”應運而生。幾經實驗和改進之后,青藏鐵路首次在世界上采用了整套“冷卻路基”的方法,攻克了氣候變暖條件下,在凍土區筑路的這一世界性難題。 

      在這一思路指導下,程國棟和團隊進一步研究了新的地溫調控原理和高新技術,通過調控輻射、對流、傳導等方法,為多年凍土區提出了相應的筑路技術:塊石路基結構、通風管路基、熱棒、遮陽板等。 

        

       

      程國棟向胡錦濤匯報青藏鐵路建設情況 

      青藏鐵路上的塊石路基,選擇多大粒徑的碎石最合適?是否粒徑越大降溫效果越好?程國棟團隊經過無數次試驗后,確定10~30cm粒徑的塊碎石降溫效果良好,粒徑為22cm時對凍土的降溫效果最好。這種多空隙的“塊石路基”能有效地保護凍土,它就像散熱排風扇一樣,冬季從路堤及地基中排除熱量,夏季較少吸收熱量,類似于一種“熱半導體”,能起到冷卻作用,降低地基土溫度。采用這種“熱半導體”在未來50年青藏高原氣溫上升2.6攝氏度情況下仍能保證凍土熱穩定。 

        

       

      青藏鐵路凍土治理工程 

      如今,經過青藏鐵路時,人們會看到,路基旁豎著一排排銀色細柱;又不時會發現路基下的土石層中,伸出一個個小圓筒;又或者是沿途的“涼棚”、“遮陽板”……這些青藏鐵路特有的設施,都是根據程國棟及中科院凍土工程國家重點實驗室的項目組的“發明”,用來解決鐵路沿線凍土凍脹和融沉的問題。 

      青藏鐵路通車十幾年來,路基穩定,運行狀況良好,創造了世界凍土區鐵路的最高時速。更重要的是對西部經濟發展產生了重要影響。國際凍土協會主席Jerry Brown博士評價:“青藏鐵路代表了凍土工程的最新進展,在這一領域,其他國家需要借鑒中國的成就?!?/span> 

      而程國棟自己回憶起參與青藏線建設的歲月時,只是淡然地說道:“能對青藏鐵路這樣偉大的工程有所貢獻,我很驕傲”。 

      情系西部堅守科研一線 

      攻克了世界性難題的程國棟并未停止探索的腳步。在年過70歲、很多老人選擇安享晚年的時候,他卻依舊堅持科研一線工作。除了繼續從事凍土學研究,還進一步拓展科研領域,投身西部水資源的合理開發與利用、生態的恢復與重建研究。他曾多次帶領科研人員深入甘肅省的河西地區、內蒙古等地進行實地考察,初步探明了西部地區地下水資源的儲量,并重點針對黑河流域的水文、水資源問題展開研究。 

      

      程國棟在甘肅河西考察 

      黑河流域是我國西北干旱區典型的內陸河流域,20世紀80年代以來,由于黑河中游地區的急劇擴耕,進入下游的水量大幅減少,致使下游生態明顯惡化。為解決這一區域的水資源問題,程國棟提出開展黑河流域生態水文和生態經濟研究。由他積極倡導并推動實施基金委重大研究計劃“黑河流域生態-水文過程集成研究”,為內陸河流域水文水資源研究提供了重要支撐,提升了對內陸河流域水資源形成及轉化機制的認知水平和可持續性的調控能力,使甘肅省成為我國內陸河研究的典型和示范基地,并使我國流域生態水文研究進入國際先進行列。 

      2000年,中國科學院啟動了“西部計劃項目群”,旨在為國家西部生態環境建設提供理論和技術支持,保證區域經濟的可持續發展。程國棟主持了項目群的重大項目《黑河流域水-生態-經濟系統綜合管理試驗示范》。此后近十年里,該項目在甘肅黑河流域進行了農業節水技術研究和集成,建立了管理性節水、結構性節水和農藝節水相結合的高效農業節水技術體系,推廣了防護體系建設模式、人工草場建設和改良、牲畜和羔羊育肥、草原毒雜草治理等技術,在示范區實現了節水20%,單方水產值提高40%的效益。 

