【干货】地下生态城市与深地生态圈战略构想及其关键技术展望

文中讲述了对于当今地下空间利用的前景及情况以及对于未来城市地下空间该如何开发建设，并提出了开发需遵循的五大原则、深地发展的五个阶段，其次介绍了开发建设的有关技术展望，最后提出了战略实施路线以及致谢。

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摘要

现代城市正以超高层和摊大饼式发展，容易造成环境污染、资源短缺、交通拥堵、房价高企等城市综合性症，严重制约城市化健康发展。21世纪是人类开发利用地下空间的世纪，然而当前主要停留在单一功能、无序化、局部区域被动式相对粗放开发阶段，难以实现当代城市的可持续发展。未来地下空间开发、利用总体上将由被动式转为主动式的科学化、生态化、综合化、深层化和信息化发展，提出地下空间开发必须遵守的基本原则，以及深地发展1.0～5.0时代的不同阶段、不同层次开发顶级构想及深地发展战略蓝图。基于深地空间独特的环境清洁、隔音隔震、天然抗灾、低本底无辐射、恒温恒湿等优势，提出集深地生态圈、深地多元能源生成及循环体系、深地废料无害化处理与存储系统于一体的自平衡多层地下生态城市空间利用及其相关颠覆性技术构想，构建深地人类定居、养生、生产、科学研究全链条生态圈及地下生态城市，实现向地下要空间，向深地要资源。从根本上缓解人口规模的激增与城市地面空间资源相对短缺之间的矛盾，是人类未来实现可持续发展的重要举措。

文章选自《岩石力学与工程学报》 2017年第6期，侵删。

作者 · 单位

谢和平1，高明忠2，张  茹2，徐  恒3，4，王勇威5，邓建辉2

(1. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都  610065；

2. 四川大学 水利水电学院，四川 成都  610065；

3. 四川大学 生命科学学院，四川 成都  610065；

4. 四川大学 生物资源与生态环境教育部重点实验室，四川 成都  610065；

5. 山东省建筑科学研究院，山东 济南  250031)

关键词

地下工程；地下生态城市；地下空间开发；地下空间利用；深地生态圈；深地科学

1 引言

世界人口增长、浅部资源逐渐枯竭，给人类可持续发展带来前所未有的挑战。19世纪出现100万人口的大型城市，20世纪出现了1000万人口的特大城市，21世纪则以发展中国家为主出现了巨型城市。现代城市正以超高层和摊大饼式发展，容易造成环境污染、资源短缺、交通拥堵、房价高企等城市综合性症，严重制约城市化健康发展。世界各国纷纷开始探索向地下要空间，一个城市的可开发利用地下空间资源量一般是城市的总面积乘以开发深度的40%，地下空间的综合安全利用是城市走可持续发展道路的重要途径。地下空间的综合利用也引起了国际上相关专家与组织的重视，1991年在日本东京举办的第四届Associated Research Centers for the Urban Underground Space(ACUUS)国际地下空间大会《东京宣言》认为：19世纪是桥的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪是开发利用地下空间的世纪。国际学者预测21世纪末将有1/3人工作生活在地下空间。地下空间开发利用得到越来越多的重视，被一致公认为是构建城市可持续发展和支撑国家核心战略意义的重要部分。

新加坡地狭人稠，2013年报道有意在地下打造相当于30层楼的科学城，把购物中心、运输枢纽、人行道、自行车道移往地下，大量科学技术探讨了新加坡地下空间开发的过去、现在和未来，并提出新加坡可能的地下空间利用策略。日本同样国土狭窄，山地、丘陵和平原面积分别占国土总面积的65%，11%和24%，人口密度在超过5000万人口的国家中位列第二，不得不把发展目光投向地下，世界最长的青函海底隧道早在1988年就建成，地下街快速发展，26个城市中建有146处地下街。同时兴建大量的地下共同沟，规划21世纪达526km。香港平均每平方公里有6千多人，是全世界人口密度最高的地区之一，政府组织完成了“善用香港地下空间可行性研究”课题。已规划包括500多万m2的地下室和诸多地下交通、市政、商业、储藏等设施。香港政府多年来致力于发展先进的地下市政设施，所完成的地下污水处理厂、地下废物转运站、地下水库、地下蓄洪池以及雨水排放隧道等项目既满足了功能要求，又节约了地面土地，堪称地下空间开发的典范。波兰也较早开始探索地下空间利用，主要以开发矿产矿床和热能为主，认为未来地下空间利用趋势是废物存储，也将一些地下矿洞改造成地下教堂。欧美地下空间利用也相对起步较早，如芬兰赫尔辛基人口密度达2789人/km2，自1960年以来一直致力于大规模利用地下空间，地下空间已达千万立方米，涵盖停车场、体育设施、石油和煤炭仓库、地铁等，平均每100m2地面面积即有1m2的地下空间。

