城市地下多种地质资源开发的相互影响模式研究

周丹坤，李晓昭,*，马 岩，葛伟亚

1.南京大学地球科学与工程学院，南京210023；2.中国地质科学院地球深部探测中心，北京100037；3.中国地质调查局南京地质调查中心，南京210016

1 引言

通过开发利用城市下部空间来应对当今城市可持续发展面临的诸多挑战（土地资源供应紧张、环境污染严重和城市综合防灾能力薄弱等）已经成为国内外众多学者的共识（钱七虎，1998;Broere， 2016;Bobylev et al.,2016;王成善等，2019）。从地质资源的视角来看，城市地下普遍存在以下4种资源（Parriaux et al.,2004，2006;Li et al.,2016）：地下水 （Groundwater）、地下空间（Geospace）、地热能（Geothermal energy）和地质材料（Geomaterials）（图1）。地下空间可以用来容纳市政管线、停车场、交通隧道等城市基础设施设备；地下水为人们的生产、生活提供必要的水源；地热能作为一种清洁能源可以用作建筑物的供热制冷；由地下开挖产生的地质材料可以作为建筑材料使用。

由于城市地下的多种地质资源共存于同一地质环境系统，彼此之间相互联系，一种资源的开发可能会对其它资源的开发潜力产生显著影响。只着眼于某一资源的开发模式忽视了一体共生的其它资源或只将其视为影响某一资源开发的限制因素，从而导致资源的浪费、资源开发风险和资源开发诱发不良环境效应的问题日益严重。Blunier等（2007，2009）最早以多种资源的视角研究了城市地下地质资源开发之间的相互影响，成果体现在：（1）以矩阵表的形式归纳了城市地下4种地质资源开发之间的相互影响机制；（2）构建了一个地下空间和地下水开发相互作用的理论模型，将系统动力学的方法引入到地下多种地质资源相互影响的模拟预测中。张忠兴（2012）在随后的研究中构建了一个地下空间和地质材料相互作用的系统动力学模型。总的来看，相关方面的研究尚处于起步探索阶段。本文通过国内外文献的调研，以“模式图+影响机制+典型案例”的形式总结概化了城市地下多种地质资源相互影响的典型模式，并列举了一些多种地质资源协同开发的典型案例，以期为城市地下开发效益的最大化提供支撑。

2 城市地下普遍蕴藏的四种地质资源

2.1 地下空间

地下空间（Geospace，图2）是指蕴藏在地表之下地质体中的天然的或人工开发形成的具有一定体量的空间领域。其价值体现在（童林旭，2004）：（1）在不增加城市地表用地的情况下，增加城市容量，缓解地表土地、空间压力。为城市（基础设施市政、交通、仓储等）提供安置空间；（2）在战争和某些灾害情况下，增加城市韧性。提供应急避难场所，发挥防灾减灾的功效；（3）缓解不良气候环境对城市活动的影响。

2.2 地下水

图1 城市地下四种主要的地质资源Fig.1 Four major geological resources in urban underground

图2 地下空间Fig.2 Geospace

图3 地下水（据王大纯，1986）Fig.3 Groundwater

地下水（Groudwater，见图3）是地表以下储存在土体孔隙、岩体裂隙溶穴中的水资源。水是人们赖以生活和从事生产不可缺少的资源。地下水是水资源的重要组成部分。在干旱、半干旱的地区，地下水是主要的、有时甚至是唯一的可用水源（王玉平等，2000）。

2.3 浅层地热能

浅层地热能（Shallow geothermal energy，图4）是指蕴藏在地表以下一定深度范围内（一般为恒温带至200 m埋深）岩土体、地下水和地表水中，在当前技术经济条件下具有开发利用价值的热能，温度一般低于25℃（韩再生等，2007）。通过地源热泵技术可实现建筑物的供暖和制冷，地热能清洁环保可持续，开发利用前景广阔。

2.4 地质材料

地质材料（Geomaterials，图5）是指由于开挖地下而产生的岩土体材料。可直接被利用或经加工处理后成为工程建设或工业生产所需的材料。常见地质材料的类型及其用途见表1。

3 多种地质资源相互影响的典型模式

城市地下（200 m以浅）的多种地质资源共生共存于复杂的地质环境系统中，相互联系。某一资源开发往往会对其它资源的开发潜力产生影响。例如，地下空间资源的开发造成地下水流场、水质和水位的改变；地下水资源的开发对浅层地热能利用效率的影响；浅层地热能的利用（埋管式地源热泵）可能对地下空间资源的开发形成阻碍等。按照图6所示的分析思路，通过国内外文献调研，将城市地下多种地质资源相互影响的典型模式概化如下。

