4月8日,，執(zhí)行中國(guó)第41次南極考察的“雪龍”號(hào)極地科考破冰船返回上海,，此次考察的主要任務(wù)順利完成,。考察隊(duì)首次開(kāi)展秦嶺站越冬考察任務(wù),，中國(guó)南極考察進(jìn)入“三站越冬”時(shí)代,。這次，科普中國(guó)特別邀請(qǐng)到了秦嶺站的駐場(chǎng)設(shè)計(jì)師尹曉斌工程師,，為大家詳細(xì)介紹一下秦嶺站的建設(shè)工作和科研意義,。

筆者有幸參加了中國(guó)第41次南極考察，并參與了秦嶺站的建設(shè),，今天就和大家聊聊秦嶺站有什么特點(diǎn),，這次考察配套設(shè)施設(shè)備建設(shè)又取得了哪些成果。

建站環(huán)境,，“一言難盡”

秦嶺站所在的地方叫做恩科斯堡島,，又稱“難言島”。

在一百多年前競(jìng)賽極點(diǎn)的航行中,，英國(guó)探險(xiǎn)隊(duì)中有一支“北方小分隊(duì)”完成對(duì)阿德利企鵝和南極的地質(zhì)研究準(zhǔn)備返回時(shí),，因羅斯海布滿海冰，科考船無(wú)法按原定計(jì)劃靠岸,，小隊(duì)不得不留在此處避難,，在遭受了整整一個(gè)冬季的低溫和強(qiáng)風(fēng)后，根據(jù)這段難以言喻的經(jīng)歷為這座島嶼命名,。

這里的條件有多“難言”呢,？在夏季當(dāng)?shù)貧鉁囟純H有0℃左右，全年平均溫度為-20℃左右,，極端低溫可達(dá)-45℃,。此外，這里有記錄的最大瞬時(shí)風(fēng)速高達(dá)約43.5m/s,，每年大風(fēng)天數(shù)（15m/s以上）達(dá)100天以上,，這一看就不是什么宜居之地。而且,，這種極端的氣候條件,，讓每年室外施工建設(shè)的窗口期僅剩2個(gè)月左右——從夏季的12月到次年1月。

風(fēng)吹雪的天氣作者供圖

在難言島度過(guò)三個(gè)半月的實(shí)地生活后,，最令筆者刻骨銘心的也是這里極端的天氣環(huán)境,。

突如其來(lái)的下降風(fēng)時(shí)常席卷沙石和暴雪而來(lái),，在時(shí)常“光顧”的12級(jí)風(fēng)中,，想站穩(wěn)都不容易,；而刮起的地吹雪則像白色的“沙塵暴”，讓能見(jiàn)度驟降至不足5米,，呼出的熱氣轉(zhuǎn)眼就在面罩上凝結(jié)成冰,。

這段經(jīng)歷不僅重塑筆者了對(duì)自然的認(rèn)知，也讓筆者對(duì)堅(jiān)韌不拔,、拼搏奉獻(xiàn)的南極工作者們更加敬仰,。

不畏艱辛，迎難而上

既然條件如此惡劣,，為什么還要選擇在這里建站呢？考察站的選址需要考慮很多因素,，其中科研方面的考慮無(wú)疑是最重要的因素之一——

秦嶺站選在這里就能夠覆蓋周邊300公里范圍的考察區(qū)域,，涵蓋海洋、大氣,、冰川、地質(zhì),、生物等眾多科學(xué)熱點(diǎn),，有效填補(bǔ)了我國(guó)在羅斯海地區(qū)的考察空白。

具體來(lái)說(shuō),，南極海洋是地球系統(tǒng)運(yùn)行的“心臟”，其變化牽動(dòng)全球氣候,、生態(tài)與人類命運(yùn),。而秦嶺站所在的羅斯海區(qū)域擁有南極最大的海洋保護(hù)區(qū)，它被認(rèn)為是地球上最后一個(gè)完整的大海洋生態(tài)系統(tǒng),，有“最后的海洋”之稱。建站后可以開(kāi)展海洋生態(tài)監(jiān)測(cè),，為全球環(huán)保研究提供重要數(shù)據(jù)。

