城市地下多種地質資源開發(fā)的相互影響模式研究

周丹坤，李曉昭,*，馬 巖，葛偉亞

1.南京大學地球科學與工程學院，南京210023；2.中國地質科學院地球深部探測中心，北京100037；3.中國地質調查局南京地質調查中心，南京210016

1 引言

通過開發(fā)利用城市下部空間來應對當今城市可持續(xù)發(fā)展面臨的諸多挑戰(zhàn)（土地資源供應緊張、環(huán)境污染嚴重和城市綜合防災能力薄弱等）已經成為國內外眾多學者的共識（錢七虎，1998;Broere， 2016;Bobylev et al.,2016;王成善等，2019）。從地質資源的視角來看，城市地下普遍存在以下4種資源（Parriaux et al.,2004，2006;Li et al.,2016）：地下水 （Groundwater）、地下空間（Geospace）、地熱能（Geothermal energy）和地質材料（Geomaterials）（圖1）。地下空間可以用來容納市政管線、停車場、交通隧道等城市基礎設施設備；地下水為人們的生產、生活提供必要的水源；地熱能作為一種清潔能源可以用作建筑物的供熱制冷；由地下開挖產生的地質材料可以作為建筑材料使用。

由于城市地下的多種地質資源共存于同一地質環(huán)境系統，彼此之間相互聯系，一種資源的開發(fā)可能會對其它資源的開發(fā)潛力產生顯著影響。只著眼于某一資源的開發(fā)模式忽視了一體共生的其它資源或只將其視為影響某一資源開發(fā)的限制因素，從而導致資源的浪費、資源開發(fā)風險和資源開發(fā)誘發(fā)不良環(huán)境效應的問題日益嚴重。Blunier等（2007，2009）最早以多種資源的視角研究了城市地下地質資源開發(fā)之間的相互影響，成果體現在：（1）以矩陣表的形式歸納了城市地下4種地質資源開發(fā)之間的相互影響機制；（2）構建了一個地下空間和地下水開發(fā)相互作用的理論模型，將系統動力學的方法引入到地下多種地質資源相互影響的模擬預測中。張忠興（2012）在隨后的研究中構建了一個地下空間和地質材料相互作用的系統動力學模型。總的來看，相關方面的研究尚處于起步探索階段。本文通過國內外文獻的調研，以“模式圖+影響機制+典型案例”的形式總結概化了城市地下多種地質資源相互影響的典型模式，并列舉了一些多種地質資源協同開發(fā)的典型案例，以期為城市地下開發(fā)效益的最大化提供支撐。

2 城市地下普遍蘊藏的四種地質資源

2.1 地下空間

地下空間（Geospace，圖2）是指蘊藏在地表之下地質體中的天然的或人工開發(fā)形成的具有一定體量的空間領域。其價值體現在（童林旭，2004）：（1）在不增加城市地表用地的情況下，增加城市容量，緩解地表土地、空間壓力。為城市（基礎設施市政、交通、倉儲等）提供安置空間；（2）在戰(zhàn)爭和某些災害情況下，增加城市韌性。提供應急避難場所，發(fā)揮防災減災的功效；（3）緩解不良氣候環(huán)境對城市活動的影響。

2.2 地下水

圖1 城市地下四種主要的地質資源Fig.1 Four major geological resources in urban underground

圖2 地下空間Fig.2 Geospace

圖3 地下水（據王大純，1986）Fig.3 Groundwater

地下水（Groudwater，見圖3）是地表以下儲存在土體孔隙、巖體裂隙溶穴中的水資源。水是人們賴以生活和從事生產不可缺少的資源。地下水是水資源的重要組成部分。在干旱、半干旱的地區(qū)，地下水是主要的、有時甚至是唯一的可用水源（王玉平等，2000）。

