程国栋:一片丹心在冻土

  • 甘肃日报 (兰州分院)
  • 创建于 2019-06-03
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程国栋院士

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程国栋荣获国际冻土协会终身成就奖 本组图片由中科院兰州分院提供

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程国栋(右二)与青年科学家在一起(本图由中科院西北研究院提供)

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。13年来,路基稳定,经过冻土地段列车时速可达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”,全球顶级科学刊物《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。

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。

1 年少立志为国建功立业

1943年7月11日,在硝烟炮火中,程国栋在上海出生了。伴随着动荡不安的年代逐渐长大,程国栋和那个时代的年轻人一样,满怀壮志报国的情怀与理想。

高中毕业时,在一次学校组织学生参观华东师范大学地质地理系的活动中,当时一位老师介绍了关于打通喜马拉雅山改变中国气候的大胆设想,一下子引起了程国栋对地质地理的兴趣,也让这个出生在南方的少年,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简介。“一个是南京长江大桥,一个是南水北调,年轻人都向往能够投身大工程建设。”程国栋坦言,抱着建功立业的理想,他报考了北京地质学院。

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,最后就被分到了兰州。”程国栋回忆。

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,特别是从事冻土专业以后,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解决,对于环境也就适应了。”程国栋回忆说。

一旦选择,便无怨无悔。从此,程国栋扎根西部,一待就是半个多世纪。

2 历经艰辛笃定青藏铁路

1967年,程国栋前往青藏高原调研。也是从那时起,他的科研事业就与青藏铁路绑定在了一起。

程国栋说,自己本来是搞地质的,不了解工程,但是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际的动力和基础。

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

在青藏高原,第一个面对的问题就是缺氧,头疼、睡不好觉是稀松平常的事。在那里,解放牌卡车就是交通工具,车子开在“搓板路”上,就像喝多了酒的醉汉,坐在里面极为难受,如果卡车陷进地里出不来,就很难走出无人区。在雪域高原考察,往往几天不见人烟,只有野驴和苍鹰做伴。不仅如此,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,一个是基本沿青藏公路的西线方案,另一个是无人区的东线方案,程国栋毫不犹豫地选择带队进入条件艰苦的东线。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。”如今再说起这些经历,程国栋依然心有余悸。

“当时跟我一起去的有一批唐山的学生,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。”程国栋回忆,“但当时没办法,也送不出去,只能靠带去的卫生箱里的药品进行抢救,好在那个学生体质好,最后熬过来了。”

程国栋还记得,时任青藏铁路建设总指挥部专家咨询组组长的张鲁新也和他们一起搞勘测。1976年7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。”程国栋笑着说起那些往事,就像一个久经沙场的老军人般,在经历生死的考验后对于那些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550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,也成为程国栋长达几十年的研究课题。

3 “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,正好因为公路沿线打了几十个钻孔,程国栋有机会仔细观测到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。

在工作中,程国栋除了吸收前人总结的“正在冻结过程中水分迁移成冰作用”外,他还注意到了被人忽视的“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、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”。这个理论主要由三个部分组成,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解释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,立即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”。

此后,程国栋并不满足理论上的突破与成功,他又到室内实验条件较好的美国一家寒区研究和工程实验室进行了专门的模拟实验,并设计了验证实验,以证实学术的正确性。

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。

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。当年底,程国栋当选中国科学院院士。那一年他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,需要考虑几十年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”的思路应运而生。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。

在这一思路指导下,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、热管、遮阳板等共同发挥作用。

青藏铁路上的块石路基,选择多大粒径的碎石最合适?是不是粒径越大降温效果越好?程国栋团队经过反复试验后,确定10到30厘米粒径的块石降温效果良好,粒径为22厘米时,对冻土的降温效果最好。这种多空隙的“块石路基”能有效保护冻土,它就像散热排风扇一样,冬季从路堤及地基中排除热量,夏季较少吸收热量,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摄氏度的情况下,仍能保证冻土热稳定。

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,都是程国栋及中科院冻土工程国家重点实验室项目组的“发明”,它们都是用来解决铁路沿线冻土冻胀和融沉问题的法宝。

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社会发展产生了重要影响。国际冻土协会主席Jerry Brown博士曾评价:“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”。

4 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,他却依旧坚持在科研一线工作。除了冻土学研究,他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。

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。他积极倡导并推动实施了国家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持,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,程国栋为国家作出了巨大贡献,也为他赢得了各种荣誉。2009年,程国栋当选俄罗斯工程科学院外籍院士;2011年,他被授予甘肃省科技功臣奖。2014年,程国栋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,他是其中唯一的中国人。这一奖项是国际冻土学界对他多年潜心从事冻土研究成果的认可,也是中国冻土学科的至高荣耀。2017年,冻土与寒区工程研究创新团队获得国家科学技术进步奖创新团队奖,成为甘肃首个获此殊荣的创新团队。

不仅如此,程国栋还为中国冻土研究领域先后指导培养了50多名博士生、20多名博士后,他们中很多人已成为这一领域的科研骨干和学术带头人。在程国栋的带领下,他们多年如一日地不懈奋斗,换来了我国冻土学科的大发展,如今冻土研究这一冷门学科,已变成了热门学科,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持和解决方案,依然需要我们去努力。”程国栋表示。

长期生活在大西北,程国栋早已成了一个地道的“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。可是程国栋却并不后悔当初的选择,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。

责任编辑:黄巧