南極冰蓋作為冰凍圈的主要冰體,，南極冰蓋的融化是導(dǎo)致全球海平面上升的主要因素之一。秦嶺站周邊的南森冰架在夏季階段其邊緣常崩解形成冰山,，又在冬季階段因溫度寒冷凍成冰架,，周而復(fù)始,，長(zhǎng)期觀測(cè)對(duì)理解氣候變化背景下極地冰蓋演化規(guī)律以及未來(lái)全球海平面變化均有著重要的科學(xué)意義。

南森冰架作者供圖

而且秦嶺站周邊有一處阿德利企鵝聚集地保護(hù)區(qū),，通過(guò)對(duì)企鵝的研究,，能獲取海洋健康、氣候變化,、生物適應(yīng)及污染擴(kuò)散等多維度信息,。

秦嶺站不遠(yuǎn)處的海豹與企鵝作者供圖

此外，秦嶺站的選址和建設(shè)方案充分考慮了羅斯海地區(qū)的實(shí)際情況,，包括后勤保障,、科研需求,、國(guó)際合作和環(huán)保要求,。在借鑒他國(guó)科考站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,，分析了當(dāng)?shù)氐臍夂?、地形,、交通等因素,，通過(guò)科學(xué)的分析選出了現(xiàn)在這個(gè)合適的位置。

難言島上“搭積木”

相比于國(guó)內(nèi)建筑,，秦嶺站總體面積雖然不大，但卻存在更復(fù)雜的建設(shè)難題,。功能上不僅需要考慮科學(xué)需求,，還要兼顧生活保障,，可以說(shuō)是“麻雀雖小,，五臟俱全”,。

難言島上每年的施工窗口期只有短短2個(gè)月,，要在如此緊張的時(shí)間里,，建成足以讓數(shù)十位科研人員在極端環(huán)境下生活和工作的“科學(xué)城”，考察站的設(shè)計(jì),、施工都需要克服很多平時(shí)“蓋房子”遇不上的困難,。

秦嶺站的設(shè)計(jì)考慮了建筑長(zhǎng)軸方向與主風(fēng)向的關(guān)系,，采用架空式設(shè)計(jì)方案，對(duì)于減緩積雪和減少風(fēng)壓的作用非常有效,。

注意看下圖，考察站是由柱子架在空中的,。

秦嶺站圖片來(lái)自新華社

設(shè)計(jì)階段還搭建了實(shí)體與數(shù)字化模型開(kāi)展多組風(fēng)洞試驗(yàn),，模擬南極當(dāng)?shù)匮┖奢d,、風(fēng)壓,、風(fēng)致振動(dòng),、風(fēng)吹雪等一系列實(shí)際環(huán)境指標(biāo)，獲取相關(guān)數(shù)據(jù),，最終確定了抗風(fēng)雪能力強(qiáng),、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的建筑方案,，以適應(yīng)羅斯海地區(qū)的惡劣氣候條件,。

考慮到環(huán)境惡劣，工期緊張,，運(yùn)輸能力,，環(huán)保需求等種種限制,，加上南極建筑地處偏遠(yuǎn),，時(shí)常會(huì)有很多不可預(yù)見(jiàn)的情況發(fā)生，南極考察站的施工與國(guó)內(nèi)建設(shè)存在顯著差異,。建造采用裝配式建造體系，在國(guó)內(nèi)預(yù)組裝后拆除打包運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng),。

這就好比在工廠中先制作好建筑的各種“積木塊”，再運(yùn)到工地“拼起來(lái)”,，可有效控制建成質(zhì)量，減少現(xiàn)場(chǎng)人工,，減輕現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保壓力。

從下圖中我們也可以看出,，大型工程機(jī)械幾乎全是用來(lái)吊裝模塊組件的起重機(jī)，一般工地上常見(jiàn)的混凝土攪拌車等等都不見(jiàn)蹤影。

第40次考察隊(duì)建設(shè)秦嶺站時(shí)航拍的模塊搭建過(guò)程作者供圖

建筑建設(shè)分為主結(jié)構(gòu),、內(nèi)模塊和外圍護(hù)幕墻,，類似人體構(gòu)造的骨骼、器官和皮膚,，既能快速搭建，又方便后期維護(hù),。居住、辦公和科研這類標(biāo)準(zhǔn)單元空間采用工廠預(yù)制模塊,，家具和設(shè)備提前在工廠完成裝修,、安裝，大幅減少現(xiàn)場(chǎng)施工量,。

