“地下城”如何建？深地空間研究有答案

2019年的春節(jié)，一部《流浪地球》賺足了眼球，電影中大篇幅地展現(xiàn)了“杭州地下城”的景象，讓很多人印象深刻。其實，“地下城”已經在實現(xiàn)的路上，開始影響我們的生活，甚至已經有人搬進了“地下城”。而科學家目前正在開展的深地空間研究就是在探討“地下城”該怎么建。

世界性的前沿科研話題

“對深地空間開發(fā)利用并不只是科幻，而是全世界都在研究的科研項目，是世界性的前沿科研話題?！?中國工程院院士、深圳大學深地科學與綠色能源研究院院長謝和平說，對地下空間的綜合利用在國際上非常受重視，已有很多國際組織在研究地下空間利用。這些國際組織包括1974年成立的國際隧道與地下空間協(xié)會（ITA）、1996年成立的國際地下空間聯(lián)合研究中心（ACUUS）、1986年成立的國際非開挖技術協(xié)會（ISTT）等。1991年城市地下空間國際學術會議通過的《東京宣言》還曾強調“21世紀是人類開發(fā)利用地下空間的世紀”，預測未來有1/3的人會在地下空間居住。

謝和平介紹，目前國際上已有不少科學開發(fā)利用地下空間的案例。例如，芬蘭建成了一個地下公園，將深入地下120米的空間打造成含鹽濕潤空氣的氧吧，溫度常年保持在11℃～12℃，幾乎沒有任何過敏源和細菌，患呼吸道、肺結核等疾病的病人可以在這里療養(yǎng)。2014年建成的位于英國北威爾士的礦洞游樂場，在地下150米，擁有保溫保濕環(huán)境下世界最大的地下蹦床。

還有很多國家也在嘗試開發(fā)地下空間，例如，新加坡已經做了規(guī)劃，要在西部科學園區(qū)地下打造一個相當于30層樓的地下科學城，供生物醫(yī)藥產業(yè)和生命科學使用，未來還可以容納新增人口。

“一個城市的總面積不只是地面面積，應該把地面面積乘以開發(fā)深度的40%才是一個城市總的利用空間。這些地下空間具有恒溫恒濕、隔音隔震、天然抗自然災害、低本底輻射、環(huán)境清潔等獨特優(yōu)勢?！敝x和平說，將這些地下空間的優(yōu)勢利用起來，可以開展地下醫(yī)學研究和治療，例如烏茲別克斯坦的霍奇金洞穴，可以提高慢性阻塞性肺疾病患者的細胞免疫力;還可以開展相關的科研活動，例如歐洲的大型強子對撞機就在地下約100米處?！叭绻_展更多的探索利用，還可能在未來讓深地空間成為優(yōu)于太空定居、應對未來地球災害的人類移居方式?！敝x和平說。

科學家的5.0版建設構想

未來“地下城”該怎么建設？謝和平提出了他關于“地下城”5.0版建設的戰(zhàn)略構想和科研論證。按照他的構想：地下0～50米是地下軌道交通、管網系統(tǒng)及避難設施，地下50～100米是地下宜居城市，地下100～500米是地下農業(yè)、地下醫(yī)學與地下生態(tài)圈以及戰(zhàn)略資源儲備，地下500～2000米是地下能源循環(huán)帶、地下抽水儲能、壓縮空氣發(fā)電站、地下熱能等調儲利用，地下2000米至更深的地方是深地科學實驗室、深地固態(tài)資源液態(tài)化開采。

“關于深地空間開發(fā)利用，我提出了5個時代概念的構想，這包括被動式地下空間利用的1.0時代，科學開發(fā)地下空間及地下生態(tài)城市的2.0時代，深地生態(tài)圈構建的3.0時代，深地科學實驗室和深地空間艙的4.0時代，深地固態(tài)資源液態(tài)化開采的5.0時代?！敝x和平說。

