地下空間利用與深地生態圈

■ 謝和平

電影《流浪地球》中人類深居地下的場景會實現嗎？中國工程院院士謝和平講述：地下空間利用和深地生態圈的研究構想，一是地下空間的利用現狀與趨勢；二是地下城市空間的規劃與建設研究；三是地下空間開發利用構想及關鍵技術；四是特殊地下空間開發利用，比如很多煤礦巷道開發了以后還能不能再利用？五是深地生態圈構建；六是深地醫學。

一、地下空間利用現狀與趨勢

19世紀出現了百萬人口城市，20世紀出現了千萬人口的特大城市，21世紀尤其是發展中國家出現了數千萬人口的巨型城市。現代城市正以攤大餅、高層化向著超大型、無邊界化的方向發展。

到2150年，全球人口預計將達到150億，現有耕地達到供養極限。屆時，地球人有兩個選擇，一個是到地球以外的星球去，一個是到地球里面的地下空間去。到地下空間去，從本身來說是最安全最可靠的出處。地下空間開發利用，全世界都在研究，是世界性的前沿。

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深度的40%才是一個城市總的利用空間。相對來說，傳統地面空間的弊端是大氣污染、自然災害、宇宙輻射、全球變暖、人居環境惡化，而地下空間的獨特優勢是恒溫恒濕、隔音隔震、天然抗自然災害、低本底無輻射、環境清潔。這些地下空間的優勢利用起來，可以讓深地空間可能成為優于太空定居、應對未來地球災害的人類移居方式。

還有地下資源，我國現在煤礦到了1100米。其實，地球固態礦產資源埋深可超過4萬米。我國已探明的主要固體資源近70%分布在2000米深以下。比如地熱資源，據研究，僅地殼最外層10公里范圍內，就擁有1254億焦熱量，相當于全世界現產煤炭總發熱量的2000倍。如果計算地熱能的總量，則相當于煤炭總儲量的1.7億倍，地熱資源要比水利發電的潛力大1000倍。可供利用的地熱能即使按1%計算，僅地下3公里以內可開發的熱能，就相當于2.9萬億噸煤的能量。另外，鐵礦、銅礦、鋁土礦資源的70%也都在埋深2000米以下。

所以地下空間的綜合利用在國際上很重視，已有很多國際組織，包括ITA（指國際隧道與地下空間協會，1974年成立，總部設在瑞士洛桑）、ACUUS（指國際地下空間聯合研究中心，1996年成立，總部設在加拿大蒙特利爾城市學院）、ISTT（指國際非開挖技術協會，1986年成立，總部設在英國倫敦）都在研究地下空間利用。《東京宣言》（1991年城市地下空間國際學術會議通過），強調“21世紀是人類開發利用地下空間的世紀”，預測未來有1/3的人會在地下空間開發利用居住。

習近平總書記在2016年“科技三會”（指全國科技創新大會、兩院院士大會、中國科協全國代表大會）指出，“從理論上講，地球內部可利用的成礦空間分布在從地表到地下1萬米，目前世界先進水平勘探開采深度已達2500米至4000米，而我國大多小于500米，向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題。”習近平總書記在2018年兩院院士大會上強調“著力推進面向國家重大需求的戰略高技術研究”、“載人深潛、深地探測、國產航母……等正在進入世界先進行列”。習近平總書記講的不是科技戰略，而是戰略科技的問題。

現在我國將把深地開發作為國家戰略，也將列入國家重大科技專項。其目標是，到2035年我國深地鉆探到15000米（前蘇聯才12000米）；油氣開采要到10000米，我們現在到了7000多米；地熱開發到6000米，固態資源開采到3000米，地下空間工程到1000米。現在要先進行預研。

目前國際上地下空間利用率大概30%，而我國僅有17%。國際上已有大量地下空間利用案例，大體分為四大類，分別是文娛服務、地下農業、地下醫學、科教用地。我們來看一些案例。

