苏州市区多种地下地质资源协同开发利用研究

瞿婧晶,龚绪龙,梅芹芹,郭慧,张其琪,毛磊

1) 自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室,南京,210018;2) 江苏省地质调查研究院,南京,210018

内容提要:地下空间、地下水、浅层地热能和地质材料是重要的地下地质资源,协同开发利用是大势所趋。苏州既是历史文化名城又是现代国际化大都市,城市发展至今对地下地质资源的需求相当迫切。通过对苏州各类地下地质资源的的识别分析,表明其具备分别开发地下空间、地下水、浅层地热能和地质材料资源的能力。若多种资源协同开发,平面上开发利用条件较好,竖向尺度地下浅层到次深层适宜地下空间和地质材料的协同开发,而深层适宜以浅层地热能为主的协同开发。结合苏州国土空间发展格局和地下资源的优势分布特征,城镇空间建议采取“地下空间+浅层地热能”的协同利用模式;农业空间建议采取以“浅层地热能”为主的协同利用模式;生态空间予以生态环境保护。

地下地质资源协同利用作为一种对地下地质资源(包含空间和实体)开发利用的新理念,近年来受到国内外众多学者的广泛关注(Li Xiaozhao et al., 2013;葛伟亚等,2021)。协同开发利用就是从生态环境可持续发展的角度出发,通过协调两种或两种以上的地下地质资源,构建系统的资源调配体系,从而实现科学有序的资源开发利用格局。对缓解当下城市快速发展过程中城市群结构和空间布局急需优化、城市发展空间亟待向地下拓展、水土污染和地质灾害急需风险管控等问题具有重要的意义。

普遍存在的地下地质资源主要包括地下空间、地下水、浅层地热能和地质材料资源。它们共存于一个地下地质环境中,彼此相互联系又相互制约,以往单一的模式进行开发,往往会对其他资源和环境产生不良影响,还易对后期的发展构成障碍(Cano-Hurtado et al., 1999)。比如地下空间和浅层地热能在同时开发时可能存在空间位置冲突,地下空间的开发可能造成地下水的水位、水量、水质以及渗流路径的改变,地下水或者浅层地热能的开发利用可能影响到地下空间的结构安全等。因此应该发挥全局意识,顺应发展需要,科学合理的协同开发多种地下地质资源。对此,张忠兴(2012)、Li Xiaozhao等(2016)、王田丁(2019)、周丹坤(2020a,2020b)、杨梅芳(2020)等认识到查明地下地质资源间相互作用关系是协调和协同发展地下地质资源的基础,尝试识别并概化了多种地下地质资源协同利用相互影响机制,总结了协同开发的典型案例,提出了协同利用的探索性方案,强调了对资源的综合开发。范晓秋(2018)从规划编制和管理的角度提出了地下空间协同发展的建议。赵鹏(2022)总结了地下地质资源的相互影响特征,并基于系统动力学对地下地质资源的相互作用进行了定量评价。总体来说,目前协同利用研究以理论分析为主,尚处于初步探索阶段。当下城市发展处于重要战略机遇期,开发利用地下地质资源是大势所趋。

苏州,有着“人间天堂“的美誉,经济发达,人口稠密,人口密度达1473人/km2,城镇化率达81.93%,地上发展空间几乎饱和,国土空间优化压力空前,而其地下仍具有相对丰富的空间、物质、能量等资源潜力,近年来向地下发展的需求不断增大。目前苏州地下空间开发步入规模网络化阶段,居于全国前列,后期必将向立体地下城阶段发展。苏锡常地下水虽已全面禁采,但近年来地下水水位持续回升,一定条件下仍具备应急供水的能力。浅层地热能作为一种可再生的绿色清洁能源,主要为建(构)筑物供暖制冷,基于在节能环保方面的优势受地方政府推崇。随着苏州大规模的开发建设,建筑材料短缺价格疯涨,将地质材料变废为宝,对缓解材料困局具有重要作用。由此可见每种地下地质资源的开发利用都对城市高质量发展具有巨大价值。

