■ 謝和平

電影《流浪地球》中人類深居地下的場景會實現嗎？中國工程院院士謝和平講述：地下空間利用和深地生態(tài)圈的研究構想，一是地下空間的利用現狀與趨勢；二是地下城市空間的規(guī)劃與建設研究；三是地下空間開發(fā)利用構想及關鍵技術；四是特殊地下空間開發(fā)利用，比如很多煤礦巷道開發(fā)了以后還能不能再利用？五是深地生態(tài)圈構建；六是深地醫(yī)學。

一、地下空間利用現狀與趨勢

19世紀出現了百萬人口城市，20世紀出現了千萬人口的特大城市，21世紀尤其是發(fā)展中國家出現了數千萬人口的巨型城市?，F代城市正以攤大餅、高層化向著超大型、無邊界化的方向發(fā)展。

到2150年，全球人口預計將達到150億，現有耕地達到供養(yǎng)極限。屆時，地球人有兩個選擇，一個是到地球以外的星球去，一個是到地球里面的地下空間去。到地下空間去，從本身來說是最安全最可靠的出處。地下空間開發(fā)利用，全世界都在研究，是世界性的前沿。

一個城市的總面積不只是地面面積，應該把地面面積乘以開發(fā)深度的40%才是一個城市總的利用空間。相對來說，傳統(tǒng)地面空間的弊端是大氣污染、自然災害、宇宙輻射、全球變暖、人居環(huán)境惡化，而地下空間的獨特優(yōu)勢是恒溫恒濕、隔音隔震、天然抗自然災害、低本底無輻射、環(huán)境清潔。這些地下空間的優(yōu)勢利用起來，可以讓深地空間可能成為優(yōu)于太空定居、應對未來地球災害的人類移居方式。

還有地下資源，我國現在煤礦到了1100米。其實，地球固態(tài)礦產資源埋深可超過4萬米。我國已探明的主要固體資源近70%分布在2000米深以下。比如地熱資源，據研究，僅地殼最外層10公里范圍內，就擁有1254億焦熱量，相當于全世界現產煤炭總發(fā)熱量的2000倍。如果計算地熱能的總量，則相當于煤炭總儲量的1.7億倍，地熱資源要比水利發(fā)電的潛力大1000倍?？晒├玫牡責崮芗词拱?%計算，僅地下3公里以內可開發(fā)的熱能，就相當于2.9萬億噸煤的能量。另外，鐵礦、銅礦、鋁土礦資源的70%也都在埋深2000米以下。

所以地下空間的綜合利用在國際上很重視，已有很多國際組織，包括ITA（指國際隧道與地下空間協(xié)會，1974年成立，總部設在瑞士洛桑）、ACUUS（指國際地下空間聯(lián)合研究中心，1996年成立，總部設在加拿大蒙特利爾城市學院）、ISTT（指國際非開挖技術協(xié)會，1986年成立，總部設在英國倫敦）都在研究地下空間利用?！稏|京宣言》（1991年城市地下空間國際學術會議通過），強調“21世紀是人類開發(fā)利用地下空間的世紀”，預測未來有1/3的人會在地下空間開發(fā)利用居住。

習近平總書記在2016年“科技三會”（指全國科技創(chuàng)新大會、兩院院士大會、中國科協(xié)全國代表大會）指出，“從理論上講，地球內部可利用的成礦空間分布在從地表到地下1萬米，目前世界先進水平勘探開采深度已達2500米至4000米，而我國大多小于500米，向地球深部進軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題?！绷暯娇倳浽?018年兩院院士大會上強調“著力推進面向國家重大需求的戰(zhàn)略高技術研究”、“載人深潛、深地探測、國產航母……等正在進入世界先進行列”。習近平總書記講的不是科技戰(zhàn)略，而是戰(zhàn)略科技的問題。

現在我國將把深地開發(fā)作為國家戰(zhàn)略，也將列入國家重大科技專項。其目標是，到2035年我國深地鉆探到15000米（前蘇聯(lián)才12000米）；油氣開采要到10000米，我們現在到了7000多米；地熱開發(fā)到6000米，固態(tài)資源開采到3000米，地下空間工程到1000米?，F在要先進行預研。

