“雙碳”戰略背景下城市地下空間開發策略

易 榮 , 賈開國

(1. 中國冶金地質總局一局， 河北 三河 065201； 2. 中冶一局城市安全與地下空間研究院， 河北 三河 065201)

0 引言

“雙碳”戰略目標提出以后，其實現路徑一直是政府和社會各界高度關注和研究的重點。2年來，各層面專家智庫紛紛建言獻策，從不同層面、不同角度為“降碳減排”支招。胡鞍鋼[1]從能源結構轉型和能源技術革命、降低能耗以及政策合力、市場協同效應等20個方面提出了碳達峰的主要實現路徑及政策建議； 王燦等[2]從排放路徑、技術路徑、社會路徑等方面對碳中和愿景的實現路徑與政策體系進行了分析； 張賢等[3]從科技創新和技術發展層面提出了低碳/脫碳相關政策建議； 錢七虎[4]分別從地下空間助力建設綠色城市和地下空間中的電力能源系統建設2個方面，梳理了地下空間與“雙碳”目標的關系。專家學者對“雙碳”目標的實現路徑多集中在政策層面和技術層面，對如何依托國土空間載體來實現降碳減排方面，則缺乏較為全面系統的理論研究成果。從本質上來說，碳達峰、碳中和是一場影響極為廣泛的綠色工業化革命，離不開全社會各行業的深度參與，除了需要經濟、社會、能源、生態和應對氣候變化協同治理，還需要自然資源管理和國土空間治理的深度、廣泛參與[5]。

城市地下空間資源作為國土空間資源的重要組成部分，有巨大的資源開發潛力、強大的資源稟賦以及良好的恒溫恒濕性和防災減災特性，是建設生態低碳型、環境友好型、資源節約型城市的最佳場所。本文聚焦“雙碳”戰略目標，針對城市地下空間助力“雙碳”開展理論研究和統計計算，闡述城市地下空間對提升碳匯、降低能耗以及綠色能源轉型方面的突出功效； 提出“雙碳”戰略背景下城市地下空間開發策略，即： 工程建設轉向生態保護、平面擴張轉向地上地下協調發展、工程施工轉向低碳生態技術、單一資源開發轉向統籌復合利用。

1 城市地下空間的自然資源屬性和功能屬性

地下空間是城市發展的戰略性空間，不僅是各類地下空間設施建設活動的基礎，同時也是地下巖土資源、地下水源、地下可再生能源的重要載體[6]。因此，地下空間具有雙重屬性，即自然資源的固有屬性和人工建筑物的功能屬性。

地下空間的雙重屬性決定了其各種開發方式、利用功能和空間形式，與地面空間形成互補、替換和整體關系，解決多種城市矛盾且滿足城市的不同需求。一方面，由于地下空間資源開發潛力巨大，根據中國地質調查局編制的《城市地質調查總體方案(2017—2025年)》，中國337個地級及以上城市可供開發的地下空間資源量約90億m2，可置換地表土地面積約5 800 km2，這對緩解城鎮化發展導致的土地資源緊缺，以及堅守耕地保護紅線功效突出；另一方面，地下空間被巖石、土壤和地下水介質包圍，并蘊含大量的可再生能源，在溫度、濕度的穩定方面，空間和環境的封閉、隱蔽和防護安全方面，節省能源消耗方面，以及推動能源消費轉型升級方面，都具有地表空間無法替代的優勢。

根據科學理論，實現“碳達峰、碳中和”有2種途徑： 一種途徑是減少碳排放，如使用可再生清潔能源替代化石能源，以及提高能效等；另一種途徑是利用自然或人為力量直接去除大氣中的溫室氣體，如增加國土綠化面積(自然方式)、利用碳捕捉和碳封存技術固定碳[7]。這2種路徑都與地下空間資源開發利用密切相關。充分利用地下空間資源的雙重屬性優勢，將適宜于地下空間環境的城市交通、商業、污水處理、垃圾轉運處理、變電站等功能設施地下化，不僅可以置換大量的土地用于城市生態綠地建設，提升城市生態碳匯能力，還可以利用地下空間恒溫性節省溫度調節能耗，利用地熱等清潔能源部分替代化石能源，利用地下空間地質多樣性實現碳儲存等[8]。這對建設綠色生態城市，助力實現“雙碳”戰略目標功效顯著。