我国改革开放后，经济的高速发展促进了城市化水平的快速提高，由1978年的17.92%提高到2010年的49.68%。随着我国城市化进程的加快，大部分城市都出现了城市人口暴增、土地资源紧张、绿地面积减少、交通拥堵、环境污染、环境质量下降等问题，形成一系列的“城市综合症”，制约了城市的进一步健康发展。科学家瞄准绿色环保的地下空间，分析了中国的地下空间开发存在的问题和发展趋势。1997年10月27日建设部颁布了《城市地下空间开发利用管理规定》，为合理开发城市地下空间资源提供了法律依据。以北京为例，目前北京地下空间建成面积已达到3000万m2，并以平均每年300万m2的建筑面积增加。到目前为止，已有北京、上海、重庆等20多个城市编制了城市地下空间专项规划，有效地规范了城市地下空间开发利用。根据建设部《城市地下空间开发利用管理规划》的要求，到2010年，中国100万以上人口的城市均要完成城市地下空间专项规划的编制，使大城市地下空间开发利用有计划、有步骤地进行。上海于1998年10月成立了“城市地下空间研究发展中心”，直接指导上海地下空间开发利用的实践，对上海市建设与发展潜在的地下空间相关问题进行超前研究。2011年市政技术报道上海地下空间已超5000万m2，并超前探索了地下空间导入生态元素技术[30-33]。青岛竖向规划设计分为浅层(0～10m)、中层(10～30m)、次深层及深层(30m以上)，分层实施规划控制。规划总体设计2020年基本形成地下空间开发利用合理有序的格局，2030年“地下青岛”初具规模，2050年“地下青岛”基本形成。

总体上，目前城市地下空间的利用主要集中在地下停车场、地铁等交通设施，地下商城、水下游乐馆等商业设施，人民防空、抵御自然灾害、地下军事指挥中心等人防及军事工程，地下油库等仓储设施等方面，其中超过32%以上被用于交通，8%以上被用于公共设施。不同城市占比也有很大的不同，例如东京城市地下空间利用中交通占56.7%，而巴黎只有24.1%。然而，这些城市地下空间的利用均属于土地不足的被动式、短暂型、局部范围的粗放式开发，以地下浅层部分(深度＜40m)为主，大深度地下空间(特别是深度＞100m)鲜有报道。随着地下空间开发利用步伐的加快，地下浅层空间开发殆尽，同时地下资源开采后地下空间却被闲置，如截止2016年，我国重点煤矿掘进总进尺可以达到833.8万m，如开采后直接填埋，造成了极大的地下空间资源浪费。

地下空间与地面相比，地下空间具有无大气污染、抗灾害能力强、隔音、恒温、恒湿等特性，向“深地”进发，综合开发地下生态城市空间新型资源是解决当今城市人口、资源、环境三大危机的重要举措。2016年5月30日，习近平总书记在全国科技创新大会、中国科学院第十八次院士大会和中国工程院第十三次院士大会、中国科学技术协会第九次全国代表大会上发表重要讲话，提出向地球深部进军的战略科技问题。深地科学成为继深海、深空、深蓝之后我国科研技术领域未来发展的又一重大战略方向。深地空间资源开发与利用已成为人类活动的未来趋势，也是人类可持续发展的主要途径。因此，急需探索科学利用地下空间、地热、地下水资源与生态资源、构建深地自循环生态系统的深地科学理论与技术体系，建设全新的地下生态宜居城市。

2 地下空间利用模式现状

当前地下空间利用已趋于多样化，开发相对完善的是地下商业圈建筑群，通过地面建筑与地下交通连接，构建大面积地下商城及各种配套娱乐消费设施。同时，在医疗、农业等领域均已开展了部分研究与试验，一定程度上在节约城市土地的同时改善了居民生活质量。