目前國際上地下空間利用率大概30%，而我國僅有17%。國際上已有大量地下空間利用案例，大體分為四大類，分別是文娛服務、地下農業(yè)、地下醫(yī)學、科教用地。我們來看一些案例。

一是文娛服務案例。比如1992年芬蘭開發(fā)的Salina Turda地下公園，埋深120米，打造了一個含鹽濕潤空氣的氧吧，地下公園常年恒溫11～12℃，幾乎沒有任何過敏源和細菌，可以對呼吸道、肺結核等疾病進行療養(yǎng)，就像氧吧一樣。比如1950年波蘭開發(fā)的維利奇卡鹽礦，他們在地下130多米深的巷道深處建起了博物館、餐廳、娛樂大廳和教堂，本地居民不到2萬，每年卻接待游客150萬，芬蘭1964年在鹽礦211米深處開設了研究過敏性疾病的療養(yǎng)所，1974年又建起了療養(yǎng)院，供呼吸道疾病患者療養(yǎng)治病。如1969年芬蘭的Temppeliaukio地下巖石教堂，埋深7米；1993年赫爾辛基地下游泳池，埋深40米；2014年英國北威爾士的Liechwedd礦洞游樂場，埋深150米，這是在保溫保濕環(huán)境下建成的世界最大的地下蹦床；1993年挪威的Gjovik體育館，埋深25-55米，其中的冰球場可容納5800人；1992年羅馬尼亞的薩利納·圖爾達鹽礦，埋深42米，作為文娛活動場所，主題公園內有小型高爾夫球場、摩天輪、游輪及鹽浴溫泉。還有1962年加拿大的Montreal地下城，最大埋深20余米，地下鐵路系統(tǒng)有120多個出口，迎送50多萬人流進出，是全世界最大的地下城。

二是地下農業(yè)案例。中國現在搞大棚農業(yè)，由于地下本身冬暖夏涼，比如2005年東京的PASONA O2地下溫室農場，埋深7米，利用恒溫在辦公大樓地下二層創(chuàng)立自動化農業(yè)設施，天花板垂吊西紅柿，會議室生長芬芳香草，大堂中心裝飾著一片稻田。比如20世紀70年代前蘇聯(lián)烏克蘭農業(yè)研究所利用廢礦井，埋深約300米，試種蔬菜，用特制的水銀燈代替太陽光，溫室氣候條件人為控制，一年多播多收，產量是地面的10倍以上，而地下溫室建設成本只相當于地面的?。比如2017年英國倫敦利用防空洞搞地下農場，埋深33米，LED被大量使用充當光源，水培技術能節(jié)省用水70%，完全不需要農藥，植物不受季節(jié)、天氣的影響，6到28天即可收獲，因此打出了地下生長的品牌。

三是地下醫(yī)學案例。如前面講的波蘭的鹽礦醫(yī)院以及烏克蘭的Solotvyno地下鹽礦醫(yī)院，埋深300多米；還有烏茲別克斯坦的霍奇金洞穴，埋深30多米，對慢性阻塞性肺疾病治療患者的細胞免疫力有明顯提高。

四是科教用地案例。比如1983年美國明尼蘇達大學土木采礦系的地下館，埋深30余米，面積約14000平方米。比如新加坡擬建的JTC地下科技城，已經做了規(guī)劃，要在西部科學園區(qū)地底打造相當于30層樓的地下科學城，供生醫(yī)產業(yè)和生命科學使用，未來還可以容納新增人口。比如2008年在瑞士建成運行的歐洲核子研究組織地下研究所，埋深92米，裝置了大型強子對撞機。

青島也做了地下空間規(guī)劃，目標是到2030年“地下青島”初具規(guī)模，到2050年“地下青島”基本形成。還有未來的“地下成都”，按照編制完成的《成都地下空間利用規(guī)劃》，成都將形成“638”格局的全新空間體系。包括6個重點開發(fā)的區(qū)域、38個重點開發(fā)的節(jié)點，總體來講是淺層（0米至-10米）、中層（-10米到-30米）、深層（-30米以下）的總體規(guī)劃。像雄安新區(qū)的規(guī)劃就是一個未來城市的規(guī)劃。