2 城市地下空間與“雙碳”的關系

城市是人類社會經濟、文化、生產、生活的活動中心，是資源、能源消耗、碳排放(碳耗)的集聚區域； 同時也是溫室氣體主要的排放源，中國70%的碳排放來自城市[9]。當前中國碳排放二氧化碳當量(CO2e)年排放約102億t。其中，制造業(水泥、鋼筋、塑料)占比31%，用電占比27%，種殖養殖占比19%，交通運輸占比16%，供暖制冷占比7%。電力、工業、交通以及建筑物供暖制冷組成了中國碳排放的主要來源，這些行業大多數集中在城市或城市周邊。隨著中國新型城鎮化快速推進，大中型城市的“虹吸效應”日益凸顯。根據國家統計局公布的第7次人口普查數據,截至2020年，中國城鎮人口總數達到9.01億，城鎮化水平達到63.89%； 預計到2030年，中國城市人口總數將超過10億，中國城市化率將達70%。隨著城市人口的持續增長，城市的能耗與碳排放也會相應呈現遞增趨勢。

“雙碳”戰略目標提出： 中國將用短短30年實現從碳達峰到碳中和，不僅體現出中國實現可持續發展的基本訴求，也體現出中國構建全球命運共同體的責任與擔當。用全球歷史上最短的時間實現從碳達峰到碳中和，必然要開展一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革。這就要求作為降碳減排主戰場的城市地區，必須抓住提升碳匯、降低能耗和發展綠色能源3大關鍵環節，有序推進地下空間資源的開發利用，構建城市綠色生態空間，改變能源消費結構，這對“雙碳”目標實現具有重大戰略意義。

2.1 增加城市生態綠地，提升碳吸收能力

在城市高密度建設與存量發展背景下，用于園林綠化的綠地、公園等開敞空間日益減少。作為城市唯一的自然碳匯，城市綠地生態系統在維持和改善城市生態環境中發揮著核心作用，是吸收并儲存城市排放CO2的主要貢獻者。在陸地生態系統中，森林作為全球最大的儲碳庫，活林材每m3每年可吸收和固定1.83 t CO2，碳儲量占39%～40%，成本僅是技術減排的20%； 草地占33%～34%，且草碳匯潛力巨大，通過整治恢復、種草、草畜平衡等方式,每年可新增碳匯40～60億t。

“十四五”時期，北京市森林覆蓋率將達到45%,公園綠地500 m服務半徑覆蓋率將達到90%，建成區人均公園綠地面積將達到16.7 m2、森林蓄積量將達到3 450萬m3、林地綠地年碳匯量將達到1 000萬t[10]。可見，城市綠地生態系統在城市碳循環中占據重要地位，對于城市改善區域環境條件、應對氣候變化等具有重要意義[11]。

當前中國許多城市地表開發強度已超過國際宜居生態線。就宜居而言，重點是多留些綠地，使城市更生態； 少排放些廢氣，使城市更干凈。地下空間資源的開發利用在解決霧霾與空氣污染、綠地不足與生態環境問題方面大有可為。美國曾把最寬闊的波士頓中央大道6車道高架橋拆除，改為8車道地下隧道，這不僅使交通更加通暢，還增加了約1.05 km2(260英畝)的中心公園和綠色開敞空間，而且使市區CO2體積分數降低了12%[12]。以北京市為例，目前有主要垃圾處理場14處，如果將其全部轉入地下，可置換出約3.5 km2的綠地面積； 如果用于建造城市園林，則可獲得約44 000 m3的樹木蓄積量，可吸收約8萬t CO2。

2.2 降低能耗、儲碳固碳，減少碳排放量

2.2.1 降低能耗

隨著地下物流、地下交通、地下綜合體等城市地下空間開發力度的加大，電/熱/冷等多元地下空間負荷激增[13]。相對于地上建筑，地下空間密閉，地下恒溫層周邊毗鄰土壤，不受太陽輻射、地上環境溫度和地球內熱的影響，地溫基本保持常年恒定不變。特別是在冬夏溫差較大、氣候相對惡劣的城市，地下空間在使用中能節省大量的溫度調節能耗。