深地開發(fā)的1.0時代就是建造防空洞、儲備庫、地鐵、地下商場、地下停車場等。2.0時代會有完整的、宜居的生態(tài)城市，要有陽光、自循環(huán)水泵及空氣智能重生系統(tǒng)。3.0時代就要有生態(tài)、環(huán)境的地下空間利用，構建地下生態(tài)圈的環(huán)境，這包括人造陽光、生態(tài)植被、深地農牧業(yè)、水與生態(tài)自循環(huán)體系等。4.0時代要開展深地不同深度原位科學實驗，構建深部物理學、生物學、醫(yī)學、巖石力學理論體系，為人類向地球深部進軍奠定理論基礎。

5.0時代需要發(fā)明盾構式采、選、充、氣化、發(fā)電一體化技術與裝備，將固態(tài)資源直接轉變?yōu)橐簯B(tài)、氣態(tài)和電能。到那個時候，地下巷道開采有無人機和機器人巡邏、檢查、作業(yè)。利用煤粉爆炸、瓦斯爆炸產生的能量，在地下3000米深部原位發(fā)電，輸送到地面上的將是電、氫氣、液化炭，而不是固體資源，并要構建深部原位生態(tài)綠色低碳的自循環(huán)開發(fā)利用體系。“目前，我所帶領的博士團隊正在做這方面的探索預研?！敝x和平說。

邁入“地下城”2.0時代

謝和平介紹，地球固態(tài)礦產資源埋深可超過40 000米，我國已探明的鐵礦、銅礦、鋁土礦資源70%都在2000米以下。以地熱資源為例，僅地殼最外層10 000米范圍內，就擁有1254億焦熱量，相當于全世界現(xiàn)產煤炭總發(fā)熱量的2000倍。

目前，我國已將深地開發(fā)列入國家重大科技專項，要全面提升深地工程科學和技術的水平和能力，力爭到2035年深地鉆要達15 000米，油氣開采要到10 000米，地熱開發(fā)到6000米，固態(tài)資源開采到3000米，地下空間工程到1000米。

“目前國際上地下空間利用率大概是30%，而我國僅有17%?！敝x和平說，隨著我國深地開發(fā)戰(zhàn)略的開展，這些地下空間如何得到合理開發(fā)利用，是“現(xiàn)在要進行預研的國家重大戰(zhàn)略科研項目”。

“以煤礦為例，我國現(xiàn)有煤礦地下空間約139億立方米，到2030年預計將達到241億立方米，長度約160萬千米，可繞赤道40圈。如此巨大的地下巷道空間，該如何利用呢？”謝和平介紹，國外改造和利用廢棄礦井呈現(xiàn)多種用途和形式。例如利用地熱發(fā)展地下農業(yè)，英國諾丁漢大學的學者們正在考慮使用自然存在于礦井中的地熱把15萬個廢棄煤礦改造成地下農場。

“要知道地下本身就是冬暖夏涼，地下溫室建設成本只相當于地面大棚農業(yè)的1/4?！敝x和平說，2017年，英國倫敦就利用地下33米處的防空洞建造地下農場，以LED燈為光源，水培技術能節(jié)水70%，完全不需要農藥，植物生長不受季節(jié)、天氣的影響，6～28天可收獲，成功推出了地下農產品品牌。

“還有建造井筒式小型智能化地下停車庫、地下抽水儲能發(fā)電、壓縮空氣儲能發(fā)電站等都是地下空間利用可以嘗試的方式。”謝和平說，另外還可以建造地下污水處理廠、地下酒店，開展景觀旅游以及地下原位實驗等。

在深地空間利用方面，我國也開始了一些探索。目前北京的京西五大煤礦第一期改造工程已經啟動。謝和平介紹，按照規(guī)劃，地面是青山綠水風景區(qū)、學院教育培訓區(qū)、旅游度假區(qū)、運動休閑區(qū)、高科技園區(qū)，地下將會被開發(fā)成煤礦井下安全生產培訓實踐區(qū)、地下生態(tài)景觀體驗區(qū)、地下農業(yè)種植區(qū)以及深地科學探索區(qū)?！拔覀兿Ｍ阉蛟斐扇珖旱V的開發(fā)利用示范區(qū)，打造成科技研發(fā)總部和地下空間研發(fā)實驗基地?！痹谥x和平看來，關于“地下城”建設，“現(xiàn)在剛剛進入2.0時代，到5.0時代可能還得幾十年甚至上百年，但我們可以想象未來的趨勢和美好的前景?！保〒豆饷魅請蟆罚?/p>