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创新风采录
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瞄准国家需求破解冻土奥秘——记冻土学家、中国科学院院士程国栋

     巍巍昆仑,皑皑雪山。在这广袤而神奇,被誉为“世界屋脊”和地球“第三极”的土地上,为了探索冻土的奥秘,为了解决威胁青藏铁路建设的最大难题——多年冻土,世界著名冻土学家、中国科学院院士程国栋留下了他的足迹。
  程国栋,1943年7月11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年至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。现任冻土工程国家重点实验室主任、西北师范大学客座教授、中国西部资源环境科学研究中心专家委员会首席科学家,并荣获“全国五一劳动奖章”、“甘肃优秀专家”等称号。
  自1965年毕业以来,为了祖国的需要,程国栋自愿来到地处西北边陲的兰州,把自己的热血与青春奉献给了我国的冻土事业。他长期从事青藏高原冻土研究,系统地解决了地下冰的成因、分布规律、制图方法和在其上进行工程建筑的原则和方法问题,为青藏高原上几项国家重大工程建设提供了重要的工程地质资料和方法。
  科学的灵魂在于创新。程国栋勤于思索、善于实践、勇于创新。“程氏假说”的问世是他创新的实证。该理论是世界冻土学中的重大理论创新,解决了冻土学中一个悬而未解的问题——“近地面厚层地下冰的成因”。这是冻土学中一个重大的理论难题,长期以来国内外学者提出过多种见解,但均不能让人满意。程国栋在总结大量资料的基础上,验证了当时还鲜为人知的新思想,像正融土中的水分迁移和成冰。同时,他发现了温度波动条件下未冻水的不等量迁移规律。他将这些新思想、新发现有机地结合在一起,创造性地提出了厚层地下冰形成的重复分凝机制,圆满地解释了这类冰的分布、组构和性状等特点,同时也将冻融过程中的一些重要理论提升到了一个新水平。
  该理论自问世以来,在国内外引起很大震动,得到了国际公认,已被广泛引用。近年来,一些国外学者还进一步发展了他的理论,将他发现的未冻水的不等量迁移规律用于地下冰中的颗粒迁移,提出了冻土中冰自净作用的数学模型。并且,他的这一假说为解决冻土工程技术难题提供了理论依据,又为发展正冻和已冻土物理学开拓了一个新的研究领域——正融土物理学。
  他的另一个理论突破——高海拔多年冻土分布的三向地带性理论,也得到国际同行的广泛认同和高度评价。由于他在学术上的成就及在国际学术交流中所显示的能力,1993年由国际冻土协会理事会表决,一致选举他为国际冻土协会主席。
  2000年,举世瞩目的“青藏铁路”工程上马,为西部地区带来了良好的机遇。修建青藏铁路不仅具有重要的政治意义,同时从促进西藏地区与内地的经济文化交流方面具有深远的意义,受到历代党和国家领导人的重视。然而由于国家经济实力和高原、冻土条件下的筑路技术尚未成熟等原因,青藏铁路的全线建设工作一直没有付诸实施。程国栋等老一辈科学家40多年在青藏铁路全线的冻土调查、勘探和研究,使青藏铁路建设中“多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱”的三大世界性难题取得突破性进展,最终使青藏铁路于2001年6月29日正式开工。
  青藏铁路全长(西宁至拉萨)1142公里,其中需要新修的格尔木至拉萨段,全长1110公里,跨越多年冻土区长度为632公里,其中大片连续多年冻土区长度约550公里,岛状不连续多年冻土区长度82公里,全线海拔4000米以上地段长度约为965公里。
  冻土区筑路遇到的主要问题是冻胀和融沉问题。在季节冻土区主要面临冻胀问题,在多年冻土区的主要问题是融沉。青藏高原的多年冻土大多属高温冻土,极易受工程的影响产生融化下沉。因此,高温冻土及全球变暖使青藏铁路的修筑面临严峻的挑战。可以说,青藏铁路成败的关键在路基,路基成败的关键在冻土,冻土的关键问题在融沉。此外,青藏铁路横跨可可西里和唐古拉山无人区,大部分地区氧气含量仅占海平面的50%左右,极端气温可达零下40摄氏度。
  为了攻克青藏铁路冻土难关,中科院以知识创新工程为契机,于2001年启动了知识创新工程重大项目“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应研究”。该项目由我国冻土权威研究机构——中科院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室牵头,组织国内冻土工程研究的相关单位中铁第一勘测设计院、中国铁科院西北皇冠最新新2网址大全、中国科学院武汉岩土力学研究所等来承担,程国栋任项目主管。
  尽管世界上在多年冻土区筑路已有百年以上的历史,但目前多年冻土区铁路的病害率仍在30%以上,在冻土区筑路仍是一个难题。作为项目主管,程国栋领导他的团队,创造性地提出了冷却路基的新思路,并设计了通过调控辐射、调控对流和调控传导实现冷却路基的一整套技术措施。通过实体工程试验、室内模拟试验和数值模拟,证明这些措施的有效性,并做出了理论解释,这一思路和措施得到铁道部的高度评价,并已在青藏铁路上全面应用,为建成“世界一流的高原铁路”提供了保证。
  程国栋领导他的团队还提出了将工程可靠性、工程造价和全球转暖结合在一起进行概率预测的思路,为冻土工程考虑全球转暖找到了正确的途径,为青藏铁路的顺利建设提供了强有力的科技支撑。由于工作出色,他领导的科研团队获得了人事部、中科院2002年度先进集体和2003年度中科院重大创新贡献团队奖。
  在冻土学研究的同时,程国栋还进一步拓展科研领域,为西部开发献计献策。针对西部水资源不足的现状,他曾多次带领科研人员深入黑河流域、内蒙古等地进行实地考察,提出了以流域为单元、以水为纽带,生态、经济协调发展的研究框架,强调了从宏观和微观层次上提高单方水产出的重要性。他还首次在国内对“虚拟水”的概念开展了研究,在此基础上向国家和有关部门提出了一系列的建议。“虚拟水——中国水资源安全战略的新思路”建议得到了回良玉副总理的批示。他完成的“黑河水资源问题与对策”建议已成为水利部向国务院建议的重要依据。
  程国栋心系西部,根扎西部,一心想着西部的人民,一心想着西部的发展。北京、上海等地的科研机构、高校以高薪聘请?并为他提供良好的科研环境与优厚的福利待遇,但他不为所动,把自己的事业奉献给了西部这片热土。目前,担任中国科学院兰州皇冠最新新2网址大全院长的他,心里装着西部的人民,目光盯着西部的事情。

  ?(本栏目与科学时社合办)?

(科学时报记者 王进东)
 
 
 
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