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【甘肅日報】【走進(jìn)中科院蘭州分院】程國棟：一片丹心在凍土
壯麗70年·奮斗新時(shí)代 慶祝新中國成立70周年 百名記者走基層
程國棟院士
程國棟榮獲國際凍土協(xié)會(huì )終身成就獎 (本組圖片由中科院蘭州分院提供)
程國棟（右二）與青年科學(xué)家在一起 （本圖由中科院西北研究院提供）
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(cháng)的高原鐵路……2006年，舉世矚目的青藏鐵路正式通車(chē)運營(yíng)。13年來(lái)，路基穩定，經(jīng)過(guò)凍土地段列車(chē)時(shí)速可達100公里，創(chuàng )造了世界凍土區鐵路的最高時(shí)速。
在凍土層上修鐵路，如何解決凍土的凍脹和融沉問(wèn)題？在當時(shí)是一個(gè)全世界都無(wú)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(yè)”，全球頂級科學(xué)刊物《自然》（Nature）雜志更是將青藏鐵路的建成稱(chēng)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。
其中，有一位科學(xué)家的名字熠熠生輝，他就是凍土學(xué)家、中科院院士程國棟。
1 年少立志為國建功立業(yè)
1943年7月11日，在硝煙炮火中，程國棟在上海出生了。伴隨著(zhù)動(dòng)蕩不安的年代逐漸長(cháng)大，程國棟和那個(gè)時(shí)代的年輕人一樣，滿(mǎn)懷壯志報國的情懷與理想。
高中畢業(yè)時(shí)，在一次學(xué)校組織學(xué)生參觀(guān)華東師范大學(xué)地質(zhì)地理系的活動(dòng)中，當時(shí)一位老師介紹了關(guān)于打通喜馬拉雅山改變中國氣候的大膽設想，一下子引起了程國棟對地質(zhì)地理的興趣，也讓這個(gè)出生在南方的少年，對中國西部產(chǎn)生了無(wú)窮的想象。
后來(lái)，他又從北京地質(zhì)學(xué)院的招生信息中看到兩項大工程的簡(jiǎn)介?！耙粋€(gè)是南京長(cháng)江大橋，一個(gè)是南水北調，年輕人都向往能夠投身大工程建設?！背虈鴹澨寡?，抱著(zhù)建功立業(yè)的理想，他報考了北京地質(zhì)學(xué)院。
1960年，程國棟考入北京地質(zhì)學(xué)院（現中國地質(zhì)大學(xué)）水文地質(zhì)和工程地質(zhì)系。經(jīng)過(guò)5年的學(xué)習，畢業(yè)后，程國棟響應國家號召，告別老家上海的都市生活，來(lái)到中科院蘭州冰川凍土研究所凍土研究室工作?！澳莻€(gè)年代大學(xué)畢業(yè)后，大家都是服從國家分配。當初有5個(gè)志愿名額，我都寫(xiě)了服從分配，最后就被分到了蘭州?！背虈鴹澔貞?。
那一年，程國棟22歲。
蘭州的工作條件很艱苦，對于生長(cháng)在南方的程國棟而言，需要應對很多不適與挑戰，但是他沒(méi)有被困難嚇倒，反而更有斗志了?！爸灰晳T了就會(huì )好些，特別是從事凍土專(zhuān)業(yè)以后，覺(jué)得還有好多實(shí)質(zhì)性的問(wèn)題沒(méi)有解決，需要靜下心來(lái)仔細研究解決，對于環(huán)境也就適應了?！背虈鴹澔貞浾f(shuō)。
一旦選擇，便無(wú)怨無(wú)悔。從此，程國棟扎根西部，一待就是半個(gè)多世紀。
2 歷經(jīng)艱辛篤定青藏鐵路
1967年，程國棟前往青藏高原調研。也是從那時(shí)起，他的科研事業(yè)就與青藏鐵路綁定在了一起。
程國棟說(shuō)，自己本來(lái)是搞地質(zhì)的，不了解工程，但是所有研究都和青藏鐵路緊密相連，因此研究的出發(fā)點(diǎn)就是鐵路建設，這也讓他們的凍土研究有了實(shí)際的動(dòng)力和基礎。
青藏鐵路承接了幾代人的夢(mèng)想與心血，“為了解決青藏鐵路多年凍土問(wèn)題，科研工作者幾十年如一日，始終堅持在條件極為惡劣的高原環(huán)境里做科研?！背虈鴹澑锌?。
在青藏高原，第一個(gè)面對的問(wèn)題就是缺氧，頭疼、睡不好覺(jué)是稀松平常的事。在那里，解放牌卡車(chē)就是交通工具，車(chē)子開(kāi)在“搓板路”上，就像喝多了酒的醉漢，坐在里面極為難受，如果卡車(chē)陷進(jìn)地里出不來(lái)，就很難走出無(wú)人區。在雪域高原考察，往往幾天不見(jiàn)人煙，只有野驢和蒼鷹做伴。不僅如此，最危險的是要經(jīng)受生死的考驗。
