地下空间利用与深地生态圈

■ 谢和平

电影《流浪地球》中人类深居地下的场景会实现吗？中国工程院院士谢和平讲述：地下空间利用和深地生态圈的研究构想，一是地下空间的利用现状与趋势；二是地下城市空间的规划与建设研究；三是地下空间开发利用构想及关键技术；四是特殊地下空间开发利用，比如很多煤矿巷道开发了以后还能不能再利用？五是深地生态圈构建；六是深地医学。

一、地下空间利用现状与趋势

19世纪出现了百万人口城市，20世纪出现了千万人口的特大城市，21世纪尤其是发展中国家出现了数千万人口的巨型城市。现代城市正以摊大饼、高层化向着超大型、无边界化的方向发展。

到2150年，全球人口预计将达到150亿，现有耕地达到供养极限。届时，地球人有两个选择，一个是到地球以外的星球去，一个是到地球里面的地下空间去。到地下空间去，从本身来说是最安全最可靠的出处。地下空间开发利用，全世界都在研究，是世界性的前沿。

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。相对来说，传统地面空间的弊端是大气污染、自然灾害、宇宙辐射、全球变暖、人居环境恶化，而地下空间的独特优势是恒温恒湿、隔音隔震、天然抗自然灾害、低本底无辐射、环境清洁。这些地下空间的优势利用起来，可以让深地空间可能成为优于太空定居、应对未来地球灾害的人类移居方式。

还有地下资源，我国现在煤矿到了1100米。其实，地球固态矿产资源埋深可超过4万米。我国已探明的主要固体资源近70%分布在2000米深以下。比如地热资源，据研究，仅地壳最外层10公里范围内，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。如果计算地热能的总量，则相当于煤炭总储量的1.7亿倍，地热资源要比水利发电的潜力大1000倍。可供利用的地热能即使按1%计算，仅地下3公里以内可开发的热能，就相当于2.9万亿吨煤的能量。另外，铁矿、铜矿、铝土矿资源的70%也都在埋深2000米以下。

所以地下空间的综合利用在国际上很重视，已有很多国际组织，包括ITA（指国际隧道与地下空间协会，1974年成立，总部设在瑞士洛桑）、ACUUS（指国际地下空间联合研究中心，1996年成立，总部设在加拿大蒙特利尔城市学院）、ISTT（指国际非开挖技术协会，1986年成立，总部设在英国伦敦）都在研究地下空间利用。《东京宣言》（1991年城市地下空间国际学术会议通过），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。

习近平总书记在2016年“科技三会”（指全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协全国代表大会）指出，“从理论上讲，地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下1万米，目前世界先进水平勘探开采深度已达2500米至4000米，而我国大多小于500米，向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。”习近平总书记在2018年两院院士大会上强调“着力推进面向国家重大需求的战略高技术研究”、“载人深潜、深地探测、国产航母……等正在进入世界先进行列”。习近平总书记讲的不是科技战略，而是战略科技的问题。

现在我国将把深地开发作为国家战略，也将列入国家重大科技专项。其目标是，到2035年我国深地钻探到15000米（前苏联才12000米）；油气开采要到10000米，我们现在到了7000多米；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。现在要先进行预研。

目前国际上地下空间利用率大概30%，而我国仅有17%。国际上已有大量地下空间利用案例，大体分为四大类，分别是文娱服务、地下农业、地下医学、科教用地。我们来看一些案例。

一是文娱服务案例。比如1992年芬兰开发的Salina Turda地下公园，埋深120米，打造了一个含盐湿润空气的氧吧，地下公园常年恒温11～12℃，几乎没有任何过敏源和细菌，可以对呼吸道、肺结核等疾病进行疗养，就像氧吧一样。比如1950年波兰开发的维利奇卡盐矿，他们在地下130多米深的巷道深处建起了博物馆、餐厅、娱乐大厅和教堂，本地居民不到2万，每年却接待游客150万，芬兰1964年在盐矿211米深处开设了研究过敏性疾病的疗养所，1974年又建起了疗养院，供呼吸道疾病患者疗养治病。如1969年芬兰的Temppeliaukio地下岩石教堂，埋深7米；1993年赫尔辛基地下游泳池，埋深40米；2014年英国北威尔士的Liechwedd矿洞游乐场，埋深150米，这是在保温保湿环境下建成的世界最大的地下蹦床；1993年挪威的Gjovik体育馆，埋深25-55米，其中的冰球场可容纳5800人；1992年罗马尼亚的萨利纳·图尔达盐矿，埋深42米，作为文娱活动场所，主题公园内有小型高尔夫球场、摩天轮、游轮及盐浴温泉。还有1962年加拿大的Montreal地下城，最大埋深20余米，地下铁路系统有120多个出口，迎送50多万人流进出，是全世界最大的地下城。

