蘇州市區(qū)多種地下地質(zhì)資源協(xié)同開(kāi)發(fā)利用研究

瞿婧晶,龔緒龍,梅芹芹,郭慧,張其琪,毛磊

1) 自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,210018;2) 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,南京,210018

內(nèi)容提要:地下空間、地下水、淺層地?zé)崮芎偷刭|(zhì)材料是重要的地下地質(zhì)資源,協(xié)同開(kāi)發(fā)利用是大勢(shì)所趨。蘇州既是歷史文化名城又是現(xiàn)代國(guó)際化大都市,城市發(fā)展至今對(duì)地下地質(zhì)資源的需求相當(dāng)迫切。通過(guò)對(duì)蘇州各類地下地質(zhì)資源的的識(shí)別分析,表明其具備分別開(kāi)發(fā)地下空間、地下水、淺層地?zé)崮芎偷刭|(zhì)材料資源的能力。若多種資源協(xié)同開(kāi)發(fā),平面上開(kāi)發(fā)利用條件較好,豎向尺度地下淺層到次深層適宜地下空間和地質(zhì)材料的協(xié)同開(kāi)發(fā),而深層適宜以淺層地?zé)崮転橹鞯膮f(xié)同開(kāi)發(fā)。結(jié)合蘇州國(guó)土空間發(fā)展格局和地下資源的優(yōu)勢(shì)分布特征,城鎮(zhèn)空間建議采取“地下空間+淺層地?zé)崮堋钡膮f(xié)同利用模式;農(nóng)業(yè)空間建議采取以“淺層地?zé)崮堋睘橹鞯膮f(xié)同利用模式;生態(tài)空間予以生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

地下地質(zhì)資源協(xié)同利用作為一種對(duì)地下地質(zhì)資源(包含空間和實(shí)體)開(kāi)發(fā)利用的新理念,近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注(Li Xiaozhao et al., 2013;葛偉亞等,2021)。協(xié)同開(kāi)發(fā)利用就是從生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā),通過(guò)協(xié)調(diào)兩種或兩種以上的地下地質(zhì)資源,構(gòu)建系統(tǒng)的資源調(diào)配體系,從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)有序的資源開(kāi)發(fā)利用格局。對(duì)緩解當(dāng)下城市快速發(fā)展過(guò)程中城市群結(jié)構(gòu)和空間布局急需優(yōu)化、城市發(fā)展空間亟待向地下拓展、水土污染和地質(zhì)災(zāi)害急需風(fēng)險(xiǎn)管控等問(wèn)題具有重要的意義。

普遍存在的地下地質(zhì)資源主要包括地下空間、地下水、淺層地?zé)崮芎偷刭|(zhì)材料資源。它們共存于一個(gè)地下地質(zhì)環(huán)境中,彼此相互聯(lián)系又相互制約,以往單一的模式進(jìn)行開(kāi)發(fā),往往會(huì)對(duì)其他資源和環(huán)境產(chǎn)生不良影響,還易對(duì)后期的發(fā)展構(gòu)成障礙(Cano-Hurtado et al., 1999)。比如地下空間和淺層地?zé)崮茉谕瑫r(shí)開(kāi)發(fā)時(shí)可能存在空間位置沖突,地下空間的開(kāi)發(fā)可能造成地下水的水位、水量、水質(zhì)以及滲流路徑的改變,地下水或者淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用可能影響到地下空間的結(jié)構(gòu)安全等。因此應(yīng)該發(fā)揮全局意識(shí),順應(yīng)發(fā)展需要,科學(xué)合理的協(xié)同開(kāi)發(fā)多種地下地質(zhì)資源。對(duì)此,張忠興(2012)、Li Xiaozhao等(2016)、王田丁(2019)、周丹坤(2020a,2020b)、楊梅芳(2020)等認(rèn)識(shí)到查明地下地質(zhì)資源間相互作用關(guān)系是協(xié)調(diào)和協(xié)同發(fā)展地下地質(zhì)資源的基礎(chǔ),嘗試識(shí)別并概化了多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用相互影響機(jī)制,總結(jié)了協(xié)同開(kāi)發(fā)的典型案例,提出了協(xié)同利用的探索性方案,強(qiáng)調(diào)了對(duì)資源的綜合開(kāi)發(fā)。范曉秋(2018)從規(guī)劃編制和管理的角度提出了地下空間協(xié)同發(fā)展的建議。趙鵬(2022)總結(jié)了地下地質(zhì)資源的相互影響特征,并基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)地下地質(zhì)資源的相互作用進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)?？傮w來(lái)說(shuō),目前協(xié)同利用研究以理論分析為主,尚處于初步探索階段。當(dāng)下城市發(fā)展處于重要戰(zhàn)略機(jī)遇期,開(kāi)發(fā)利用地下地質(zhì)資源是大勢(shì)所趨。

