“双碳”目标视域下城市地下多资源利用规划响应路径和方向探析

Exploration on pathways and directions of response for planning of urban underground multiple resources utilization under the perspective of carbon peak and carbon neutrality goals

摘要

为应对全球气候变化挑战,世界近200个国家签署的《巴黎协定》设定了21世纪后半叶实现“碳中和”的目标。我国设定了2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和的目标,即“双碳”目标。这一目标不仅重塑全球气候治理格局,更将推动国土空间开发模式向绿色低碳方向深度转型。目前我国存量地下空间已超过32亿m²,并仍保持较高的增长速度,是实现“双碳”目标必须要考虑的战略性国土空间与资源。本文主要考虑地下空间、地下水、岩土材料和地热能4种资源作为城市地下多资源,并解析了城市地下多资源协同利用的关系,提出了城市地下多资源利用响应“双碳”目标在人工碳汇、生态碳汇和碳源减排3个方面的主要路径;明确了优先发展“地下-地上生态转换”、适时适地地下人工碳汇、新型低碳地下运输和以基于风光氢储的地下多能互补系统4类主要研发方向助力“双碳”目标。

Abstract

To address the challenges of global climate change, the Paris Agreement, signed by nearly 200 countries, sets the goal of achieving “carbon neutrality” in the latter half of this century. China has established targets to peak carbon emissions before 2030 and achieve carbon neutrality by 2060, referred to as the carbon peak and carbon neutrality goals. These objectives not only reshape the global climate governance landscape but also drive a profound transformation of territorial spatial development patterns toward green and low-carbon directions. Currently, China's existing underground space exceeds 3.2 billion square meters and continues to grow rapidly, constituting strategic territorial space and resources that must be considered for achieving the carbon peak and carbon neutrality goals. This paper primarily considers four resources (underground space, water, geotechnical materials, and geothermal energy) as urban underground multiple resources, and analyzes the synergistic utilization relationships among them. It proposes three main pathways for urban underground multiple resources utilization in response to the carbon peak and carbon neutrality goals: artificial carbon sinks, ecological carbon sinks, and carbon source reduction. Furthermore, it identifies four key research and development directions to facilitate the carbon peak and carbon neutrality goals: (1) prioritized development of “underground-aboveground ecological transition”; (2) timely and site-specific underground artificial carbon sinks; (3) novel low-carbon underground transportation systems; and (4) underground multi-energy complementary system based on wind-photovoltaic-hydrogen storage.

Graphical abstract

关键词

“双碳”目标 / 地下多资源 / 地下规划 / 碳中和城市 / 协同规划 / 城市规划

Key words

carbon peak and carbon neutrality goals / underground multiple resources / underground planning / carbon neutral city / synergistic planning / urban planning

0 引言

全球气候变化可能带来灾难性、不可逆转的环境变化,已成为人类社会可持续发展面临的重大环境挑战,人类逐渐认识到化石燃料产生的二氧化碳(CO₂)排放是气候变化的关键驱动因素^[1-2]。随着经济和城市的持续快速增长,可能会继续产生更多的CO₂排放,这无疑将使城市面临巨大的减排压力^[3-6]。我国提出力争于2030年前实现碳达峰,努力争取于2060年前实现碳中和^[7-8],即“双碳”目标,而碳源减排与碳汇增容是实现“双碳”目标的两大关键途径^[9]。碳源减排^[9-10]指通过能源技术革新、电/碳市场调控等方式从源头减少碳排放以降低CO₂等温室气体总量,从而改善生态环境、助推人类社会高质量发展。碳汇增容^[9,11]是实现“双碳”目标的另一重要途径,通过生物或人工方法直接捕获空气中的CO₂,从而减少温室气体的累积。碳源减排与碳汇增容从控排和固碳两个角度减少温室气体的累积,是推动全球气候治理、实现“双碳”目标的重要技术支撑^[9]。