一是文娛服務案例。比如1992年芬蘭開發的Salina Turda地下公園，埋深120米，打造了一個含鹽濕潤空氣的氧吧，地下公園常年恒溫11～12℃，幾乎沒有任何過敏源和細菌，可以對呼吸道、肺結核等疾病進行療養，就像氧吧一樣。比如1950年波蘭開發的維利奇卡鹽礦，他們在地下130多米深的巷道深處建起了博物館、餐廳、娛樂大廳和教堂，本地居民不到2萬，每年卻接待游客150萬，芬蘭1964年在鹽礦211米深處開設了研究過敏性疾病的療養所，1974年又建起了療養院，供呼吸道疾病患者療養治病。如1969年芬蘭的Temppeliaukio地下巖石教堂，埋深7米；1993年赫爾辛基地下游泳池，埋深40米；2014年英國北威爾士的Liechwedd礦洞游樂場，埋深150米，這是在保溫保濕環境下建成的世界最大的地下蹦床；1993年挪威的Gjovik體育館，埋深25-55米，其中的冰球場可容納5800人；1992年羅馬尼亞的薩利納·圖爾達鹽礦，埋深42米，作為文娛活動場所，主題公園內有小型高爾夫球場、摩天輪、游輪及鹽浴溫泉。還有1962年加拿大的Montreal地下城，最大埋深20余米，地下鐵路系統有120多個出口，迎送50多萬人流進出，是全世界最大的地下城。

二是地下農業案例。中國現在搞大棚農業，由于地下本身冬暖夏涼，比如2005年東京的PASONA O2地下溫室農場，埋深7米，利用恒溫在辦公大樓地下二層創立自動化農業設施，天花板垂吊西紅柿，會議室生長芬芳香草，大堂中心裝飾著一片稻田。比如20世紀70年代前蘇聯烏克蘭農業研究所利用廢礦井，埋深約300米，試種蔬菜，用特制的水銀燈代替太陽光，溫室氣候條件人為控制，一年多播多收，產量是地面的10倍以上，而地下溫室建設成本只相當于地面的?。比如2017年英國倫敦利用防空洞搞地下農場，埋深33米，LED被大量使用充當光源，水培技術能節省用水70%，完全不需要農藥，植物不受季節、天氣的影響，6到28天即可收獲，因此打出了地下生長的品牌。

三是地下醫學案例。如前面講的波蘭的鹽礦醫院以及烏克蘭的Solotvyno地下鹽礦醫院，埋深300多米；還有烏茲別克斯坦的霍奇金洞穴，埋深30多米，對慢性阻塞性肺疾病治療患者的細胞免疫力有明顯提高。

四是科教用地案例。比如1983年美國明尼蘇達大學土木采礦系的地下館，埋深30余米，面積約14000平方米。比如新加坡擬建的JTC地下科技城，已經做了規劃，要在西部科學園區地底打造相當于30層樓的地下科學城，供生醫產業和生命科學使用，未來還可以容納新增人口。比如2008年在瑞士建成運行的歐洲核子研究組織地下研究所，埋深92米，裝置了大型強子對撞機。

青島也做了地下空間規劃，目標是到2030年“地下青島”初具規模，到2050年“地下青島”基本形成。還有未來的“地下成都”，按照編制完成的《成都地下空間利用規劃》，成都將形成“638”格局的全新空間體系。包括6個重點開發的區域、38個重點開發的節點，總體來講是淺層（0米至-10米）、中層（-10米到-30米）、深層（-30米以下）的總體規劃。像雄安新區的規劃就是一個未來城市的規劃。

總體來看，當前地下空間的開發利用大多停留在單一功能、局部區域的相對粗放階段，少有考慮與地面及區域經濟的協調發展，尚未形成科學規劃、綠色構建的可持續態勢。這種粗放階段的地下空間開發基本上是被動的，比如說防空洞，是不得不搞防空洞，比如說地鐵、管網，是不得不下沉，未來應該是主動式開發。

主動式開發就要做到科學化、綜合化、生態化、深層化、信息化開發。科學化是要統一布局，科學合理規劃地面地下一體化、生態地下城市。綜合化是要統一規劃交通、物流、商業、地下房地產、醫院、游樂園、科學實驗等地下綜合體。生態化是要形成獨立的深地自循環生態系統，環境友好開發，構建一個宜居、穩定、新型的多層地下生態城市。深層化是不同分層規劃對應功能的結構物，深層開發，分層管理，互不干擾，構建地下立體城市，深度將從當前的百米以內向千米量級不斷延伸。信息化就是建立完善的物聯網系統，構建真正的高科技地下智慧宜居城市。