考察站室內(nèi)宿舍作者供圖

為應(yīng)對(duì)羅斯海地區(qū)高寒,、強(qiáng)風(fēng)等特殊環(huán)境及環(huán)境保護(hù)要求,，建筑采用集中式形態(tài),、高密閉性與保溫性的構(gòu)造設(shè)計(jì)與強(qiáng)有力的預(yù)應(yīng)力巖石錨桿體系等,，確保了建筑在極端環(huán)境下的穩(wěn)固和安全。

經(jīng)過(guò)一整年度的低溫,、強(qiáng)風(fēng)、極晝極夜的極端氣候考驗(yàn),，筆者所在的41次隊(duì)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后秦嶺站主體建筑依然保持完好，各項(xiàng)安全指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,，整體安全性得到了現(xiàn)實(shí)的驗(yàn)證。

介紹完了秦嶺站的背景,，接下來(lái)再聊聊本次考察中秦嶺站的建設(shè)任務(wù),。

想施工？先鏟雪……

本次度夏考察的一項(xiàng)主要任務(wù),，是完成包括海水淡化,、新能源系統(tǒng)、通訊通信等配套設(shè)施的建設(shè),，也就是我們通常所說(shuō)的“通水、通電,、通網(wǎng)”,。不過(guò)，這些工作卻是從“鏟雪”開(kāi)始的,。

2024年11月14日，包括筆者在內(nèi),，由34名隊(duì)員組成的先遣隊(duì)成功抵達(dá)南極秦嶺站,。到站后的第一項(xiàng)任務(wù)就是恢復(fù)站區(qū)的電力供應(yīng)。

由于長(zhǎng)達(dá)一年的風(fēng)雪侵襲,，臨時(shí)設(shè)施區(qū)部分已完全被積雪掩埋，其中發(fā)電棟外圍的積雪厚度達(dá)3~4米,。

積雪掩蓋住了很多設(shè)施作者供圖

隊(duì)員們齊心協(xié)力用機(jī)械和鏟子將積雪除開(kāi),，當(dāng)日重啟100kW發(fā)電機(jī)2臺(tái)，基本恢復(fù)電力供應(yīng),，也正式開(kāi)啟了第41次隊(duì)秦嶺站的建設(shè)任務(wù)。而筆者主要負(fù)責(zé)的是住宿艙附近的除雪任務(wù),，結(jié)果用了數(shù)個(gè)小時(shí)才把大門(mén)給挖出來(lái)。

頂風(fēng)冒雪除雪作業(yè)作者供圖

水,、電、網(wǎng)一個(gè)都不能少

秦嶺站遠(yuǎn)離人類大陸,，站上所有人員的日常用水,、用電、交通,、通訊條件都要自給自足,。因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)按照“微縮科學(xué)城”的功能理念,，一體化建設(shè)科學(xué)與后勤支撐條件,，包括道路，碼頭,，能源,，供水，污水處理,，衛(wèi)星通信等基礎(chǔ)設(shè)施,，以及科研辦公，居住,，餐飲,，社交，醫(yī)療,，健康,，物流等全要素功能。

施工中的秦嶺站作者供圖

可能很多朋友覺(jué)得,，南極最不缺冰雪,，直接化了不就是淡水嗎？實(shí)際上,，南極儲(chǔ)存著全球70%的淡水,，這些淡水對(duì)全球氣候和水資源平衡很重要，

但基本都以冰的形式存在,，很難直接利用,，目前也無(wú)法大規(guī)模開(kāi)發(fā)。

秦嶺站的水資源處理系統(tǒng),，則充分考慮了地形和洋流條件,，采用適應(yīng)多種工況的海水,、融雪等多種采集和處理方式，互為備用,，通過(guò)多層級(jí)過(guò)濾與反滲透工藝,，存用結(jié)合，保障用水的充足,、潔凈與安全,。

其中，

各國(guó)一般將融雪取水作為臨時(shí)應(yīng)急方式來(lái)使用,，

例如今年先遣隊(duì)剛到站時(shí),，由于臨時(shí)海水淡化系統(tǒng)，暫時(shí)尚未啟用,，隊(duì)員們將干凈的雪鏟到融雪桶內(nèi)融化來(lái)作為每天的日常洗臉,、刷牙的生活用水。