二是地下农业案例。中国现在搞大棚农业，由于地下本身冬暖夏凉，比如2005年东京的PASONA O2地下温室农场，埋深7米，利用恒温在办公大楼地下二层创立自动化农业设施，天花板垂吊西红柿，会议室生长芬芳香草，大堂中心装饰着一片稻田。比如20世纪70年代前苏联乌克兰农业研究所利用废矿井，埋深约300米，试种蔬菜，用特制的水银灯代替太阳光，温室气候条件人为控制，一年多播多收，产量是地面的10倍以上，而地下温室建设成本只相当于地面的¼。比如2017年英国伦敦利用防空洞搞地下农场，埋深33米，LED被大量使用充当光源，水培技术能节省用水70%，完全不需要农药，植物不受季节、天气的影响，6到28天即可收获，因此打出了地下生长的品牌。

三是地下医学案例。如前面讲的波兰的盐矿医院以及乌克兰的Solotvyno地下盐矿医院，埋深300多米；还有乌兹别克斯坦的霍奇金洞穴，埋深30多米，对慢性阻塞性肺疾病治疗患者的细胞免疫力有明显提高。

四是科教用地案例。比如1983年美国明尼苏达大学土木采矿系的地下馆，埋深30余米，面积约14000平方米。比如新加坡拟建的JTC地下科技城，已经做了规划，要在西部科学园区地底打造相当于30层楼的地下科学城，供生医产业和生命科学使用，未来还可以容纳新增人口。比如2008年在瑞士建成运行的欧洲核子研究组织地下研究所，埋深92米，装置了大型强子对撞机。

青岛也做了地下空间规划，目标是到2030年“地下青岛”初具规模，到2050年“地下青岛”基本形成。还有未来的“地下成都”，按照编制完成的《成都地下空间利用规划》，成都将形成“638”格局的全新空间体系。包括6个重点开发的区域、38个重点开发的节点，总体来讲是浅层（0米至-10米）、中层（-10米到-30米）、深层（-30米以下）的总体规划。像雄安新区的规划就是一个未来城市的规划。

总体来看，当前地下空间的开发利用大多停留在单一功能、局部区域的相对粗放阶段，少有考虑与地面及区域经济的协调发展，尚未形成科学规划、绿色构建的可持续态势。这种粗放阶段的地下空间开发基本上是被动的，比如说防空洞，是不得不搞防空洞，比如说地铁、管网，是不得不下沉，未来应该是主动式开发。

主动式开发就要做到科学化、综合化、生态化、深层化、信息化开发。科学化是要统一布局，科学合理规划地面地下一体化、生态地下城市。综合化是要统一规划交通、物流、商业、地下房地产、医院、游乐园、科学实验等地下综合体。生态化是要形成独立的深地自循环生态系统，环境友好开发，构建一个宜居、稳定、新型的多层地下生态城市。深层化是不同分层规划对应功能的结构物，深层开发，分层管理，互不干扰，构建地下立体城市，深度将从当前的百米以内向千米量级不断延伸。信息化就是建立完善的物联网系统，构建真正的高科技地下智慧宜居城市。

我在2017年发表的文章（参见《地下生态城市与深地生态圈战略构想及其关键技术展望》，岩石力学与工程学报，2017）中提出了一个地下空间开发构想。这个开发构想是：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米以深是深地科学实验室、深地固态资源液态化开采。这是我讲的地下空间利用现状与趋势。

二、地下空间利用规划与建设研究

如何建设地下城市呢？地下城市规划与建设应遵循五大原则：一是生态圈构建和自循环原则；二是废旧利用、开发与保护统一原则；三是地上与地下协调的系统化立体开发原则；四是平战、平灾结合原则；五是近期与远期呼应的可持续发展原则。

中国要以工程全生命周期为理念，工程全生命周期过程包括投资决策、策划、设计、施工、验收、维护、拆除、报废处理、再生，在此理念基础上，采用先进的信息技术对基础设施进行智能化、智慧化的维护管理成为当前关注的焦点，地下城市的规划与建设也要遵循这一理念。

三、地下空间开发利用构想及关键技术

在地下空间开发利用上，我提出了深地发展的5个时代概念构想，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。

深地开发的1.0时代。防空洞、兵工厂、储备库、地铁、地下商场、地下停车场都是某种功能性需求的局部开发；

2.0时代就是地下城市，包括一个完整的、宜居的生态城市的构想，要生成模拟阳光，要有自循环水泵及空气智能重生系统，城市各功能区彼此间要设置安全隔离层，在能源供给上相互联系，在空间结构上相互独立；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，当然也包括人造阳光、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，煤就不用上来了，即“地上无煤、井下无人”，搞深部原位流态化开采，直接无人化、智能化开采，采、选、冶炼、充填、发电、气化都在地下空间处理，也没有污染，没有排放了。我在几年前已经给出了液态化开采的学术定义。到了5.0时代，煤炭是世界上最高新技术的产业。

