易 荣 , 贾开国
(1. 中国冶金地质总局一局， 河北 三河 065201；
2. 中冶一局城市安全与地下空间研究院， 河北 三河 065201)
“双碳”战略目标提出以后，其实现路径一直是政府和社会各界高度关注和研究的重点。2年来，各层面专家智库纷纷建言献策，从不同层面、不同角度为“降碳减排”支招。胡鞍钢[1]从能源结构转型和能源技术革命、降低能耗以及政策合力、市场协同效应等20个方面提出了碳达峰的主要实现路径及政策建议；
王灿等[2]从排放路径、技术路径、社会路径等方面对碳中和愿景的实现路径与政策体系进行了分析；
张贤等[3]从科技创新和技术发展层面提出了低碳/脱碳相关政策建议；
钱七虎[4]分别从地下空间助力建设绿色城市和地下空间中的电力能源系统建设2个方面，梳理了地下空间与“双碳”目标的关系。专家学者对“双碳”目标的实现路径多集中在政策层面和技术层面，对如何依托国土空间载体来实现降碳减排方面，则缺乏较为全面系统的理论研究成果。从本质上来说，碳达峰、碳中和是一场影响极为广泛的绿色工业化革命，离不开全社会各行业的深度参与，除了需要经济、社会、能源、生态和应对气候变化协同治理，还需要自然资源管理和国土空间治理的深度、广泛参与[5]。
城市地下空间资源作为国土空间资源的重要组成部分，有巨大的资源开发潜力、强大的资源禀赋以及良好的恒温恒湿性和防灾减灾特性，是建设生态低碳型、环境友好型、资源节约型城市的最佳场所。本文聚焦“双碳”战略目标，针对城市地下空间助力“双碳”开展理论研究和统计计算，阐述城市地下空间对提升碳汇、降低能耗以及绿色能源转型方面的突出功效；
提出“双碳”战略背景下城市地下空间开发策略，即：
工程建设转向生态保护、平面扩张转向地上地下协调发展、工程施工转向低碳生态技术、单一资源开发转向统筹复合利用。
地下空间是城市发展的战略性空间，不仅是各类地下空间设施建设活动的基础，同时也是地下岩土资源、地下水源、地下可再生能源的重要载体[6]。因此，地下空间具有双重属性，即自然资源的固有属性和人工建筑物的功能属性。
地下空间的双重属性决定了其各种开发方式、利用功能和空间形式，与地面空间形成互补、替换和整体关系，解决多种城市矛盾且满足城市的不同需求。一方面，由于地下空间资源开发潜力巨大，根据中国地质调查局编制的《城市地质调查总体方案(2017—2025年)》，中国337个地级及以上城市可供开发的地下空间资源量约90亿m2，可置换地表土地面积约5 800 km2，这对缓解城镇化发展导致的土地资源紧缺，以及坚守耕地保护红线功效突出；
另一方面，地下空间被岩石、土壤和地下水介质包围，并蕴含大量的可再生能源，在温度、湿度的稳定方面，空间和环境的封闭、隐蔽和防护安全方面，节省能源消耗方面，以及推动能源消费转型升级方面，都具有地表空间无法替代的优势。
根据科学理论，实现“碳达峰、碳中和”有2种途径：
一种途径是减少碳排放，如使用可再生清洁能源替代化石能源，以及提高能效等；
另一种途径是利用自然或人为力量直接去除大气中的温室气体，如增加国土绿化面积(自然方式)、利用碳捕捉和碳封存技术固定碳[7]。这2种路径都与地下空间资源开发利用密切相关。充分利用地下空间资源的双重属性优势，将适宜于地下空间环境的城市交通、商业、污水处理、垃圾转运处理、变电站等功能设施地下化，不仅可以置换大量的土地用于城市生态绿地建设，提升城市生态碳汇能力，还可以利用地下空间恒温性节省温度调节能耗，利用地热等清洁能源部分替代化石能源，利用地下空间地质多样性实现碳储存等[8]。这对建设绿色生态城市，助力实现“双碳”战略目标功效显著。
城市是人类社会经济、文化、生产、生活的活动中心，是资源、能源消耗、碳排放(碳耗)的集聚区域；
