程国栋院士：一片丹心在冻土
程院士
程获国际冻土协会终身成就奖。这组照片由中国科学院兰州分院提供。
程(右二)与年轻科学家在一起(此图由中国科学院西北研究所提供)
这是一条横跨世界屋脊的“天堂之路”，是世界上穿越冻土距离最长的高原铁路...2006年，举世闻名的青藏铁路正式通车。在过去的13年里，路基一直保持稳定，列车通过永久冻土区的速度可达每小时100公里，创造了世界永久冻土区铁路的最高速度。
在冻土上修建铁路如何解决冻土的冻胀和融化？当时，这是一个全世界都无法解决的难题。因此，青藏铁路项目也被视为“一项不可思议的事业”，世界*科学刊物《自然》杂志甚至称青藏铁路的建成为“一个工程奇迹”。这个奇迹的诞生充满了许多研究者的辛勤工作和汗水。
其中有一位科学家，他的名字光芒四射。他就是中国科学院院士、冻土科学家程。
1、年轻立志为国家做出贡献
1943年7月11日，程在硝烟和烈火中出生于上海。随着乱世的逐渐成长，程和那个时代的年轻人一样，充满了为国效力的情怀和理想。
高中毕业时，在学校组织的一次让学生参观华东师范大学地质地理系的活动中，当时的一位老师提出了开辟喜马拉雅山来改变中国气候的大胆设想，这立即引起了程对地质地理的兴趣，也使这位出生在南方的年轻人对中国西部有了无尽的想象。
后来，他从北京地质学院的招生信息中看到了两个重大项目的介绍。“一个是南京长江大桥，另一个是南水北调工程。年轻人都渴望能够参与大型项目的建设。”程坦言，他申请北京地质学院的理想是做出贡献。
1960年，考入北京地质大学(现中国地质大学)水文地质与工程地质系。经过五年的学习和毕业，程响应国家号召，告别了家乡上海的城市生活，来到中科院兰州冰川冻土研究所冻土研究室工作。“在那个时代大学毕业后，每个人都要服从国家分配。起初，有五个志愿者名额。我写信服从分配，最后被分配到兰州。”程郭栋的回忆。
那一年，22岁成。
兰州的工作条件非常艰苦。对于在南方长大的程来说，他需要应对很多不适和挑战。然而，他并没有被困难吓倒，而是更有战斗精神。“只要你习惯了，你就会感觉更好，尤其是在你从事冻土行业之后。你觉得还有许多实质性的问题没有解决。你需要冷静下来，仔细研究并解决它们，这样你就会适应环境。”程回忆道。
一旦你选择了，你就不会后悔。从此，程在西方扎根，并在那里呆了半个多世纪。
2、历经艰辛确保青藏铁路
1967年，程赴青藏高原进行研究。也是从那时起，他的科研生涯与青藏铁路紧密相连。
程说，他原来是搞地质的，不懂工程，但所有的研究都与青藏铁路密切相关，所以研究的出发点是铁路建设，这也给了他们研究冻土的实际动力和基础。
青藏铁路接受了几代人的梦想和艰苦努力。为了解决青藏铁路的冻土问题，科研人员几十年来一直坚持在极其恶劣的高原环境中进行科学研究程感慨道。
在青藏高原，第一个问题是缺氧。头痛和睡眠不好是常见的。在那里，解放卡车是交通工具。汽车行驶在“洗衣板路上”，就像一个喝得太多的醉汉。坐在里面非常不舒服。如果卡车卡在地上，无法出来，就很难离开无人地带。在多雪的高原上，人们通常几天都不见踪影，只有野驴和苍鹰陪伴着他们。不仅如此，最危险的事情是经受住生死考验。
当铁路进入拉萨时，铁道部起草了两个铁路建设计划。一条是青藏公路的西线，另一条是无人地带的东线。程毫不犹豫地带领队伍进入了困难的东线。高原上没有路，汽车经常沉入软土中。“如果你不能把车开出来，玩家的生命将处于危险之中，在无人地带前后将没有任何联系。最可怕的是学生感冒了。如果他们有肺水肿，他们将不会被送出，直到他们死亡。”现在说起这些经历，还是很关心程的。
“当时，一群唐山学生和我一起去了。他们曾经从事测绘。完成作业后，雨下得像冰粒一样大。一名学生被淋湿后感冒了。那天晚上他发烧了，不能看。”程回忆说，“但当时没有办法，也没有办法把它送过来。我们不得不依靠我们带来的健康箱里的药。幸运的是，这个学生身体健康，活了下来。”
程还记得，当时的青藏铁路建设总指挥部专家顾问团团长张也参加了调查。一九七六年七月，张、一行外出调查，回来时迷了路。程在大本营苦苦等候，直到天黑才看到他们回来。他们带着人们在昏暗的夜色下四处搜寻，在空旷的荒地上寻找着什么人，就像大海捞针一样。张三人没有带干粮，早已筋疲力尽，最后点燃了烟盒借着火柴的微弱光线被程发现得救了。