蘇州,有著“人間天堂“的美譽(yù),經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人口稠密,人口密度達(dá)1473人/km2,城鎮(zhèn)化率達(dá)81.93%,地上發(fā)展空間幾乎飽和,國(guó)土空間優(yōu)化壓力空前,而其地下仍具有相對(duì)豐富的空間、物質(zhì)、能量等資源潛力,近年來(lái)向地下發(fā)展的需求不斷增大。目前蘇州地下空間開(kāi)發(fā)步入規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化階段,居于全國(guó)前列,后期必將向立體地下城階段發(fā)展。蘇錫常地下水雖已全面禁采,但近年來(lái)地下水水位持續(xù)回升,一定條件下仍具備應(yīng)急供水的能力。淺層地?zé)崮茏鳛橐环N可再生的綠色清潔能源,主要為建(構(gòu))筑物供暖制冷,基于在節(jié)能環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)受地方政府推崇。隨著蘇州大規(guī)模的開(kāi)發(fā)建設(shè),建筑材料短缺價(jià)格瘋漲,將地質(zhì)材料變廢為寶,對(duì)緩解材料困局具有重要作用。由此可見(jiàn)每種地下地質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)利用都對(duì)城市高質(zhì)量發(fā)展具有巨大價(jià)值。

蘇州作為江蘇省首個(gè)試點(diǎn)城市開(kāi)展了城市地質(zhì)調(diào)查,以此為基礎(chǔ)近期又開(kāi)展了“透明蘇州”項(xiàng)目,進(jìn)一步摸清了區(qū)域地質(zhì)條件和地質(zhì)資源稟賦,本文將利用以上研究成果,結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件,開(kāi)展協(xié)同利用研究,以期為實(shí)現(xiàn)城市地下地質(zhì)資源開(kāi)發(fā)方式多元化和效益最大化提供理論支撐。

1 多種地下地質(zhì)資源的識(shí)別分析

對(duì)一體共生的地下地質(zhì)資源稟賦進(jìn)行識(shí)別及潛力分析,是探索多種地下資源協(xié)同利用的基礎(chǔ)。

1.1 地下空間資源

地下空間資源是一種不可再生的國(guó)土空間資源,目前研究較多的是城市地下空間。作為地上建筑的延伸,城市地下空間為拓展市政、交通和網(wǎng)絡(luò)以及商業(yè)建設(shè)空間,增強(qiáng)城市防護(hù)功能,增進(jìn)城市韌性方面發(fā)揮了不可替代的作用。此外還有一種不太被人熟知的特殊地下空間,是指在地表以下的土層或巖層中天然形成或人工開(kāi)發(fā)而形成的,在空間形態(tài)、分布、結(jié)構(gòu)等方面具有特殊屬性的地下空間(郭朝斌等,2019),具有恒溫、恒壓、穩(wěn)定性好的特點(diǎn),在大規(guī)模物質(zhì)儲(chǔ)備、能源儲(chǔ)存、廢物處置等方面具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