以軌道交通為例，根據《城市軌道交通2021年度統計和分析報告》，2021年全國軌道交通總能耗為213.1億kW·h，除去牽引供電能耗，通風空調系統能耗約63.9億kW·h，折合標準煤785.8萬t。經計算，我國地鐵場站因地下空間恒溫特性，每年在供暖制冷方面節約的能耗折合標準煤為95.8萬t，降低了通風空調系統能耗的10.9%,減少CO2排放239.6萬t。以天津市為例，夏季地表平均溫度為26～29 ℃，冬季地表平均溫度為-5～-1 ℃，其恒溫層深度大部分處于地下9～20 m，溫度恒定在12～16 ℃。據天津市氣候中心研究數據，每升降1 ℃，天津市年平均制冷負荷為1.05 kW·h/m2，年平均供暖負荷為4.01 kW·h/m2，每t煤可提供813.7 kW·h電量。截至2020年，天津市地下空間建筑面積超過1 500萬m2，以此標準計算，天津市1年因城市地下空間的溫度調節作用可節省能耗約折合標準煤136萬t，可減少CO2排放340萬t。可見，充分利用地下空間恒溫特性，開發建設地下交通、地下商業、地下工業、地下倉儲物流等可節省大量溫度調節能耗。隨著地下空間行業規模、技術手段等不斷發展，必將進一步顯現出其在降低城市能耗、減少碳排放量中的特殊地位。

2.2.2 儲碳固碳

利用地下空間圍巖地質多樣性，可以將CO2捕集、運輸并注入至地下地質結構或通過礦化作用封存于巖石之中，使排出的碳重回地圈儲存。中國地質調查局調查顯示，全國陸域及淺海沉積盆地的深部咸水層、枯竭油氣層和不可采煤層等地層CO2地質儲存潛力為7.5萬億t； 并提出CO2的地下深部咸水層封存技術，通過將CO2儲存于地下超過 800 m的位置，使其處于超臨界流體狀態。利用低滲透性巖石蓋層的良好封閉性，將CO2封存于蓋層下方，使其逐漸溶解于咸水層中或與周圍環境的巖石/礦物產生作用形成新的礦物，從而實現長時間尺度的固碳。目前，CO2地質儲存已突破鉆探、灌注、采樣和監測等技術難題，全球已有多個地區陸續建設CO2地質封存項目，形成了一整套相對成熟的工程技術。

此外，由于地下空間的恒溫和恒濕性，以及良好的抗災和防護性，未來建設軟件庫、數據庫、種子庫及重要戰略物資儲備、網絡化地下智慧物流、深隧排水系統、軍事防御工程等，具有地面空間無法替代的優勢條件。

2.3 優化我國能源消費結構，提供清潔能源

中國國家統計局公布數據顯示，2020年我國能源結構組成為： 煤炭56.8%、石油18.9%、天然氣8.3%、非化石能源16.0%。在碳排放仍然處在“總量高、增量高”的歷史階段，化石能源(煤炭、石油及天然氣)的燃燒對碳排放量起到了決定性的影響作用。隨著中國經濟不斷增長，對能源的需求量不斷增大，未來人均能源消耗量也在不斷增加； 但同時也要求大幅度降低碳排放量，并大幅提高非化石能源占一次能源消費的比重，大力發展綠色清潔能源。地熱能資源(主要包括淺層地熱能、水熱型地熱和干熱巖)是唯一不受天氣、季節變化影響的地球本土可再生清潔能源，具有儲量大、供應穩定、利用效率高、運行成本低、節能減排等特點[14]。由于中國地熱能源稟賦良好，大力開發利用地熱能源，對調整中國能源結構、加快轉型升級、助力“雙碳”戰略目標的實現具有重要現實意義。

2.3.1 淺層地熱能資源

淺層地熱能指從恒溫帶至地下200 m深度范圍內，儲存于水體、土體、巖石中可采用熱泵技術提取利用的地熱能。淺層地熱資源具有分布廣泛、溫度穩定、開發利用相對簡單和成本較低的特點，是目前城市建筑物供暖制冷的重要選擇。

