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分院人物

程国栋院士:一片丹心在冻土

  这是一条绵亘在世界屋脊上的“天路”,一条世界上穿越冻土里程最长的高原铁路……2006年,举世瞩目的青藏铁路正式通车运营,12年来,路基稳定,列车时速达到100公里,创造了世界冻土区铁路的最高时速。 

  在冻土层上修铁路,如何解决冻土的冻胀和融沉问题?在当时是一个全世界都无法解决的难题。因此,青藏铁路工程也被看作是“一项难以置信的事业”,《自然》(Nature)杂志更是将青藏铁路的建成称为“工程奇迹”。而这一奇迹的诞生,饱含了众多科研人员的辛勤汗水。 

  这其中,有一位科学家的名字熠熠生辉,他就是冻土学家、中科院院士程国栋。 

   

  程国栋院士 

    

  少年兴趣影响终身方向 

  1943711日,在二次世界大战与抗日战争的硝烟炮火中,程国栋在上海出生了,他在这个时局混乱、动荡不安的大时代下逐渐成长。这个时代的年轻人,都满怀壮志报国的情怀与理想,程国栋也不例外。 

  高中毕业时,学校组织学生参观华东师范大学地质地理系的活动,当时一位老师先容了关于打开喜马拉雅山改变中国气候的大胆设想。这深深地引起了程国栋对于地质地理方面的兴趣,也让出生在南方的他,对中国西部产生了无穷的想象。 

  后来,他又从北京地质学院的招生信息中看到两项大工程的概况。“一个是南京长江大桥,一个是南水北调。因为年轻,比较向往能够投身大的工程建设。”程国栋坦言,“那时候就有这种建功立业的思想,所以我就报考了这个专业。” 

  1960年,程国栋考入北京地质学院(现中国地质大学)水文地质和工程地质系。经过5年的学习,毕业后,程国栋响应国家号召,告别老家上海的都市生活,来到中科院兰州冰川冻土研究所冻土研究室工作。“那个年代大学毕业后,大家都是服从国家分配。当初有5个志愿名额,我都写了服从分配,最后就被分到兰州了。” 

  那一年,程国栋22岁。 

  兰州的工作条件很艰苦,对于生长在南方的程国栋而言,需要应对很多不适与挑战,但是他没有被困难吓倒,反而更有斗志了。“只要习惯了就会好些,特别是搞了冻土专业以后,觉得还有好多实质性的问题没有解决,需要静下心来仔细研究并希翼能够得到解决,对于环境也就适应了。” 

  一旦选择,便无怨无悔。从此,程国栋扎根西部,一待就是半个世纪。 

  历经艰辛笃定青藏铁路 

  1967年,程国栋前往青藏高原调研。也是从这时起,他的科研命运就跟青藏铁路绑定在了一起。 

  程国栋说,他本来是搞地质的,不了解工程,但是他们的所有研究都和青藏铁路紧密相连,因此研究的出发点就是铁路建设。这也让他们的冻土研究有了实践的动力和基础。 

    

   

  程国栋在野外考察 

  青藏铁路承接了几代人的梦想与心血,程国栋感慨道,“为了解决青藏铁路多年冻土问题,科研工编辑几十年如一日,一直坚持在条件极为恶劣的高原环境里做科研。” 

  在青藏高原,第一个面对的问题就是缺氧,头疼、睡不好觉都是很平常的事。在那里,解放牌卡车就是交通工具,车子开在“搓板路”上,就像喝多酒的醉汉,乘坐起来极为难受,如果卡车陷进地里,挖不出来,很难走出无人区。在雪域高原考察,往往几天不见人烟,只有野驴和苍鹰与他们做伴。除此之外,最危险的是要经受生死的考验。 

  铁路进拉萨,当时铁路部门制定了两个铁路修建方案,一个是基本上沿青藏公路的西线方案,另一个为无人区的东线比选方案,程国栋毫不犹豫地选择了条件艰苦的东线,带队前行。高原无路,汽车经常陷进松软的土里。“汽车弄不出来,队员就有生命危险,无人区前后也没法联络。最怕的是学生们患感冒,一旦并发肺水肿,送不出去只有等死。”再说起这些经历,程国栋依然心有余悸。 