(1)城市地下空間資源。城市地下空間資源的開(kāi)發(fā)利用綜合能力由地下空間開(kāi)發(fā)難度與潛在開(kāi)發(fā)價(jià)值兩方面決定(汪俠等,2009;Li Xiaozhao et al., 2016;劉家男等,2021)。地下空間開(kāi)發(fā)難度包含兩個(gè)層次,一是地下空間“好不好開(kāi)發(fā)”,這與地質(zhì)條件密切相關(guān)。對(duì)于蘇州來(lái)說(shuō),影響地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)因素主要有地形地貌、巖性組合、軟土層的厚度、巖溶發(fā)育情況、含水層的埋深和厚度、砂土液化以及地面沉降等。二是地下空間“能不能開(kāi)發(fā)”,這與生態(tài)環(huán)境條件和地下空間開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀緊密聯(lián)系。蘇州既是歷史文化名城也是現(xiàn)代化國(guó)際大都市,地表開(kāi)發(fā)程度越高,對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用的限制性也越高,此外區(qū)內(nèi)地上地下分布有文化價(jià)值較高的歷史建筑物,各種保護(hù)政策一定程度上限制了發(fā)展或加大了地下空間的建設(shè)難度(朱合華等,2019)。因此評(píng)價(jià)地下空間開(kāi)發(fā)難度時(shí)應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、地下空間開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀、文物古跡以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)。地下空間潛在開(kāi)發(fā)價(jià)值則決定了地下空間“值不值開(kāi)發(fā)”。開(kāi)發(fā)地下空間的目的是緩解地上空間壓力,提高生活質(zhì)量,一般來(lái)說(shuō)人口密度越大,交通越發(fā)達(dá),地價(jià)越高,對(duì)地下空間的需求則越大,產(chǎn)生的地下空間效益也將越大。因此考慮地下空間開(kāi)發(fā)潛力時(shí)應(yīng)將人口密度、交通狀況、基準(zhǔn)地價(jià)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等納入評(píng)價(jià)序列。如上所述,蘇州地下空間開(kāi)發(fā)利用綜合潛力應(yīng)綜合考慮蘇州的地質(zhì)條件、地下空間開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀、文物古跡分布、生態(tài)保護(hù)要求以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素,通過(guò)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采取相關(guān)算法得到了蘇州開(kāi)發(fā)利用綜合潛力分區(qū)(圖1)。開(kāi)發(fā)難度越小、潛在價(jià)值越高的區(qū)域,其地下空間開(kāi)發(fā)綜合能力也越高,開(kāi)發(fā)利用的價(jià)值也越大。

圖1 蘇州市地下空間開(kāi)發(fā)利用綜合能力評(píng)價(jià)圖Fig.1 Comprehensive capacity evaluation chart of underground space development and utilization in Suzhou City

(2)特殊地下空間資源。蘇州的特殊地下空間資源包括非金屬、金屬和能源類礦產(chǎn)資源、堅(jiān)硬的花崗巖巖體以及碳酸鹽巖體,如圖2所示。特殊地下空間資源的開(kāi)發(fā)利用綜合能力主要取決于礦種類型、區(qū)位分布、規(guī)模以及開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀等。根據(jù)最新調(diào)查成果,蘇州現(xiàn)有礦區(qū)31處,其中16處未利用,11處閉坑,4處生產(chǎn)中,生產(chǎn)礦種為高嶺土。目前大多數(shù)礦產(chǎn)資源處于基本農(nóng)田、生態(tài)紅線和生態(tài)管控區(qū)之下,開(kāi)發(fā)受限;同時(shí)由于蘇州城市化程度很高,大部分礦產(chǎn)資源被壓覆且無(wú)法調(diào)整。蘇州堅(jiān)硬的花崗巖巖體位于蘇州西部,形成于距今150 Ma前的侏羅紀(jì),其中侵入巖主要分布在楓橋街道以南,以巖基、大巖株產(chǎn)出,火山巖主要分布在滸墅關(guān)街道。具有規(guī)模大、孔隙度小、滲透系數(shù)低、含水量較小以及抗輻射性等特殊性質(zhì),是阻滯核素性能較好的巖體空間,具備建造特殊地下空間基本條件。碳酸鹽巖體主要分布在環(huán)太湖地區(qū),其中經(jīng)過(guò)溶蝕作用形成的巖溶洞穴,目前已作為地質(zhì)景觀游人觀賞,如林屋洞、三山島古溶洞等。綜上可知,利用礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)地下空間的潛力不大;利用花崗巖開(kāi)發(fā)地下空間的潛力相對(duì)巨大,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究較多;而巖溶洞穴多為旅游開(kāi)發(fā)、礦山博物館、文化遺產(chǎn)等,是蘇州的主要發(fā)展方式。