      作為該項目首席科學家,程國棟主持完成的“黑河水資源問題與對策”建議已成為水利部向國務院提交報告的重要依據。同時,這一項目取得的一系列科研成果、技術體系和試驗-示范模式不但為河西走廊節水型社會建設、黑河流域綜合治理提供了有力的技術支撐,而且為其他內陸河流域和西北干旱區的治理提供了經驗和標準。 

      半個世紀的堅守,程國棟院士不僅在學術、實踐上為國家做出了巨大貢獻,還為中國凍土研究領域先后指導培養了50多名博士生,20名博士后,他們中很多人已經成為該領域的科研骨干力量和學術帶頭人。 

      鑒于他的突出貢獻,程國棟先后當選為中國人民政治協商會議第十屆全國委員會委員;中國共產黨第十七次全國代表大會代表;并于2009年當選為俄羅斯工程科學院外籍院士。2011年,因對甘肅省科技事業和經濟社會發展做出突出貢獻,程國棟被授予甘肅省科技功臣獎。 

        

       

      程國棟指導青年科學家(賴遠明于2011年當選中科院院士) 

      1965年我從北京地質學院畢業到蘭州后,就一直在做凍土和生態方面的研究,一晃50多年過去了?!背虈鴹澅硎?,如今凍土研究這一冷門學科,已然變成了熱門學科,凍土變成了“熱土”,但中國作為世界凍土面積第三大的國家,依然還有很多與凍土領域關系密切的工程需要理論支持和解決方案。程國棟曾在接受記者采訪時說:“作為科技工作者,勤奮是很重要的。小時候媽媽曾對我說,即使天上掉餡餅,你也要第一個起床才能撿到,否則都被別人撿走了。每天半夜12點睡覺、早晨6點起床,是我保持了多年的習慣”。 

      2014619日,程國棟院士榮獲國際凍土協會終身成就獎。迄今為止,全世界獲得這個獎項的只有五位科學家,他是其中惟一的中國人。這個獎項是國際凍土學界對他多年潛心從事凍土研究成果的公認,也是中國凍土學科的巨大榮耀。 

       

      程國棟榮獲國際凍土協會終身成就獎 

      20187月,甘肅省省長唐仁健專程赴中國科學院蘭州分院看望程國棟院士,對程國棟院士長期扎根西部、孜孜奉獻的精神表示敬佩。唐仁健表示在以中科院蘭州分院系統為代表的專家團隊支撐服務下,甘肅的生態環境問題取得階段性成效。這其中,程國棟院士功不可沒。 

      長期生活在大西北,這位上海籍院士似乎已經成了一個地道的“西北人”,飲食習慣也發生了變化,他戲稱自己“幾天不吃面條,便覺得心中空空蕩蕩”。也因為多年遠離家鄉,只有節假日才能回上海與親人共度,程國棟錯過了兒子的成長時光、錯過了對父母的陪伴盡孝,這成為他心中無法彌補的遺憾??墒浅虈鴹潊s并不后悔當初的選擇,正如1984年他在一封家書中所表達的那樣,“經受住了嚴峻的考驗,并沒有虛擲年華”,實現了自己年少時的夢想——為祖國建功立業?!段膮R報》于當年10月全文發表,文中所言既平實又飽含真情,至今讀來讓人感慨。內容如下: 

      父母親: 

