程國棟院士

　　程國棟榮獲國際凍土協(xié)會終身成就獎 (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的高原鐵路……2006年，舉世矚目的青藏鐵路正式通車運營。13年來，路基穩(wěn)定，經(jīng)過凍土地段列車時速可達(dá)100公里，創(chuàng)造了世界凍土區(qū)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(dāng)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(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。伴隨著動蕩不安的年代逐漸長大，程國棟和那個時代的年輕人一樣，滿懷壯志報國的情懷與理想。

　　高中畢業(yè)時，在一次學(xué)校組織學(xué)生參觀華東師范大學(xué)地質(zhì)地理系的活動中，當(dāng)時一位老師介紹了關(guān)于打通喜馬拉雅山改變中國氣候的大膽設(shè)想，一下子引起了程國棟對地質(zhì)地理的興趣，也讓這個出生在南方的少年，對中國西部產(chǎn)生了無窮的想象。

　　后來，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介?！耙粋€是南京長江大橋，一個是南水北調(diào)，年輕人都向往能夠投身大工程建設(shè)?！背虈鴹澨寡裕еüαI(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(xiàn)中國地質(zhì)大學(xué)）水文地質(zhì)和工程地質(zhì)系。經(jīng)過5年的學(xué)習(xí)，畢業(yè)后，程國棟響應(yīng)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(xué)畢業(yè)后，大家都是服從國家分配。當(dāng)初有5個志愿名額，我都寫了服從分配，最后就被分到了蘭州?！背虈鴹澔貞洝?/p>

　　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(yīng)對很多不適與挑戰(zhàn)，但是他沒有被困難嚇倒，反而更有斗志了。“只要習(xí)慣了就會好些，特別是從事凍土專業(yè)以后，覺得還有好多實質(zhì)性的問題沒有解決，需要靜下心來仔細(xì)研究解決，對于環(huán)境也就適應(yīng)了?！背虈鴹澔貞浾f。

　　一旦選擇，便無怨無悔。從此，程國棟扎根西部，一待就是半個多世紀(jì)。

　　2 歷經(jīng)艱辛篤定青藏鐵路 

　　1967年，程國棟前往青藏高原調(diào)研。也是從那時起，他的科研事業(yè)就與青藏鐵路綁定在了一起。

　　程國棟說，自己本來是搞地質(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)點就是鐵路建設(shè)，這也讓他們的凍土研究有了實際的動力和基礎(chǔ)。

　　青藏鐵路承接了幾代人的夢想與心血，“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，始終堅持在條件極為惡劣的高原環(huán)境里做科研。”程國棟感慨道。

　　在青藏高原，第一個面對的問題就是缺氧，頭疼、睡不好覺是稀松平常的事。在那里，解放牌卡車就是交通工具，車子開在“搓板路”上，就像喝多了酒的醉漢，坐在里面極為難受，如果卡車陷進(jìn)地里出不來，就很難走出無人區(qū)。在雪域高原考察，往往幾天不見人煙，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(dāng)時鐵路部門制定了兩個鐵路修建方案，一個是基本沿青藏公路的西線方案，另一個是無人區(qū)的東線方案，程國棟毫不猶豫地選擇帶隊進(jìn)入條件艱苦的東線。高原無路，汽車經(jīng)常陷進(jìn)松軟的土里?！捌嚺怀鰜?，隊員就有生命危險，無人區(qū)前后也沒法聯(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起這些經(jīng)歷，程國棟依然心有余悸。

　　“當(dāng)時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，一個學(xué)生被淋后感冒了，當(dāng)天晚上就發(fā)燒，眼看著就不行了?！背虈鴹澔貞洠暗?dāng)時沒辦法，也送不出去，只能靠帶去的衛(wèi)生箱里的藥品進(jìn)行搶救，好在那個學(xué)生體質(zhì)好，最后熬過來了?！?/p>

　　程國棟還記得，時任青藏鐵路建設(shè)總指揮部專家咨詢組組長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(xì)微光亮被程國棟發(fā)現(xiàn)才得救。

　　“還有食物中毒等問題，面臨的危險確實不少。”程國棟笑著說起那些往事，就像一個久經(jīng)沙場的老軍人般，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(fù)責(zé)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(shè)中的凍土問題研究。

　　當(dāng)時，凍土學(xué)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(guī)律”難以破解。從青海格爾木至西藏拉薩，要經(jīng)過550多公里的多年凍土區(qū)。凍土在冬天結(jié)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(shù)難題，也成為程國棟長達(dá)幾十年的研究課題。

　　3 “程氏假說”攻克世界難題 

　　在參加“青藏鐵路建設(shè)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(qū)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，正好因為公路沿線打了幾十個鉆孔，程國棟有機(jī)會仔細(xì)觀測到厚層地下冰的分布形態(tài)，發(fā)現(xiàn)了正在融化的土中的成冰現(xiàn)象。

　　在工作中，程國棟除了吸收前人總結(jié)的“正在凍結(jié)過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凍結(jié)部分的未凍水”，都具有遷移和分凝成冰作用。根據(jù)自己此前數(shù)十年的思考、實地考察，并在總結(jié)大量資料、試驗的基礎(chǔ)上，1981年，程國棟創(chuàng)造性地提出了高海拔地區(qū)多年凍土的三向地帶性分布規(guī)律及“厚層地下冰形成的重復(fù)分凝機(jī)制”。這個理論主要由三個部分組成，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(guī)律”，揭示了厚層地下冰形成的本質(zhì)，其次提出了冰的自凈作用，并將國外學(xué)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(guī)律。1983年，他的論文在國際凍土權(quán)威雜志《寒區(qū)科學(xué)與技術(shù)》上發(fā)表，立即在國際凍土學(xué)界引起強(qiáng)烈反響。許多凍土學(xué)家給予了高度評價，并冠之以“程氏假說”。