当前城市的发展受到现状地面环境、原有建(构)筑物以及有限空间的制约,城市地下空间利用受到越来越多的关注^[12-13]。城市地下空间利用的发展作为优化城市空间结构^[14]、完善城市基础设施^[15]、发展绿色城市^[16]的手段,对促进城市低碳、可持续发展发挥着不可替代的作用^[17-19]。目前,中国已有超过1/3的城市编制了地下空间规划,同时城市地下空间开发仍保持较高的增长速度。因此,作为一种具有广阔发展前景的战略性国土空间资源,地下空间资源可为多种减排增汇技术提供充足且稳定的空间支撑,助力其低碳效益的进一步提升^[20-22]。与此同时,除了地下空间开发与利用外,地热能、岩土材料、地下水、地下生物资源(如微生物群落等)和地下文化资源(如历史遗迹、考古遗址等)等地下资源在碳源减排和碳汇增容方面也具备巨大的开发潜力。

基于以上分析,本文聚焦城市范围内“地下多资源”的概念,区别于传统的主要考虑地下空间资源利用,综合考虑纳入代表工程领域科学得到广泛共识划分的地下水、地下空间、岩土材料和地热能4种地下资源(即地下多资源)作为地下规划研究范畴,对地下生物资源和地下文化资源等资源暂不列入其中,探讨“双碳”目标视域下的城市地下多资源利用响应实施路径、规划发展方向。

1 城市地下多资源和相关概念

地下空间是指地表以下的空间^[23],通常情况下,是指被岩土包围的地下空间^[24],包含功能类型丰富多样,几乎所有传统的地上空间利用类型都适用于地下空间;在功能层面,从城市地铁、地下车库、过街通道、地下泵站、地下变电站、地下商场和地下民防设施,再到城市之外的矿井、地下储库、地下陵寝和硐室等^[25]。特别地,城市地下空间作为城市三维空间(地上、地面、地下)的组成部分^[26],逐步成为解决城市交通拥堵、环境污染、资源短缺等问题的重要手段,对某些城市问题,使用地下更具优势^[24,27-29]。

然而,学术界逐渐意识到,地下空间仅仅为地下多功能的自然资源之一,除了为生态系统和地表生命提供物理空间,还包括水、地热、岩土材料以及文化遗产和地质信息等资源^[30-34],一般称为多资源^[30]或多功能资源(multifunctional resource)^[31]。本文所指城市地下多资源重点考虑地下空间、地下水、岩土材料和地热能4种资源,它们是在地下规划中有重要作用的多功能资源^[34-37],并说明了它们之间的相互关系(图1)。同时,本文对所考虑的城市地下多资源,地下空间、地下水、岩土材料和地热能的概念、核心特征和响应“双碳”目标的主要应用场景进行了界定(表1)。

2 城市地下多资源利用对“双碳”目标响应研究进展

2.1 城市地下多资源响应“双碳”目标研究现状

从空间资源来看,Qiao等^[21]以上海虹桥中央商务区(central business district,CBD)为研究案例,通过对城市地下空间低碳效应进行定性和定量度量,探讨城市地下空间对低碳城市发展的影响程度;Qin等^[38]将地下空间与低碳技术相结合,提出了基于地下空间的综合能源系统的框架,包括系统配置、运行机制和效益;Lautkankare等^[39]以芬兰图尔库市的地下停车场为例,依托城市地下空间可再生能源的大规模利用,尝试构建零能耗停车厅和全球最大的太阳能储能系统;Dasgupta等^[40]在有地铁和没有地铁CO₂排放量的反复模拟中发现,在192个城市中地铁将人口相关的CO₂排放量减少了约50%,在全球范围内减少了约11%。此外,地下物流系统(underground logistics system, ULS)是一种利用城市地下空间进行货物运输的低碳、高效、绿色、可持续的城市物流方式,可以有效减少碳排放,提高物流效率^[41]。

从地热资源来看,牛海瑞等^[20]以黄河三角洲地区为例探讨了“双碳”目标下地热资源开发利用模式;许天福等^[33]明确指出地热能具有清洁稳定、分布广泛和使用灵活的优点,且为无碳基能源,在“双碳”目标下的国家能源结构调整中发挥重要作用;史帅航等^[42]以地热能行业为切入点,就“双碳”目标下地热资源开发利用的创新思路进行详细的探讨。

从地下水和岩土材料来看,地下水作为城市地下多资源的主要存在形式,在构建基于地下水的蓄水储能方面对助力“双碳”目标具有重要意义,此外鉴于地下水环境改变对无机碳循环的影响,人为输入和强降雨过程对地下水无机碳来源和碳汇效应有重要影响^[43];与此同时,对地下矿产、油气能源和岩土等岩土材料的开发与低碳化利用显然在碳源减排及碳汇方面有一定的改善和助力作用。