能源對(duì)考察站也至關(guān)重要,，在南極使用傳統(tǒng)柴油能源具有高效,、穩(wěn)定和持續(xù)的優(yōu)勢(shì)，不容易受天氣條件影響,。但柴油也存在運(yùn)輸成本高,、環(huán)境事故風(fēng)險(xiǎn)大、碳排放高等問(wèn)題,。

而秦嶺站的能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于中國(guó)南極中山站及泰山站的新能源早期應(yīng)用試驗(yàn),，結(jié)合羅斯海區(qū)域當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，采用"風(fēng)能+光能+氫能+柴油"的可再生能源和傳統(tǒng)能源相結(jié)合,、多能互補(bǔ)的微電網(wǎng)能源系統(tǒng),，

可再生能源使用比例預(yù)計(jì)超過(guò)60%，最大限度地減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴及空氣污染物的排放,。

全員上陣?yán)娎|作者供圖

作為偏遠(yuǎn)環(huán)境下的考察設(shè)施,，秦嶺站建設(shè)了衛(wèi)星地面站等設(shè)備，配置衛(wèi)星通信,、短波通訊與導(dǎo)航等多層級(jí)通信系統(tǒng),，基本實(shí)現(xiàn)考察活動(dòng)的中遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)管理及遠(yuǎn)程同步功能,。未來(lái)在科學(xué)觀測(cè)方面將設(shè)置自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集等專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)對(duì)羅斯海環(huán)境的長(zhǎng)期觀監(jiān)測(cè),，便于開(kāi)展近岸海洋環(huán)境的在線監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸、樣品預(yù)處理分析實(shí)驗(yàn),，逐步向無(wú)人化,、智能化的監(jiān)測(cè)方向發(fā)展,。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在總圖規(guī)劃中將各個(gè)系統(tǒng)分開(kāi)布置，功能上又兼具聯(lián)系,，集約化布置于場(chǎng)地之中,。不過(guò)施工的時(shí)候有個(gè)問(wèn)題，

南極大陸裸露的地面比較單一,，區(qū)域內(nèi)缺少參照物,，容易讓人分不清東南西北。

因此,，筆者攜帶了無(wú)人機(jī),，這樣就可以在建設(shè)階段使用無(wú)人機(jī)設(shè)備定期對(duì)建設(shè)過(guò)程的秦嶺站站區(qū)拍攝投影圖，實(shí)時(shí)跟蹤施工的位置與進(jìn)度,，與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行核對(duì),，并適時(shí)根據(jù)場(chǎng)地和建設(shè)條件提出設(shè)施布置的優(yōu)化方向。

站區(qū)全景作者供圖

科學(xué)考察,，環(huán)保同行

人類活動(dòng),，必然會(huì)帶給環(huán)境一些影響。為了盡量減少對(duì)南極環(huán)境的影響,，秦嶺站踐行“綠色考察”理念,，污水、固廢處理等重要的生活支持保障系統(tǒng)上,，以穩(wěn)重實(shí)用的技術(shù)路線為主,，并輔以局部技術(shù)亮點(diǎn)創(chuàng)新，提升系統(tǒng)反應(yīng)效率,。

生活污水采用膜生物處理系統(tǒng),，配以一體化膜生物反應(yīng)器降解處理，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理,，達(dá)到南極要求的國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn),。秦嶺站在建設(shè)過(guò)程中，

各類建設(shè)和生活垃圾嚴(yán)格進(jìn)行分類處理,，統(tǒng)一打包收集由考察船帶離南極,，每一位隊(duì)員都是南極的環(huán)保員，發(fā)現(xiàn)垃圾會(huì)及時(shí)進(jìn)行清理,，避免現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境遭到污染破壞,。

筆者作為秦嶺站的駐場(chǎng)設(shè)計(jì)師，共計(jì)在南極現(xiàn)場(chǎng)工作106天,，有幸實(shí)地參與到秦嶺站的建設(shè)和更多元化的考察活動(dòng)之中,，不僅使自己在南極考察站的建筑設(shè)計(jì)、施工技術(shù),、應(yīng)對(duì)特殊環(huán)境等專業(yè)技術(shù)上積累了寶貴經(jīng)驗(yàn),，也對(duì)這片神秘大陸的自然環(huán)境與歷史人文有了全新認(rèn)識(shí),。相信通過(guò)--代代科考隊(duì)員的不懈奮斗，極地科考事業(yè)將會(huì)不斷取得新的突破與發(fā)展,！