"还有食物中毒等问题，而且确实有很多危险."程微笑着讲述着那些往事，就像一个久经沙场的老兵，经历了生与死的考验后，对那些英雄事迹漠不关心。
1978年，由于技术限制，青藏铁路第二次被“拆除”。作为项目负责人之一，程需要完成一项由国家组织的联合研究项目——青藏铁路建设中的冻土研究。
当时，在地球物理学中有一个尚未解决的问题，即“地面附近厚地下冰的成因和变化规律”很难解决。从青海的格尔木到*的拉萨，它经过550多公里的冻土。冻土在冬天结冰，在夏天膨胀融化，就像泥土一样，会损坏铁路路基。这是青藏铁路建设中不可回避的技术问题，也是程几十年来的研究课题。
3.“程假说”克服世界难题
程在参与“青藏铁路建设中的冻土问题研究”、“青海热水煤矿地下厚冰层段路基试验”、“青藏公路沿线冻土研究”、“青藏公路多年冻土区黑色路面施工技术”等重大课题的研究过程中，逐步积累了大量解决地下厚冰层成因的相关资料。
特别是1979年，程主持青藏公路改建工程冻土工程地质工作时，曾有机会仔细观察地下厚冰层的分布情况，发现在融化的土壤中形成冰的现象，仅仅是因为在公路沿线钻了几十个钻孔。
程在他的著作中，除了吸收前人“水在冻结过程中迁移成冰”的结论外，还注意到“冻土中的未冻水和正常融化土中的未冻水仍然冻结”这两个被忽视的现象，都具有迁移和分离成冰的作用。程在几十年思考和实地考察的基础上，在总结大量资料和实验的基础上，于1981年创造性地提出了高海拔地区冻土三维地带性分布规律和“厚层地下冰形成的重复分离机制”。该理论主要由三个部分组成，其核心是程创立并确立的“未冻水不均匀迁移规律”，揭示了地下厚冰形成的本质。其次，提出了冰的自净，并利用国外学者的实验结果解释了冻土高含量土壤中土壤颗粒的运动规律。1983年，他的论文发表在国际权威期刊《寒区科学技术》上，立即在国际冻土领域引起强烈反响。多年冻土科学家对此评价很高，并以“程假说”为题。
此后，没有遇到程的理论突破和成功。他去了美国一个室内实验条件较好的寒冷地区研究与工程实验室，进行了专门的模拟实验，并设计了验证实验来验证理论的正确性。
与此同时，加拿大卡尔顿大学的史密斯教授花了3年时间来验证程的理论。到目前为止，“程假说”已经成为一个非常有说服力和完善的地下厚冰形成理论。它还完美地解决了国际冻土界长期悬而未决的一个重要理论问题。这一理论在地球物理学中被形象地称为“相对论”，也是世界冻土研究领域中以中国姓氏命名的第一个原理。
在随后的青藏铁路建设中，“程假说”为解决冻土工程技术问题提供了重要的理论依据。
1993年，第六届国际冻土大会在北京召开，程当选为国际冻土协会主席。年底，当选为中国科学院院士。他50岁时，是当时最年轻的院士。
2000年底，青藏铁路第三次“启动”。冻土仍然是铁路建设的最大瓶颈。
防止冻土融化是青藏铁路的关键。最简单的方法是抬高路基或铺设保温材料。用程的话说，这相当于“盖被子”的冻土，就像夏天卖冰棍一样。为了防止冰棒融化，冰棒盒上总是盖一层被子。然而，这只能减缓冻土的融化。青藏铁路的建设是百年大计。它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，这就需要保护冻土的新思路。这时，“主动冷却”的概念出现了。经过多次试验和改进，青藏铁路在世界上首次采用了一套完整的“冷却路基”方法，克服了全球气候变暖条件下冻土地区筑路的难题。
在这一思想的指导下，和他的团队进一步研究了新的地温控制原理和高新技术。通过控制辐射、对流、传导等方法，针对多年冻土地区提出了相应的道路施工技术:块石路基结构、通风管路基、热管、遮阳板等常用功能。
青藏铁路块石路基最适合的碎石尺寸是多少？颗粒越大，冷却效果越好吗？经过反复试验，程的团队确定粒径为10-30cm的块石降温效果较好，粒径为22cm的块石对冻土降温效果最好。这种多空隙的“块石路基”能有效地保护冻土。它就像一个散热和排气扇。它在冬天从路堤和地基上散热，在夏天吸收较少的热量。它类似于“热半导体”，可以起到冷却作用，降低地基土壤的温度。即使青藏高原的温度在未来50年内上升2.6摄氏度，使用这种“热半导体”仍能确保冻土的热稳定性。