總體來看，當前地下空間的開發(fā)利用大多停留在單一功能、局部區(qū)域的相對粗放階段，少有考慮與地面及區(qū)域經濟的協(xié)調發(fā)展，尚未形成科學規(guī)劃、綠色構建的可持續(xù)態(tài)勢。這種粗放階段的地下空間開發(fā)基本上是被動的，比如說防空洞，是不得不搞防空洞，比如說地鐵、管網，是不得不下沉，未來應該是主動式開發(fā)。

主動式開發(fā)就要做到科學化、綜合化、生態(tài)化、深層化、信息化開發(fā)。科學化是要統(tǒng)一布局，科學合理規(guī)劃地面地下一體化、生態(tài)地下城市。綜合化是要統(tǒng)一規(guī)劃交通、物流、商業(yè)、地下房地產、醫(yī)院、游樂園、科學實驗等地下綜合體。生態(tài)化是要形成獨立的深地自循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，環(huán)境友好開發(fā)，構建一個宜居、穩(wěn)定、新型的多層地下生態(tài)城市。深層化是不同分層規(guī)劃對應功能的結構物，深層開發(fā)，分層管理，互不干擾，構建地下立體城市，深度將從當前的百米以內向千米量級不斷延伸。信息化就是建立完善的物聯(lián)網系統(tǒng)，構建真正的高科技地下智慧宜居城市。

我在2017年發(fā)表的文章（參見《地下生態(tài)城市與深地生態(tài)圈戰(zhàn)略構想及其關鍵技術展望》，巖石力學與工程學報，2017）中提出了一個地下空間開發(fā)構想。這個開發(fā)構想是：地下0-50米是地下軌道交通、管網系統(tǒng)及避難設施，地下50-100米是地下宜居城市，地下100-500米是地下農業(yè)、地下醫(yī)學與地下生態(tài)圈以及戰(zhàn)略資源儲備，地下500-2000米是地下能源循環(huán)帶、地下抽水儲能、壓縮空氣發(fā)電站、地下熱能等調儲利用，地下2000米以深是深地科學實驗室、深地固態(tài)資源液態(tài)化開采。這是我講的地下空間利用現狀與趨勢。

二、地下空間利用規(guī)劃與建設研究

如何建設地下城市呢？地下城市規(guī)劃與建設應遵循五大原則：一是生態(tài)圈構建和自循環(huán)原則；二是廢舊利用、開發(fā)與保護統(tǒng)一原則；三是地上與地下協(xié)調的系統(tǒng)化立體開發(fā)原則；四是平戰(zhàn)、平災結合原則；五是近期與遠期呼應的可持續(xù)發(fā)展原則。

中國要以工程全生命周期為理念，工程全生命周期過程包括投資決策、策劃、設計、施工、驗收、維護、拆除、報廢處理、再生，在此理念基礎上，采用先進的信息技術對基礎設施進行智能化、智慧化的維護管理成為當前關注的焦點，地下城市的規(guī)劃與建設也要遵循這一理念。

三、地下空間開發(fā)利用構想及關鍵技術

在地下空間開發(fā)利用上，我提出了深地發(fā)展的5個時代概念構想，這包括被動式地下空間利用的1.0時代，科學開發(fā)地下空間及地下生態(tài)城市的2.0時代，深地生態(tài)圈構建的3.0時代，深地科學實驗室和深地空間艙的4.0時代，深地固態(tài)資源液態(tài)化開采的5.0時代。