2.1 地下医疗

地下医疗是利用地下空间环境某些固有特性的医学效应改善、治愈人类疾病的地下场所。如喀斯特洞穴、盐矿洞穴、放射性热洞等。二战时，德国安提帕图市的居民一直使用天然克鲁特卡斯特洞穴作为防空洞，卡尔·赫尔曼(Karl Hermann Spannagelf)博士经过长期调查研究发现洞穴对支气管哮喘、慢性支气管炎和百日咳等都有疗效。1843年，波兰医生波奇考斯基(Bochkowsky)发现维耶利奇卡盐矿洞穴(Wieliezka)中矿工很少患肺结核或呼吸系统疾病，认为空气中饱和的盐粒是主要的治疗因素，有了盐矿医疗概念。比较著名的乌克兰索罗特维盐矿9号井筒(见图1)，位于地下大约300m，是世界上最深的洞穴治疗场所。地下盐矿中的微气候环境温度、湿度和离子成分稳定，细菌丛和过敏原缺失，高负电荷的干燥氯化钠气溶胶微粒极易进入末梢支气管、肺泡，能促进黏液纤毛的廓清作用，同时刺激肺泡巨噬因子的增加及其吞噬活性。因此，对哮喘、气管炎、鼻炎咽炎、支气管炎治疗有积极效果。

当前人类对地下岩石圈尚处于探索阶段，仍不能完全认识大自然的固有特性以及对人体的影响机制。埋深1400m的意大利拉奎拉市LNGS地下国家实验室中研究人员发现，深地低辐射环境中细胞生长发育减缓，这也许会使得长期居住于深地环境的人类长寿。因此，不断认识大自然的过程，或许会有益于人类健康的不同医疗特效的地下空间功能被发现。

2.1 地下农业

伦敦南部约地面30m以下的二战遗留防空洞，战后一直未被使用，后被改造成为供应“绿色食品”的地下农场(见图2[52])，采用LED照明替代地下“阳光”，其深度保证了地下农场的温度稳定维持在16℃，蔬菜可全年生长，无需担忧季节变换、干旱等问题。农场是封闭的无尘环境，害虫无渠道进抵，所以完全不用施放农药。特别设计的通风系统、技术领先的光照系统和设计精巧的灌溉系统，保证了整个种植过程的环保节能。地下农场的目标是在对环境零影响的前提下生产农产品，所用的能源均是绿色能源。地下农场每月能源支付费用只有3000～4000英镑，约是地面温室栽种的1/2。

前苏联乌克兰农业研究所利用废弃矿井试种蔬菜，获得了稳定高产。由于地下坑道是天然温室，植物呼吸作用产生的二氧化碳和光合作用所需的二氧化碳循环利用，并控制植物生长所需要的空气压力，用特制的水银灯代替太阳光，从而实现温室气候条件的人为控制。一年中多播多收，产量是地面的10倍以上。该试验的成功也为地下农场的发展奠定了一定基础。

地下农场是地下生态圈构建的主要部分，一方面吸收二氧化碳排出氧气供生物呼吸，另一方面为人类提供了绿色健康食品。同时，光合作用需要的阳光，可采用人工智能控制方式，根据不同植物所需的阳光波长，择优选择光谱，不受地面四季限制，确保地下农场的健康发展，彻底摆脱地面靠天吃饭的老大难问题。

2.1 地下城市

大面积地下商业建筑是目前城市地下空间开发、规划和经营较为完善，且和地面联系密切的主要形式。随着地下空间的快速发展，依附于此的地下经济在发达国家已经非常普遍而且规模较大、管理体系成熟。典型的代表有加拿大蒙特利尔地下城、拟建新加坡地下城以及日本的地下广场等。

2.3.1加拿大地下城

蒙特利尔以其对地下空间的利用而著称于世，据统计蒙特利尔地下城长达30km，被连接起来的60多个建筑群面积达到了360万m2。近2000家店铺通过这种方式连为一体，其中包括小商店、大型百货商店、餐厅、电影院、剧院、展览厅等(见图3[55])，此外还有可停放1万辆汽车的停车场。每天通过这一地下网络的人数超过50万。蒙特利尔的地下网络距地面相对较近，这样地下建筑与地上部分之间的联系也因此增强。所有地下城出口设有自动升降梯，地下城的长廊里摆有各种地下特种的花草树木。蒙特利尔的地下城有抵御寒冷气候的作用，更重要的价值在于城市土地的集约利用，城市功能的多样化以及更高的城市安全性和宜人性，实现了城市交通的快速、大运量和立体化，提高了城市的环境质量，为人口高密度城市实现三维立体发展提供了有益启示。