现在，当穿过青藏铁路时，人们会看到一排排银柱站在路基旁边。不时地，人们会发现小圆柱体从路基下面的土石层中伸出来。或者沿途的“凉亭”和“遮阳板”...青藏铁路的这些特殊设施是程和中国科学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化的法宝。
青藏铁路通车十多年来，路基稳定、完好，创造了世界多年冻土地区铁路最高速度，更重要的是，对西部经济社会发展产生了重要影响。国际冻土协会主席杰里·布朗博士曾评论说:“青藏铁路代表了冻土工程的最新进展。在这个领域，其他国家需要学习中国的成就。”
然而，回忆自己多年来参与青藏铁路建设的经历，平静地说:“能为青藏铁路这样伟大的工程做出贡献，我感到非常自豪。”。
4、热爱西方坚持科学研究路线
克服了世界难题的程并没有停止探索。70岁时，当许多老人选择享受晚年时，他仍然坚持在研究前线工作。除了地球物理学的研究，他还进一步拓展了科学研究的领域，致力于水资源的合理开发利用和西部生态恢复与重建的研究。他多次带领科研人员到甘肃河西地区、内蒙古等地实地考察，初步探明了西部地区的地下水资源储量，并重点研究了黑河流域的水文水资源。
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，由于黑河中游地区种植面积的迅速扩大，进入黑河下游的水量大幅减少，导致下游生态明显恶化。为了解决该地区的水资源问题，提出在黑河流域开展生态水文和生态经济研究。他积极倡导和推动国家基金委重大研究计划《黑河流域生态水文过程综合研究》的实施，为内陆河流域水文水资源研究提供了重要支持，提高了内陆河流域水资源形成转化机制的认知水平和可持续性，使甘肃省成为中国内陆河研究的典型示范基地，使内陆河流域生态水文资源研究进入国际先进行列。
2000年，中国科学院启动了“西部计划项目组”，旨在为西部生态环境建设提供理论和技术支持，确保区域经济的可持续发展。程主持项目组重点项目“黑河流域水-生态-经济系统综合管理实验示范”。未来十年，该项目在甘肃省黑河流域开展了农业节水技术的研究和集成。建立了管理节水、结构节水和农业节水相结合的高效农业节水技术体系。推进了保护体系建设模式、人工草地建设与改良、畜禽育肥、草地毒草治理。示范区节水效果达到20%，单水产值提高40%。
作为该项目的首席科学家，主持完成了《黑河水资源问题及对策》提案，该提案已成为水利部向国务院提交报告的重要依据。同时，该项目获得的一系列科研成果、技术体系和试验示范模式，不仅为河西走廊节水型社会建设和黑河流域综合治理提供了强有力的技术支持，也为我国西北其他内陆流域和干旱地区的治理提供了经验和标准。
经过半个世纪的坚持不懈，程为国家做出了巨大贡献，并为他赢得了各种荣誉。2009年，当选为俄罗斯工程院外国院士。2011年，他被授予甘肃省科技成就奖。2014年，程荣获国际冻土协会终身成就奖。到目前为止，世界上只有五位科学家获得了这个奖项，而他是其中唯一的中国人。该奖项是国际冻土学术界对他在冻土研究方面的成就的认可，也是中国冻土学科的最高荣誉。2017年，冻土及寒冷地区工程研究创新团队荣获国家科技进步奖创新团队奖，成为甘肃省第一个获得该奖项的创新团队。
此外，程还在中国冻土研究领域培养了50多名博士生和20多名博士后。他们中的许多人已经成为这个领域的科研骨干和学术带头人。在程的领导下，他们多年来不懈努力，使我国冻土学科取得了长足的发展。现在冻土研究，一个不受欢迎的学科，已经成为一个受欢迎的学科，冻土已经成为“热土”。“然而，作为世界第三大冻土地区国家，中国在许多与冻土领域密切相关的项目上仍需要理论支持和解决方案，我们仍需努力。”程对说道。
在西北生活了很长时间的程已经成为一个真正的“西北人”，他的饮食习惯也发生了变化。他开玩笑地称自己为“几天没吃面条后的空虚”。也因为他已经离开家乡很多年了，他只能在假期回到上海和他的亲戚呆在一起。成失去了儿子的成长时间和对父母陪伴的孝心，这已成为他心中不可挽回的遗憾。然而，程并不后悔自己当初的选择。正如他在1984年给家人的一封信中所表达的，"他经受住了严峻的考验，没有浪费时间"。他已经实现了年轻时的梦想——为祖国做出贡献。