3.1 地下水和地下空间的相互影响

图4 浅层地热能Fig.4 Shallow geothermal energy

图5 地质材料Fig.5 Geomaterials

表1 常见地质材料的主要用途（据Přikryl et al.,2016）Table 1 Main uses of common geomaterials（modified after Přikryl et al.,2016）

地下水和地下空间开发的相互影响主要体现在：（1）地下空间的开发可能改变地下水的水位、水量、渗流路径和水质；（2）地下水向地下空间渗漏甚至涌突；（3）地下水对地下结构的浮托作用；（4）具有特殊离子（如Cl-和SO42-）的地下水对地下结构的腐蚀作用。二者之间典型的影响模式见表2。

图6 多种资源两两影响的分析思路④由于地质材料和地下空间的伴生性，地质材料资源同其它资源开发的相互影响可参考地下空间资源同其它资源开发的相互影响.Fig.6 Analysis of the influence of multiple resources

3.2 地下空间和浅层地热能的相互影响

地下空间和浅层地热能开发的相互影响主要体现在：（1）利用埋管式地源热泵系统开发浅层地热能和空间资源的开发在空间位置上的冲突；（2）布设在地下结构中的换热器所产生的热应力是否会影响地下结构的稳定性；（3）地下空间的开发可能对地下水造成影响，浅层地热能的利用效果又和地下水的动态息息相关（开式的地源热泵系统以地下水为换热介质），因此地下空间和浅层地热能还存在以地下水为中间媒介的间接影响。二者之间典型的影响模式见表3。

表2 地下水和地下空间的典型影响模式Table 2 Typical impact patterns between groundwater and geospace

3.3 浅层地热能和地下水的相互影响

浅层地热能和地下水开发的相互影响主要体现在：（1）地下水的动态变化影响浅层地热能的利用效率；（2）浅层地热能的利用可能引起地下水水位、水质、渗流路径的改变，并造成地下水的污染。二者之间典型的影响模式见表4。

4 多种地质资源相互影响的特征

通过上述分析，不难看出城市地下多种地质资源开发之间的影响具有以下特征：

（1）互馈性。城市地下某一资源与其它资源的影响往往不是单向的，而是互馈的（图7）。

（2）连锁性。城市地下某一资源的开发对其它资源造成的影响往往不只局限于两两资源之间，而是“牵一发而动全身”的连锁反应（图8）。

（3）动态变化性。城市地下多种资源开发的影响不是固定的，而是随着时间的积累、条件的改变（尤其是地下水的动态变化）而不断变化的。

发生在欧洲许多城市的现象就很典型（图9）：城市化的早期，城市的发展依靠前靠浅层含水层提供地下水资源，取用浅层地下水资源导致了地下水位的下降。一些地下基础设施兴建在介于当时的地下水位之上和初始地下水位之下的位置。伴随着城市化进程的继续，受污染的地表水和地下设施泄露等影响，之前被用作水源的含水层受到污染，不得不从城市中心转移到城市周边。结果城市中心的地下水位由于不再抽水而水位回升，导致一些地下基础设施被地下水淹没（Blunier et al.,2007）。巴塞罗纳的地铁维护每年因此需要抽排掉1200×104m3的水（Morris,1997）。

5 多种地质资源的协同开发

由于城市地下的多种资源一体共生，它们之间相互影响（甚至冲突）。也正是由于多种资源一体共生，为它们的协同开发提供了可能。现将国内外一些多种资源协同开发的案例整理如下。

5.1 能源地下结构—地下空间和浅层地热能的协同开发

能源地下结构（Energy Geostructures）是把开发浅层地热能所使用的换热器同地下工程的部分结构（如基坑围护墙、桩基、隧道衬砌等）相结合的一种建筑节能技术（夏才初等，2009）。在地下结构施工的同时安装换热回路系统，不需要再为置放换热器开展额外的开挖工程，减少了地源热泵的初期投资且节约了空间资源。

表3 地下空间和浅层地热能的典型影响模式Table 3 Typical impact patterns between geospace and shallow geothermal energy

表4 浅层地热能和地下水的典型影响模式Table 4 Typical impact patterns between shallow geothermal energy and groundwater

图7 地下空间和地下水开发的互馈影响Fig.7 Feedback effects of groundwater and geospace

图8 开发地下空间产生的连锁反应Fig.8 Chain reaction caused by the development of geospace

图9 城市化不同阶段地下水的动态变化Fig.9 Dynamicofgroundwaterin differentstagesofurbanization

位于奥地利维也纳的Lainzer隧道，在LT22段的施工过程中，把换热回路附着在土工布上置于隧道的两层衬砌之间（图10）。这种能源土工布可预制且易于安装，随后被应用于维也纳多个重大地下设施建设中，既不影响地下空间的照常使用，又可为邻近建筑物供暖制冷，实现了地下空间和浅层地热能的协同开发。