可以看出,对于地下空间助力“双碳”目标的研究较为广泛,且结合地下停车、地铁、地下物流系统和地下空间支持能源系统等具体的地下空间利用形式方面的研究已经非常具象化;对于地热能方面,多从地热能存在区域、特殊属性和地热能行业领域开展助力“双碳”目标的研究;对于地下水和岩土材料方面,已经证实其对“双碳”目标的重要影响性,但是由于其领域的专业性和技术性较强的特点,多从某类资源独立角度考虑其低碳效用的研究,鲜有提升到“双碳”目标顶层角度的系统性研究。因此,我们有理由认为地下空间、地下水、地热能和岩土材料4种城市地下多资源的单一利用形式对“双碳”目标的助力效应已经得到广泛研究证实,而对城市地下多资源协同利用响应低碳及“双碳”目标的潜力、协调机理和技术途径与方法等,尚需进行系统、深入研究。

2.2 城市地下多资源利用响应“双碳”目标路径研究进展

尽管城市地下空间和资源对“双碳”目标的贡献已经被学术界广泛认可,但是从国土空间规划的角度来看,其对“双碳”目标的响应和实施路径尚不清晰。已有部分研究提出了地下空间利用与“双碳”目标之间存在重要的影响关系:Broere^[15]提出地下空间及资源在解决城市环境污染、交通拥堵和排放等响应碳中和城市方面可以起到重要作用;Bobylev等^[18]则明确指出地下利用可以在不同情况和时间段增加或减少城市碳排放;易荣和贾开国^[19]更是明确指出科学系统地利用城市地下空间将为碳源减排与碳汇增容提供有力支撑。钱七虎院士明确指出地下多资源在助力“双碳”目标发挥积极作用,并对城市地下多资源开发利用响应“双碳”目标建设,从“理念”层面指出了清晰的方向(图2)。城市地下多资源利用响应“双碳”目标路径主要优势和挑战(表2),其要点如下。

(1)人工碳汇:地下空间可以在CO₂的地质封存、输送、地质利用3方面响应人工碳汇。在地质封存方面,可以利用陆地咸水层、枯竭油气藏等地下空间,对能源利用、工业生产、交通运输、建筑排放等产生的CO₂进行封存;在CO₂输送方面,可以利用陆地地下管道进行运输,有效节约地面运输空间;在CO₂地质利用上,CO₂驱替煤层气、CO₂强化天然气开采、CO₂强化石油开采等方面具有广泛应用前景,并根据《中国二氧化碳捕集利用与封存 (CCUS) 年度报告 (2021、2023)》统计数据,部分CO₂地质利用技术已经处于商业应用、工业示范等实践阶段。

(2)生态碳汇:将地面建筑移到地下建设有助于节约地面资源,可以在保证人类活动需要的建筑空间基础上,有更多的地面空间用于构建城市生态空间。城市生态空间中种植的植被可以通过光合作用减少大气中的CO₂,光合作用可以通过植物生长将CO₂转化为有机碳,然后以植物生物量的形式储存,起到碳汇的作用。目前,在城市建设过程中已有相关研究与工程实践利用地下空间实现地面空间的节约并用于生态建设。

(3)碳源减排:可以从地下能源供应、地下空间规划、地下建筑和地下交通运输4方面对碳源减排进行响应。在地下能源供应方面,可以通过地下天然气等清洁能源以及地下蒸汽、地热水、干热岩等地热能发电供能,也可以通过地下蓄水储能、地下氢储能等方式进行地下储能,其中地下氢储能是未来普适性地下储能技术,此外还可以通过地下综合管廊、地下变压、变电站等地下空间进行地下能源的传输。在地下空间规划方面,要把城市地下空间规划纳入“双碳”目标建设的整体布局,构建有利于碳中和城市的地下空间开发新格局。在地下建筑方面,可在其建设和运维两个阶段实现低碳化。在地下交通运输方面,一方面可以通过地下道路、地下行人网络和地铁构建地下交通运输系统;另一方面,可以通过地下仓储、地下物流系统等实现货物运输和存储的地下化^[41]。