深地開發(fā)的1.0時代。防空洞、兵工廠、儲備庫、地鐵、地下商場、地下停車場都是某種功能性需求的局部開發(fā)；

2.0時代就是地下城市，包括一個完整的、宜居的生態(tài)城市的構想，要生成模擬陽光，要有自循環(huán)水泵及空氣智能重生系統(tǒng)，城市各功能區(qū)彼此間要設置安全隔離層，在能源供給上相互聯(lián)系，在空間結構上相互獨立；3.0時代就要有生態(tài)、環(huán)境的地下空間利用，構建地下生態(tài)圈的環(huán)境，當然也包括人造陽光、生態(tài)植被、深地農牧業(yè)、水與生態(tài)自循環(huán)體系等；4.0時代要開展深地不同深度原位科學實驗，構建深部物理學、生物學、醫(yī)學、巖石力學理論體系，為人類向地球深部進軍奠定理論基礎；5.0時代需要發(fā)明盾構式采、選、充、氣化、發(fā)電一體化技術與裝備，將固態(tài)資源直接轉變?yōu)橐簯B(tài)、氣態(tài)和電能。到那個時候，煤就不用上來了，即“地上無煤、井下無人”，搞深部原位流態(tài)化開采，直接無人化、智能化開采，采、選、冶煉、充填、發(fā)電、氣化都在地下空間處理，也沒有污染，沒有排放了。我在幾年前已經給出了液態(tài)化開采的學術定義。到了5.0時代，煤炭是世界上最高新技術的產業(yè)。

地下空間是怎樣呢？舉個例子，地下巷道開采是機器人巡邏，無人機巡視，機器人檢查，機器人作業(yè)，未來礦山是這樣的地下空間。我們未來的煤炭，我們礦業(yè)大學的發(fā)展，未來是這個方向。利用煤粉爆炸、瓦斯爆炸產生的能量，很小體積在3000米深部原位就發(fā)電了，出來的就是電、氫氣、液化炭，不是煤了。目前，我的博士生團隊正在做這項探索預研。

中國煤礦未來的美好前景是這樣的?，F在是2.0時代，到5.0時代可能還得幾十年上百年，但我們可以想象未來的趨勢和美好的前景及預期。

關鍵技術方面，已經形成了若干成果，這里也不展開講了。由于受特有構成空間的條件限制，地下空間一旦開發(fā)利用之后，要進行改造相對困難，因此必須進行開發(fā)建設全周期的研究評價和中長期的規(guī)劃及分析預測?，F在的關鍵問題是技術，各方面的技術問題，依然要發(fā)展理論和技術，很多都是未知的。搞礦要研究這個，構建地下宜居的生態(tài)城市，其中生態(tài)系統(tǒng)是關鍵。生態(tài)圈的構建原理、技術和理論現在還沒有，所以要探索這個東西。

四、特殊地下空間利用

特殊地下空間指的是采礦的特殊地下空間的開發(fā)利用，首次提出了特殊地下空間開發(fā)利用的判識指標、空間估算、開發(fā)模式和開發(fā)案例。

一是判識指標。比如把煤炭挖完以后，怎么識別現在的礦井能不能用？我們給出了定性指標和定量指標，定性指標包括交通便利性、圍巖穩(wěn)定性、系統(tǒng)安全性、技術復雜性四項，定量指標包括經濟效應和開發(fā)潛力兩項。同時滿足上述指標可判識為特殊地下空間可利用。

二是空間估算。煤礦挖了幾十年，還要挖，地下空間有多少呢？據統(tǒng)計，現有煤礦地下空間約139億立方，到2030年達到241億立方，長度約160萬千米，可繞赤道40圈。如此巨大的地下巷道空間，從來沒有想過用，一般是挖完煤就不管了。