  “当时跟我一起去的有一群唐山的学生,有一次搞测绘,作业完成后,下起了像冰粒一样的雨,一个学生被淋后感冒了,当天晚上就发烧,眼看着就不行了。但没办法,也送不出去,只好靠着当时带去的卫生箱抢救,好在那个学生体质好,熬过来了。” 

  程国栋还记得,和他们一起勘测的青藏铁路建设总指挥部专家咨询组组长张鲁新,当时他在铁道部西北研究所工作。19767月,张鲁新一行三人外出考察,回来时迷了路,程国栋在大本营里苦苦等候,一直到天黑也没见他们回来,便带人顶着夜色四处搜寻,在空旷的荒原里找人如同大海捞针。张鲁新三人没带干粮,早已筋疲力尽,最后靠着火柴点燃烟盒的细微光亮被程国栋发现才得救。 

  “还有食物中毒等问题,面临的危险确实不少。”程国栋笑着说起这些往事,他像一个久经沙场的老军人般,在经历生死的考验后对于这英雄般的事迹很是淡然。 

  1978年,青藏铁路由于技术制约第二次“下马”,作为项目负责人之一的程国栋需要完成由国家组织的联合攻关项目——青藏铁路建设中的冻土问题研究。 

  当时,冻土学中存在一个悬而未解的问题,即“近地面厚层地下冰的成因及变化规律”难以破解。从青海格尔木至西藏拉萨,要经过500多公里的多年冻土区。冻土在冬天结冰,膨胀起来,在夏天融化,就像稀泥,铁路的路基就会随之受到破坏。这是青藏铁路修建中绕不过去的技术难题,也成为了程国栋长达几十年的研究课题。 

  “程氏假说”攻克世界难题 

  在参加“青藏铁路建设中的冻土问题研究”、“青海热水煤矿厚层地下冰地段路堤试验”、“青藏公路沿线冻土研究”和“青藏公路多年冻土地区黑色路面修筑技术”等重大课题研究中,程国栋逐渐积累了大量的解决厚层地下冰成因问题的有关资料。 

  特别是1979年,在主持青藏公路改建工程中的冻土工程地质工作中,恰因公路沿线打了几十个钻孔,程国栋有幸仔细观测了形形色色厚层地下冰的分布形态,发现了正在融化的土中的成冰现象。 

    

   

  程国栋在工作中 

  在工作中,程国栋除认真吸取前人总结的“正在冻结过程中水分迁移成冰作用”外,他还注意到了前人忽视的“已冻土中的未冻水和正融土中仍冻结部分的未冻水”,都具有迁移和分凝成冰作用。根据自己此前数十年的思考、实地考察,并在总结大量资料、进行试验的基础上,1981年,程国栋创造性地提出了高海拔地区多年冻土的三向地带性分布规律及“厚层地下冰形成的重复分凝机制”。这个理论主要有三个部分组成,其中最核心的部分是程国栋创造建立的“未冻水的不等量迁移规律”,揭示了厚层地下冰形成的本质,其次提出了冰的自净作用,并将国外学者的实验成果用来说明多年冻土上部高含冰量土中土颗粒移动规律。1983年他的论文在国际冻土权威杂志《寒区科学与技术》上发表,马上在国际冻土学界引起强烈反响。许多冻土学家给予了高度评价,并冠之以“程氏假说”。 

  在后来的研究工作中,程国栋并不满足理论上的突破与成功,他又去了室内实验条件较好的美国陆军部寒区研究和工程实验室进行了专门的模拟实验,亲自设计实验来验证他的这一理论,证实学术的正确性。 

  与此同时,加拿大卡尔顿大学的史密斯教授,花3年时间完成了对程国栋理论的验证。“程氏假说”成为迄今为止很有说服力、较完善的厚层地下冰形成学说,也使国际冻土界长期悬而未决的一个重要理论问题获得较完美的解决。这一理论被形象地称为冻土学中的“相对论”,这也是世界冻土研究领域第一次以中国人的姓氏命名的原理。 