鐵路進(jìn)拉薩，當時(shí)鐵路部門(mén)制定了兩個(gè)鐵路修建方案，一個(gè)是基本沿青藏公路的西線(xiàn)方案，另一個(gè)是無(wú)人區的東線(xiàn)方案，程國棟毫不猶豫地選擇帶隊進(jìn)入條件艱苦的東線(xiàn)。高原無(wú)路，汽車(chē)經(jīng)常陷進(jìn)松軟的土里?！捌?chē)弄不出來(lái)，隊員就有生命危險，無(wú)人區前后也沒(méi)法聯(lián)絡(luò )。最怕的是學(xué)生們患感冒，一旦并發(fā)肺水腫，送不出去只有等死?！比缃裨僬f(shuō)起這些經(jīng)歷，程國棟依然心有余悸。
“當時(shí)跟我一起去的有一批唐山的學(xué)生，有一次搞測繪，作業(yè)完成后，下起了像冰粒一樣的雨，一個(gè)學(xué)生被淋后感冒了，當天晚上就發(fā)燒，眼看著(zhù)就不行了?！背虈鴹澔貞?，“但當時(shí)沒(méi)辦法，也送不出去，只能靠帶去的衛生箱里的藥品進(jìn)行搶救，好在那個(gè)學(xué)生體質(zhì)好，最后熬過(guò)來(lái)了?！?/p>
程國棟還記得，時(shí)任青藏鐵路建設總指揮部專(zhuān)家咨詢(xún)組組長(cháng)的張魯新也和他們一起搞勘測。1976年7月，張魯新一行三人外出考察，回來(lái)時(shí)迷了路，程國棟在大本營(yíng)里苦苦等候，一直到天黑也沒(méi)見(jiàn)他們回來(lái)，便帶人頂著(zhù)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(méi)帶干糧，早已筋疲力盡，最后靠著(zhù)火柴點(diǎn)燃煙盒的細微光亮被程國棟發(fā)現才得救。
“還有食物中毒等問(wèn)題，面臨的危險確實(shí)不少?！背虈鴹澬χ?zhù)說(shuō)起那些往事，就像一個(gè)久經(jīng)沙場(chǎng)的老軍人般，在經(jīng)歷生死的考驗后對于那些英雄般的事跡很是淡然。
1978年，青藏鐵路由于技術(shù)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(lián)合攻關(guān)項目——青藏鐵路建設中的凍土問(wèn)題研究。
當時(shí)，凍土學(xué)中存在一個(gè)懸而未解的問(wèn)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(jīng)過(guò)550多公里的多年凍土區。凍土在冬天結冰，膨脹起來(lái)，在夏天融化，就像稀泥，鐵路的路基就會(huì )隨之受到破壞。這是青藏鐵路修建中繞不過(guò)去的技術(shù)難題，也成為程國棟長(cháng)達幾十年的研究課題。
3 “程氏假說(shuō)”攻克世界難題
在參加“青藏鐵路建設中的凍土問(wèn)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(xiàn)凍土研究”和“青藏公路多年凍土地區黑色路面修筑技術(shù)”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(wèn)題的有關(guān)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(zhì)工作中，正好因為公路沿線(xiàn)打了幾十個(gè)鉆孔，程國棟有機會(huì )仔細觀(guān)測到厚層地下冰的分布形態(tài)，發(fā)現了正在融化的土中的成冰現象。
在工作中，程國棟除了吸收前人總結的“正在凍結過(guò)程中水分遷移成冰作用”外，他還注意到了被人忽視的“已凍土中的未凍水和正融土中仍?xún)鼋Y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(shí)地考察，并在總結大量資料、試驗的基礎上，1981年，程國棟創(chuàng )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(gè)理論主要由三個(gè)部分組成，其中最核心的部分是程國棟創(chuàng )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(zhì)，其次提出了冰的自?xún)糇饔?，并將國外學(xué)者的實(shí)驗成果用來(lái)解釋多年凍土上部高含冰量土中土顆粒移動(dòng)規律。1983年，他的論文在國際凍土權威雜志《寒區科學(xué)與技術(shù)》上發(fā)表，立即在國際凍土學(xué)界引起強烈反響。許多凍土學(xué)家給予了高度評價(jià)，并冠之以“程氏假說(shuō)”。