苏州作为江苏省首个试点城市开展了城市地质调查,以此为基础近期又开展了“透明苏州”项目,进一步摸清了区域地质条件和地质资源禀赋,本文将利用以上研究成果,结合社会经济发展条件,开展协同利用研究,以期为实现城市地下地质资源开发方式多元化和效益最大化提供理论支撑。

1 多种地下地质资源的识别分析

对一体共生的地下地质资源禀赋进行识别及潜力分析,是探索多种地下资源协同利用的基础。

1.1 地下空间资源

地下空间资源是一种不可再生的国土空间资源,目前研究较多的是城市地下空间。作为地上建筑的延伸,城市地下空间为拓展市政、交通和网络以及商业建设空间,增强城市防护功能,增进城市韧性方面发挥了不可替代的作用。此外还有一种不太被人熟知的特殊地下空间,是指在地表以下的土层或岩层中天然形成或人工开发而形成的,在空间形态、分布、结构等方面具有特殊属性的地下空间(郭朝斌等,2019),具有恒温、恒压、稳定性好的特点,在大规模物质储备、能源储存、废物处置等方面具备得天独厚的优势。

(1)城市地下空间资源。城市地下空间资源的开发利用综合能力由地下空间开发难度与潜在开发价值两方面决定(汪侠等,2009;Li Xiaozhao et al., 2016;刘家男等,2021)。地下空间开发难度包含两个层次,一是地下空间“好不好开发”,这与地质条件密切相关。对于苏州来说,影响地下空间开发的地质因素主要有地形地貌、岩性组合、软土层的厚度、岩溶发育情况、含水层的埋深和厚度、砂土液化以及地面沉降等。二是地下空间“能不能开发”,这与生态环境条件和地下空间开发现状紧密联系。苏州既是历史文化名城也是现代化国际大都市,地表开发程度越高,对地下空间开发利用的限制性也越高,此外区内地上地下分布有文化价值较高的历史建筑物,各种保护政策一定程度上限制了发展或加大了地下空间的建设难度(朱合华等,2019)。因此评价地下空间开发难度时应综合考虑地质条件、地下空间开发现状、文物古迹以及生态环境保护。地下空间潜在开发价值则决定了地下空间“值不值开发”。开发地下空间的目的是缓解地上空间压力,提高生活质量,一般来说人口密度越大,交通越发达,地价越高,对地下空间的需求则越大,产生的地下空间效益也将越大。因此考虑地下空间开发潜力时应将人口密度、交通状况、基准地价、社会经济条件等纳入评价序列。如上所述,苏州地下空间开发利用综合潜力应综合考虑苏州的地质条件、地下空间开发现状、文物古迹分布、生态保护要求以及社会经济因素,通过建立评价指标体系,采取相关算法得到了苏州开发利用综合潜力分区(图1)。开发难度越小、潜在价值越高的区域,其地下空间开发综合能力也越高,开发利用的价值也越大。

图1 苏州市地下空间开发利用综合能力评价图Fig.1 Comprehensive capacity evaluation chart of underground space development and utilization in Suzhou City

(2)特殊地下空间资源。苏州的特殊地下空间资源包括非金属、金属和能源类矿产资源、坚硬的花岗岩岩体以及碳酸盐岩体,如图2所示。特殊地下空间资源的开发利用综合能力主要取决于矿种类型、区位分布、规模以及开发利用现状等。根据最新调查成果,苏州现有矿区31处,其中16处未利用,11处闭坑,4处生产中,生产矿种为高岭土。目前大多数矿产资源处于基本农田、生态红线和生态管控区之下,开发受限;同时由于苏州城市化程度很高,大部分矿产资源被压覆且无法调整。苏州坚硬的花岗岩岩体位于苏州西部,形成于距今150 Ma前的侏罗纪,其中侵入岩主要分布在枫桥街道以南,以岩基、大岩株产出,火山岩主要分布在浒墅关街道。具有规模大、孔隙度小、渗透系数低、含水量较小以及抗辐射性等特殊性质,是阻滞核素性能较好的岩体空间,具备建造特殊地下空间基本条件。碳酸盐岩体主要分布在环太湖地区,其中经过溶蚀作用形成的岩溶洞穴,目前已作为地质景观游人观赏,如林屋洞、三山岛古溶洞等。综上可知,利用矿产资源开发地下空间的潜力不大;利用花岗岩开发地下空间的潜力相对巨大,目前国内外对此研究较多;而岩溶洞穴多为旅游开发、矿山博物馆、文化遗产等,是苏州的主要发展方式。