同时也是温室气体主要的排放源，中国70%的碳排放来自城市[9]。当前中国碳排放二氧化碳当量(CO2e)年排放约102亿t。其中，制造业(水泥、钢筋、塑料)占比31%，用电占比27%，种殖养殖占比19%，交通运输占比16%，供暖制冷占比7%。电力、工业、交通以及建筑物供暖制冷组成了中国碳排放的主要来源，这些行业大多数集中在城市或城市周边。随着中国新型城镇化快速推进，大中型城市的“虹吸效应”日益凸显。根据国家统计局公布的第7次人口普查数据,截至2020年，中国城镇人口总数达到9.01亿，城镇化水平达到63.89%；
预计到2030年，中国城市人口总数将超过10亿，中国城市化率将达70%。随着城市人口的持续增长，城市的能耗与碳排放也会相应呈现递增趋势。
“双碳”战略目标提出：
中国将用短短30年实现从碳达峰到碳中和，不仅体现出中国实现可持续发展的基本诉求，也体现出中国构建全球命运共同体的责任与担当。用全球历史上最短的时间实现从碳达峰到碳中和，必然要开展一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。这就要求作为降碳减排主战场的城市地区，必须抓住提升碳汇、降低能耗和发展绿色能源3大关键环节，有序推进地下空间资源的开发利用，构建城市绿色生态空间，改变能源消费结构，这对“双碳”目标实现具有重大战略意义。
2.1 增加城市生态绿地，提升碳吸收能力
在城市高密度建设与存量发展背景下，用于园林绿化的绿地、公园等开敞空间日益减少。作为城市唯一的自然碳汇，城市绿地生态系统在维持和改善城市生态环境中发挥着核心作用，是吸收并储存城市排放CO2的主要贡献者。在陆地生态系统中，森林作为全球最大的储碳库，活林材每m3每年可吸收和固定1.83 t CO2，碳储量占39%～40%，成本仅是技术减排的20%；
草地占33%～34%，且草碳汇潜力巨大，通过整治恢复、种草、草畜平衡等方式,每年可新增碳汇40～60亿t。
“十四五”时期，北京市森林覆盖率将达到45%,公园绿地500 m服务半径覆盖率将达到90%，建成区人均公园绿地面积将达到16.7 m2、森林蓄积量将达到3 450万m3、林地绿地年碳汇量将达到1 000万t[10]。可见，城市绿地生态系统在城市碳循环中占据重要地位，对于城市改善区域环境条件、应对气候变化等具有重要意义[11]。
当前中国许多城市地表开发强度已超过国际宜居生态线。就宜居而言，重点是多留些绿地，使城市更生态；
少排放些废气，使城市更干净。地下空间资源的开发利用在解决雾霾与空气污染、绿地不足与生态环境问题方面大有可为。美国曾把最宽阔的波士顿中央大道6车道高架桥拆除，改为8车道地下隧道，这不仅使交通更加通畅，还增加了约1.05 km2(260英亩)的中心公园和绿色开敞空间，而且使市区CO2体积分数降低了12%[12]。以北京市为例，目前有主要垃圾处理场14处，如果将其全部转入地下，可置换出约3.5 km2的绿地面积；
如果用于建造城市园林，则可获得约44 000 m3的树木蓄积量，可吸收约8万t CO2。
2.2 降低能耗、储碳固碳，减少碳排放量
2.2.1 降低能耗
随着地下物流、地下交通、地下综合体等城市地下空间开发力度的加大，电/热/冷等多元地下空间负荷激增[13]。相对于地上建筑，地下空间密闭，地下恒温层周边毗邻土壤，不受太阳辐射、地上环境温度和地球内热的影响，地温基本保持常年恒定不变。特别是在冬夏温差较大、气候相对恶劣的城市，地下空间在使用中能节省大量的温度调节能耗。
