“地下城”是世界性的前沿科學(xué)研究

《流浪地球》里的人們居住在地底的“地下城”，未來，“地下城”并不會只存在于科幻片中，科學(xué)家目前正在開展的深地空間研究就在探討“地下城”怎么建。記者近日采訪了中國工程院院士、深圳大學(xué)深地科學(xué)與綠色能源研究院院長謝和平，請他從科學(xué)角度描繪未來地下空間生存圖景。

“地下城”是世界性的前沿科學(xué)研究

“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。”謝和平說，對地下空間的綜合利用在國際上非常受重視，已有很多國際組織都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(shù)協(xié)會(ISTT)等。1991年城市地下空間國際學(xué)術(shù)會議通過的《東京宣言》還曾強調(diào)“21世紀是人類開發(fā)利用地下空間的世紀”，預(yù)測未來有1/3的人會在地下空間開發(fā)利用居住。

據(jù)謝和平介紹，目前國際上已有不少科學(xué)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，常年恒溫11℃~12℃，幾乎沒有任何過敏源和細菌，可以對患呼吸道、肺結(jié)核等疾病的病人進行療養(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，新加坡打算建造的一個地下科技城，已經(jīng)做了規(guī)劃，要在西部科學(xué)園區(qū)地下打造相當于30層樓的地下科學(xué)城，供生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)和生命科學(xué)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(yīng)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(zāi)害、低本底輻射、環(huán)境清潔等獨特優(yōu)勢。”謝和平說，將這些地下空間的優(yōu)勢利用起來，可以開展地下醫(yī)學(xué)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(guān)的科研活動，例如歐洲的大型強子對撞機就在地下92米處。“如果開展更多的探索利用，還可能在未來讓深地空間成為優(yōu)于太空定居、應(yīng)對未來地球災(zāi)害的人類移居方式。”謝和平說。

未來“地下城”該怎么建設(shè)

未來“地下城”該怎么建設(shè)呢?謝和平介紹說自己近日在《煤炭學(xué)報》發(fā)表的學(xué)術(shù)文章，提出他關(guān)于“地下城”5.0版建設(shè)的戰(zhàn)略構(gòu)想和科研論證。按照這個構(gòu)想：地下0~50米是地下軌道交通、管網(wǎng)系統(tǒng)及避難設(shè)施，地下50~100米是地下宜居城市，地下100~500米是地下農(nóng)業(yè)、地下醫(yī)學(xué)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(diào)儲利用，地下2000米以上是深地科學(xué)實驗室、深地固態(tài)資源液態(tài)化開采。

“關(guān)于深地空間開發(fā)利用，我提出了5個時代概念的構(gòu)想，這包括被動式地下空間利用的1.0時代，科學(xué)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(gòu)建的3.0時代，深地科學(xué)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。”謝和平說。

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(gòu)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(nóng)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(xué)實驗，構(gòu)建深部物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、巖石力學(xué)理論體系，為人類向地球深部進軍奠定理論基礎(chǔ)。

5.0時代需要發(fā)明盾構(gòu)式采、選、充、氣化、發(fā)電一體化技術(shù)與裝備，將固態(tài)資源直接轉(zhuǎn)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(chǎn)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(gòu)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(lǐng)的博士團隊正在做這方面的探索預(yù)研。”謝和平說。

邁入“地下城”2.0時代

據(jù)謝和平介紹，地球固態(tài)礦產(chǎn)資源埋深可超過40千米，我國已探明的鐵礦、銅礦、鋁土礦資源70%都在2千米以下。以地熱資源為例，僅地殼最外層10千米范圍內(nèi)，就擁有1254億焦熱量，相當于全世界現(xiàn)產(chǎn)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(xué)和技術(shù)的水平和能力，力爭到2035年深地鉆要達15000米;油氣開采要到10000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%，而我們國家僅有17%。”謝和平說，隨著我國深地開發(fā)戰(zhàn)略的開展，這些地下空間如何合理開發(fā)利用，是“現(xiàn)在要先進行預(yù)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(yù)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?”謝和平介紹說，國外改造和利用廢氣礦井呈現(xiàn)多種用途和形式。例如利用地熱發(fā)展地下農(nóng)業(yè)，諾丁漢大學(xué)的學(xué)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(nóng)場。

“要知道地下本身就是冬暖夏涼，地下溫室建設(shè)成本只相當于地面大棚農(nóng)業(yè)的1/4。”謝和平說，2017年，英國倫敦就利用地下33米處的防空洞建造地下農(nóng)場，以LED燈為光源，水培技術(shù)能節(jié)水70%，完全不需要農(nóng)藥，植物生長不受季節(jié)、天氣的影響，6到28天可收獲，成功推出了地下農(nóng)產(chǎn)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，例如香港就計劃把地面污水處理都放到了地下;還可以建造地下酒店，開展景觀旅游以及地下原位實驗室，例如，韓國的暗物質(zhì)實驗室就在礦井700米以下的地方。

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(jīng)啟動。謝和平介紹說，按照規(guī)劃，地面是青山綠水風景區(qū)、學(xué)院教育培訓(xùn)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(chǎn)培訓(xùn)實踐區(qū)、地下生態(tài)景觀體驗區(qū)、地下農(nóng)業(yè)種植區(qū)，深地科學(xué)探索區(qū)。“我們希望把它打造成全國煤礦的開發(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。”謝和平說。在他看來，關(guān)于“地下城”建設(shè)，“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。”(記者 詹媛)

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