  在之后的青藏铁路建设中,“程氏假说”为解决冻土工程技术难题提供了重要的理论依据。 

  1983年,程国栋被推举为国际雪冰委员会地下冰分会主席。 

  1993年,第六届国际冻土学会议在北京举行,程国栋被推选为国际冻土协会主席。同年12月,程国栋被选为中国科学院院士。这一年他50岁,是当时所有院士中最年轻的一位。 

  2000年年底,青藏铁路第三次“上马”,冻土依旧是修建铁路最大的制约瓶颈。 

  保持冻土不融化,是青藏铁路的关键点。最易行的办法就是加高路基或铺设保温材料,用程国栋的话说,这等于给冻土“盖被子”,就像老太太夏天卖冰棍,为防止冰棍融化,总是在冰棍箱上盖一层被子。但是,这只能减缓冻土融化的速度。青藏铁路建设是百年大计,需要考虑几十到一百年的工程和全球变暖对冻土的影响,这就要求在保护冻土方面必须有新的思路。这时,“主动冷却”应运而生。几经实验和改进之后,青藏铁路首次在世界上采用了整套“冷却路基”的方法,攻克了气候变暖条件下,在冻土区筑路的这一世界性难题。 

  在这一思路引导下,程国栋和团队进一步研究了新的地温调控原理和高新技术,通过调控辐射、对流、传导等方法,为多年冻土区提出了相应的筑路技术:块石路基结构、通风管路基、热棒、遮阳板等。 

    

   

  程国栋向胡锦涛汇报青藏铁路建设情况 

  青藏铁路上的块石路基,选择多大粒径的碎石最合适?是否粒径越大降温效果越好?程国栋团队经过无数次试验后,确定10~30cm粒径的块碎石降温效果良好,粒径为22cm时对冻土的降温效果最好。这种多空隙的“块石路基”能有效地保护冻土,它就像散热排风扇一样,冬季从路堤及地基中排除热量,夏季较少吸取热量,类似于一种“热半导体”,能起到冷却作用,降低地基土温度。采用这种“热半导体”在未来50年青藏高原气温上升2.6摄氏度情况下仍能保证冻土热稳定。 

    

   

  青藏铁路冻土治理工程 

  如今,经过青藏铁路时,人们会看到,路基旁竖着一排排银色细柱;又不时会发现路基下的土石层中,伸出一个个小圆筒;又或者是沿途的“凉棚”、“遮阳板”……这些青藏铁路特有的设施,都是根据程国栋及中科院冻土工程国家重点实验室的项目组的“发明”,用来解决铁路沿线冻土冻胀和融沉的问题。 

  青藏铁路通车十几年来,路基稳定,运行状况良好,创造了世界冻土区铁路的最高时速。更重要的是对西部经济发展产生了重要影响。国际冻土协会主席Jerry Brown博士评价:“青藏铁路代表了冻土工程的最新进展,在这一领域,其他国家需要借鉴中国的成就。” 

  而程国栋自己回忆起参与青藏线建设的岁月时,只是淡然地说道:“能对青藏铁路这样伟大的工程有所贡献,我很骄傲”。 

  情系西部坚守科研一线 

  攻克了世界性难题的程国栋并未停止探索的脚步。在年过70岁、很多老人选择安享晚年的时候,他却依旧坚持科研一线工作。除了继续从事冻土学研究,还进一步拓展科研领域,投身西部水资源的合理开发与利用、生态的恢复与重建研究。他曾多次带领科研人员深入甘肃省的河西地区、内蒙古等地进行实地考察,初步探明了西部地区地下水资源的储量,并重点针对黑河流域的水文、水资源问题展开研究。 

  

  程国栋在甘肃河西考察 

  黑河流域是我国西北干旱区典型的内陆河流域,20世纪80年代以来,由于黑河中游地区的急剧扩耕,进入下游的水量大幅减少,致使下游生态明显恶化。为解决这一区域的水资源问题,程国栋提出开展黑河流域生态水文和生态经济研究。由他积极倡导并推动实施基金委重大研究计划“黑河流域生态-水文过程集成研究”,为内陆河流域水文水资源研究提供了重要支撑,提升了对内陆河流域水资源形成及转化机制的认知水平和可持续性的调控能力,使甘肃省成为我国内陆河研究的典型和示范基地,并使我国流域生态水文研究进入国际先进行列。 