我在2017年發表的文章（參見《地下生態城市與深地生態圈戰略構想及其關鍵技術展望》，巖石力學與工程學報，2017）中提出了一個地下空間開發構想。這個開發構想是：地下0-50米是地下軌道交通、管網系統及避難設施，地下50-100米是地下宜居城市，地下100-500米是地下農業、地下醫學與地下生態圈以及戰略資源儲備，地下500-2000米是地下能源循環帶、地下抽水儲能、壓縮空氣發電站、地下熱能等調儲利用，地下2000米以深是深地科學實驗室、深地固態資源液態化開采。這是我講的地下空間利用現狀與趨勢。

二、地下空間利用規劃與建設研究

如何建設地下城市呢？地下城市規劃與建設應遵循五大原則：一是生態圈構建和自循環原則；二是廢舊利用、開發與保護統一原則；三是地上與地下協調的系統化立體開發原則；四是平戰、平災結合原則；五是近期與遠期呼應的可持續發展原則。

中國要以工程全生命周期為理念，工程全生命周期過程包括投資決策、策劃、設計、施工、驗收、維護、拆除、報廢處理、再生，在此理念基礎上，采用先進的信息技術對基礎設施進行智能化、智慧化的維護管理成為當前關注的焦點，地下城市的規劃與建設也要遵循這一理念。

三、地下空間開發利用構想及關鍵技術

在地下空間開發利用上，我提出了深地發展的5個時代概念構想，這包括被動式地下空間利用的1.0時代，科學開發地下空間及地下生態城市的2.0時代，深地生態圈構建的3.0時代，深地科學實驗室和深地空間艙的4.0時代，深地固態資源液態化開采的5.0時代。

深地開發的1.0時代。防空洞、兵工廠、儲備庫、地鐵、地下商場、地下停車場都是某種功能性需求的局部開發；

2.0時代就是地下城市，包括一個完整的、宜居的生態城市的構想，要生成模擬陽光，要有自循環水泵及空氣智能重生系統，城市各功能區彼此間要設置安全隔離層，在能源供給上相互聯系，在空間結構上相互獨立；3.0時代就要有生態、環境的地下空間利用，構建地下生態圈的環境，當然也包括人造陽光、生態植被、深地農牧業、水與生態自循環體系等；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時代需要發明盾構式采、選、充、氣化、發電一體化技術與裝備，將固態資源直接轉變為液態、氣態和電能。到那個時候，煤就不用上來了，即“地上無煤、井下無人”，搞深部原位流態化開采，直接無人化、智能化開采，采、選、冶煉、充填、發電、氣化都在地下空間處理，也沒有污染，沒有排放了。我在幾年前已經給出了液態化開采的學術定義。到了5.0時代，煤炭是世界上最高新技術的產業。

地下空間是怎樣呢？舉個例子，地下巷道開采是機器人巡邏，無人機巡視，機器人檢查，機器人作業，未來礦山是這樣的地下空間。我們未來的煤炭，我們礦業大學的發展，未來是這個方向。利用煤粉爆炸、瓦斯爆炸產生的能量，很小體積在3000米深部原位就發電了，出來的就是電、氫氣、液化炭，不是煤了。目前，我的博士生團隊正在做這項探索預研。

中國煤礦未來的美好前景是這樣的。現在是2.0時代，到5.0時代可能還得幾十年上百年，但我們可以想象未來的趨勢和美好的前景及預期。

關鍵技術方面，已經形成了若干成果，這里也不展開講了。由于受特有構成空間的條件限制，地下空間一旦開發利用之后，要進行改造相對困難，因此必須進行開發建設全周期的研究評價和中長期的規劃及分析預測。現在的關鍵問題是技術，各方面的技術問題，依然要發展理論和技術，很多都是未知的。搞礦要研究這個，構建地下宜居的生態城市，其中生態系統是關鍵。生態圈的構建原理、技術和理論現在還沒有，所以要探索這個東西。