2.3.2拟建新加坡地下城

新加坡地面建筑已高达70层，国土有1/5属于海埔新生地。受到气候暖化海平面上升的影响，填海造陆也有一定限制。土地发展濒临极限，开发地下成为释放空间的重要选项。因此，新加坡正动工兴建巨型地下储油槽，完工后将释出184000m2土地，同时考虑在西部的科学园区地底打造相当于30层楼的科学城(见图4[19])，预计可容纳4200名科学家和研究员。新加坡国家发展部部长许文远表示，考虑把购物和运输中心、水电厂、人行、单车道移往地下。其研究的十个地下空间发展用途分别为发电厂、焚化厂、水供应回收厂、垃圾掩埋厂、蓄水池、仓库、港口和机场后勤设施、资料中心等，在技术层面已被论证是可行的。

2.3.3日本地下广场

日本大阪的大规模的地下商城，除和蒙特利尔、多伦多相似的商业购物建筑外，日本地下建筑比较独具一格的是不同风格的地下广场，其中地下街中心的彩虹广场兼有2000多支可以射高3m的喷泉，主题鲜明的地下广场把人类非凡的想象力扩展至地下(见图5[56])。

3 地下空间利用与地下生态城市建设构想

现有城市地下空间利用相对浅，少有考虑构建完整的地下生态圈，无法解决地下城市中阳光、空气、洁净水等人类长期生存所必须的基本条件，大大制约了地下空间的发展前景。未来地下空间开发、利用总体上将由被动式转为主动式的科学化、生态化、综合化、深层化和信息化发展。本文提出未来地下空间开发必须遵循的5大原则，以及深地发展1.0～5.0时代的不同阶段、不同层次开发顶级构想及深地发展战略蓝图。

3.1未来地下空间开发必须遵循的原则

为科学开发、充分利用地下空间，提出未来地下空间开发必须遵循的5大原则：生态圈构建与自循环原则；废旧利用、开发与保护统一原则；地上与地下协调，系统化立体开发原则；平战、平灾结合原则和远期与近期呼应，可持续发展原则。

(1)生态圈构建与自循环原则主要指构建深地模拟阳光、生态空气、洁净水、生态植被以及深地农场的生态圈，实现阳光、空气、水的自制备、自循环；生态功能是地下城市中重要的组成部分，也是提升城市生活质量重要一环，地下城市的规划、建设和运维管理都应在完善生态功能的前提下进行。深地植被、景观可与现代生态农业相结合，充分发挥地下空间恒温恒湿优势的同时，调节微气候。

(2)废旧利用、开发与保护统一原则：深地城市的综合开发以充分利用废弃矿井、废旧人民防空设施、天然岩洞为主。对于废弃矿区中的巷道、竖井以及其他构筑物，在进行规划设计时，应首先考虑其潜在的使用价值，不能盲目拆除和重建。充分利用地下水资源和地下清洁能源，构建深地多元能源生成及循环体系；构建深地废料(气)无害化处理与存储系统，实现地下城市水、电、气、暖自供自足，最终实现地下城市的自生成、自调节、自循环、自平衡。地下建筑的开发要利用岩(土)体的特性，充分发挥其结构主体、功能主体和装饰主体作用，开发窑洞式地下房地产。

(3)地上与地下协调，系统化立体开发原则：地下城市的地上出入口，地上换气口，地上交通枢纽、市政基础设施、物流系统等的地下出口应该实现地上、地下配合，协调一致。地下空间纵向布局和横向设计要统一规划，立体布局。尤其是地下交通体系，地下供水系统，地下能源供应体系，地下排水及污水处理系统，地下生活垃圾的清除、处理和回收利用系统以及地下综合管线廊道的建设一定要综合化、系统化、空间化考虑，要有前瞻性。地下公共空间、地下交通空间、地下市政基础设施空间的水平规划建设要充分考虑区域地质、水文条件以及原有巷道、构建物条件，确定布局、走向或者循环系统。

    (4)平战、平灾结合原则：平时以旅游观光、休闲、探险、体验采矿和农产品种植等生活休养以及医疗疗养为主；生态农业以种植附加值高的经济作物为主。战时、灾时以避难、避灾为主，生态农业转为粮食作物为主。地下建立储油库、储冷库、储热库等能源储库，米面、瓜果蔬菜等粮食储库，新鲜花卉、药品药剂等经济储库以及地下数据库、地下图书馆、地下博物馆、地下指挥中心等设施，既解决平时地下城市日常生活供养以及地上城市补充供应问题，又为战时、灾时做准备。