圖2 蘇州市特殊地下空間分布情況圖Fig.2 Distribution of special underground space in Suzhou City

1.2 地下水資源

地下水資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)。地下水廣泛分布于地下,是良好的飲用水源,同時(shí)在工農(nóng)業(yè)上也同樣重要。如何保護(hù)并合理開(kāi)發(fā)利用地下水資源是當(dāng)前亟需解決的重要課題。通過(guò)分析,影響地下水資源開(kāi)發(fā)利用綜合能力的因素主要由地下水資源量和地下水質(zhì)兩方面決定。

蘇州市區(qū)地下水資源較為豐富,發(fā)育有多層含水砂層,并具有一定的賦存深度。2000年江蘇省出臺(tái)了蘇錫常地區(qū)限期禁止開(kāi)采地下水的決定,自全面禁采以來(lái)區(qū)域地下水得到較好蓄養(yǎng),水位埋深逐步回升,為地下水的應(yīng)急利用創(chuàng)造了有利條件(朱曉明等2015)。地下水天然資源量(即地下水總補(bǔ)給量)與降雨入滲補(bǔ)給量、地表水入滲補(bǔ)給量、田間灌溉入滲補(bǔ)給量有關(guān),經(jīng)測(cè)算,蘇州市區(qū)多年平均地下水天然補(bǔ)給量為3.28億m3。進(jìn)一步考慮禁采現(xiàn)狀、地面沉降環(huán)境約束、地下水位約束條件,推定蘇州市區(qū)主開(kāi)采層次為Ⅱ承壓含水層,分布穩(wěn)定,出水量大,可開(kāi)采資源量達(dá)1320×104m3/a(武鑫等,2021)。

蘇州市區(qū)地下水受到不同程度的有機(jī)或無(wú)機(jī)污染的影響,水質(zhì)相對(duì)較差。潛水以Ⅳ類水為主,部分地區(qū)為Ⅴ類水,承壓水以Ⅴ類水為主,局部地區(qū)為Ⅳ類水。水質(zhì)整體上受Fe和Mn原生環(huán)境影響較大(武鑫等,2021)。

綜合考慮地下水質(zhì)量和資源量,將蘇州市區(qū)地下水資源開(kāi)發(fā)利用綜合能力劃分成“可集中開(kāi)發(fā)利用區(qū)”、“可分散開(kāi)發(fā)利用區(qū)”、“審慎開(kāi)發(fā)利用區(qū)”三類,如下圖3所示。其中東南部地區(qū)較不適宜開(kāi)發(fā)利用,應(yīng)該審慎處理;北部地區(qū)部分地區(qū)適合集中開(kāi)發(fā);其他地區(qū)可采取分散開(kāi)發(fā)的方式。

圖3 蘇州市地下水開(kāi)發(fā)利用綜合能力評(píng)價(jià)圖Fig.3 Comprehensive capacity assessment of groundwater development and utilizationin Suzhou City

1.3 淺層地?zé)崮苜Y源

淺層地?zé)崮艿哪芰縼?lái)源于太陽(yáng)輻射和地球梯度增溫,一般賦存于地球表層至地下200 m的土壤、巖石、地下水中。具有儲(chǔ)量豐富,可以節(jié)能減排、就近利用,且價(jià)格低廉的特點(diǎn),在改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、控制環(huán)境污染、促進(jìn)綠色低碳方面具有顯著作用。目前淺層地?zé)崮芾梅绞街饕械叵滤卦礋岜孟到y(tǒng)、地埋管地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。由于蘇錫常地區(qū)限期禁采地下水,因而地下水地源熱泵系統(tǒng)暫無(wú)法在蘇州普及;此外地表水地源熱泵系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)、水量、水深、水源距離具有較高要求,蘇州地區(qū)雖水網(wǎng)密布,但符合開(kāi)發(fā)要求的河湖有限(楊榮等,2012)。因此蘇州市區(qū)采取地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用前景更為廣闊。