2.3 淺層地熱能

淺層地熱能（Shallow geothermal energy，圖4）是指蘊藏在地表以下一定深度范圍內（一般為恒溫帶至200 m埋深）巖土體、地下水和地表水中，在當前技術經濟條件下具有開發(fā)利用價值的熱能，溫度一般低于25℃（韓再生等，2007）。通過地源熱泵技術可實現建筑物的供暖和制冷，地熱能清潔環(huán)保可持續(xù)，開發(fā)利用前景廣闊。

2.4 地質材料

地質材料（Geomaterials，圖5）是指由于開挖地下而產生的巖土體材料。可直接被利用或經加工處理后成為工程建設或工業(yè)生產所需的材料。常見地質材料的類型及其用途見表1。

3 多種地質資源相互影響的典型模式

城市地下（200 m以淺）的多種地質資源共生共存于復雜的地質環(huán)境系統中，相互聯系。某一資源開發(fā)往往會對其它資源的開發(fā)潛力產生影響。例如，地下空間資源的開發(fā)造成地下水流場、水質和水位的改變；地下水資源的開發(fā)對淺層地熱能利用效率的影響；淺層地熱能的利用（埋管式地源熱泵）可能對地下空間資源的開發(fā)形成阻礙等。按照圖6所示的分析思路，通過國內外文獻調研，將城市地下多種地質資源相互影響的典型模式概化如下。

3.1 地下水和地下空間的相互影響

圖4 淺層地熱能Fig.4 Shallow geothermal energy

圖5 地質材料Fig.5 Geomaterials

表1 常見地質材料的主要用途（據P?ikryl et al.,2016）Table 1 Main uses of common geomaterials（modified after P?ikryl et al.,2016）

地下水和地下空間開發(fā)的相互影響主要體現在：（1）地下空間的開發(fā)可能改變地下水的水位、水量、滲流路徑和水質；（2）地下水向地下空間滲漏甚至涌突；（3）地下水對地下結構的浮托作用；（4）具有特殊離子（如Cl-和SO42-）的地下水對地下結構的腐蝕作用。二者之間典型的影響模式見表2。

圖6 多種資源兩兩影響的分析思路④由于地質材料和地下空間的伴生性，地質材料資源同其它資源開發(fā)的相互影響可參考地下空間資源同其它資源開發(fā)的相互影響.Fig.6 Analysis of the influence of multiple resources

3.2 地下空間和淺層地熱能的相互影響

地下空間和淺層地熱能開發(fā)的相互影響主要體現在：（1）利用埋管式地源熱泵系統開發(fā)淺層地熱能和空間資源的開發(fā)在空間位置上的沖突；（2）布設在地下結構中的換熱器所產生的熱應力是否會影響地下結構的穩(wěn)定性；（3）地下空間的開發(fā)可能對地下水造成影響，淺層地熱能的利用效果又和地下水的動態(tài)息息相關（開式的地源熱泵系統以地下水為換熱介質），因此地下空間和淺層地熱能還存在以地下水為中間媒介的間接影響。二者之間典型的影響模式見表3。

表2 地下水和地下空間的典型影響模式Table 2 Typical impact patterns between groundwater and geospace

3.3 淺層地熱能和地下水的相互影響

淺層地熱能和地下水開發(fā)的相互影響主要體現在：（1）地下水的動態(tài)變化影響淺層地熱能的利用效率；（2）淺層地熱能的利用可能引起地下水水位、水質、滲流路徑的改變，并造成地下水的污染。二者之間典型的影響模式見表4。