中國適宜開發淺層地熱能地區主要分布在中東部省份，包括北京、天津、河北、山東、河南、遼寧、上海、湖北、湖南、江蘇、浙江、江西、安徽等13個省或直轄市，336個地級以上城市規劃區范圍內淺層地熱能資源年可采量折合標準煤7億t，相當于中國2015年煤炭消耗總量的19%，可實現建筑物供暖制冷面積320億m2。如果能夠高效利用淺層地熱能，每年可節煤2.5億t，減少CO2排放量6億t。而目前中國淺層地熱能利用量折合標準煤1 600萬t，開采率僅為2.3%[15]，還處于低水平階段。2021年9月，中國國家能源局發布的 《關于促進地熱能開發利用的若干意見》 指出，到 2025 年，地熱能供暖 (制冷) 面積比 2020年將增加50%；到2035年，地熱能供暖 (制冷) 面積力爭將比2025年翻一番。可見，淺層地熱能開發利用具有巨大空間[16]。

2.3.2 水熱型地熱資源

水熱型地熱資源一般指以熱水形式埋藏在地下200～3 000 m深度內的地熱資源，主要賦存于高滲透孔隙或裂隙介質中，以液態水或蒸氣等形式存在[17]。水熱型地熱資源是世界上目前開采和利用的主要地熱能，在取暖、醫療康養、農業種植和工業發電等領域都有廣泛應用。

中國水熱型地熱資源非常豐富, 地熱資源總量折合標準煤1.25萬億t，每年地熱資源可采量折合標準煤19億t，相當于2015年全國能源消耗的44%。其主要分布于華北平原、河淮平原、蘇北平原、松遼盆地、下遼河平原、汾渭盆地等15個大中型沉積盆地和山地的斷裂帶上。在現有技術條件下, 如果能實現地下熱水資源高效利用，每年可節煤7.5億t，可減少CO2排放18億t。而目前水熱型地熱資源年開采量折合標準煤415萬t，開采率僅為0.2%，可開發潛力巨大。

2.3.3 干熱巖

干熱巖是一種新興的地熱能源，一般溫度大于180 ℃，賦存于地下數千米，不含或含少量流體的高溫巖體。經初步測算, 地下3～10 km內干熱巖資源折合標準煤860萬億t，高于美國干熱巖資源的估算結果(570萬億t標準煤)。根據國際干熱巖標準，以其2%作為可開采資源量計，約為2015年全國能源總消耗量的4 000倍。

2007年中國能源研究協會完成了干熱巖靶區選取和潛力評價工作，2017年中國地質調查局在青海共和盆地鉆獲了井底溫度高達236 ℃的高溫干熱巖，取得了我國干熱型地熱資源勘查的突破。目前還有多項技術尚待攻克，例如如何保證裂隙連通、如何保證流量填充、如何實現可持續地熱資源提取技術，都是亟待解決的技術難題。但由于干熱巖資源潛力巨大，其在“雙碳”戰略背景下仍然是最具有潛力的戰略接替能源，受到各界高度關注。

3 “雙碳”戰略背景下的地下空間開發策略

在城市高質量發展需求的推動下，我國城市地下空間資源開發利用得以快速發展。截至“十三五”末，城市地下空間資源開發利用總面積達到24億m2，規模和發展速度居世界前列，但發展過程中出現了諸多問題，如： 地質結構以及對已有地下空間占用情況調查不足，導致地質災害事故、施工安全事故及環境污染事件； 缺乏總體規劃，導致無序、碎片化開發，造成資源浪費； 地下空間淺層占滿，中、深層利用不足； 相關法律法規不健全，權屬關系和責任主體不明，投資渠道單一等。在“雙碳”戰略目標這一具有劃時代意義的歷史背景下，要發揮城市地下空間推動城市低碳轉型、資源節約高效利用的功效，應圍繞“集約高效使用資源、提髙能源利用效率、減少污染和碳排放”系統解決方案的角度，提出以下開發利用策略。