三是開發(fā)模式。國外改造和利用廢氣礦井呈現多種用途和形式。主要作用，一是作為核廢料處置的基地，核廢料處置必須封存1萬年以上。二是利用地熱發(fā)展地下農業(yè)，諾丁漢大學的學者們正在考慮使用自然存在于礦井中的地熱，把15萬個廢棄煤礦改造成地下農場。地下恒溫恒濕，地下農業(yè)活動不受季節(jié)影響，經濟效益是地面?zhèn)鹘y(tǒng)農業(yè)的5倍以上。如果廢棄礦井離城市很近，還可以搞井筒式小型智能化地下停車庫。另外還可以搞地下抽水儲能發(fā)電，我們的井下1000多米深，三峽大壩的落差才350米，地下500米落差都有可能，我把地下1000米的水調到地下500米，落差就接近500米，需要的時候儲能發(fā)電。還可以搞壓縮空氣儲能發(fā)電站，搞地下污水處理廠，中國香港把地面污水處理都放到了地下。還可以搞地下酒店，搞景觀旅游以及原位實驗室，像韓國的暗物質實驗室就在礦井700米以下的地方。比如北京規(guī)定不挖煤了，北京的煤礦3年之內全都關停。關停以后過去投資的上千億設備資產一下歸零，地下水上漲，首都水位就受到污染。所以煤礦關停并轉以后，能不能把地下空間用起來？2017年我專門寫信，說北京不挖煤可以，但希望不封停，把地下空間利用起來，我提出可以利用京西五大煤礦得天獨厚的地下空間優(yōu)勢，煤礦關了以后，地面地下統(tǒng)一規(guī)劃，地面搞青山綠水風景區(qū)、學院教育培訓區(qū)、旅游度假區(qū)、運動休閑區(qū)、高科技園區(qū)，地下搞煤礦井下安全生產培訓實踐區(qū)、地下生態(tài)景觀體驗區(qū)、地下農業(yè)種植區(qū)，深地科學探索區(qū)。我的建議受到了國家重視，國家后來批了3個億專項資金進行改造，目前已啟動第一期工程，希望把它打造成全國煤礦關閉以后開發(fā)利用示范區(qū)，打造成科技研發(fā)總部和地下空間研發(fā)實驗基地。

五、深地生態(tài)圈的構建

地下空間的開發(fā)利用能不能像地面一樣有陽光、空氣、水循環(huán)，很舒適呢？深地生態(tài)圈能不能構建出來是地下空間開發(fā)利用的關鍵和前提，這方面也是國際上探索性的課題。

什么叫生態(tài)圈？生態(tài)圈目前有陸地生態(tài)圈、大氣生態(tài)圈、海洋生態(tài)圈。海洋生態(tài)圈，海洋有植物、動物，海洋不管有多深，多多少少有氧氣，只是氧氣的程度不同，越深氧氣越少。地下有沒有生態(tài)圈？地下怎么構建生態(tài)圈？這是科學問題。搞地下空間研究要朝著這個方向。

DCO（國際深碳觀測聯(lián)合會）通過長達10年的研究，發(fā)現70%的細菌微生物都在地下，地下生態(tài)圈比地面多得多。GFZ（指德國波茨坦地學研究中心）鉆孔研究發(fā)現地下500米深的地方有微生物的細胞、細菌，大家想一下，它們在地下沒有宇宙射線，沒有陽光，沒有空氣，沒有其他的物質情況下，怎么能生存下來？微生物細胞往往在1秒鐘以內完成整個生命周期，能量哪兒來？生命為什么存在？怎么找到這些微生物？怎么培養(yǎng)它？這都是人類探尋的奧秘。

如何構建地下生態(tài)圈？美國在1987年就有這個計劃，在亞利桑那州建立生物圈2號，但2014年宣布失敗，不再做了?，F在是從原理、機理上去探索。構建生態(tài)圈有五個要素：陽光、空氣、水、資源儲備、生態(tài)環(huán)境。怎么構建？陽光現在好辦，包括人造太陽、LED等方式都可以模擬陽光。你想巴黎300多米深的地鐵站是人造陽光、空氣。空氣是必須的，怎么利用人類、動物、二氧化碳、植物、空氣的次循環(huán)體系，構建城市地下空間這樣一個管道體系進行調整。還有地下水，這個好辦，地下水怎么用？怎么循環(huán)？這是關鍵。然后是地下資源，可以形成地下儲油庫、地下糧倉、地下水庫、地下數據中心。

核心就是地下生態(tài)圈怎么構建？深地生態(tài)圈是實現大規(guī)模城市地下遷移的可持續(xù)發(fā)展前提，其構建理論和關鍵技術尚處于概念階段。