巖土體熱物理參數(shù)對(duì)于淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)具有重要意義,據(jù)測(cè)試分析埋深在90～100 m的晚更新世早期的含礫中粗砂層導(dǎo)熱系數(shù)最大,可作為最優(yōu)導(dǎo)熱層(武鑫等,2021)。同時(shí)淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用綜合能力主要由開(kāi)發(fā)利用適宜性決定。第四系地質(zhì)特征、淺層地溫場(chǎng)特征、巖土熱物性特征是影響地埋管地源熱泵開(kāi)發(fā)利用的重要因素(王婉麗等,2017),結(jié)合蘇州地質(zhì)條件,選取第四系厚度、地貌分區(qū)、平均導(dǎo)熱系數(shù)、體積熱容和地溫梯度作為評(píng)價(jià)因子評(píng)價(jià)地埋管地源熱泵的開(kāi)發(fā)適宜性。如圖4所示蘇州市區(qū)適宜地埋管地源熱泵開(kāi)發(fā)利用,其中適宜區(qū)面積為1391.22 km2,占全區(qū)面積的54.27%;較適宜區(qū)面積為1153.37 km2,占全區(qū)面積的44.99%;一般適宜區(qū)面積為18.92 km2,僅全區(qū)面積的0.74%。

圖4 蘇州市地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)圖Fig.4 Suitability evaluation of ground-source heat pump with buried pipes in Suzhou City

1.4 地質(zhì)材料

地質(zhì)材料主要是指開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中因地下空間開(kāi)挖而產(chǎn)生的巖土材料以及礦產(chǎn)資源開(kāi)采后形成的巖土材料。作為一種地質(zhì)資源,廣泛應(yīng)用于工民建、道橋、地下空間等設(shè)施的建設(shè)中,需求量巨大。

目前地質(zhì)材料的開(kāi)發(fā)利用存在發(fā)展瓶頸。一方面從生態(tài)環(huán)境保護(hù)出發(fā)限制或禁止開(kāi)山挖方取土,然而施工過(guò)程中地下開(kāi)挖的材料又被作為“渣土”廢棄,帶來(lái)沉重的環(huán)境負(fù)擔(dān),如何在法律允許的框架下最大限度的將“渣土”轉(zhuǎn)化為可利用的地質(zhì)材料成為亟待解決的問(wèn)題。另一方面是前期大規(guī)模礦產(chǎn)開(kāi)采留下了大量的廢棄礦洞和巖土材料,具有極大安全隱患,如何轉(zhuǎn)變思路高效利用也是亟需解決的問(wèn)題。地下空間開(kāi)發(fā)形成了地質(zhì)材料這一“副產(chǎn)品”,鑒于地下空間開(kāi)發(fā)具備協(xié)同地質(zhì)材料開(kāi)發(fā)的天然屬性,應(yīng)建立地質(zhì)材料資源化利用體系來(lái)解決上述問(wèn)題,這對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)有重要意義。

蘇州市區(qū)第四系埋深普遍較深,城市地下空間開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的主要是土體地質(zhì)材料,包括黏土礦物含量較高的黏性土和砂土。其中黏性土可制作模型、加工為磚瓦等傳統(tǒng)建材、工藝品、低性能的粘合劑等;砂土可用于場(chǎng)地填埋、路基、砂漿和混凝土的填料。特殊地下空間開(kāi)發(fā)形成的高嶺土用途更為廣泛,造紙、陶瓷和耐火材料等都需要?；◢弾r巖體開(kāi)發(fā)后也是非常優(yōu)質(zhì)的建筑材料;灰?guī)r可用作建筑材料、砂漿和混凝土基料、墻面粉飾涂料等。

2 多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用模式區(qū)劃

2.1 多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用平面分區(qū)

隨著城市快速發(fā)展,地下空間成為最亟需的資源,為滿足城市發(fā)展需求,實(shí)現(xiàn)地下地質(zhì)資源協(xié)同利用利益最大化,在單項(xiàng)資源識(shí)別分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用區(qū)劃。將地下空間資源開(kāi)發(fā)利用綜合能力良好—優(yōu)秀的區(qū)域、地下水資源可開(kāi)發(fā)利用區(qū)域以及淺層地?zé)崮苜Y源適宜—較適宜的區(qū)域進(jìn)行空間疊加,地質(zhì)材料開(kāi)發(fā)利用能力參照地下空間考慮,劃定了多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用功能分區(qū)。如圖5所示,蘇州市區(qū)多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用條件總體較好,大體可分為3個(gè)區(qū):

圖5 蘇州市多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用平面分區(qū)圖Fig.5 Planar zoning of collaborative utilization of various underground geological resourcesin Suzhou City