此后，程國棟并不滿(mǎn)足理論上的突破與成功，他又到室內實(shí)驗條件較好的美國一家寒區研究和工程實(shí)驗室進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的模擬實(shí)驗，并設計了驗證實(shí)驗，以證實(shí)學(xué)術(shù)的正確性。
與此同時(shí)，加拿大卡爾頓大學(xué)的史密斯教授，花3年時(shí)間完成了對程國棟理論的驗證?！俺淌霞僬f(shuō)”成為迄今為止很有說(shuō)服力、較完善的厚層地下冰形成學(xué)說(shuō)，也使國際凍土界長(cháng)期懸而未決的一個(gè)重要理論問(wèn)題獲得較完美的解決。這一理論被形象地稱(chēng)為凍土學(xué)中的“相對論”，這也是世界凍土研究領(lǐng)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(shuō)”為解決凍土工程技術(shù)難題提供了重要的理論依據。
1993年，第六屆國際凍土學(xué)會(huì )議在北京舉行，程國棟被推選為國際凍土協(xié)會(huì )主席。當年底，程國棟當選中國科學(xué)院院士。那一年他50歲，是當時(shí)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(guān)鍵點(diǎn)。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(huà)說(shuō)，這等于給凍土“蓋被子”，就像夏天賣(mài)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，需要考慮幾十年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(shí)，“主動(dòng)冷卻”的思路應運而生。幾經(jīng)實(shí)驗和改進(jìn)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(jìn)一步研究了新的地溫調控原理和高新技術(shù)，通過(guò)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(shù)：塊石路基結構、通風(fēng)管路基、熱管、遮陽(yáng)板等共同發(fā)揮作用。
青藏鐵路上的塊石路基，選擇多大粒徑的碎石最合適？是不是粒徑越大降溫效果越好？程國棟團隊經(jīng)過(guò)反復試驗后，確定10到30厘米粒徑的塊石降溫效果良好，粒徑為22厘米時(shí)，對凍土的降溫效果最好。這種多空隙的“塊石路基”能有效保護凍土，它就像散熱排風(fēng)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(lèi)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(lái)50年青藏高原氣溫上升2.6攝氏度的情況下，仍能保證凍土熱穩定。
如今，經(jīng)過(guò)青藏鐵路時(shí)，人們會(huì )看到，路基旁豎著(zhù)一排排銀色細柱；又不時(shí)會(huì )發(fā)現路基下的土石層中，伸出一個(gè)個(gè)小圓筒；又或者是沿途的“涼棚”“遮陽(yáng)板”……這些青藏鐵路特有的設施，都是程國棟及中科院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室項目組的“發(fā)明”，它們都是用來(lái)解決鐵路沿線(xiàn)凍土凍脹和融沉問(wèn)題的法寶。
青藏鐵路通車(chē)十幾年來(lái)，路基穩定，運行狀況良好，創(chuàng )造了世界凍土區鐵路的最高時(shí)速，更重要的是對西部經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。國際凍土協(xié)會(huì )主席Jerry Brown博士曾評價(jià)：“青藏鐵路代表了凍土工程的最新進(jìn)展，在這一領(lǐng)域，其他國家需要借鑒中國的成就?！?/p>
而程國棟回憶起參與青藏線(xiàn)建設的歲月時(shí)，只是淡然地說(shuō)道：“能對青藏鐵路這樣偉大的工程有所貢獻，我很驕傲”。
4 情系西部堅守科研一線(xiàn)