以轨道交通为例，根据《城市轨道交通2021年度统计和分析报告》，2021年全国轨道交通总能耗为213.1亿kW·h，除去牵引供电能耗，通风空调系统能耗约63.9亿kW·h，折合标准煤785.8万t。经计算，我国地铁场站因地下空间恒温特性，每年在供暖制冷方面节约的能耗折合标准煤为95.8万t，降低了通风空调系统能耗的10.9%,减少CO2排放239.6万t。以天津市为例，夏季地表平均温度为26～29 ℃，冬季地表平均温度为-5～-1 ℃，其恒温层深度大部分处于地下9～20 m，温度恒定在12～16 ℃。据天津市气候中心研究数据，每升降1 ℃，天津市年平均制冷负荷为1.05 kW·h/m2，年平均供暖负荷为4.01 kW·h/m2，每t煤可提供813.7 kW·h电量。截至2020年，天津市地下空间建筑面积超过1 500万m2，以此标准计算，天津市1年因城市地下空间的温度调节作用可节省能耗约折合标准煤136万t，可减少CO2排放340万t。可见，充分利用地下空间恒温特性，开发建设地下交通、地下商业、地下工业、地下仓储物流等可节省大量温度调节能耗。随着地下空间行业规模、技术手段等不断发展，必将进一步显现出其在降低城市能耗、减少碳排放量中的特殊地位。
2.2.2 储碳固碳
利用地下空间围岩地质多样性，可以将CO2捕集、运输并注入至地下地质结构或通过矿化作用封存于岩石之中，使排出的碳重回地圈储存。中国地质调查局调查显示，全国陆域及浅海沉积盆地的深部咸水层、枯竭油气层和不可采煤层等地层CO2地质储存潜力为7.5万亿t；
并提出CO2的地下深部咸水层封存技术，通过将CO2储存于地下超过 800 m的位置，使其处于超临界流体状态。利用低渗透性岩石盖层的良好封闭性，将CO2封存于盖层下方，使其逐渐溶解于咸水层中或与周围环境的岩石/矿物产生作用形成新的矿物，从而实现长时间尺度的固碳。目前，CO2地质储存已突破钻探、灌注、采样和监测等技术难题，全球已有多个地区陆续建设CO2地质封存项目，形成了一整套相对成熟的工程技术。
此外，由于地下空间的恒温和恒湿性，以及良好的抗灾和防护性，未来建设软件库、数据库、种子库及重要战略物资储备、网络化地下智慧物流、深隧排水系统、军事防御工程等，具有地面空间无法替代的优势条件。
2.3 优化我国能源消费结构，提供清洁能源
中国国家统计局公布数据显示，2020年我国能源结构组成为：
煤炭56.8%、石油18.9%、天然气8.3%、非化石能源16.0%。在碳排放仍然处在“总量高、增量高”的历史阶段，化石能源(煤炭、石油及天然气)的燃烧对碳排放量起到了决定性的影响作用。随着中国经济不断增长，对能源的需求量不断增大，未来人均能源消耗量也在不断增加；
但同时也要求大幅度降低碳排放量，并大幅提高非化石能源占一次能源消费的比重，大力发展绿色清洁能源。地热能资源(主要包括浅层地热能、水热型地热和干热岩)是唯一不受天气、季节变化影响的地球本土可再生清洁能源，具有储量大、供应稳定、利用效率高、运行成本低、节能减排等特点[14]。由于中国地热能源禀赋良好，大力开发利用地热能源，对调整中国能源结构、加快转型升级、助力“双碳”战略目标的实现具有重要现实意义。
2.3.1 浅层地热能资源
浅层地热能指从恒温带至地下200 m深度范围内，储存于水体、土体、岩石中可采用热泵技术提取利用的地热能。浅层地热资源具有分布广泛、温度稳定、开发利用相对简单和成本较低的特点，是目前城市建筑物供暖制冷的重要选择。