(1)四種優(yōu)勢(shì)資源分布區(qū)(地下空間+淺層地?zé)崮?地下水+地質(zhì)材料)。主要分布在蘇州望亭—橫溪街道、渭塘鎮(zhèn)—唯亭街道以及臨湖鎮(zhèn)—吳江區(qū)—同里鎮(zhèn)一帶。面積約占全區(qū)陸域面積的一半。該區(qū)地下空間、地下水、淺層地?zé)崮?、地質(zhì)材料四種資源均具備良好的開(kāi)發(fā)條件,開(kāi)發(fā)時(shí)建議以地下空間為主,統(tǒng)籌考慮與淺層地?zé)崮芎偷叵滤膮f(xié)同利用,以及地質(zhì)材料的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

(2)三種優(yōu)勢(shì)資源分布區(qū)(地下空間+淺層地?zé)崮?地質(zhì)材料)。集中分布在蘇州望亭—橫溪街道以南、太湖以北地區(qū)。該區(qū)第四系松散厚度較厚,多大于80 m,不良土體(軟土、液化砂土)分布較少;體積熱容超過(guò)2.7 MJ/(m3·K),淺層地?zé)崮苜x存條件好,適合進(jìn)行地下空間與淺層地?zé)崮軈f(xié)同開(kāi)發(fā),以及地質(zhì)材料的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

(3)兩種優(yōu)勢(shì)資源分布區(qū)?！暗叵滤?淺層地?zé)崮堋眱?yōu)勢(shì)區(qū)主要分布在蘇州黃埭鎮(zhèn)—斜塘街道—同里鎮(zhèn)北部、七都鎮(zhèn)—震澤鎮(zhèn)—桃源鎮(zhèn)、平望鎮(zhèn)北—黎里鎮(zhèn)一帶。該區(qū)第四系厚度>120 m,松散層含水層發(fā)育,Ⅱ承壓含水層是歷史上主采含水層,目前地下水水位已回升至20 m左右,具備較強(qiáng)的地下水應(yīng)急供水能力,同時(shí)體積熱容>2.5 MJ/(m3·K),地溫梯度>2.5℃/100m,淺層地?zé)崮苜x存條件好,可進(jìn)行以淺層地?zé)崮転橹鞯牡叵滤c淺層地?zé)崮軈f(xié)同開(kāi)發(fā)。

“地下空間+地質(zhì)材料”優(yōu)勢(shì)區(qū)零星分布在木瀆鎮(zhèn)南部。

2.2 多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用豎向分層

地下地質(zhì)資源除了在平面上有不同的優(yōu)勢(shì)分區(qū)外,在豎向上也存在優(yōu)勢(shì)層位。通過(guò)對(duì)蘇州市區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀分析,地下空間開(kāi)發(fā)以淺層(0～10 m)為主,未來(lái)一段時(shí)間會(huì)向次淺層(10～30 m)、次深層(30～50 m)發(fā)展;淺層地?zé)崮苜Y源利用不同的地層其導(dǎo)熱系數(shù)不盡相同,蘇州市區(qū)更傾向于90～100 m的砂層為最優(yōu)導(dǎo)熱層;地下水資源開(kāi)發(fā)利用以Ⅱ承壓含水層為主,其分布深度一般在80～120 m之間。

如圖6所示,根據(jù)不同地下地質(zhì)資源優(yōu)勢(shì)層位豎向深度的不同,建議50 m以淺以地下空間資源開(kāi)發(fā)為主,深層(50～100 m)地下空間作為儲(chǔ)備空間預(yù)留;淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)層位在深層,與地下空間開(kāi)發(fā)必然存在“爭(zhēng)奪”空間的問(wèn)題,地下空間開(kāi)發(fā)是不可逆的,規(guī)劃時(shí)應(yīng)協(xié)同考慮避免資源浪費(fèi);目前Ⅱ承壓含水層禁止開(kāi)采,建議以保護(hù)為主,特殊情況下可選擇富水性好、沉降量小、水位恢復(fù)快,運(yùn)輸方便的區(qū)域作為應(yīng)急水源地靶區(qū),同時(shí)對(duì)于重大基礎(chǔ)設(shè)施,如軌道交通、過(guò)江隧道等線性地下工程建設(shè)需穿越時(shí)應(yīng)采取必要的避讓和防護(hù)措施。

圖6 多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用豎向分層圖Fig.6 Vertical layered diagram of cooperative utilization of multiple underground geological resources