  2000年,中国科学院启动了“西部计划项目群”,旨在为国家西部生态环境建设提供理论和技术支撑,保证区域经济的可持续发展。程国栋主持了项目群的重大项目《黑河流域水-生态-经济系统综合管理试验示范》。此后近十年里,该项目在甘肃黑河流域进行了农业节水技术研究和集成,建立了管理性节水、结构性节水和农艺节水相结合的高效农业节水技术体系,推广了防护体系建设模式、人工草场建设和改良、牲畜和羔羊育肥、草原毒杂草治理等技术,在示范区实现了节水20%,单方水产值提高40%的效益。 

  作为该项目首席科学家,程国栋主持完成的“黑河水资源问题与对策”建议已成为水利部向国务院提交报告的重要依据。同时,这一项目取得的一系列科研成果、技术体系和试验-示范模式不但为河西走廊节水型社会建设、黑河流域综合治理提供了有力的技术支撑,而且为其他内陆河流域和西北干旱区的治理提供了经验和标准。 

  半个世纪的坚守,程国栋院士不仅在学术、实践上为国家做出了巨大贡献,还为中国冻土研究领域先后引导培养了50多名博士生,20名博士后他们中很多人已经成为该领域的科研骨干力量和学术带头人。 

  鉴于他的突出贡献,程国栋先后当选为中国人民政治协商会议第十届全国委员会委员;中国共产党第十七次全国代表大会代表;并于2009年当选为俄罗斯工程科学院外籍院士。2011年,因对甘肃省科技事业和经济社会发展做出突出贡献,程国栋被授予甘肃省科技功臣奖。 

    

   

  程国栋引导青年科学家(赖远明于2011年当选中科院院士) 

  1965年我从北京地质学院毕业到兰州后,就一直在做冻土和生态方面的研究,一晃50多年过去了。”程国栋表示,如今冻土研究这一冷门学科,已然变成了热门学科,冻土变成了“热土”,但中国作为世界冻土面积第三大的国家,依然还有很多与冻土领域关系密切的工程需要理论支撑和解决方案。程国栋曾在接受记者采访时说:“作为科技工编辑,勤奋是很重要的。小时候妈妈曾对我说,即使天上掉馅饼,你也要第一个起床才能捡到,否则都被别人捡走了。每天半夜12点睡觉、早晨6点起床,是我保持了多年的习惯”。 

  2014619日,程国栋院士荣获国际冻土协会终身成就奖。迄今为止,全世界获得这个奖项的只有五位科学家,他是其中惟一的中国人。这个奖项是国际冻土学界对他多年潜心从事冻土研究成果的公认,也是中国冻土学科的巨大荣耀。 

   

  程国栋荣获国际冻土协会终身成就奖 

  20187月,甘肃省省长唐仁健专程赴432888com威尼斯人看望程国栋院士,对程国栋院士长期扎根西部、孜孜奉献的精神表示敬仰。唐仁健表示在以432888com威尼斯人系统为代表的专家团队支撑服务下,甘肃的生态环境问题取得阶段性成效。这其中,程国栋院士功不可没。 

  长期生活在大西北,这位上海籍院士似乎已经成了一个地道的“西北人”,饮食习惯也发生了变化,他戏称自己“几天不吃面条,便觉得心中空空荡荡”。也因为多年远离家乡,只有节假日才能回上海与亲人共度,程国栋错过了儿子的成长时光、错过了对父母的陪伴尽孝,这成为他心中无法弥补的遗憾。可是程国栋却并不悔恨当初的选择,正如1984年他在一封家书中所表达的那样,“经受住了严峻的考验,并没有虚掷年华”,实现了自己年少时的梦想——为祖国建功立业。《文汇报》于当年10月全文发表,文中所言既平实又饱含真情,至今读来让人感慨。内容如下: 

  父母亲: 