图2 苏州市特殊地下空间分布情况图Fig.2 Distribution of special underground space in Suzhou City

1.2 地下水资源

地下水资源是人类赖以生存的基础。地下水广泛分布于地下,是良好的饮用水源,同时在工农业上也同样重要。如何保护并合理开发利用地下水资源是当前亟需解决的重要课题。通过分析,影响地下水资源开发利用综合能力的因素主要由地下水资源量和地下水质两方面决定。

苏州市区地下水资源较为丰富,发育有多层含水砂层,并具有一定的赋存深度。2000年江苏省出台了苏锡常地区限期禁止开采地下水的决定,自全面禁采以来区域地下水得到较好蓄养,水位埋深逐步回升,为地下水的应急利用创造了有利条件(朱晓明等2015)。地下水天然资源量(即地下水总补给量)与降雨入渗补给量、地表水入渗补给量、田间灌溉入渗补给量有关,经测算,苏州市区多年平均地下水天然补给量为3.28亿m3。进一步考虑禁采现状、地面沉降环境约束、地下水位约束条件,推定苏州市区主开采层次为Ⅱ承压含水层,分布稳定,出水量大,可开采资源量达1320×104m3/a(武鑫等,2021)。

苏州市区地下水受到不同程度的有机或无机污染的影响,水质相对较差。潜水以Ⅳ类水为主,部分地区为Ⅴ类水,承压水以Ⅴ类水为主,局部地区为Ⅳ类水。水质整体上受Fe和Mn原生环境影响较大(武鑫等,2021)。

综合考虑地下水质量和资源量,将苏州市区地下水资源开发利用综合能力划分成“可集中开发利用区”、“可分散开发利用区”、“审慎开发利用区”三类,如下图3所示。其中东南部地区较不适宜开发利用,应该审慎处理;北部地区部分地区适合集中开发;其他地区可采取分散开发的方式。

图3 苏州市地下水开发利用综合能力评价图Fig.3 Comprehensive capacity assessment of groundwater development and utilizationin Suzhou City

1.3 浅层地热能资源

浅层地热能的能量来源于太阳辐射和地球梯度增温,一般赋存于地球表层至地下200 m的土壤、岩石、地下水中。具有储量丰富,可以节能减排、就近利用,且价格低廉的特点,在改善我国能源结构、控制环境污染、促进绿色低碳方面具有显著作用。目前浅层地热能利用方式主要有地下水地源热泵系统、地埋管地源热泵系统和地表水地源热泵系统。由于苏锡常地区限期禁采地下水,因而地下水地源热泵系统暂无法在苏州普及;此外地表水地源热泵系统对水质、水量、水深、水源距离具有较高要求,苏州地区虽水网密布,但符合开发要求的河湖有限(杨荣等,2012)。因此苏州市区采取地埋管地源热泵系统应用前景更为广阔。

岩土体热物理参数对于浅层地热能开发具有重要意义,据测试分析埋深在90～100 m的晚更新世早期的含砾中粗砂层导热系数最大,可作为最优导热层(武鑫等,2021)。同时浅层地热能开发利用综合能力主要由开发利用适宜性决定。第四系地质特征、浅层地温场特征、岩土热物性特征是影响地埋管地源热泵开发利用的重要因素(王婉丽等,2017),结合苏州地质条件,选取第四系厚度、地貌分区、平均导热系数、体积热容和地温梯度作为评价因子评价地埋管地源热泵的开发适宜性。如图4所示苏州市区适宜地埋管地源热泵开发利用,其中适宜区面积为1391.22 km2,占全区面积的54.27%;较适宜区面积为1153.37 km2,占全区面积的44.99%;一般适宜区面积为18.92 km2,仅全区面积的0.74%。