3 现阶段城市地下多资源利用助力“双碳”目标主要思路

在过去的几十年以增量扩张为主导的城市发展时期,需求驱动的地下空间规划有效指导了地下空间利用的快速增长。然而,随着地下空间规模的增加,其空间扩张利用模式导致与其他地下资源的冲突日益凸显,如地下工程建设可能形成地下挡水墙阻碍地下水径流路径^[44]、开挖地下产生渣土需处置利用^[45]等问题。与此同时,我国“双碳”目标、城市更新行动等政策对地下空间的开发利用提出了新要求,其中就包括合理利用地下水资源、开发地热资源、渣土资源化等。从当前的地下空间规划框架来看,更多侧重于城市交通、市政、商业服务等地下空间服务功能领域利用,较少考虑地下水、地热、岩土材料等资源响应“双碳”目标的协同利用。

3.1 城市地下多资源协同利用关系解析

目前,关于在城市地下空间利用的实践和规划项目中考虑地下水、岩土材料和地热能已经成为趋势,然而在我国并没有明确地提升到城市地下多资源利用和规划的层面。也就是说,目前城市大规模开发利用地下空间、浅层地热能利用、CO₂封存等助力“双碳”目标的措施已在进行,但多为“一项目一议”的方式,尚未考虑地下4种主要资源之间的协同规划。其主要原因之一,就是地下资源相互影响关系尚不清晰。笔者及团队将其协同典型关系归纳为互斥、竞争和伴随3种(各种资源之间可能同时存在多种相互影响关系)(表3、图3)^[46]。

(1)互斥关系:这种关系主要存在于地下空间和地下水、地下空间和地热能、地下水和地热能、地下水和岩土材料、地热能和岩土材料等开发利用过程中。主要体现在如地下空间利用导致地下水水位变化进而影响地下水开采(Ⅳ)、地下水开采影响地下空间的运维环境(Ⅵ);地下空间利用和地热能利用产生空间冲突(Ⅲ)、地热能利用影响地下空间设施的受力和位移(Ⅹ);地热能利用破坏地下水环境(Ⅴ)、地下水开采致使地热能无法利用(Ⅷ);岩土材料开挖致使地下水和地热能利用失去凭依,相对地,地下水和地热能利用周围的岩土材料不能开挖(Ⅰ、Ⅺ)等形式上。

(2)竞争关系:这种关系主要存在于地下水和地热能开发利用过程中,主要体现在地下水和地热资源利用均需要抽取地下水,形成了对地下水资源的竞争(Ⅻ)。

(3)伴随关系:这种关系主要存在于岩土材料和地下空间、地热能和地下空间开发利用过程中,主要体现在地下空间形成或利用,伴随着岩土材料和地热能资源的利用(Ⅱ、Ⅶ);开挖岩土材料产生的空间可用于建设地下工程(Ⅶ)。