攻克了世界性難題的程國棟并未停止探索的腳步。在年過(guò)70歲、很多老人選擇安享晚年的時(shí)候，他卻依舊堅持在科研一線(xiàn)工作。除了凍土學(xué)研究，他還進(jìn)一步拓展科研領(lǐng)域，投身西部水資源的合理開(kāi)發(fā)與利用、生態(tài)的恢復與重建研究。他曾多次帶領(lǐng)科研人員深入甘肅河西地區、內蒙古等地進(jìn)行實(shí)地考察，初步探明了西部地區地下水資源的儲量，并重點(diǎn)針對黑河流域的水文、水資源問(wèn)題展開(kāi)研究。
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(lái)，由于黑河中游地區的急劇擴耕，進(jìn)入下游的水量大幅減少，致使下游生態(tài)明顯惡化。為解決這一區域的水資源問(wèn)題，程國棟提出開(kāi)展黑河流域生態(tài)水文和生態(tài)經(jīng)濟研究。他積極倡導并推動(dòng)實(shí)施了國家基金委重大研究計劃“黑河流域生態(tài)-水文過(guò)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(tài)水文研究進(jìn)入國際先進(jìn)行列。
2000年，中國科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了“西部計劃項目群”，旨在為國家西部生態(tài)環(huán)境建設提供理論和技術(shù)支持，保證區域經(jīng)濟的可持續發(fā)展。程國棟主持了項目群的重大項目《黑河流域水-生態(tài)-經(jīng)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(jìn)行了農業(yè)節水技術(shù)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(yè)節水技術(shù)體系，推廣了防護體系建設模式、人工草場(chǎng)建設和改良、牲畜和羔羊育肥、草原毒雜草治理等技術(shù)，在示范區實(shí)現了節水20%，單方水產(chǎn)值提高40%的效益。
作為該項目首席科學(xué)家，程國棟主持完成的“黑河水資源問(wèn)題與對策”建議已成為水利部向國務(wù)院提交報告的重要依據。同時(shí)，這一項目取得的一系列科研成果、技術(shù)體系和試驗-示范模式，不但為河西走廊節水型社會(huì )建設、黑河流域綜合治理提供了有力的技術(shù)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(jīng)驗和標準。
半個(gè)世紀的堅守，程國棟為國家作出了巨大貢獻，也為他贏(yíng)得了各種榮譽(yù)。2009年，程國棟當選俄羅斯工程科學(xué)院外籍院士；2011年，他被授予甘肅省科技功臣獎。2014年，程國棟榮獲國際凍土協(xié)會(huì )終身成就獎，迄今為止，全世界獲得這個(gè)獎項的只有五位科學(xué)家，他是其中唯一的中國人。這一獎項是國際凍土學(xué)界對他多年潛心從事凍土研究成果的認可，也是中國凍土學(xué)科的至高榮耀。2017年，凍土與寒區工程研究創(chuàng )新團隊獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎創(chuàng )新團隊獎，成為甘肅首個(gè)獲此殊榮的創(chuàng )新團隊。
不僅如此，程國棟還為中國凍土研究領(lǐng)域先后指導培養了50多名博士生、20多名博士后，他們中很多人已成為這一領(lǐng)域的科研骨干和學(xué)術(shù)帶頭人。在程國棟的帶領(lǐng)下，他們多年如一日地不懈奮斗，換來(lái)了我國凍土學(xué)科的大發(fā)展，如今凍土研究這一冷門(mén)學(xué)科，已變成了熱門(mén)學(xué)科，凍土變成了“熱土”?！暗袊鳛槭澜鐑鐾撩娣e第三大的國家，依然還有很多與凍土領(lǐng)域關(guān)系密切的工程需要理論支持和解決方案，依然需要我們去努力?！背虈鴹澅硎?。
長(cháng)期生活在大西北，程國棟早已成了一個(gè)地道的“西北人”，飲食習慣也發(fā)生了變化，他戲稱(chēng)自己“幾天不吃面條，便覺(jué)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(guò)了兒子的成長(cháng)時(shí)光，錯過(guò)了對父母的陪伴盡孝，這成為他心中無(wú)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(shū)中所表達的那樣，“經(jīng)受住了嚴峻的考驗，并沒(méi)有虛擲年華”，實(shí)現了自己年少時(shí)的夢(mèng)想——為祖國建功立業(yè)。
（原載于《甘肅日報》 2019-05-30 03版）