地下空间是怎样呢？举个例子，地下巷道开采是机器人巡逻，无人机巡视，机器人检查，机器人作业，未来矿山是这样的地下空间。我们未来的煤炭，我们矿业大学的发展，未来是这个方向。利用煤粉爆炸、瓦斯爆炸产生的能量，很小体积在3000米深部原位就发电了，出来的就是电、氢气、液化炭，不是煤了。目前，我的博士生团队正在做这项探索预研。

中国煤矿未来的美好前景是这样的。现在是2.0时代，到5.0时代可能还得几十年上百年，但我们可以想象未来的趋势和美好的前景及预期。

关键技术方面，已经形成了若干成果，这里也不展开讲了。由于受特有构成空间的条件限制，地下空间一旦开发利用之后，要进行改造相对困难，因此必须进行开发建设全周期的研究评价和中长期的规划及分析预测。现在的关键问题是技术，各方面的技术问题，依然要发展理论和技术，很多都是未知的。搞矿要研究这个，构建地下宜居的生态城市，其中生态系统是关键。生态圈的构建原理、技术和理论现在还没有，所以要探索这个东西。

四、特殊地下空间利用

特殊地下空间指的是采矿的特殊地下空间的开发利用，首次提出了特殊地下空间开发利用的判识指标、空间估算、开发模式和开发案例。

一是判识指标。比如把煤炭挖完以后，怎么识别现在的矿井能不能用？我们给出了定性指标和定量指标，定性指标包括交通便利性、围岩稳定性、系统安全性、技术复杂性四项，定量指标包括经济效应和开发潜力两项。同时满足上述指标可判识为特殊地下空间可利用。

二是空间估算。煤矿挖了几十年，还要挖，地下空间有多少呢？据统计，现有煤矿地下空间约139亿立方，到2030年达到241亿立方，长度约160万千米，可绕赤道40圈。如此巨大的地下巷道空间，从来没有想过用，一般是挖完煤就不管了。

三是开发模式。国外改造和利用废气矿井呈现多种用途和形式。主要作用，一是作为核废料处置的基地，核废料处置必须封存1万年以上。二是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。地下恒温恒湿，地下农业活动不受季节影响，经济效益是地面传统农业的5倍以上。如果废弃矿井离城市很近，还可以搞井筒式小型智能化地下停车库。另外还可以搞地下抽水储能发电，我们的井下1000多米深，三峡大坝的落差才350米，地下500米落差都有可能，我把地下1000米的水调到地下500米，落差就接近500米，需要的时候储能发电。还可以搞压缩空气储能发电站，搞地下污水处理厂，中国香港把地面污水处理都放到了地下。还可以搞地下酒店，搞景观旅游以及原位实验室，像韩国的暗物质实验室就在矿井700米以下的地方。比如北京规定不挖煤了，北京的煤矿3年之内全都关停。关停以后过去投资的上千亿设备资产一下归零，地下水上涨，首都水位就受到污染。所以煤矿关停并转以后，能不能把地下空间用起来？2017年我专门写信，说北京不挖煤可以，但希望不封停，把地下空间利用起来，我提出可以利用京西五大煤矿得天独厚的地下空间优势，煤矿关了以后，地面地下统一规划，地面搞青山绿水风景区、学院教育培训区、旅游度假区、运动休闲区、高科技园区，地下搞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。我的建议受到了国家重视，国家后来批了3个亿专项资金进行改造，目前已启动第一期工程，希望把它打造成全国煤矿关闭以后开发利用示范区，打造成科技研发总部和地下空间研发实验基地。

五、深地生态圈的构建

地下空间的开发利用能不能像地面一样有阳光、空气、水循环，很舒适呢？深地生态圈能不能构建出来是地下空间开发利用的关键和前提，这方面也是国际上探索性的课题。

什么叫生态圈？生态圈目前有陆地生态圈、大气生态圈、海洋生态圈。海洋生态圈，海洋有植物、动物，海洋不管有多深，多多少少有氧气，只是氧气的程度不同，越深氧气越少。地下有没有生态圈？地下怎么构建生态圈？这是科学问题。搞地下空间研究要朝着这个方向。

DCO（国际深碳观测联合会）通过长达10年的研究，发现70%的细菌微生物都在地下，地下生态圈比地面多得多。GFZ（指德国波茨坦地学研究中心）钻孔研究发现地下500米深的地方有微生物的细胞、细菌，大家想一下，它们在地下没有宇宙射线，没有阳光，没有空气，没有其他的物质情况下，怎么能生存下来？微生物细胞往往在1秒钟以内完成整个生命周期，能量哪儿来？生命为什么存在？怎么找到这些微生物？怎么培养它？这都是人类探寻的奥秘。