图4 苏州市地埋管地源热泵适宜性评价图Fig.4 Suitability evaluation of ground-source heat pump with buried pipes in Suzhou City

1.4 地质材料

地质材料主要是指开发建设过程中因地下空间开挖而产生的岩土材料以及矿产资源开采后形成的岩土材料。作为一种地质资源,广泛应用于工民建、道桥、地下空间等设施的建设中,需求量巨大。

目前地质材料的开发利用存在发展瓶颈。一方面从生态环境保护出发限制或禁止开山挖方取土,然而施工过程中地下开挖的材料又被作为“渣土”废弃,带来沉重的环境负担,如何在法律允许的框架下最大限度的将“渣土”转化为可利用的地质材料成为亟待解决的问题。另一方面是前期大规模矿产开采留下了大量的废弃矿洞和岩土材料,具有极大安全隐患,如何转变思路高效利用也是亟需解决的问题。地下空间开发形成了地质材料这一“副产品”,鉴于地下空间开发具备协同地质材料开发的天然属性,应建立地质材料资源化利用体系来解决上述问题,这对建设资源节约型社会有重要意义。

苏州市区第四系埋深普遍较深,城市地下空间开发产生的主要是土体地质材料,包括黏土矿物含量较高的黏性土和砂土。其中黏性土可制作模型、加工为砖瓦等传统建材、工艺品、低性能的粘合剂等;砂土可用于场地填埋、路基、砂浆和混凝土的填料。特殊地下空间开发形成的高岭土用途更为广泛,造纸、陶瓷和耐火材料等都需要。花岗岩岩体开发后也是非常优质的建筑材料;灰岩可用作建筑材料、砂浆和混凝土基料、墙面粉饰涂料等。

2 多种地下地质资源协同利用模式区划

2.1 多种地下地质资源协同利用平面分区

随着城市快速发展,地下空间成为最亟需的资源,为满足城市发展需求,实现地下地质资源协同利用利益最大化,在单项资源识别分析的基础上进行了多种地下地质资源协同利用区划。将地下空间资源开发利用综合能力良好—优秀的区域、地下水资源可开发利用区域以及浅层地热能资源适宜—较适宜的区域进行空间叠加,地质材料开发利用能力参照地下空间考虑,划定了多种地下地质资源协同利用功能分区。如图5所示,苏州市区多种地下地质资源协同利用条件总体较好,大体可分为3个区:

图5 苏州市多种地下地质资源协同利用平面分区图Fig.5 Planar zoning of collaborative utilization of various underground geological resourcesin Suzhou City

(1)四种优势资源分布区(地下空间+浅层地热能+地下水+地质材料)。主要分布在苏州望亭—横溪街道、渭塘镇—唯亭街道以及临湖镇—吴江区—同里镇一带。面积约占全区陆域面积的一半。该区地下空间、地下水、浅层地热能、地质材料四种资源均具备良好的开发条件,开发时建议以地下空间为主,统筹考虑与浅层地热能和地下水的协同利用,以及地质材料的转化应用。

(2)三种优势资源分布区(地下空间+浅层地热能+地质材料)。集中分布在苏州望亭—横溪街道以南、太湖以北地区。该区第四系松散厚度较厚,多大于80 m,不良土体(软土、液化砂土)分布较少;体积热容超过2.7 MJ/(m3·K),浅层地热能赋存条件好,适合进行地下空间与浅层地热能协同开发,以及地质材料的转化应用。

