4月8日，執行中國第41次南極考察的“雪龍”號極地科考破冰船返回上海，此次考察的主要任務順利完成?？疾礻犑状伍_展秦嶺站越冬考察任務，中國南極考察進入“三站越冬”時代。這次，科普中國特別邀請到了秦嶺站的駐場設計師尹曉斌工程師，為大家詳細介紹一下秦嶺站的建設工作和科研意義。
筆者有幸參加了中國第41次南極考察，并參與了秦嶺站的建設，今天就和大家聊聊秦嶺站有什么特點，這次考察配套設施設備建設又取得了哪些成果。
建站環境，“一言難盡”
秦嶺站所在的地方叫做恩科斯堡島，又稱“難言島”。在一百多年前競賽極點的航行中，英國探險隊中有一支“北方小分隊”完成對阿德利企鵝和南極的地質研究準備返回時，因羅斯海布滿海冰，科考船無法按原定計劃靠岸，小隊不得不留在此處避難，在遭受了整整一個冬季的低溫和強風后，根據這段難以言喻的經歷為這座島嶼命名。
這里的條件有多“難言”呢？在夏季當地氣溫都僅有 0℃ 左右，全年平均溫度為-20℃ 左右，極端低溫可達-45℃。此外，這里有記錄的最大瞬時風速高達約 43.5m/s，每年大風天數（15m/s 以上）達 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的窗口期僅剩 2 個月左右——從夏季的 12 月到次年 1 月。
風吹雪的天氣 作者供圖
在難言島度過三個半月的實地生活后，最令筆者刻骨銘心的也是這里極端的天氣環境。突如其來的下降風時常席卷沙石和暴雪而來，在時常“光顧”的12級風中，想站穩都不容易；而刮起的地吹雪則像白色的“沙塵暴”，讓能見度驟降至不足5米，呼出的熱氣轉眼就在面罩上凝結成冰。這段經歷不僅重塑筆者了對自然的認知，也讓筆者對堅韌不拔、拼搏奉獻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公里范圍的考察區域，涵蓋海洋、大氣、冰川、地質、生物等眾多科學熱點，有效填補了我國在羅斯海地區的考察空白。
具體來說，南極海洋是地球系統運行的“心臟”，其變化牽動全球氣候、生態與人類命運。而秦嶺站所在的羅斯海區域擁有南極最大的海洋保護區，它被認為是地球上最后一個完整的大海洋生態系統，有“最后的海洋”之稱。建站后可以開展海洋生態監測，為全球環保研究提供重要數據。
南極冰蓋作為冰凍圈的主要冰體，南極冰蓋的融化是導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，周而復始，長期觀測對理解氣候變化背景下極地冰蓋演化規律以及未來全球海平面變化均有著重要的科學意義。
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區，通過對企鵝的研究，能獲取海洋健康、氣候變化、生物適應及污染擴散等多維度信息。
秦嶺站不遠處的海豹與企鵝 作者供圖
此外，秦嶺站的選址和建設方案充分考慮了羅斯海地區的實際情況，包括后勤保障、科研需求、國際合作和環保要求。在借鑒他國科考站建設經驗的基礎上，分析了當地的氣候、地形、交通等因素，通過科學的分析選出了現在這個合適的位置。
難言島上“搭積木”
相比于國內建筑，秦嶺站總體面積雖然不大，但卻存在更復雜的建設難題。功能上不僅需要考慮科學需求，還要兼顧生活保障，可以說是“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個月，要在如此緊張的時間里，建成足以讓數十位科研人員在極端環境下生活和工作的“科學城”，考察站的設計、施工都需要克服很多平時“蓋房子”遇不上的困難。
秦嶺站的設計考慮了建筑長軸方向與主風向的關系，采用架空式設計方案，對于減緩積雪和減少風壓的作用非常有效。注意看下圖，考察站是由柱子架在空中的。
秦嶺站 圖片來自新華社
設計階段還搭建了實體與數字化模型開展多組風洞試驗，模擬南極當地雪荷載、風壓、風致振動、風吹雪等一系列實際環境指標，獲取相關數據，最終確定了抗風雪能力強、結構穩定的建筑方案，以適應羅斯海地區的惡劣氣候條件。
考慮到環境惡劣，工期緊張，運輸能力，環保需求等種種限制，加上南極建筑地處偏遠，時常會有很多不可預見的情況發生，南極考察站的施工與國內建設存在顯著差異。建造采用裝配式建造體系，在國內預組裝后拆除打包運至施工現場。
這就好比在工廠中先制作好建筑的各種“積木塊”，再運到工地“拼起來”，可有效控制建成質量，減少現場人工，減輕現場環保壓力。從下圖中我們也可以看出，大型工程機械幾乎全是用來吊裝模塊組件的起重機，一般工地上常見的混凝土攪拌車等等都不見蹤影。
第 40 次考察隊建設秦嶺站時航拍的模塊搭建過程 作者供圖
建筑建設分為主結構、內模塊和外圍護幕墻，類似人體構造的骨骼、器官和皮膚，既能快速搭建，又方便后期維護。居住、辦公和科研這類標準單元空間采用工廠預制模塊，家具和設備提前在工廠完成裝修、安裝，大幅減少現場施工量。
考察站室內宿舍 作者供圖