3.2 城市地下多资源利用响应“双碳”目标应从“地下空间规划”向“地下规划”升级

随着“双碳”政策在各行各业的不断深化落地,城市地下多资源协同利用的响应无论是从规模,还是数量和涉及的领域来看,毫无疑问是巨大的。但如前所述,中国目前已有超过1/3的城市编制了地下空间规划,主要聚焦于地下空间资源的规划建设。在此背景下,需要城市从“地下空间规划”向“地下规划”转变升级,即区别于传统的地下空间规划仅对城市地下空间利用进行综合部署和实施安排,综合考虑纳入代表工程领域科学得到广泛共识划分的地下水、岩土材料和地热能等4种资源的平面和竖向分布、相互之间的开发利用承载特性,统筹地下空间与上述3种资源的开发与利用,进而从城市地下多资源的视域开展相应的规划与设计。目前国际上已在此方面进行了探索,如芬兰赫尔辛基已率先提出地下总体规划(underground master plan),跳出传统的仅以地下空间或者主要以地下空间作为规划对象,还考虑岩石材料等资源的协同利用^[47-48];以瑞士为代表的一些北欧城市将地下资源分为地下空间、岩土、地下水和地热能4大类,并建立了针对地下空间、岩土、水源、可再生能源的地下空间资源综合评价方法,从资源统筹利用的角度促进地下空间的科学合理分布与高效可持续利用^[49];新加坡作为土地资源紧缺型国家和城市,在地下规划中充分考虑了对地下多种资源的协同利用,地下排水和水库系统试图解决水资源和洪水控制这两个可持续问题,在坚硬岩石的地下挖掘中,考虑将挖掘的岩石用作骨料或用于其他用途(例如,道路基础、土地复垦和海岸保护)^[50-52]等。在地下规划中重点解决如下问题:(1)地下规划响应碳达峰、碳中和城市框架体系。目前,城市大规模开发利用地下空间、地热利用、CO₂封存于地下等助力“双碳”目标的措施已在进行,但多为“一项目一议”的方式,比较零散,地下规划从整体上如何响应“双碳”目标的具体路径、准则和框架体系还不清晰,甚至缺失;碳中和城市生命周期的规划设计、建设更新规划、创新规划设计和管理运营规划等地下响应体系尚未形成。(2)城市地下资源对“双碳”目标的贡献定量刻画。从整体上看,部分发达国家在现代城市地下资源开发利用方面和碳中和城市方面的研究起步较早,积累了丰富的经验。我国目前从不同角度对低碳生态导向的地下空间开发已有所涉及,但以“双碳”目标为切入点、系统研究地下多资源规划建设的效用与响应仍较为有限。尤其缺乏以“碳足迹”为驱动的地下多资源利用碳数据库,相关关键技术的研究不足,也缺少精准量化评估其对“双碳”目标贡献的准则与有效算法,导致城市地下多资源在助力“双碳”目标方面的实际贡献尚不清晰。(3)从规划“落地”层面来看,响应“双碳”目标的城市地下规划方法尤其是创新方法亟待研究。地下空间置换释放地面空间和创造绿色生态、利用地下空间进行碳储存、开发利用清洁能源地热能和发展绿色地下交通(地下物流等),都已逐渐在学界形成共识,但对相关技术在城市地下规划中的适用域和方法缺少系统研究。城市扩张导致了能源消耗增加,高能耗带来的高污染高碳排等问题制约着“双碳”目标实现、碳中和城市的建设,发展清洁能源供给是从源头破解这一难题的根本出路,但是既有清洁能源技术体系从技术成熟度、可靠性、安全性等方面尚无法适应并满足全寿命周期能源供应需求。地下空间可以从建立风光氢储系统能源的耦合关系、以风电/光伏为清洁供能单元、以耦合电池储能系统与气态储氢系统的地下储能系统为灵活调节资源等几个方面入手,尤其需要针对地下空间利用与能源供应在协同减排方面的深度融合这一典型规划创新模式亟待进行研究。

4 城市地下多资源利用响应“双碳”目标优先发展规划技术方向

为有效促进城市地下多资源开发利用助力“双碳”目标的高效科学落地,基于现有探测设备设施、施工工艺、机械设备、人工智能等技术,综合考量成熟度、经济性、可靠性、安全性等因素,并考虑未来5~10年内可能落地,从生态碳汇、人工碳汇、碳源减排3个视角,提出优先发展如下技术方向。

4.1 “地下-地上生态转换”规划技术

“地下-地上生态转换”模块的基本原理如下:(1)通过城市地下空间的充分合理利用,将交通设施(交通出行设施、停车设施、物流运输等)、建筑设施(商业、办公、行政、住宅等)以及仓储等地面建筑物或者设施转移到地下空间建设,或者建成地上-地下一体化交通、商业、住宅等综合体;(2)释放出的地面空间可以创建更多的城市生态空间,在这些城市生态空间构建人类出行活动与生态碳汇相融合的城市蓝绿空间,这些城市蓝绿空间主要以邻里公园、社区性公园、综合公园、河滨公园等城市公园的形式存在;(3)这些在城市蓝绿空间种植的植物通过光合作用吸收空气中的CO₂,以植物生物量的形式储存,进而实现有机碳的积累,起到碳汇的作用(图4)^[53]。

