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首页>>视点>>专家访谈>> “地下城”怎么建,深地空间研究有答案

       《流浪地球》里的人们居住在地底的“地下城”,未来,“地下城”并不会只存在于科幻片中,科学家目前正在开展的深地空间研究就在探讨“地下城”怎么建。记者近日采访了中国工程院院士、深圳大学深地科学与绿色能源研究院院长谢和平,请他从科学角度描绘未来地下空间生存图景。

  “地下城”是世界性的前沿科学研究

  “对深地空间开发利用并不只是科幻,而是全世界都在研究的科研项目,是世界性的前沿科研话题。”谢和平说,对地下空间的综合利用在国际上非常受重视,已有很多国际组织都在研究地下空间利用。这些国际组织包括1974年成立的国际隧道与地下空间协会(ITA)、1996年成立的国际地下空间联合研究中心(ACUUS)、1986年成立的国际非开挖技术协会(ISTT)等。1991年城市地下空间国际学术会议通过的《东京宣言》还曾强调“21世纪是人类开发利用地下空间的世纪”,预测未来有1/3的人会在地下空间开发利用居住。

  据谢和平介绍,目前国际上已有不少科学开发利用地下空间的案例。例如,芬兰建成了一个地下公园,将深入地下120米的空间打造成含盐湿润空气的氧吧,常年恒温11℃~12℃,几乎没有任何过敏源和细菌,可以对患呼吸道、肺结核等疾病的病人进行疗养。2014年建成的位于英国北威尔士的矿洞游乐场,在地下150米,拥有保温保湿环境下世界最大的地下蹦床。

  还有很多国家也在尝试开发地下空间,例如,新加坡打算建造的一个地下科技城,已经做了规划,要在西部科学园区地下打造相当于30层楼的地下科学城,供生物医药产业和生命科学使用,未来还可以容纳新增人口。

  “一个城市的总面积不只是地面面积,应该把地面面积乘以开发深度的40%才是一个城市总的利用空间。这些地下空间具有恒温恒湿、隔音隔震、天然抗自然灾害、低本底辐射、环境清洁等独特优势。”谢和平说,将这些地下空间的优势利用起来,可以开展地下医学研究和治疗,例如乌兹别克斯坦的霍奇金洞穴,可以提高慢性阻塞性肺疾病患者的细胞免疫力;还可以开展相关的科研活动,例如欧洲的大型强子对撞机就在地下92米处。“如果开展更多的探索利用,还可能在未来让深地空间成为优于太空定居、应对未来地球灾害的人类移居方式。”谢和平说。

  未来“地下城”该怎么建设

  未来“地下城”该怎么建设呢?谢和平介绍说自己近日在《煤炭学报》发表的学术文章,提出他关于“地下城”5.0版建设的战略构想和科研论证。按照这个构想:地下0~50米是地下轨道交通、管网系统及避难设施,地下50~100米是地下宜居城市,地下100~500米是地下农业、地下医学与地下生态圈以及战略资源储备,地下500~2000米是地下能源循环带、地下抽水储能、压缩空气发电站、地下热能等调储利用,地下2000米以上是深地科学实验室、深地固态资源液态化开采。

  “关于深地空间开发利用,我提出了5个时代概念的构想,这包括被动式地下空间利用的1.0时代,科学开发地下空间及地下生态城市的2.0时代,深地生态圈构建的3.0时代,深地科学实验室和深地空间舱的4.0时代,深地固态资源液态化开采的5.0时代。”谢和平说。

  深地开发的1.0时代就是建造防空洞、储备库、地铁、地下商场、地下停车场等。2.0时代会有完整的、宜居的生态城市,要有阳光、自循环水泵及空气智能重生系统。3.0时代就要有生态、环境的地下空间利用,构建地下生态圈的环境,这包括人造阳光、生态植被、深地农牧业、水与生态自循环体系等。4.0时代要开展深地不同深度原位科学实验,构建深部物理学、生物学、医学、岩石力学理论体系,为人类向地球深部进军奠定理论基础。

  5.0时代需要发明盾构式采、选、充、气化、发电一体化技术与装备,将固态资源直接转变为液态、气态和电能。到那个时候,地下巷道开采有无人机和机器人巡逻、检查、作业。利用煤粉爆炸、瓦斯爆炸产生的能量,在地下3000米深部原位发电,输送到地面上的将是电、氢气、液化炭,而不是固体资源,并要构建深部原位生态绿色低碳的自循环开发利用体系。“目前,我所带领的博士团队正在做这方面的探索预研。”谢和平说。

  迈入“地下城”2.0时代

  据谢和平介绍,地球固态矿产资源埋深可超过40千米,我国已探明的铁矿、铜矿、铝土矿资源70%都在2千米以下。以地热资源为例,仅地壳最外层10千米范围内,就拥有1254亿焦热量,相当于全世界现产煤炭总发热量的2000倍。

  目前,我国已将深地开发列入国家重大科技专项,要全面提升深地工程科学和技术的水平和能力,力争到2035年深地钻要达15000米;油气开采要到10000米;地热开发到6000米,固态资源开采到3000米,地下空间工程到1000米。

  “目前国际上地下空间利用率大概是30%,而我们国家仅有17%。”谢和平说,随着我国深地开发战略的开展,这些地下空间如何合理开发利用,是“现在要先进行预研的国家重大战略科研项目”。

  “以煤矿为例,我国现有煤矿地下空间约139亿立方米,到2030年预计将达到241亿立方米,长度约160万千米,可绕赤道40圈。如此巨大的地下巷道空间,该如何利用呢?”谢和平介绍说,国外改造和利用废气矿井呈现多种用途和形式。例如利用地热发展地下农业,诺丁汉大学的学者们正在考虑使用自然存在于矿井中的地热把15万个废弃煤矿改造成地下农场。

  “要知道地下本身就是冬暖夏凉,地下温室建设成本只相当于地面大棚农业的1/4。”谢和平说,2017年,英国伦敦就利用地下33米处的防空洞建造地下农场,以LED灯为光源,水培技术能节水70%,完全不需要农药,植物生长不受季节、天气的影响,6到28天可收获,成功推出了地下农产品品牌。

  “还有建造井筒式小型智能化地下停车库、地下抽水储能发电、压缩空气储能发电站等都是地下空间利用可以尝试的方式。”谢和平说,另外还可以建造地下污水处理厂,例如香港就计划把地面污水处理都放到了地下;还可以建造地下酒店,开展景观旅游以及地下原位实验室,例如,韩国的暗物质实验室就在矿井700米以下的地方。

  在深地空间利用方面,我国也开始了一些探索。目前北京的京西五大煤矿第一期改造工程已经启动。谢和平介绍说,按照规划,地面是青山绿水风景区、学院教育培训区、旅游度假区、运动休闲区、高科技园区,地下将会被开发成煤矿井下安全生产培训实践区、地下生态景观体验区、地下农业种植区,深地科学探索区。“我们希望把它打造成全国煤矿的开发利用示范区,打造成科技研发总部和地下空间研发实验基地。”谢和平说。在他看来,关于“地下城”建设,“现在刚刚进入2.0时代,到5.0时代可能还得几十年甚至上百年,但我们可以想象未来的趋势和美好的前景。”

指导机构:中华人民共和国住房和城乡建设部科学技术委员会    中华人民共和国自然资源部科技专家咨询委员会
主办机构:中国国际城市化发展战略研究委员会
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