為應對羅斯海地區高寒、強風等特殊環境及環境保護要求，建筑采用集中式形態、高密閉性與保溫性的構造設計與強有力的預應力巖石錨桿體系等，確保了建筑在極端環境下的穩固和安全。
經過一整年度的低溫、強風、極晝極夜的極端氣候考驗，筆者所在的 41 次隊到達現場后秦嶺站主體建筑依然保持完好，各項安全指標均達到設計要求，整體安全性得到了現實的驗證。介紹完了秦嶺站的背景，接下來再聊聊本次考察中秦嶺站的建設任務。
想施工？先鏟雪……
本次度夏考察的一項主要任務，是完成包括海水淡化、新能源系統、通訊通信等配套設施的建設，也就是我們通常所說的“通水、通電、通網”。不過，這些工作卻是從“鏟雪”開始的。
2024 年 11 月 14 日，包括筆者在內，由 34 名隊員組成的先遣隊成功抵達南極秦嶺站。到站后的第一項任務就是恢復站區的電力供應。由于長達一年的風雪侵襲，臨時設施區部分已完全被積雪掩埋，其中發電棟外圍的積雪厚度達 3~4 米。
積雪掩蓋住了很多設施 作者供圖
隊員們齊心協力用機械和鏟子將積雪除開，當日重啟 100kW 發電機 2 臺，基本恢復電力供應，也正式開啟了第 41 次隊秦嶺站的建設任務。而筆者主要負責的是住宿艙附近的除雪任務，結果用了數個小時才把大門給挖出來。
頂風冒雪除雪作業 作者供圖
水、電、網一個都不能少
秦嶺站遠離人類大陸，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，設計團隊按照“微縮科學城”的功能理念，一體化建設科學與后勤支撐條件，包括道路，碼頭，能源，供水，污水處理，衛星通信等基礎設施，以及科研辦公，居住，餐飲，社交，醫療，健康，物流等全要素功能。
施工中的秦嶺站 作者供圖
可能很多朋友覺得，南極最不缺冰雪，直接化了不就是淡水嗎？實際上，南極儲存著全球 70% 的淡水，這些淡水對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，目前也無法大規模開發。
秦嶺站的水資源處理系統，則充分考慮了地形和洋流條件，采用適應多種工況的海水、融雪等多種采集和處理方式，互為備用，通過多層級過濾與反滲透工藝，存用結合，保障用水的充足、潔凈與安全。
其中，各國一般將融雪取水作為臨時應急方式來使用，例如今年先遣隊剛到站時，由于臨時海水淡化系統，暫時尚未啟用，隊員們將干凈的雪鏟到融雪桶內融化來作為每天的日常洗臉、刷牙的生活用水。
能源對考察站也至關重要，在南極使用傳統柴油能源具有高效、穩定和持續的優勢，不容易受天氣條件影響。但柴油也存在運輸成本高、環境事故風險大、碳排放高等問題。
而秦嶺站的能源系統設計基于中國南極中山站及泰山站的新能源早期應用試驗，結合羅斯海區域當地氣候特點，采用"風能 光能 氫能 柴油"的可再生能源和傳統能源相結合、多能互補的微電網能源系統，可再生能源使用比例預計超過 60%，最大限度地減少對傳統能源的依賴及空氣污染物的排放。
全員上陣拉電纜 作者供圖
作為偏遠環境下的考察設施，秦嶺站建設了衛星地面站等設備，配置衛星通信、短波通訊與導航等多層級通信系統，基本實現考察活動的中遠程通信、數據管理及遠程同步功能。未來在科學觀測方面將設置自動檢測、數據采集等專用網絡系統，實現對羅斯海環境的長期觀監測，便于開展近岸海洋環境的在線監測與數據傳輸、樣品預處理分析實驗，逐步向無人化、智能化的監測方向發展。
設計團隊在總圖規劃中將各個系統分開布置，功能上又兼具聯系，集約化布置于場地之中。不過施工的時候有個問題，南極大陸裸露的地面比較單一，區域內缺少參照物，容易讓人分不清東南西北。因此，筆者攜帶了無人機，這樣就可以在建設階段使用無人機設備定期對建設過程的秦嶺站站區拍攝投影圖，實時跟蹤施工的位置與進度，與設計圖紙進行核對，并適時根據場地和建設條件提出設施布置的優化方向。
站區全景 作者供圖
科學考察，環保同行
人類活動，必然會帶給環境一些影響。為了盡量減少對南極環境的影響，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上，以穩重實用的技術路線為主，并輔以局部技術亮點創新，提升系統反應效率。
生活污水采用膜生物處理系統，配以一體化膜生物反應器降解處理，經過嚴格處理，達到南極要求的國際排放標準。秦嶺站在建設過程中，各類建設和生活垃圾嚴格進行分類處理，統一打包收集由考察船帶離南極，每一位隊員都是南極的環保員，發現垃圾會及時進行清理，避免現場環境遭到污染破壞。
筆者作為秦嶺站的駐場設計師，共計在南極現場工作106天，有幸實地參與到秦嶺站的建設和更多元化的考察活動之中，不僅使自己在南極考察站的建筑設計、施工技術、應對特殊環境等專業技術上積累了寶貴經驗，也對這片神秘大陸的自然環境與歷史人文有了全新認識。相信通過--代代科考隊員的不懈奮斗，極地科考事業將會不斷取得新的突破與發展！
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