中国适宜开发浅层地热能地区主要分布在中东部省份，包括北京、天津、河北、山东、河南、辽宁、上海、湖北、湖南、江苏、浙江、江西、安徽等13个省或直辖市，336个地级以上城市规划区范围内浅层地热能资源年可采量折合标准煤7亿t，相当于中国2015年煤炭消耗总量的19%，可实现建筑物供暖制冷面积320亿m2。如果能够高效利用浅层地热能，每年可节煤2.5亿t，减少CO2排放量6亿t。而目前中国浅层地热能利用量折合标准煤1 600万t，开采率仅为2.3%[15]，还处于低水平阶段。2021年9月，中国国家能源局发布的 《关于促进地热能开发利用的若干意见》 指出，到 2025 年，地热能供暖 (制冷) 面积比 2020年将增加50%；
到2035年，地热能供暖 (制冷) 面积力争将比2025年翻一番。可见，浅层地热能开发利用具有巨大空间[16]。
2.3.2 水热型地热资源
水热型地热资源一般指以热水形式埋藏在地下200～3 000 m深度内的地热资源，主要赋存于高渗透孔隙或裂隙介质中，以液态水或蒸气等形式存在[17]。水热型地热资源是世界上目前开采和利用的主要地热能，在取暖、医疗康养、农业种植和工业发电等领域都有广泛应用。
中国水热型地热资源非常丰富, 地热资源总量折合标准煤1.25万亿t，每年地热资源可采量折合标准煤19亿t，相当于2015年全国能源消耗的44%。其主要分布于华北平原、河淮平原、苏北平原、松辽盆地、下辽河平原、汾渭盆地等15个大中型沉积盆地和山地的断裂带上。在现有技术条件下, 如果能实现地下热水资源高效利用，每年可节煤7.5亿t，可减少CO2排放18亿t。而目前水热型地热资源年开采量折合标准煤415万t，开采率仅为0.2%，可开发潜力巨大。
2.3.3 干热岩
干热岩是一种新兴的地热能源，一般温度大于180 ℃，赋存于地下数千米，不含或含少量流体的高温岩体。经初步测算, 地下3～10 km内干热岩资源折合标准煤860万亿t，高于美国干热岩资源的估算结果(570万亿t标准煤)。根据国际干热岩标准，以其2%作为可开采资源量计，约为2015年全国能源总消耗量的4 000倍。
2007年中国能源研究协会完成了干热岩靶区选取和潜力评价工作，2017年中国地质调查局在青海共和盆地钻获了井底温度高达236 ℃的高温干热岩，取得了我国干热型地热资源勘查的突破。目前还有多项技术尚待攻克，例如如何保证裂隙连通、如何保证流量填充、如何实现可持续地热资源提取技术，都是亟待解决的技术难题。但由于干热岩资源潜力巨大，其在“双碳”战略背景下仍然是最具有潜力的战略接替能源，受到各界高度关注。
在城市高质量发展需求的推动下，我国城市地下空间资源开发利用得以快速发展。截至“十三五”末，城市地下空间资源开发利用总面积达到24亿m2，规模和发展速度居世界前列，但发展过程中出现了诸多问题，如：
地质结构以及对已有地下空间占用情况调查不足，导致地质灾害事故、施工安全事故及环境污染事件；
缺乏总体规划，导致无序、碎片化开发，造成资源浪费；
地下空间浅层占满，中、深层利用不足；
相关法律法规不健全，权属关系和责任主体不明，投资渠道单一等。在“双碳”战略目标这一具有划时代意义的历史背景下，要发挥城市地下空间推动城市低碳转型、资源节约高效利用的功效，应围绕“集约高效使用资源、提髙能源利用效率、减少污染和碳排放”系统解决方案的角度，提出以下开发利用策略。
3.1 工程建设转向资源生态环境保护
地下空间作为城市建设新型国土资源，具有明显的资源约束性和不可逆性，一旦实施开发建设，很难恢复到原有状态。因此，地下空间资源的开发利用必须强化底线约束思维，筑牢对“第四国土”战略资源的保护意识，杜绝随意、无序开发和浪费，从而实现对地下空间资源生态环境的集约高效利用和保护。要实现此目标，需要贯彻生态保护优先理念，规划引领，地质调查先行。立足城市地下空间资源禀赋和环境承载能力，加强生态安全评价、资源承载能力评价、工程建设适宜性评价等工作，建立系统完备的城市地下空间资源大数据系统，搭建城市地下空间资源基础信息共享平台，实现城市地下透明可视化，为合理一体化规划布局地下空间、资源、能源、生态等的开发，增强区域地下空间开发的适宜性，保障地下空间资源全要素的安全、可持续利用奠定基础[18]。在此基础上，结合功能设置需求，对有利于节能减排层位空间和深层战略发展空间的弹性预留，科学合理利用和加以保护。