   (5)远期与近期呼应，可持续发展原则：地下空间是一种不可逆的自然资源，一旦开发，便不可复原，开发利用一定要慎重，既要有近期价值，更要有远期考虑。地下城市规划建设中绿色发展主线要贯彻全链条(规划、设计、施工、验收、运维)、全领域(覆盖社区、城区、城市以及整个地上地下空间)、全寿命周期(绿色产品，可以循环利用)。地下城市的建设要绿色化、信息化、智能化发展，最终实现可持续性发展。

3.2深地发展战略构想

    地下空间开发与利用，应当有规划、有步骤、有秩序的循序渐进开展，本文提出深地发展1.0～5.0时代的不同阶段、不同层次开发顶级构想及深地发展战略蓝图。

(1)深地发展1.0：被动的、局部的、功能单一的地下空间利用
地面土地面积不足，为满足某种功能需求，在局部范围内开发利用地下空间。如地下轨道交通，1863年世界上首条地下铁路运输系统在英国伦敦投入运营，1971年我国在北京开通了国内第一条地铁。二战期间，为了保证军事设施的隐蔽性和防止来自空中的军事袭击，有关国家修建了大量军用地下兵工厂与地下防空洞。可见，目前对于城市地下空间开发仅仅停留在空间的扩展，并没有主动构建宜居的、绿色的人居环境，仍属被动开发，形式用途较为单一，转为主动建设地下城市对于国家城市发展具有重大战略意义。

(2)深地发展2.0：充分利用地下空间优势，主动建设地下城市
考虑地下空间独特的环境条件，如清洁、隔音隔震、天然抗灾、低本底无辐射、恒温恒湿等环境优势，突破深地大气循环、能源供应、生态重构等瓶颈，提出集深地生态圈、深地多元能源生成及循环体系、深地废料(气)无害化处理与存储系统于一体的自平衡多层地下生态城市空间利用及其相关颠覆性技术构想，主动式的科学化、生态化、综合化构建深地人类定居、生产、制造、科学研究全链条地下生态城市。

(3)深地发展3.0：探索地下生态圈，构建绿色、生态、健康地下宜居城市
构建深地宜居生态圈，打造深地生态景观，探索深地能量源(人造太阳、地热)与生态圈生物量关联机制，深地生态圈碳、氧、氮、硫智能重生与循环规律，深地生态圈岩石土质化的生物与地球化学过程，深地生态圈植被多样性选培与演替规律，深地生态圈湿地生态系统构建与演替规律，深地生态圈水平衡及自净规律，构建深地模拟阳光、生态空气、洁净水、生态植被以及深地农场等深地独立生态圈，实现温控与微气候调节；开展深地岩石化学对人体生理健康影响、增压效应对生命和细胞的影响、深地物种高能生命周期研究。

(4)深地发展4.0：深地科学实验室与深地空间舱
针对世界重大工程的前沿基础研究(如地下能源开采与存储、页岩气开发、CO2封存、核废料地质处置、地震监测等)深部原位岩体非线性力学基础及超常本构、微生物生命能量溯源、深地医学等人类活动未来走向地球深部必须面对而且需要优先探索的前沿科学问题，充分利用深地增压效应、三无环境(无宇宙射线、无太阳光、无氧气)、三有(高温、高压、高湿)等特殊的实验环境条件，深化地下空间利用的科学研究性，探索深地科学基本规律特征，构建深地科学实验室，开展深地科学探索，储备深地科学规律与理论知识。

(5)深地发展5.0：实现固体资源流态化开采
基于深地基础科学问题的探索，提出深地资源流态化开采的颠覆性科学构想，实现深地固体资源高效开采的技术性变革。突破流态化开采的地质保障、精准导航、过程控制技术、低排放燃煤发电以及煤炭快速液化等基础性技术，探索深部原位实现流态化开采涉及的一体化装备集成、采–选–充一体化、燃爆发电、导控气化等关键性技术，从而全面实现深地固体流态化全过程智能控制、科学采矿开拓布局以及一体化技术集成与工程示范。

当前已全面启动深地发展2.0时代，提出未来地下城市发展构想(见图6)，构建地下人类定居、生产、制造、科学研究全链条生态圈，实现向地下要空间、向地下要资源的愿景构想。