4 多種地質資源相互影響的特征

通過上述分析，不難看出城市地下多種地質資源開發(fā)之間的影響具有以下特征：

（1）互饋性。城市地下某一資源與其它資源的影響往往不是單向的，而是互饋的（圖7）。

（2）連鎖性。城市地下某一資源的開發(fā)對其它資源造成的影響往往不只局限于兩兩資源之間，而是“牽一發(fā)而動全身”的連鎖反應（圖8）。

（3）動態(tài)變化性。城市地下多種資源開發(fā)的影響不是固定的，而是隨著時間的積累、條件的改變（尤其是地下水的動態(tài)變化）而不斷變化的。

發(fā)生在歐洲許多城市的現象就很典型（圖9）：城市化的早期，城市的發(fā)展依靠前靠淺層含水層提供地下水資源，取用淺層地下水資源導致了地下水位的下降。一些地下基礎設施興建在介于當時的地下水位之上和初始地下水位之下的位置。伴隨著城市化進程的繼續(xù)，受污染的地表水和地下設施泄露等影響，之前被用作水源的含水層受到污染，不得不從城市中心轉移到城市周邊。結果城市中心的地下水位由于不再抽水而水位回升，導致一些地下基礎設施被地下水淹沒（Blunier et al.,2007）。巴塞羅納的地鐵維護每年因此需要抽排掉1200×104m3的水（Morris,1997）。

5 多種地質資源的協同開發(fā)

由于城市地下的多種資源一體共生，它們之間相互影響（甚至沖突）。也正是由于多種資源一體共生，為它們的協同開發(fā)提供了可能。現將國內外一些多種資源協同開發(fā)的案例整理如下。

5.1 能源地下結構—地下空間和淺層地熱能的協同開發(fā)

能源地下結構（Energy Geostructures）是把開發(fā)淺層地熱能所使用的換熱器同地下工程的部分結構（如基坑圍護墻、樁基、隧道襯砌等）相結合的一種建筑節(jié)能技術（夏才初等，2009）。在地下結構施工的同時安裝換熱回路系統，不需要再為置放換熱器開展額外的開挖工程，減少了地源熱泵的初期投資且節(jié)約了空間資源。

表3 地下空間和淺層地熱能的典型影響模式Table 3 Typical impact patterns between geospace and shallow geothermal energy

表4 淺層地熱能和地下水的典型影響模式Table 4 Typical impact patterns between shallow geothermal energy and groundwater

圖7 地下空間和地下水開發(fā)的互饋影響Fig.7 Feedback effects of groundwater and geospace

圖8 開發(fā)地下空間產生的連鎖反應Fig.8 Chain reaction caused by the development of geospace

圖9 城市化不同階段地下水的動態(tài)變化Fig.9 Dynamicofgroundwaterin differentstagesofurbanization

位于奧地利維也納的Lainzer隧道，在LT22段的施工過程中，把換熱回路附著在土工布上置于隧道的兩層襯砌之間（圖10）。這種能源土工布可預制且易于安裝，隨后被應用于維也納多個重大地下設施建設中，既不影響地下空間的照常使用，又可為鄰近建筑物供暖制冷，實現了地下空間和淺層地熱能的協同開發(fā)。

5.2 地下空間和地質材料的協同開發(fā)

地下空間與地質材料的開發(fā)具有天然的協同性。開挖地質材料形成地下空間，開挖地下空間產生地質材料。英格蘭正在開展的Crossrail鐵路工程，將在城市地下新建長達21 km的雙隧道。這些隧道將從Paddington延伸到東部的Stratford和Canary Wharf。它將緩解東西方向上地鐵線路（如Central and District線、Jubilee延長線、Piccadilly線中的Heathrow支線）的壓力。同時，整個工程預計將開挖出700萬噸地質材料，98%的地質材料將被回收利用，為倫敦及其東南部的自然保護區(qū)、娛樂設施、農業(yè)和工業(yè)用地帶來新的生機。美國Missouri州的Kansas城，從19世紀后期開始開采這里的地質資源—灰?guī)r，并遺留下廢棄的礦井。到了20世紀50年代，礦業(yè)公司不再一味地只顧開挖巖體，而是在開采灰?guī)r的同時，兼顧將采空區(qū)轉變?yōu)閷砜杀焕玫牡叵驴臻g（圖11）。開挖出的灰?guī)r用于建筑物、道路的建設，以及玻璃、油漆、牙膏等化工產品的制作；開挖后的空間用于倉儲，建造商業(yè)和工業(yè)園區(qū)②資料源自網絡：www.progressiveengineer.com/features/businessunderground.htm.。如此一來，不僅不需要為采空區(qū)的處置投入額外的花費，而且將其轉變?yōu)轭H具價值的空間資源，實現了地質材料和地下空間開發(fā)雙贏的局面。