四、特殊地下空間利用

特殊地下空間指的是采礦的特殊地下空間的開發利用，首次提出了特殊地下空間開發利用的判識指標、空間估算、開發模式和開發案例。

一是判識指標。比如把煤炭挖完以后，怎么識別現在的礦井能不能用？我們給出了定性指標和定量指標，定性指標包括交通便利性、圍巖穩定性、系統安全性、技術復雜性四項，定量指標包括經濟效應和開發潛力兩項。同時滿足上述指標可判識為特殊地下空間可利用。

二是空間估算。煤礦挖了幾十年，還要挖，地下空間有多少呢？據統計，現有煤礦地下空間約139億立方，到2030年達到241億立方，長度約160萬千米，可繞赤道40圈。如此巨大的地下巷道空間，從來沒有想過用，一般是挖完煤就不管了。

三是開發模式。國外改造和利用廢氣礦井呈現多種用途和形式。主要作用，一是作為核廢料處置的基地，核廢料處置必須封存1萬年以上。二是利用地熱發展地下農業，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。地下恒溫恒濕，地下農業活動不受季節影響，經濟效益是地面傳統農業的5倍以上。如果廢棄礦井離城市很近，還可以搞井筒式小型智能化地下停車庫。另外還可以搞地下抽水儲能發電，我們的井下1000多米深，三峽大壩的落差才350米，地下500米落差都有可能，我把地下1000米的水調到地下500米，落差就接近500米，需要的時候儲能發電。還可以搞壓縮空氣儲能發電站，搞地下污水處理廠，中國香港把地面污水處理都放到了地下。還可以搞地下酒店，搞景觀旅游以及原位實驗室，像韓國的暗物質實驗室就在礦井700米以下的地方。比如北京規定不挖煤了，北京的煤礦3年之內全都關停。關停以后過去投資的上千億設備資產一下歸零，地下水上漲，首都水位就受到污染。所以煤礦關停并轉以后，能不能把地下空間用起來？2017年我專門寫信，說北京不挖煤可以，但希望不封停，把地下空間利用起來，我提出可以利用京西五大煤礦得天獨厚的地下空間優勢，煤礦關了以后，地面地下統一規劃，地面搞青山綠水風景區、學院教育培訓區、旅游度假區、運動休閑區、高科技園區，地下搞煤礦井下安全生產培訓實踐區、地下生態景觀體驗區、地下農業種植區，深地科學探索區。我的建議受到了國家重視，國家后來批了3個億專項資金進行改造，目前已啟動第一期工程，希望把它打造成全國煤礦關閉以后開發利用示范區，打造成科技研發總部和地下空間研發實驗基地。

五、深地生態圈的構建

地下空間的開發利用能不能像地面一樣有陽光、空氣、水循環，很舒適呢？深地生態圈能不能構建出來是地下空間開發利用的關鍵和前提，這方面也是國際上探索性的課題。

什么叫生態圈？生態圈目前有陸地生態圈、大氣生態圈、海洋生態圈。海洋生態圈，海洋有植物、動物，海洋不管有多深，多多少少有氧氣，只是氧氣的程度不同，越深氧氣越少。地下有沒有生態圈？地下怎么構建生態圈？這是科學問題。搞地下空間研究要朝著這個方向。

DCO（國際深碳觀測聯合會）通過長達10年的研究，發現70%的細菌微生物都在地下，地下生態圈比地面多得多。GFZ（指德國波茨坦地學研究中心）鉆孔研究發現地下500米深的地方有微生物的細胞、細菌，大家想一下，它們在地下沒有宇宙射線，沒有陽光，沒有空氣，沒有其他的物質情況下，怎么能生存下來？微生物細胞往往在1秒鐘以內完成整個生命周期，能量哪兒來？生命為什么存在？怎么找到這些微生物？怎么培養它？這都是人類探尋的奧秘。

如何構建地下生態圈？美國在1987年就有這個計劃，在亞利桑那州建立生物圈2號，但2014年宣布失敗，不再做了。現在是從原理、機理上去探索。構建生態圈有五個要素：陽光、空氣、水、資源儲備、生態環境。怎么構建？陽光現在好辦，包括人造太陽、LED等方式都可以模擬陽光。你想巴黎300多米深的地鐵站是人造陽光、空氣。空氣是必須的，怎么利用人類、動物、二氧化碳、植物、空氣的次循環體系，構建城市地下空間這樣一個管道體系進行調整。還有地下水，這個好辦，地下水怎么用？怎么循環？這是關鍵。然后是地下資源，可以形成地下儲油庫、地下糧倉、地下水庫、地下數據中心。