(1)＜50m：地下轨道交通系统及避难设施。作为地面城市的补充，构建地下立体交通网络，与地面车行交通道路相联系，通过“空中步道系统”将人行道互相连接，形成了“多层城市”的立体模式，实现城市规模的竖向延伸，解放地面交通压力。构筑地下停车库、商城、医院，设计地下避难设施，在火灾，地震、战事等特殊条件下确保人类安全。

(2)50～100m：地下宜居城市。突破深地大气循环、能源供应、生态重构等瓶颈，建设地下宜居生态城市，包括地下房地产、公园、生态瀑布、医院、养老院、体育馆、游乐场等。引入模拟阳光、深地地热转换与空气循环系统、地下储能与水电调蓄系统、地下水库及地下生态植被系统和通讯网络，形成独立的深地自循环生态系统。在深部纵向和横向设计覆盖整个地下空间的交通网络，用于地下城市大型建筑的联通，方便整个地下城市的构建。设计并搭建地下城市物联网并建立统一的数据架构和数据模型；创建地下城市大数据库；研究大数据环境下多源信息融合技术，为建立地下智慧城市奠定基础，提出地下城市宜居环境的参数化、定量化评估方法，构建新型地下生态宜居城市。

(3)100～500m：地下生态圈及战略资源储备。探索地下农业、地下畜牧业、地下渔业等地下生态带构建技术，形成非生物部分、生产者、消费者、分解者的全链条生态系统，实现生物群落与无机环境的统一，作为城市生态系统的补充与扩展。同时，地储油库、深地种子库及粮仓、深地水库、深地数据中心等，从能源安全、信息安全角度确保深地生态城市的可持续运行与国家安全。

(4)500～2000m：地下能源循环带。地下生态城市与地面存在高落差，蕴含丰富的水能资源，修建深地抽水蓄能发电站，将深部地下水在电能过剩时抽取到高处的抽水蓄能电站蓄水池，电能紧缺时利用水头差进行水力发电，实现深地空间的储水、蓄能、发电，最大程度利用深地可再生水利资源，解决地下生态城市的能源供给问题。综合深地增强型地热转换与储存、深地高落差势地下水库(蓄能调节)及水力发电技术，构建多元能源生成、蓄能、调节与自循环系统。

(5)＞2000m：深地科学实验室，深地固态资源流态化开采。针对深地特殊环境，构建深地科学实验室进行大规模深地科学探索研究，如深地岩石力学、深地地震学以及能源储存、地热利用等一系列科学前沿探索性问题。探索深地固态资源流态化开采新技术。

4 地下生态城市与深地生态圈构建

关键技术展望地下生态城市是一个相对封闭的空间，其核心在于构建一个能实现能量自平衡的相对独立生态圈。因此，构建地下生态城市需突破深地生态圈、深地多元能源生成及循环体系、深地废料(气)无害化处理与存储系统等关键技术，实现深地大气循环、能源供应、生态重构等关键技术，确保地下生态城市安全可持续运行。

4.1深地生态圈

生态学100多年的探索和发展主要集中在地面，90年代后期形成地下生态学。地下生态学从不同学科层次探索地下部分的结构、功能、过程以及与地上部分的关系，研究对象包括植物根系、地下动物和土壤微生物，地下生态学成为21世纪生态学的重要发展方向。广义的生态圈包括陆地范围的自然生态圈与涵盖深海领域的海洋生态圈。基于地下生态学，提出建立深地生态圈的颠覆性构想，具体包括无生命的自然环境(物质和能量)、生产者、消费者、分解者，各部分之间相互依存，相互制约，相生相克。深地生态圈构建核心关键是解决阳光、生态空气、洁净水、生态植被以及能量自循环。拟首先在100m左右建立深地生态圈地下试验场，探索：

(1)深地能量源(人造太阳、地热)与生态圈生物量关联机制；

(2)深地生态圈碳、氧、氮智能重生与循环规律；

(3)深地生态圈岩石土质化的生物与地球化学过程；

(4)深地生态圈湿地生态系统构建与演替规律；

(5)深地生态圈水平衡及自净规律。

为深地生态圈的构建奠定理论与技术基础，从而给出深地生态圈全链条解决方案。

4.1.1模拟阳光

阳光的主要作用有人体本质需求与植物的光合作用，同时也是一切能量的源泉，在生态圈的作用不可替代。实现途径包括：

(1)引入稳态磁约束聚变——人造太阳；

(2)利用瑞利散射原理构建模拟阳光；

(3)采用“远程天窗”技术，突破光纤技术将日光引入地下空间，保留光合作用需要的波长，满足地下植物生长需要，实现零紫外线友好环境，如位于纽约曼哈顿下东区德莱塞伊大街的电车站(见图7[59])；