      近安!弟妹們都好吧?在這舉國歡慶建國三十五周年之際,您的兒子自高原蘭州遙祝合家康樂和幸福。 

      父親的信上怪我很少寫信,因為我確實忙。多年來,我從事的是祖國的凍土地帶研究。這是一項很有意義的工作。我國的凍土面積要占國土的五分之一。那里埋藏著豐富的礦藏和資源等待開發。而開發這一寶庫就要開展對凍土的研究。這個任務就落在我們凍土研究人員身上。前幾年我們翻越上唐古拉山,跋涉于冰天雪地,為的是給修建青藏鐵路提供科學的設計方案。接著又輾轉青??疾?,為開發熱水煤礦搞工程布局和鐵路專線設計研究。擔負這兩項課題,其艱巨程度是可以想象的,但獲得的成果是豐碩的。前一項曾為全國科學大會評為重大科技成果獎;后一項也被中國科學院評為重大科技成果獎。我們又接受了為青藏公路鋪設瀝青路面的研究任務。這條盤旋于世界屋脊的公路,每公里造價達七十多萬元。我們能為參加這一舉世無雙的工程而感到榮耀。 

      記得一九六五年我大學畢業志愿到西北工作時,母親曾擔心我這個在大城市長大的“嫩芽子”,受不了高原的冰霜風寒?,F在一晃二十年過去了,您的兒子經受住了嚴峻的考驗,并沒有虛擲年華。這些年,我曾八進青藏高原,進行實地考察,先后寫出了二十多篇論文,有的已翻譯到國外,受到國際同行們的好評。去年在聯邦德國召開的大地測量和地球物理大會上,我還榮幸地被推選為國際雪冰委員會地下冰分會的主席。當您的兒子走上主席臺宣讀論文時,深深感到這是黨和政府培養的結果。同時這也與父母親的關懷支持分不開的。 

      最近,我們冰川凍土研究所新成立了凍土預報室,由我負責。凍土預報在世界上還是只有少數幾個國家在探索的一門新的前沿課題。這個室的成立,標志著我國凍土研究正向更深更廣更高的領導發展。 

      去年胡耀邦同志視察西北時說:整個大西北,將是二十一世紀把我國建設成第一流社會主義強國的一個極其重要的戰略后備基地。并指示:我們現在應該開始采取有效步驟,著手開發前期的準備工作。這一指示,揭示了大西北建設的光輝前景。盡管大西北目前還比不上南方,但不久的將來,一定會成為我國的“陽光地帶”。 

        國棟  敬上 

      今天的西部,如程國棟信中所言,正策馬加鞭奔馳向前,而這背后少不了一代代西部科技工作者的赤誠奉獻,他們用行動踐行著“心有大我、至誠報國”!請歷史記住他們、記住他們。 

        

       

      程國棟院士: 

      凍土學家,中國科學院院士,俄羅斯工程科學院外籍院士,中國科學院西北生態環境資源研究院()研究員、博士生導師。1943711日生于上海,1965年畢業于北京地質學院(現中國地質大學)水文地質與工程地質專業,1984-1986年在美國陸軍寒區研究與工程實驗室進修,獲該實驗室名譽研究員稱號。曾任國際雪冰委員會地下冰分會主席、國際凍土協會主席、國家自然科學基金委員會地學部主任、蘭州冰川凍土研究所副所長、所長、寒區旱區環境與工程研究所所長、中國科學院蘭州分院院長;先后當選中國人民政治協商會議第十屆全國委員會委員、中國共產黨第十七次全國代表大會代表。2011年因對甘肅省科技事業和經濟社會發展做出突出貢獻,授予甘肅省科技功臣獎。2001年全國"五一"勞動獎章獲得者。荷蘭雜志《寒區科學與技術》編委,英國雜志《多年凍土與冰緣過程》編委,《冰川凍土》雜志主編。 

        參考資料: 

      1.《“厚層地下冰的重復分凝機制”理論的創立》,中國科學院網站,20141010日; 

      2.《中國科學院院士、凍土學專家程國棟深情講述》,劉源隆,2016年; 

      3.《蘭州科學家程國棟榮獲國際凍土協會終身成就獎》,武永明,2014627日; 

      4.《追求“平淡”,收獲卓越》,李昊,宋華龍,20071015日; 

      5.《蘭州:崛起的一座科學城》,王立朝,1994725日; 

      6.《高原二十載 赤子報國情》,文匯報,1984920日。 

        

      編輯:汪寧寧      宋華龍  

      審核:王    張懷剛 

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