　　此后，程國棟并不滿足理論上的突破與成功，他又到室內(nèi)實驗條件較好的美國一家寒區(qū)研究和工程實驗室進(jìn)行了專門的模擬實驗，并設(shè)計了驗證實驗，以證實學(xué)術(shù)的正確性。

　　與此同時，加拿大卡爾頓大學(xué)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(xué)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(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(shè)中，“程氏假說”為解決凍土工程技術(shù)難題提供了重要的理論依據(jù)。

　　1993年，第六屆國際凍土學(xué)會議在北京舉行，程國棟被推選為國際凍土協(xié)會主席。當(dāng)年底，程國棟當(dāng)選中國科學(xué)院院士。那一年他50歲，是當(dāng)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(guān)鍵點。最易行的辦法就是加高路基或鋪設(shè)保溫材料，用程國棟的話說，這等于給凍土“蓋被子”，就像夏天賣冰棍，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(shè)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(hù)凍土方面必須有新的思路。這時，“主動冷卻”的思路應(yīng)運而生。幾經(jīng)實驗和改進(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(qū)筑路的這一世界性難題。

　　在這一思路指導(dǎo)下，程國棟和團(tuán)隊進(jìn)一步研究了新的地溫調(diào)控原理和高新技術(shù)，通過調(diào)控輻射、對流、傳導(dǎo)等方法，為多年凍土區(qū)提出了相應(yīng)的筑路技術(shù)：塊石路基結(jié)構(gòu)、通風(fēng)管路基、熱管、遮陽板等共同發(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(tuán)隊經(jīng)過反復(fù)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，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(hù)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，類似于一種“熱半導(dǎo)體”，能起到冷卻作用，降低地基土溫度。采用這種“熱半導(dǎo)體”在未來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(wěn)定。

　　如今，經(jīng)過青藏鐵路時，人們會看到，路基旁豎著一排排銀色細(xì)柱；又不時會發(fā)現(xiàn)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(shè)施，都是程國棟及中科院凍土工程國家重點實驗室項目組的“發(fā)明”，它們都是用來解決鐵路沿線凍土凍脹和融沉問題的法寶。

　　青藏鐵路通車十幾年來，路基穩(wěn)定，運行狀況良好，創(chuàng)造了世界凍土區(qū)鐵路的最高時速，更重要的是對西部經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。國際凍土協(xié)會主席Jerry Brown博士曾評價：“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建設(shè)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(xiàn)，我很驕傲”。

　　4 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，他卻依舊堅持在科研一線工作。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發(fā)與利用、生態(tài)的恢復(fù)與重建研究。他曾多次帶領(lǐng)科研人員深入甘肅河西地區(qū)、內(nèi)蒙古等地進(jìn)行實地考察，初步探明了西部地區(qū)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。

　　黑河流域是我國西北干旱區(qū)典型的內(nèi)陸河流域，20世紀(jì)80年代以來，由于黑河中游地區(qū)的急劇擴(kuò)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(qū)域的水資源問題，程國棟提出開展黑河流域生態(tài)水文和生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究。他積極倡導(dǎo)并推動實施了國家基金委重大研究計劃“黑河流域生態(tài)-水文過程集成研究”，為內(nèi)陸河流域水文水資源研究提供了重要支撐，提升了對內(nèi)陸河流域水資源形成及轉(zhuǎn)化機(jī)制的認(rèn)知水平和可持續(xù)性的調(diào)控能力，使甘肅省成為我國內(nèi)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)院啟動了“西部計劃項目群”，旨在為國家西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論和技術(shù)支持，保證區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)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(jì)系統(tǒng)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(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)研究和集成，建立了管理性節(jié)水、結(jié)構(gòu)性節(jié)水和農(nóng)藝節(jié)水相結(jié)合的高效農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)體系，推廣了防護(hù)體系建設(shè)模式、人工草場建設(shè)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(qū)實現(xiàn)了節(jié)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(jù)。同時，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(jié)水型社會建設(shè)、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(nèi)陸河流域和西北干旱區(qū)的治理提供了經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)。

　　半個世紀(jì)的堅守，程國棟為國家作出了巨大貢獻(xiàn)，也為他贏得了各種榮譽(yù)。2009年，程國棟當(dāng)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(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(rèn)可，也是中國凍土學(xué)科的至高榮耀。2017年，凍土與寒區(qū)工程研究創(chuàng)新團(tuán)隊獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎創(chuàng)新團(tuán)隊獎，成為甘肅首個獲此殊榮的創(chuàng)新團(tuán)隊。

　　不僅如此，程國棟還為中國凍土研究領(lǐng)域先后指導(dǎo)培養(yǎng)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，換來了我國凍土學(xué)科的大發(fā)展，如今凍土研究這一冷門學(xué)科，已變成了熱門學(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?nèi)ヅ??！背虈鴹澅硎尽?/p>

　　長期生活在大西北，程國棟早已成了一個地道的“西北人”，飲食習(xí)慣也發(fā)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(yuǎn)離家鄉(xiāng)，只有節(jié)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(bǔ)的遺憾?？墒浅虈鴹潊s并不后悔當(dāng)初的選擇，正如1984年他在一封家書中所表達(dá)的那樣，“經(jīng)受住了嚴(yán)峻的考驗，并沒有虛擲年華”，實現(xiàn)了自己年少時的夢想——為祖國建功立業(yè)。

（原載于《甘肅日報》 2019-05-30 03版）