(4)利用LED充当光源进行光合作用，例如位于伦敦地铁北线克拉珀姆北站的地下隧道内的地下农场。

通过光线调节，实现温控、微气候调节和昼夜控制等，建设零紫外线的环保型无排放科学阳光城。同时，也可通过地下模拟阳光探索深地生态因子(声、光、电、热)对不同湿地生态系统中植物光合效率的影响及其分子成因，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。

4.1.2空气智能重生技术

由管网引入地面一定量的洁净大气，构建地下空气成份智能调控循环系统，通过植被自然与人工调控吸收二氧化碳与空气成份，动态调整、智能平衡地下空气成分(氧气、二氧化碳、氮气等)，使地下空气的各组份含量达到动态平衡。一方面引入地下景观植物与地下生态农场，完成植物的自然光合作用，吸收二氧化碳产生氧气；另一方面，研发蓝藻等二氧化碳高转换率植物来大量吸收二氧化碳生成氧气，或通过大体量人工合成氧气等方式平衡空气中的氧气和二氧化碳的含量，实现地下空气的碳、氧动态平衡(见图8)。

4.1.3洁净水自循环系统

首先，探清深地圈层水位、水量和水质时空特征，计算不同圈层水环境自净容量，分析深地圈层水源供补与排泄的动态平衡关系，构建水平衡模型，预测评估人为扰动下深地层水的短暂的正负均衡规律。其次，构建地下抽水蓄能电站，提升深层地下水、或收集地表雨水至抽水蓄能电站的蓄水库，利用水头差进行水力发电，尾水经处理后供生活用水或植物灌溉。该技术既可以发挥地下水库的地下水调蓄功能，又能进行电能调蓄。最后，构建湿地生态系统，对植物进行灌溉，发挥湿地的蓄水、净化功能，可将一定量的生活、生产污水进行处理、净化，实现地下洁净水自循环(见图9[60])。

4.1.4地下生态植被

作为生产者维持深地生态圈的物质能量循环有重要作用。在深地岩石圈，首先探索岩石土质化理论与方法，揭示先锋生物膜侵蚀成土机制。其次，寻求适合深地温度、超重、人工光照等条件下的地下植被类型、物种。通过研究植物与大气、水、土壤的能量交换与物质循环过程，分析植被与环境的相互作用关系、气候对植被的影响以及植被对微气候的反馈作用。分析植物多样性和丰度对深地水土保持作用，研究深地植物生态系统的群落结构及其演替和植被构建过程，最终建立起深地植被生态系统。

4.2深地多元清洁能源生成、调蓄和循环技术

能源自平衡是构建地下生态城市必须要解决的关键问题。深地资源包含许多的可再生清洁能源，通过研究深地增强型地热转换与储存技术、深地高落差地下水库(蓄能调节)及水力发电技术和深地微生物制氢发电技术，合理开发利用多元清洁能源，构建一整套完善的深地多元清洁能源生成、调蓄和循环系统。

4.2.1深地增强型地热转换与储存技术

常规地温梯度一般达到(2℃～3℃)/100m[10]，深地空间赋存丰富的地热资源。在现有国际干热岩发电技术的基础上，引入增强型地热系统(见图10[62])，通过注入井注入水在地下连通裂隙带实现循环，水与岩体接触被加热，生产井将加热水回收，形成一个热水型地热循环闭式回路[63]。深地增强型地热具有资源量大、安全环保、热能连续性好、发电成本较低等显著优势。

4.2.2深地高落差地下水库

含水层在地下普遍存在，深地水资源也是深地清洁能源的重要组成部分，发展深地高落差地下水库(蓄能调节)及水力发电技术对地下生态城市的运行同样具有重大战略意义。目前国内外的深地高落差地下水库(蓄能调节)发电系统多是利用煤炭与金属矿产资源开采过程中形成的废弃井巷空间，经过科学合理的改造后建成地下抽水蓄能发电站，在用电低峰时，利用电网过剩的电力驱动水泵，将下库地下水抽送到上库，用电高峰时，上库的水自动流入下库，通过发电机将水的位势能转化为电能，并输送回电网(见图11[64])。