通過系統(tǒng)研究，把深地生態(tài)圈生成分為六個步驟：一是深地能量源與生態(tài)圈生物量關聯(lián)機制。這方面要探索深地生態(tài)因子（聲、光、電、熱）對不同的陸生生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)中植物光合效率的影響極其分子成因，要探究深地高光合效率與生物產量的分子機制，為最終在深地生產農作物產品（植物工廠構建）提供理論依據。二是地下生態(tài)圈碳、氧、氮、硫、磷等各種元素智能重生和循環(huán)規(guī)律。這方面我們都有一些構想和技術路線，要讓人類需要的元素在地下形成。三是地下生態(tài)圈巖石土質化的生物與地球化學過程。反之，陸地上的巖石是在億萬年前由沙子、土沉積形成的，那能不能用生物膜侵蝕把巖石還原成土質化呢？在四川西部，巖石土質化以后可以進行植被種植。四是地下生態(tài)圈植被多樣性選培與演替規(guī)律。五是地下生態(tài)圈濕地生態(tài)系統(tǒng)構建與演替規(guī)律。地下怎么形成濕地？六是地下生態(tài)圈水平衡及自凈規(guī)律。生態(tài)圈構建以后，地下和地面就是生態(tài)平衡體系，地下和地面一樣的舒適，一樣的環(huán)境條件，在地下冬暖夏涼，又安全，還能長壽，還能治特殊的疾病，那樣的話，誰不愿意到地下去呢？

六、深地醫(yī)學研究構想與進展

所以我認為生態(tài)圈的構建很重要，在那里人能不能長壽呢？就要研究深地醫(yī)學。

2015年我提出深地醫(yī)學的概念，什么叫做深地醫(yī)學？我們就找地方進行研究。我在煤炭部門干過，煤礦我很熟，因為煤礦都有瓦斯，我做實驗培養(yǎng)細胞，瓦斯爆炸怎么辦？我只能選金屬礦，金屬礦沒有瓦斯。但金屬礦中的鉛礦、銅礦、錫礦、鋁礦，這些礦種本身就有化學性，培養(yǎng)細胞沒有用，必須選黃金礦。黃金礦選在了東北夾皮溝金礦，就是《林海雪原》電影拍的那個地方，那個礦挖到1500米深，2017年12月我們完成了深地醫(yī)學研究基地及地下實驗室建設，開始進行實驗，這是我國首次開展的深地醫(yī)學研究。

在地下1470米的地方，和地面同一環(huán)境、同一條件地培養(yǎng)細胞，看它有什么不同？實驗發(fā)現，在地下1470米細胞生長緩慢，細胞生長減緩的這個曲線被初步驗證了。

如果細胞生長緩慢了，小孩正在長身體，那就不適合去。但是如果退休的人在里面新陳代謝減緩了，是否可以長壽了呢？如果得了絕癥病治不好了，到里面去也可以延長多少年。如果深入研究下去能得到這個普適結論，那就太有意義了，因為地下的低宇宙射線和低本底環(huán)境（指無放射無太陽宇宙射線等純凈環(huán)境）對人體的新陳代謝減慢，細胞生長減慢還確實是很有意義的。

礦業(yè)領域過去只關心成本、效益、技術、裝備，不怎么關心礦工。地表到地下氣壓不一樣、溫度不一樣，空氣里面的含量不一樣、各種化學成素不一樣，對礦工的心理、肌理和生理都會有影響。我們專門調查了平頂山礦務局，不同深度的礦工在睡眠、出冷汗、頭疼、肌肉疼、口干都有不同的表現。所以不同深度有好處，也有不好的地方。不好的地方怎么排除？有益的地方怎么發(fā)展？如何提高深地醫(yī)學的研究？這都是要深入研究的。我們深地醫(yī)學研究團隊在國際環(huán)境與健康權威雜志《Environment International》上發(fā)表了深地醫(yī)學方面的文章，在國際上引起強烈的反響。

下一步準備在地下2400米深的地方搞一個集裝箱，研究生命體的成長過程。在夾皮溝準備籌建深地醫(yī)學綜合實驗大樓，增加5個不同深度層位研究測點，研究開展不同深度深地環(huán)境對細胞、生物及人體的影響，探索新的規(guī)律。如果這個研究能取得好的結果，未來地下空間是一塊寶地，未來很多地下空間資源就可以充分發(fā)揮出來。