如何构建地下生态圈？美国在1987年就有这个计划，在亚利桑那州建立生物圈2号，但2014年宣布失败，不再做了。现在是从原理、机理上去探索。构建生态圈有五个要素：阳光、空气、水、资源储备、生态环境。怎么构建？阳光现在好办，包括人造太阳、LED等方式都可以模拟阳光。你想巴黎300多米深的地铁站是人造阳光、空气。空气是必须的，怎么利用人类、动物、二氧化碳、植物、空气的次循环体系，构建城市地下空间这样一个管道体系进行调整。还有地下水，这个好办，地下水怎么用？怎么循环？这是关键。然后是地下资源，可以形成地下储油库、地下粮仓、地下水库、地下数据中心。

核心就是地下生态圈怎么构建？深地生态圈是实现大规模城市地下迁移的可持续发展前提，其构建理论和关键技术尚处于概念阶段。

通过系统研究，把深地生态圈生成分为六个步骤：一是深地能量源与生态圈生物量关联机制。这方面要探索深地生态因子（声、光、电、热）对不同的陆生生态系统、湿地生态系统中植物光合效率的影响极其分子成因，要探究深地高光合效率与生物产量的分子机制，为最终在深地生产农作物产品（植物工厂构建）提供理论依据。二是地下生态圈碳、氧、氮、硫、磷等各种元素智能重生和循环规律。这方面我们都有一些构想和技术路线，要让人类需要的元素在地下形成。三是地下生态圈岩石土质化的生物与地球化学过程。反之，陆地上的岩石是在亿万年前由沙子、土沉积形成的，那能不能用生物膜侵蚀把岩石还原成土质化呢？在四川西部，岩石土质化以后可以进行植被种植。四是地下生态圈植被多样性选培与演替规律。五是地下生态圈湿地生态系统构建与演替规律。地下怎么形成湿地？六是地下生态圈水平衡及自净规律。生态圈构建以后，地下和地面就是生态平衡体系，地下和地面一样的舒适，一样的环境条件，在地下冬暖夏凉，又安全，还能长寿，还能治特殊的疾病，那样的话，谁不愿意到地下去呢？

六、深地医学研究构想与进展

所以我认为生态圈的构建很重要，在那里人能不能长寿呢？就要研究深地医学。

2015年我提出深地医学的概念，什么叫做深地医学？我们就找地方进行研究。我在煤炭部门干过，煤矿我很熟，因为煤矿都有瓦斯，我做实验培养细胞，瓦斯爆炸怎么办？我只能选金属矿，金属矿没有瓦斯。但金属矿中的铅矿、铜矿、锡矿、铝矿，这些矿种本身就有化学性，培养细胞没有用，必须选黄金矿。黄金矿选在了东北夹皮沟金矿，就是《林海雪原》电影拍的那个地方，那个矿挖到1500米深，2017年12月我们完成了深地医学研究基地及地下实验室建设，开始进行实验，这是我国首次开展的深地医学研究。

在地下1470米的地方，和地面同一环境、同一条件地培养细胞，看它有什么不同？实验发现，在地下1470米细胞生长缓慢，细胞生长减缓的这个曲线被初步验证了。

如果细胞生长缓慢了，小孩正在长身体，那就不适合去。但是如果退休的人在里面新陈代谢减缓了，是否可以长寿了呢？如果得了绝症病治不好了，到里面去也可以延长多少年。如果深入研究下去能得到这个普适结论，那就太有意义了，因为地下的低宇宙射线和低本底环境（指无放射无太阳宇宙射线等纯净环境）对人体的新陈代谢减慢，细胞生长减慢还确实是很有意义的。

矿业领域过去只关心成本、效益、技术、装备，不怎么关心矿工。地表到地下气压不一样、温度不一样，空气里面的含量不一样、各种化学成素不一样，对矿工的心理、肌理和生理都会有影响。我们专门调查了平顶山矿务局，不同深度的矿工在睡眠、出冷汗、头疼、肌肉疼、口干都有不同的表现。所以不同深度有好处，也有不好的地方。不好的地方怎么排除？有益的地方怎么发展？如何提高深地医学的研究？这都是要深入研究的。我们深地医学研究团队在国际环境与健康权威杂志《Environment International》上发表了深地医学方面的文章，在国际上引起强烈的反响。

下一步准备在地下2400米深的地方搞一个集装箱，研究生命体的成长过程。在夹皮沟准备筹建深地医学综合实验大楼，增加5个不同深度层位研究测点，研究开展不同深度深地环境对细胞、生物及人体的影响，探索新的规律。如果这个研究能取得好的结果，未来地下空间是一块宝地，未来很多地下空间资源就可以充分发挥出来。