3 多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用潛力評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)建議

3.1 多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用潛力評(píng)價(jià)

為將蘇州建設(shè)成為“強(qiáng)富美高”新圖景的社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)市,《蘇州市國(guó)土空間總體規(guī)劃(2021～2035年)》中提出,要落實(shí)國(guó)家和省的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略、主體功能區(qū)戰(zhàn)略,以自然地理格局為基礎(chǔ),統(tǒng)籌生態(tài)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)三大空間(圖7),形成生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀的國(guó)土空間開(kāi)發(fā)保護(hù)新格局。

圖7 蘇州市國(guó)土空間總體布局Fig.7 Overall layout of land space in Suzhou City

地下地質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)利用本質(zhì)是為了服務(wù)國(guó)土空間優(yōu)化配置,提高城市服務(wù)保障能力。因此地下地質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)利用潛力不僅與資源本身有關(guān),也與區(qū)域自身經(jīng)濟(jì)實(shí)力、發(fā)展階段、發(fā)展規(guī)劃密切聯(lián)系,一塊區(qū)域當(dāng)多種地下資源皆適宜時(shí),應(yīng)根據(jù)城市發(fā)展需求有所側(cè)重,保障更有利于城市發(fā)展的資源,保護(hù)受影響后波動(dòng)更大的資源。

據(jù)此,針對(duì)不同區(qū)域的主體功能差異,結(jié)合不同區(qū)域的優(yōu)勢(shì)資源稟賦及特征,進(jìn)行地下資源的協(xié)同利用優(yōu)先順序排位。

城鎮(zhèn)空間人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較高,隨著城市的發(fā)展地上空間資源逐步飽和,急需通過(guò)資源優(yōu)化和空間拓展來(lái)緩解日益增長(zhǎng)的發(fā)展矛盾,因此對(duì)地下空間、地質(zhì)材料以及淺層地?zé)崮艿男枨蟾鼮槠惹小？紤]到已有完善的供水體系,同時(shí)有禁采深層地下水的相關(guān)政策要求,對(duì)四種地下資源的利用潛力排序?yàn)椤暗叵驴臻g≈地質(zhì)材料>淺層地?zé)崮?地下水”。

農(nóng)業(yè)空間以提供農(nóng)產(chǎn)品服務(wù)為主,對(duì)地下水的要求更高,同時(shí)近年來(lái)在“雙碳目標(biāo)”的背景下,淺層地?zé)崮茏鳛榍鍧嵞茉丛谵r(nóng)村用能、農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖、梯級(jí)利用的功能優(yōu)勢(shì)日益體現(xiàn)。對(duì)四種地下資源的利用潛力排序?yàn)椤皽\層地?zé)崮?地下水>地下空間>地質(zhì)材料”。

生態(tài)空間根據(jù)2020年印發(fā)了《江蘇省生態(tài)空間管控區(qū)域規(guī)劃》,對(duì)于具有重要生態(tài)功能的區(qū)域、重要生態(tài)系統(tǒng)以及主要物種以保護(hù)為重點(diǎn),根據(jù)具體的分級(jí)管理要求,禁止或原則上不得開(kāi)展有損主導(dǎo)生態(tài)功能的開(kāi)發(fā)活動(dòng),故以保護(hù)為主。

通過(guò)以上分析,基于國(guó)土空間規(guī)劃的多種地下資源協(xié)同利用潛力如圖8所示,望亭鎮(zhèn)—陸慕鎮(zhèn)—同里鎮(zhèn)—吳江區(qū)以西、太湖以東一帶,唯亭街道—甪直鎮(zhèn)以及渭塘鎮(zhèn)東部零星區(qū)域建議優(yōu)先開(kāi)發(fā)地下空間資源,考慮與淺層地?zé)崮芎偷刭|(zhì)材料的協(xié)同利用,并注意工程建設(shè)對(duì)地下水影響。渭城鎮(zhèn)—斜塘街道—同里鎮(zhèn),震澤鎮(zhèn)—平望鎮(zhèn)—同里鎮(zhèn)—甪直鎮(zhèn)以東一帶建議優(yōu)先開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮苜Y源,考慮與地下空間和地質(zhì)材料的協(xié)同利用。需要說(shuō)明的是以上地下空間更傾向于城市地下空間,就目前蘇州城市發(fā)展的緊迫性來(lái)說(shuō)對(duì)土地資源的需求高于對(duì)礦產(chǎn)資源的需要,故前者的利用也優(yōu)于后者。而特殊地下空間本身具備戰(zhàn)略資源的屬性,故其開(kāi)發(fā)利用還需結(jié)合國(guó)家總體發(fā)展需要綜合考量。