5.2 地下空间和地质材料的协同开发

地下空间与地质材料的开发具有天然的协同性。开挖地质材料形成地下空间，开挖地下空间产生地质材料。英格兰正在开展的Crossrail铁路工程，将在城市地下新建长达21 km的双隧道。这些隧道将从Paddington延伸到东部的Stratford和Canary Wharf。它将缓解东西方向上地铁线路（如Central and District线、Jubilee延长线、Piccadilly线中的Heathrow支线）的压力。同时，整个工程预计将开挖出700万吨地质材料，98%的地质材料将被回收利用，为伦敦及其东南部的自然保护区、娱乐设施、农业和工业用地带来新的生机。美国Missouri州的Kansas城，从19世纪后期开始开采这里的地质资源—灰岩，并遗留下废弃的矿井。到了20世纪50年代，矿业公司不再一味地只顾开挖岩体，而是在开采灰岩的同时，兼顾将采空区转变为将来可被利用的地下空间（图11）。开挖出的灰岩用于建筑物、道路的建设，以及玻璃、油漆、牙膏等化工产品的制作；开挖后的空间用于仓储，建造商业和工业园区②资料源自网络：www.progressiveengineer.com/features/businessunderground.htm.。如此一来，不仅不需要为采空区的处置投入额外的花费，而且将其转变为颇具价值的空间资源，实现了地质材料和地下空间开发双赢的局面。

图10 能源地下结构（引自Adam et al.,2009）Fig.10 Energy geostructures(after Adam et al.,2009)

图11 Kansas城开发灰岩所形成的地下空间Fig.11 Geospace formed by the development of limestone in Kansas city

5.3 水煤共采—地质材料和地下水的协同开发

国内某矿集团下组煤的开采普遍受到煤层底部奥陶系灰岩岩溶水的威胁，通过疏降水压保障安全开采是企业面临的重大课题。与此同时，集团下属的某煤化工公司正在快速发展，规划预计日需水量约8×104t。为解决煤化工产业对水资源的巨大需求，该公司在周边20 km范围内寻求水源地，但大多为松散层供水水源地。采用松散层供水具有供水水量难保证、对附近煤矿立井井壁稳定性构成潜在威胁、对浅层农业和生活用水及生态环境产生较大影响等隐患。通过一定的调控措施和技术手段后，将矿井降压疏水的水源供给煤化工项目，既治理了矿井水害，又为煤化工项目提供了水源，实现了地质材料和地下水的协同开发（Qiao et al.,2020）。

6 结论和展望

6.1 结论

本文在简要介绍城市地下4种地质资源属性的基础上，识别并概化了城市多种地质资源相互影响的典型模式和特征，并列举了一些多种地质资源协同开发的案例，形成的主要结论如下：

（1）城市地下多种地质资源开发的相互影响可以被概化为9种典型模式：①图片分别源自网络：www.acuus.org/index.php/2-home/60-news-november-2014；16sparrows.typepad.com/letterwritersalliance/2015/03/journey-to-subtropolis.html.地下空间的开发可能改变地下水的水位、水量、渗流路径和水质；②资料源自网络：www.progressiveengineer.com/features/businessunderground.htm.地下水向地下空间渗漏甚至涌突；③地下水对地下结构具有浮托作用；④具有特殊离子的地下水对地下结构的腐蚀作用；⑤利用埋管式地源热泵系统开发浅层地热能和地下空间资源的开发在空间位置上的冲突；⑥布设在地下结构中的换热器所产生的热应力可能会影响地下结构的稳定性；⑦地下空间和浅层地热能（开式的地源热泵系统以地下水为换热介质）存在以地下水为中间媒介的间接影响；⑧地下水的动态变化影响浅层地热能的利用效率；⑨浅层地热能的利用可能引起地下水水位、水质、渗流路径的改变，并造成地下水的污染。

（2）城市地下多种地质资源开发的影响具有互馈性、连锁性和动态变化性的特征。

（3）城市地下开发的观念需要从片面的满足“一时一己”之需的单一资源开发转变为全局的多资源兼顾的协同开发，从而实现城市地下多种地质资源的高效利用。

6.2 展望

对城市地下开发的决策者而言，不仅需要认识到地下多种地质资源相互影响的一般模式是怎样的，更为重要的，需要对资源开发相互影响的程度及其动态演化做出合理的预测，以便预先采取必要的调控措施。下一步研究中可选取典型城市，在充分查明区域地质条件的基础上，采用现场实验和数值模拟等手段，探索在特定地质结构下多种地质资源开发相互影响的分析方法，进而提出多种地质资源协同开发利用的对策建议。