3.2 平面扩张转向地上地下协调发展
城市地下空间资源开发利用规划须纳入法定的城市国土空间总体规划，实现城市地上地下空间的综合规划、统一部署、刚性约束、弹性预留。在新建区域贯彻“先地下、后地上”的开发建设时序，在已建成区实施“地下修复、优化利用”的开发利用方略，在限制和禁止开发区遵循红线管制，确保地下战略含水层等的生态安全。统筹地下空间的平面、竖向功能与地面空间的有机融合，倡导立体化、层次化、网络化、系统化的地下空间开发模式，促进城市空间从平面发展到地上地下协调发展；
统筹各竖向层次的地下空间资源利用，优先安排市政基础设施、地下交通、人防工程、应急防灾设施，并对占地面积大的垃圾处理和转运站、变电站、污水处理厂、仓储、雨水调蓄等市政功能设施地下化，美化城市绿色生态环境，提升城市碳汇。
3.3 工程施工转向低碳生态技术
随着地下空间设施规模化快速化发展，地下空间资源的开发利用及建造技术日益完善。浅层地热能、能源隧道热交换技术日趋成熟，水热型地热资源的开发利用已形成可推广应用模式，深层地热能干热岩勘查取得重大突破，地下空间挖掘技术、支护技术、防水技术、混凝土浇筑技术已形成完备的技术体系，这些技术突破为地下空间开发朝着绿色低碳方向转型提供了强大的技术支撑。未来城市地下空间资源开发利用应加强工程施工技术与低碳生态技术融合发展，加强清洁能源、水资源循环利用、固废回收和资源化利用、绿色建筑技术在地下空间资源开发建设中的推广应用，以及太阳能、地源热泵、中水处理等节能减耗技术在地下空间资源开发利用中的集成应用。鼓励在城市更新项目中增加公共绿地、开放空间，探索建立城市生态用地的增存挂钩式“绿色折抵”机制[19]，提升地下空间品质和节能减排效果。
3.4 单一资源开发转向统筹复合利用
根据地下空间所承载的空间资源、水资源和地热资源等，提出每种资源开发的优先级别和资源开发利用的分区、分层管制方法，统筹考虑地下空间资源的综合价值和可持续性，引导其适时、适度、有序开发。当前，应加强对浅层地温能和常规地热方面的调查工作，摸清和评估城市地热资源潜力、开发利用地质条件等，加大对干热岩的地质调查及关键开采利用技术研究的投入力度，摸清富集区域地质条件，评估资源潜力，对有条件的可以设置开发先导试验区进行开采技术集中攻关。
由于城市地下空间具有自然资源属性和人工建(构)筑物的功能属性，资源开发潜力巨大。在“双碳”战略背景下，科学合理开发利用城市地下空间资源，不仅能够解决城市地表土地资源紧缺、交通拥堵、环境污染、城市内涝等“大城市病”，而且在增加城市生态绿地，提升城市碳汇，降低能耗、储碳固碳及防灾减灾方面功效显著。特别是中国地下清洁能源地热能资源禀赋良好，在现有技术条件下加强浅层地热能、水热型地热等清洁能源的开发利用，可能大量替代化石能源，大幅减少CO2排放，对实施能源消费结构转型的支撑作用明显。
“双碳”战略背景下地下空间资源的开发利用策略，应重点围绕“集约高效使用资源、提髙能源利用效率、减少污染和碳排放”系统解决方案，由工程建设转向资源生态环境保护、平面扩张转向地上地下协调发展、工程施工转向低碳生态技术、单一资源开发转向统筹复合利用。
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