生态碳汇主要靠绿色生态的光合作用吸收CO₂,绿色生态需要地面的面积,目前城市设施规模越来越大,绿色生态空间越来越小。在城市开发与利用过程中,可以通过对地下空间科学合理的利用,释放出更多地面空间,用以创造绿色生态,如笔者研究团队提出了一种用于精准评估城市地下空间利用的生态碳汇潜力的量化方法^[53],该方法结合城市蓝绿空间的种植设计策略和植被碳汇效率估算方法,可以对不同地下空间开发强度置换出部分开放式绿色空间、封闭绿色空间、部分开发蓝色空间3种蓝绿空间的生态碳汇进行精细计算和对比分析。以某新区直管区为例进行研究,在低、中、高3种不同城市地下空间开发强度下,计算不同生态空间形式的生态碳汇量对规划人口建筑业碳排放的碳汇贡献比例。研究结果表明:地下空间开发强度越高,对规划人口建筑业碳排放的碳汇贡献比例越大,最大可以实现接近7%的规划人口建筑业碳排放的吸收^[53]。然而,地下空间在生态碳汇的潜力量化研究尚不多,将上述贡献如何纳入地下规划和决策技术中几乎属于空白。

4.2 适时适地地下人工碳汇规划

人工碳汇模块(图5),也就是常说的CO₂捕集利用与封存(carbon capture, utilization and storage, CCUS)^[54-55],可以分为地质封存和地质利用两方面:(1)在地质封存方面,可以利用陆地深部咸水层、枯竭油气藏等地下空间,对能源利用、工业生产等排放的CO₂进行地质封存,我国理论CO₂地质封存容量为1.21万亿~4.13万亿t,主要包括咸水层、油气田等地质构造^[54];(2)在地质利用方面,在CO₂强化天然气开采、CO₂强化石油开采等方面具有广泛的应用前景;我国油田主要集中于松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地,通过CO₂强化石油开采技术可以封存约51亿t CO₂;我国气藏主要分布于鄂尔多斯盆地、四川盆地、渤海湾盆地和塔里木盆地,利用枯竭气藏可以封存约153亿t CO₂,通过CO₂强化天然气开采技术可以封存约90亿t CO₂^[54-55]。

在我国以煤为主的能源消耗结构短期内难以改变的形势下,开展CO₂地质储存是实现我国碳减排承诺的有效措施之一。因此,结合城市竖向发展布局,从城市地下空间利用碳封存角度,基于CO₂强化石油开采技术等与城市运行紧密关联的碳封存技术,适时开发深层地下资源助力“双碳”目标^[54-57]。近年来,我国CCUS技术和示范取得长足发展:首个百万吨级CCUS项目——齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS项目正式注气运行;包头钢铁(集团)有限责任公司拟建成钢铁行业200万t CCUS全产业链示范工程,目前一期50万t示范项目已经开工建设;中国海洋石油集团有限公司、广东省发展和改革委员会、壳牌(中国)有限公司和埃克森美孚(中国)投资有限公司签署了大亚湾区CCUS集群研究项目谅解备忘录,拟共同建设中国首个海上规模化碳捕集与封存产业集群^[54]。尽管我国大部分CCUS技术已达到工业示范水平,但与实现碳中和目标的减排需求和欧美等国家的发展水平相比仍有很大差距。因此,在健全市场机制和补足政策激励的基础上,适时适地地研究地下人工碳汇规划技术已迫在眉睫。以我国苏北盆地为例,针对涉及不同排放源、不同碳捕集率和分阶段CO₂管道建设的CO₂强化石油开采源汇匹配进行研究,研究结果表明:利用CO₂强化石油开采技术,我国苏北盆地理论CO₂封存量为1.740 8×10⁸ t,CO₂有效封存量为0.435×10⁸ t;实施CO₂强化石油开采技术后,分阶段建设方案中的源汇匹配总成本显著降低;CO₂捕集率变化对驱油价值无影响,捕集成本对源汇匹配总成本具有显著影响,燃煤电厂、钢铁厂、水泥厂和化工厂4类碳源对总成本的影响程度依次降低^[58]。