核心就是地下生態圈怎么構建？深地生態圈是實現大規模城市地下遷移的可持續發展前提，其構建理論和關鍵技術尚處于概念階段。

通過系統研究，把深地生態圈生成分為六個步驟：一是深地能量源與生態圈生物量關聯機制。這方面要探索深地生態因子（聲、光、電、熱）對不同的陸生生態系統、濕地生態系統中植物光合效率的影響極其分子成因，要探究深地高光合效率與生物產量的分子機制，為最終在深地生產農作物產品（植物工廠構建）提供理論依據。二是地下生態圈碳、氧、氮、硫、磷等各種元素智能重生和循環規律。這方面我們都有一些構想和技術路線，要讓人類需要的元素在地下形成。三是地下生態圈巖石土質化的生物與地球化學過程。反之，陸地上的巖石是在億萬年前由沙子、土沉積形成的，那能不能用生物膜侵蝕把巖石還原成土質化呢？在四川西部，巖石土質化以后可以進行植被種植。四是地下生態圈植被多樣性選培與演替規律。五是地下生態圈濕地生態系統構建與演替規律。地下怎么形成濕地？六是地下生態圈水平衡及自凈規律。生態圈構建以后，地下和地面就是生態平衡體系，地下和地面一樣的舒適，一樣的環境條件，在地下冬暖夏涼，又安全，還能長壽，還能治特殊的疾病，那樣的話，誰不愿意到地下去呢？

六、深地醫學研究構想與進展

所以我認為生態圈的構建很重要，在那里人能不能長壽呢？就要研究深地醫學。

2015年我提出深地醫學的概念，什么叫做深地醫學？我們就找地方進行研究。我在煤炭部門干過，煤礦我很熟，因為煤礦都有瓦斯，我做實驗培養細胞，瓦斯爆炸怎么辦？我只能選金屬礦，金屬礦沒有瓦斯。但金屬礦中的鉛礦、銅礦、錫礦、鋁礦，這些礦種本身就有化學性，培養細胞沒有用，必須選黃金礦。黃金礦選在了東北夾皮溝金礦，就是《林海雪原》電影拍的那個地方，那個礦挖到1500米深，2017年12月我們完成了深地醫學研究基地及地下實驗室建設，開始進行實驗，這是我國首次開展的深地醫學研究。

在地下1470米的地方，和地面同一環境、同一條件地培養細胞，看它有什么不同？實驗發現，在地下1470米細胞生長緩慢，細胞生長減緩的這個曲線被初步驗證了。

如果細胞生長緩慢了，小孩正在長身體，那就不適合去。但是如果退休的人在里面新陳代謝減緩了，是否可以長壽了呢？如果得了絕癥病治不好了，到里面去也可以延長多少年。如果深入研究下去能得到這個普適結論，那就太有意義了，因為地下的低宇宙射線和低本底環境（指無放射無太陽宇宙射線等純凈環境）對人體的新陳代謝減慢，細胞生長減慢還確實是很有意義的。

礦業領域過去只關心成本、效益、技術、裝備，不怎么關心礦工。地表到地下氣壓不一樣、溫度不一樣，空氣里面的含量不一樣、各種化學成素不一樣，對礦工的心理、肌理和生理都會有影響。我們專門調查了平頂山礦務局，不同深度的礦工在睡眠、出冷汗、頭疼、肌肉疼、口干都有不同的表現。所以不同深度有好處，也有不好的地方。不好的地方怎么排除？有益的地方怎么發展？如何提高深地醫學的研究？這都是要深入研究的。我們深地醫學研究團隊在國際環境與健康權威雜志《Environment International》上發表了深地醫學方面的文章，在國際上引起強烈的反響。

下一步準備在地下2400米深的地方搞一個集裝箱，研究生命體的成長過程。在夾皮溝準備籌建深地醫學綜合實驗大樓，增加5個不同深度層位研究測點，研究開展不同深度深地環境對細胞、生物及人體的影響，探索新的規律。如果這個研究能取得好的結果，未來地下空間是一塊寶地，未來很多地下空間資源就可以充分發揮出來。