圖8 蘇州市多種地下地質(zhì)資源協(xié)同利用潛力分區(qū)圖Fig.8 Zoning map of the synergistic utilization potential of multiple underground resources in Suzhou City

3.2 多種地下資源協(xié)同利用開(kāi)發(fā)建議

(1)城鎮(zhèn)空間“地下空間+淺層地?zé)崮堋?。城?zhèn)空間人口稠密,建筑密集,上部空間有限。地下空間開(kāi)發(fā)需要足夠的空白空間,而淺層地?zé)崮芾?如果沒(méi)有足夠的鉆孔,無(wú)法保證地源熱泵系統(tǒng)提供足夠的冷熱負(fù)荷。因此將地下空間和淺層地?zé)崮軈f(xié)同利用,可采取能源地下空間(EG)技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。后期具體的協(xié)同利用過(guò)程中,工程實(shí)施前需加強(qiáng)對(duì)工程場(chǎng)地地質(zhì)條件和淺層地?zé)崮艿膽?yīng)用條件的調(diào)查和評(píng)估;工程運(yùn)營(yíng)時(shí)應(yīng)注意定期監(jiān)測(cè)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行影響范圍內(nèi)的巖土體溫度、地下水水位、水質(zhì)、地基沉降等變化。保證地下建構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定。

(2)農(nóng)業(yè)空間“淺層地?zé)崮転橹鳌?。?dāng)前我國(guó)提出“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo),尤其是隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施和推進(jìn),農(nóng)業(yè)對(duì)能源需求將呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì),對(duì)于農(nóng)業(yè)空間建議采取以淺層地?zé)崮転橹鞯馁Y源協(xié)同利用的方式,加大不同形式的新能源供給比例。此外在淺層地下水可開(kāi)采資源量范圍內(nèi),將來(lái)可適度利用地下水資源進(jìn)行蓄水,推動(dòng)“水土雙源”聯(lián)合熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用,促進(jìn)利用效益最大化,環(huán)境影響最小化,低碳環(huán)保美觀。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)蘇州市區(qū)各類地下地質(zhì)資源(地下空間、淺層地?zé)崮?、地下水、地質(zhì)材料)的調(diào)查與分析,表明其具有較好的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值和潛力。其中,地下淺層到次深層適宜開(kāi)展以地下空間為主的協(xié)同開(kāi)發(fā),而深層適宜開(kāi)展以淺層地?zé)崮転橹鞯膮f(xié)同開(kāi)發(fā)。結(jié)合蘇州國(guó)土空間發(fā)展格局和地下資源的優(yōu)勢(shì)分布特征,城鎮(zhèn)空間地下地質(zhì)資源開(kāi)發(fā)利用潛力排序?yàn)榈叵驴臻g≈地質(zhì)材料>淺層地?zé)崮?地下水,建議采取“地下空間+淺層地?zé)崮堋眳f(xié)同利用模式;農(nóng)業(yè)空間地下地質(zhì)資源開(kāi)發(fā)利用潛力排序?yàn)闇\層地?zé)崮?地下水>地下空間>地質(zhì)材料,建議采取以淺層地?zé)崮転橹鞯膮f(xié)同利用模式;生態(tài)空間立足于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

多種地下地質(zhì)資源協(xié)同開(kāi)發(fā)利用的落地需要有相應(yīng)的法律法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的支持,因此當(dāng)務(wù)之急是制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或?qū)⑵淙谌氲叵驴臻g等專項(xiàng)規(guī)劃當(dāng)中,使其“合法化”。應(yīng)當(dāng)用可持續(xù)發(fā)展的眼光來(lái)看待多種地下資源協(xié)同開(kāi)發(fā)利用的問(wèn)題,注意資源的優(yōu)化配置,加強(qiáng)協(xié)同利用的科學(xué)性和可行性研究,進(jìn)一步豐富開(kāi)發(fā)利用的方式方法。