在我国适宜地下封存的区域大部分在松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地等远离城市的区域,城市作为碳排放的主要源头使得碳源-碳汇之间存在距离、成本等约束。因此,为有效实现人工碳汇规划技术的广泛落地实施,当前需要关注和研究以下几方面技术问题:(1)摸清城市范围内火电厂、钢铁厂、水泥厂、化工厂等主要碳源的年碳排放,并研发与之对应的碳捕捉技术、运输技术;(2)在初期控制成本的前提下,重点对CO₂强化天然气开采、CO₂强化石油开采等具有经济效益的CCUS项目进行近期规划;(3)在后期实施碳交易、碳税收等场景下,适时开展CO₂咸水层地质封存的远景规划,并对长江三角洲、珠江三角洲等工业城市群从国家层面进行通盘考虑和整体规划。

4.3 以城市地下物流系统为代表的新型低碳地下运输规划技术

如前所述,利用地铁等地下交通设施可以有效进行碳源减排,同时还可规划利用其他新型低碳地下运输技术。例如,城市地下物流系统是指将地面货物转移至地下运输,可采用清洁低碳的能源进行集中供能,在助力实现“双碳”目标和缓解城市拥堵方面具有巨大潜力。城市地下物流系统^[41]是城市地下空间开发利用的重要组成部分,作为一类新型城市交通运输基础设施系统,其依托地下隧道或管道进行货物运输,具有全天候、无干扰、低碳节能和节约地面空间的优势(图6^[41])。笔者研究团队以某新城区规划的地下物流系统为例,对城市地下物流在建材生产、建材运输、施工3个阶段的碳排放进行了测算,并以城市7种常见类型货车作为参照进行了碳源减排的情景分析,研究结果表明:与现有的地面货运方式相比在地下物流建成10年后逐步凸显,在2050年与7类货车运输对比均可实现与前期3个阶段(建材生产、建材运输和施工阶段)碳排放相持平^[59]。2019年9月中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》,2022年3月交通运输部和科学技术部制定的《“十四五”交通领域科技创新规划》等国家重大战略举措中明确提出了“发展地下物流/货运系统”的战略目标。目前,地下物流系统作为构建低碳高效物流配送网络的新手段和新趋势,从理念、技术研发到规划实践进展较快,尤其是新城新区地下空间规划必不可少的选项之一。与建成区相比,新城新区对开拓性、创新性和示范效应有更强烈的追求,建设条件约束较少,使二者具有天然的契合性。例如,《河北雄安新区控制性详细规划》《北京城市副中心控制性详细规划(2016—2035年)》、武汉长江新城^[41,60-61]等已将地下物流正式纳入或开展规划研究。

在低碳城市地下物流系统领域,我国研究已处于世界学术前沿,从某种意义上讲,进入“无人区”,很难找到规划与落地的“对标”,目前为数不多的在研或正在设计的项目,如新加坡“地下仓储及物流设施” (Underground Warehousing and Logistic Facility)项目,尚处于探索状态,很多规划与落地应用的基础性“难点”与“瓶颈”亟待突破,如从规划建设方来看,规划管理部门非常想得到地下物流的“能”与“不能”等相关问题清晰的界定;从规划设计工作者来看,对如何科学预留节点、干网的空间以及与现有物流和其他地下设施如何相协同更为关注;从规划潜在利益攸关方来看,对地下物流“末端配送”微网络如何建构及参与解决物流配送“最后一公里”等“痛点”,从而提高物流效率,但目前对于碳源减排效果的量化还不清晰,迫切需要开展深入研究。

4.4 以基于风光氢储的地下多能互补系统为代表的创新技术

地下空间作为一类具有广阔开发前景的国土空间资源,可为各类减排增汇措施提供稳定充足的空间支撑^[9],稳定充足的地下空间支撑使得大规模地下储氢(枯竭气藏地下储氢^[62]、层状盐地层地下储氢^[63]、衰竭油藏地下储氢^[64]等)成为一种安全、大规模且具有成本效益的解决方案^[65-66]。面向碳中和城市发展目标,构建以可再生能源为主体的新型电力系统是关键,清华大学建筑学院江亿院士率先提出的“光储直柔”^[67]已列为国务院《2030年前碳达峰行动方案》、九部委《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》中城乡建设领域实现“双碳”目标的重要支撑技术。然而,风能和太阳能等可再生能源的间歇性特性导致能源供应难以预测,导致电网可能出现不匹配。为此,氢储可以提供一个解决方案,储存的氢气作为压缩气体,既可以转化为电力,也可以用作工业原料,为建筑环境供暖,或作为汽车燃料^[62-66]。