  近安!弟妹们都好吧?在这举国欢庆建国三十五周年之际,您的儿子自高原兰州遥祝合家康乐和幸福。 

  父亲的信上怪我很少写信,因为我确实忙。多年来,我从事的是祖国的冻土地带研究。这是一项很有意义的工作。我国的冻土面积要占国土的五分之一。那里埋藏着丰富的矿藏和资源等待开发。而开发这一宝库就要开展对冻土的研究。这个任务就落在大家冻土研究人员身上。前几年大家翻越上唐古拉山,跋涉于冰天雪地,为的是给修建青藏铁路提供科学的设计方案。接着又辗转青海考察,为开发热水煤矿搞工程布局和铁路专线设计研究。担负这两项课题,其艰巨程度是可以想象的,但获得的成果是丰硕的。前一项曾为全国科学大会评为重大科技成果奖;后一项也被中国科学院评为重大科技成果奖。大家又接受了为青藏公路铺设沥青路面的研究任务。这条盘旋于世界屋脊的公路,每公里造价达七十多万元。大家能为参加这一举世无双的工程而感到荣耀。 

  记得一九六五年我大学毕业志愿到西北工作时,母亲曾担心我这个在大城市长大的“嫩芽子”,受不了高原的冰霜风寒。现在一晃二十年过去了,您的儿子经受住了严峻的考验,并没有虚掷年华。这些年,我曾八进青藏高原,进行实地考察,先后写出了二十多篇论文,有的已翻译到国外,受到国际同行们的好评。去年在联邦德国召开的大地测量和地球物理大会上,我还荣幸地被推选为国际雪冰委员会地下冰分会的主席。当您的儿子走上主席台宣读论文时,深深感到这是党和政府培养的结果。同时这也与父母亲的关怀支撑分不开的。 

  最近,大家冰川冻土研究所新成立了冻土预报室,由我负责。冻土预报在世界上还是只有少数几个国家在探索的一门新的前沿课题。这个室的成立,标志着我国冻土研究正向更深更广更高的领导发展。 

  去年胡耀邦同志视察西北时说:整个大西北,将是二十一世纪把我国建设成第一流社会主义强国的一个极其重要的战略后备基地。并指示:大家现在应该开始采取有效步骤,着手开发前期的准备工作。这一指示,揭示了大西北建设的光辉前景。尽管大西北目前还比不上南方,但不久的将来,一定会成为我国的“阳光地带”。 

    国栋  敬上 

  今天的西部,如程国栋信中所言,正策马加鞭奔驰向前,而这背后少不了一代代西部科技工编辑的赤诚奉献,他们用行动践行着“心有大我、至诚报国”!请历史记住他们、记住他们。 

    

   

  程国栋院士: 

  冻土学家,中国科学院院士,俄罗斯工程科学院外籍院士,中国科学院西北生态环境资源研究院()研究员、博士生导师。1943711日生于上海,1965年毕业于北京地质学院(现中国地质大学)水文地质与工程地质专业,1984-1986年在美国陆军寒区研究与工程实验室进修,获该实验室名誉研究员称号。曾任国际雪冰委员会地下冰分会主席、国际冻土协会主席、国家自然科学基金委员会地学部主任、兰州冰川冻土研究所副所长、所长、寒区旱区环境与工程研究所所长、432888com威尼斯人院长;先后当选中国人民政治协商会议第十届全国委员会委员、中国共产党第十七次全国代表大会代表。2011年因对甘肃省科技事业和经济社会发展做出突出贡献,授予甘肃省科技功臣奖。2001年全国"五一"劳动奖章获得者。荷兰杂志《寒区科学与技术》编委,英国杂志《多年冻土与冰缘过程》编委,《冰川冻土》杂志主编。 

    参考资料: 

  1.《“厚层地下冰的重复分凝机制”理论的创立》,中国科学院网站,20141010日; 

  2.《中国科学院院士、冻土学专家程国栋深情讲述》,刘源隆,2016年; 

  3.《兰州科学家程国栋荣获国际冻土协会终身成就奖》,武永明,2014627日; 

  4.《追求“平淡”,收获卓越》,李昊,宋华龙,20071015日; 

  5.《兰州:崛起的一座科学城》,王立朝,1994725日; 

  6.《高原二十载 赤子报国情》,文汇报,1984920日。 

    

  编辑:汪宁宁      宋华龙  

  审核:王    张怀刚 

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