地下生态城市与地面存在高落差，蕴含丰富的水能资源，修建深地抽水蓄能发电站，将深部地下水在电能过剩时抽取到高处的抽水蓄能电站蓄水池，电能紧缺时利用水头差进行水力发电，实现深地空间的储水、蓄能、发电，最大程度利用深地可再生水利资源，解决地下生态城市的能源供给问题。

4.2.3其他深地能源转换技术

除常规的深地能源外，随着深地生态圈理论与技术的完善，清洁循环生物质能源优势凸显，利用深地微生物代谢废弃物制氢、制甲烷发电技术成为可持续发展的重点，微生物在处理降解深地生活废弃物同时，可以产生大量氢气、甲烷气等能源，这些能源燃烧发电后产生的水、CO2可以服务于深地生态圈，从而构建整个环保型自循环生态系统，为解决地下能源问题提供更多的方向和可能性。

通过对上述深地多元清洁能源综合开发利用技术的构想与展望，可望形成一整套完善的深地多元清洁能源生成、调蓄和循环系统，可为地下生态城市的绿色构建及可持续发展服务，有效解决地下生态城市的能源供给问题，对于我国达成向“深地”进发的战略目标具有重大科学意义。

4.3深地废料无害化处理、转化利用及永久处置技术

随着城市的 64 48875 64 31324 0 0 6249 0 0:00:07 0:00:05 0:00:02 6489发展和人民生活水平的提高，现代城市面临着垃圾围城、空气质量恶化、地表及地下水体污染等严重环境问题，地下生态城市作为地面城市的延伸，也将面临同样的困难，相对而言地下生态城市属于一个小型生态圈，其自身的循环和净化能力相对于地面城市来说更加脆弱，本文提出深地废料无害化处理、转化利用及永久处置技术，一定程度上可确保地下生态城市排放的零生态损害。地下生态城市深地废料按照其形态可以分为固、液、气3类，对于不同形态的废料将采取不同的处置方法。

对于固体废料处理，构建深地生活垃圾无害化处理系统。借鉴日本以及欧洲一些国家的做法，执行严格的垃圾分类制度。例如日本通常将垃圾分为4类：一般垃圾、可燃性资源垃圾、不燃性资源垃圾、可破碎处理的大件垃圾。对于可回收的垃圾，由专业的部门进行回收再利用；对于不可回收垃圾可以用堆肥处理、封闭式高温处理、深地填埋处理等高科技措施。对于液体废料，基于地下污水处理站，所有的液体废料和地下渗水经过污水管道汇集，经过预处理、二级处理以及污泥处理等步骤，使水质达到循环利用的标准，实现新一轮的循环利用。对于气体废料通过CO2捕捉及高效转换等措施，实现O2到CO2再到O2这一循环过程。同时通过空气收集与净化系统，过滤、净化、平衡地下空间内各组份气体，保持地下空间内空气清新。深地废料无害化处理、转化利用及永久处置技术的终极目标是实现深地生态城市的供需自平衡。

5 结论

随着我国城市化进程的加快，日益增长的人口与城市生存空间的矛盾逐渐加剧，相比于城市向高空的拓展，地下空间以其明显的优势而成为城市可持续发展的必然选择。地下生态城市的构建是城市地下空间利用的重要方向，是我国未来城市可持续发展的一个重要途径。基于地下生态城市的颠覆性建设构想，提出“2025基础研究、2035技术攻关、2050集成示范”的战略实施路线，即：

2016～2025年，深地能量源(人造太阳、地热)、地下生态圈生命元素循环规律、地下生态圈岩石土质化的生物与地球化学过程、深地多元能源生成及循环体系等基础研究阶段。

2026～2035年，地下生态圈陆地生态系统构建与演替规律、地下生态圈湿地生态系统构建与演替规律、地下生态圈水平衡及自净规律、深地废料(气)无害化处理与存储系统等技术攻关阶段。

2036～2050年，深地生态圈集成示范，建立集深地生态圈、深地多元能源生成及循环体系、深地废料(气)无害化处理与存储系统于一体的自平衡多层地下生态城市示范区，实现地下空间利用最大化，使深地空间成为优于太空移民定居、应对未来地球灾害的人类移居方式。

致谢 本文形成过程中，很多学者如德国克劳斯塔尔工业大学侯正猛教授，澳大利亚蒙纳士大学赵坚教授，四川大学刘世喜教授、赵云教授、余江副教授、刘吉峰博士等参与讨论并提出建议，在此一并致谢。

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来源：《岩石力学与工程学报》

编辑：言五

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