3.1 工程建設轉向資源生態環境保護

地下空間作為城市建設新型國土資源，具有明顯的資源約束性和不可逆性，一旦實施開發建設，很難恢復到原有狀態。因此，地下空間資源的開發利用必須強化底線約束思維，筑牢對“第四國土”戰略資源的保護意識，杜絕隨意、無序開發和浪費，從而實現對地下空間資源生態環境的集約高效利用和保護。要實現此目標，需要貫徹生態保護優先理念，規劃引領，地質調查先行。立足城市地下空間資源稟賦和環境承載能力，加強生態安全評價、資源承載能力評價、工程建設適宜性評價等工作，建立系統完備的城市地下空間資源大數據系統，搭建城市地下空間資源基礎信息共享平臺，實現城市地下透明可視化，為合理一體化規劃布局地下空間、資源、能源、生態等的開發，增強區域地下空間開發的適宜性，保障地下空間資源全要素的安全、可持續利用奠定基礎[18]。在此基礎上，結合功能設置需求，對有利于節能減排層位空間和深層戰略發展空間的彈性預留，科學合理利用和加以保護。

3.2 平面擴張轉向地上地下協調發展

城市地下空間資源開發利用規劃須納入法定的城市國土空間總體規劃，實現城市地上地下空間的綜合規劃、統一部署、剛性約束、彈性預留。在新建區域貫徹“先地下、后地上”的開發建設時序，在已建成區實施“地下修復、優化利用”的開發利用方略，在限制和禁止開發區遵循紅線管制，確保地下戰略含水層等的生態安全。統籌地下空間的平面、豎向功能與地面空間的有機融合，倡導立體化、層次化、網絡化、系統化的地下空間開發模式，促進城市空間從平面發展到地上地下協調發展； 統籌各豎向層次的地下空間資源利用，優先安排市政基礎設施、地下交通、人防工程、應急防災設施，并對占地面積大的垃圾處理和轉運站、變電站、污水處理廠、倉儲、雨水調蓄等市政功能設施地下化，美化城市綠色生態環境，提升城市碳匯。

3.3 工程施工轉向低碳生態技術

隨著地下空間設施規模化快速化發展，地下空間資源的開發利用及建造技術日益完善。淺層地熱能、能源隧道熱交換技術日趨成熟，水熱型地熱資源的開發利用已形成可推廣應用模式，深層地熱能干熱巖勘查取得重大突破，地下空間挖掘技術、支護技術、防水技術、混凝土澆筑技術已形成完備的技術體系，這些技術突破為地下空間開發朝著綠色低碳方向轉型提供了強大的技術支撐。未來城市地下空間資源開發利用應加強工程施工技術與低碳生態技術融合發展，加強清潔能源、水資源循環利用、固廢回收和資源化利用、綠色建筑技術在地下空間資源開發建設中的推廣應用，以及太陽能、地源熱泵、中水處理等節能減耗技術在地下空間資源開發利用中的集成應用。鼓勵在城市更新項目中增加公共綠地、開放空間，探索建立城市生態用地的增存掛鉤式“綠色折抵”機制[19]，提升地下空間品質和節能減排效果。

3.4 單一資源開發轉向統籌復合利用

根據地下空間所承載的空間資源、水資源和地熱資源等，提出每種資源開發的優先級別和資源開發利用的分區、分層管制方法，統籌考慮地下空間資源的綜合價值和可持續性，引導其適時、適度、有序開發。當前，應加強對淺層地溫能和常規地熱方面的調查工作，摸清和評估城市地熱資源潛力、開發利用地質條件等，加大對干熱巖的地質調查及關鍵開采利用技術研究的投入力度，摸清富集區域地質條件，評估資源潛力，對有條件的可以設置開發先導試驗區進行開采技術集中攻關。

4 結語

由于城市地下空間具有自然資源屬性和人工建(構)筑物的功能屬性，資源開發潛力巨大。在“雙碳”戰略背景下，科學合理開發利用城市地下空間資源，不僅能夠解決城市地表土地資源緊缺、交通擁堵、環境污染、城市內澇等“大城市病”，而且在增加城市生態綠地，提升城市碳匯，降低能耗、儲碳固碳及防災減災方面功效顯著。特別是中國地下清潔能源地熱能資源稟賦良好，在現有技術條件下加強淺層地熱能、水熱型地熱等清潔能源的開發利用，可能大量替代化石能源，大幅減少CO2排放，對實施能源消費結構轉型的支撐作用明顯。

“雙碳”戰略背景下地下空間資源的開發利用策略，應重點圍繞“集約高效使用資源、提髙能源利用效率、減少污染和碳排放”系統解決方案，由工程建設轉向資源生態環境保護、平面擴張轉向地上地下協調發展、工程施工轉向低碳生態技術、單一資源開發轉向統籌復合利用。