圖10 能源地下結構（引自Adam et al.,2009）Fig.10 Energy geostructures(after Adam et al.,2009)

圖11 Kansas城開發(fā)灰?guī)r所形成的地下空間Fig.11 Geospace formed by the development of limestone in Kansas city

5.3 水煤共采—地質材料和地下水的協同開發(fā)

國內某礦集團下組煤的開采普遍受到煤層底部奧陶系灰?guī)r巖溶水的威脅，通過疏降水壓保障安全開采是企業(yè)面臨的重大課題。與此同時，集團下屬的某煤化工公司正在快速發(fā)展，規(guī)劃預計日需水量約8×104t。為解決煤化工產業(yè)對水資源的巨大需求，該公司在周邊20 km范圍內尋求水源地，但大多為松散層供水水源地。采用松散層供水具有供水水量難保證、對附近煤礦立井井壁穩(wěn)定性構成潛在威脅、對淺層農業(yè)和生活用水及生態(tài)環(huán)境產生較大影響等隱患。通過一定的調控措施和技術手段后，將礦井降壓疏水的水源供給煤化工項目，既治理了礦井水害，又為煤化工項目提供了水源，實現了地質材料和地下水的協同開發(fā)（Qiao et al.,2020）。

6 結論和展望

6.1 結論

本文在簡要介紹城市地下4種地質資源屬性的基礎上，識別并概化了城市多種地質資源相互影響的典型模式和特征，并列舉了一些多種地質資源協同開發(fā)的案例，形成的主要結論如下：

（1）城市地下多種地質資源開發(fā)的相互影響可以被概化為9種典型模式：①圖片分別源自網絡：www.acuus.org/index.php/2-home/60-news-november-2014；16sparrows.typepad.com/letterwritersalliance/2015/03/journey-to-subtropolis.html.地下空間的開發(fā)可能改變地下水的水位、水量、滲流路徑和水質；②資料源自網絡：www.progressiveengineer.com/features/businessunderground.htm.地下水向地下空間滲漏甚至涌突；③地下水對地下結構具有浮托作用；④具有特殊離子的地下水對地下結構的腐蝕作用；⑤利用埋管式地源熱泵系統開發(fā)淺層地熱能和地下空間資源的開發(fā)在空間位置上的沖突；⑥布設在地下結構中的換熱器所產生的熱應力可能會影響地下結構的穩(wěn)定性；⑦地下空間和淺層地熱能（開式的地源熱泵系統以地下水為換熱介質）存在以地下水為中間媒介的間接影響；⑧地下水的動態(tài)變化影響淺層地熱能的利用效率；⑨淺層地熱能的利用可能引起地下水水位、水質、滲流路徑的改變，并造成地下水的污染。

（2）城市地下多種地質資源開發(fā)的影響具有互饋性、連鎖性和動態(tài)變化性的特征。

（3）城市地下開發(fā)的觀念需要從片面的滿足“一時一己”之需的單一資源開發(fā)轉變?yōu)槿值亩噘Y源兼顧的協同開發(fā)，從而實現城市地下多種地質資源的高效利用。

6.2 展望

對城市地下開發(fā)的決策者而言，不僅需要認識到地下多種地質資源相互影響的一般模式是怎樣的，更為重要的，需要對資源開發(fā)相互影響的程度及其動態(tài)演化做出合理的預測，以便預先采取必要的調控措施。下一步研究中可選取典型城市，在充分查明區(qū)域地質條件的基礎上，采用現場實驗和數值模擬等手段，探索在特定地質結構下多種地質資源開發(fā)相互影響的分析方法，進而提出多種地質資源協同開發(fā)利用的對策建議。