基于以上分析,构建基于风光氢储的地下多能互补系统模块,具体论述如下,(1)能源/电能供应层面:构建以太阳能、风能和地热能为主,电力和天然气等为辅的优质能源体系,逐步实现由传统化石能源供应向因地制宜的多元低碳能源供能的转型;(2)能源/电能储能层面:商业综合体、住宅区、交通系统(地铁)等城市开发利用带来电/热/冷等多元能源/电能负荷的激增,依托地下空间构建地下氢储能站实现多能互补储能系统,可就近满足地上-地下空间设施的多元化用能需求;(3)能源/电能传输层面:依托地下空间的封闭性和防护性,建设地下变电站、电缆隧道、综合管沟等地下能源/电能传输设施,保证现有以及未来扩容需求下的能源供应充足、稳定和可靠,地下空间将在城市能源传输改造和优化城市电网中发挥不可替代作用。对此,本文对基于风光氢储的地下多能互补系统模块进行概念设计(图7)。

从“地下空间规划”向“地下规划”升级和落地,离不开以基于风光氢储的地下多能互补系统为代表的创新技术创新,规模化储能技术作为能源结构调整与节能减排的支撑技术和关键推手,基于风光氢储的地下多能互补系统模块概念单元,如何依托地下空间构建以太阳能和风能为主要能源/电能供应、以地下氢储能站为能源/电能蓄能的多能互补能源系统,已成为支撑地下规划技术创新的关键。

5 结论与建议

笔者倡导将城市地下多资源利用与规划站在“双碳”目标视域下,从碳源减排与碳汇增容两方面的视角,全面梳理城市地下多资源的响应潜力,建立不同城市发展模式下响应“双碳”目标的城市地下多资源开发长效机制,形成一套系统性的面向“双碳”目标的城市多资源规划理论框架和方法体系,重点阐述如下。

(1)从“地下空间规划”向“地下规划”升级,在“双碳”目标、碳中和城市的导向下,从规划实施层面进行指标与要素的控制引导,同时协同地下空间、地下水、地热能、岩土材料4种主要地下资源本身的规划特征,通过系统规划和统筹布局,研究了城市地下多资源的互斥、竞争和伴随3种耦合关系,达到科学适度合理利用城市地下多资源的目的;从生态碳汇、人工碳汇、碳源减排3个视角,提出优先发展“地下-地上生态转换”规划、适时适地的地下人工碳汇规划、以城市地下物流系统为代表的新型低碳地下运输规划和以基于风光氢储的地下多能互补系统为代表的创新等技术。

(2)同时相关研究表明,在“地下-地上生态转换”规划方面,地下空间开发强度越高,生态碳汇量对规划人口建筑业碳排放的碳汇贡献比例越大,最大可以实现接近7%的规划人口建筑业碳排放的吸收^[53];在适时适地的地下人工碳汇规划方面,利用CO₂强化石油开采技术,我国苏北盆地理论CO₂封存量为1.740 8×10⁸ t,CO₂有效封存量为0.435×10⁸ t,且源汇匹配总成本显著降低^[58];在以城市地下物流系统为代表的新型低碳地下运输规划方面,与现有的地面货运方式相比在地下物流建成10年后逐步凸显,在2050年与7类货车运输对比均可实现与前期3个阶段(建材生产、建材运输和施工阶段)碳排放相持平^[59]。

(3)由于城市地下多资源规划响应“双碳”目标涉及土木、规划和地质等众多学科交叉,关系异常复杂。本文提出城市地下多资源3种耦合关系和4种优先发展规划技术,仅作为抛砖引玉之见。结合不同城市的具体区位发展、地理优势、地质条件等特征,研究与创新规划设计城市地下多资源利用方案正在不断涌现,如以新加坡“天水池” (地下排水和水库系统)为代表的利用地下空间进行排水、储水和发电的技术应用;深地空间具有独特的环境清洁、恒温恒湿等优势^[68-69],在深层地下仓储、深层干热岩等多元能源生成和循环体系等方面具有响应“双碳”目标的广阔应用前景,都还需持续进行研究。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52378083)

国家自然科学基金项目(52078481)

江苏省自然科学基金项目(BK20231488)

山东省自然科学基金项目(ZR2025QC774)