(3)两种优势资源分布区。“地下水+浅层地热能”优势区主要分布在苏州黄埭镇—斜塘街道—同里镇北部、七都镇—震泽镇—桃源镇、平望镇北—黎里镇一带。该区第四系厚度>120 m,松散层含水层发育,Ⅱ承压含水层是历史上主采含水层,目前地下水水位已回升至20 m左右,具备较强的地下水应急供水能力,同时体积热容>2.5 MJ/(m3·K),地温梯度>2.5℃/100m,浅层地热能赋存条件好,可进行以浅层地热能为主的地下水与浅层地热能协同开发。

“地下空间+地质材料”优势区零星分布在木渎镇南部。

2.2 多种地下地质资源协同利用竖向分层

地下地质资源除了在平面上有不同的优势分区外,在竖向上也存在优势层位。通过对苏州市区地下空间开发现状分析,地下空间开发以浅层(0～10 m)为主,未来一段时间会向次浅层(10～30 m)、次深层(30～50 m)发展;浅层地热能资源利用不同的地层其导热系数不尽相同,苏州市区更倾向于90～100 m的砂层为最优导热层;地下水资源开发利用以Ⅱ承压含水层为主,其分布深度一般在80～120 m之间。

如图6所示,根据不同地下地质资源优势层位竖向深度的不同,建议50 m以浅以地下空间资源开发为主,深层(50～100 m)地下空间作为储备空间预留;浅层地热能开发的优势层位在深层,与地下空间开发必然存在“争夺”空间的问题,地下空间开发是不可逆的,规划时应协同考虑避免资源浪费;目前Ⅱ承压含水层禁止开采,建议以保护为主,特殊情况下可选择富水性好、沉降量小、水位恢复快,运输方便的区域作为应急水源地靶区,同时对于重大基础设施,如轨道交通、过江隧道等线性地下工程建设需穿越时应采取必要的避让和防护措施。

图6 多种地下地质资源协同利用竖向分层图Fig.6 Vertical layered diagram of cooperative utilization of multiple underground geological resources

3 多种地下地质资源协同利用潜力评价与开发建议

3.1 多种地下地质资源协同利用潜力评价

为将苏州建设成为“强富美高”新图景的社会主义现代化强市,《苏州市国土空间总体规划(2021～2035年)》中提出,要落实国家和省的区域发展战略、主体功能区战略,以自然地理格局为基础,统筹生态、农业、城镇三大空间(图7),形成生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀的国土空间开发保护新格局。

图7 苏州市国土空间总体布局Fig.7 Overall layout of land space in Suzhou City

地下地质资源的开发利用本质是为了服务国土空间优化配置,提高城市服务保障能力。因此地下地质资源的开发利用潜力不仅与资源本身有关,也与区域自身经济实力、发展阶段、发展规划密切联系,一块区域当多种地下资源皆适宜时,应根据城市发展需求有所侧重,保障更有利于城市发展的资源,保护受影响后波动更大的资源。

据此,针对不同区域的主体功能差异,结合不同区域的优势资源禀赋及特征,进行地下资源的协同利用优先顺序排位。

城镇空间人口稠密、经济发达、开发强度较高,随着城市的发展地上空间资源逐步饱和,急需通过资源优化和空间拓展来缓解日益增长的发展矛盾,因此对地下空间、地质材料以及浅层地热能的需求更为迫切。考虑到已有完善的供水体系,同时有禁采深层地下水的相关政策要求,对四种地下资源的利用潜力排序为“地下空间≈地质材料>浅层地热能>地下水”。

农业空间以提供农产品服务为主,对地下水的要求更高,同时近年来在“双碳目标”的背景下,浅层地热能作为清洁能源在农村用能、农业种养殖、梯级利用的功能优势日益体现。对四种地下资源的利用潜力排序为“浅层地热能>地下水>地下空间>地质材料”。

生态空间根据2020年印发了《江苏省生态空间管控区域规划》,对于具有重要生态功能的区域、重要生态系统以及主要物种以保护为重点,根据具体的分级管理要求,禁止或原则上不得开展有损主导生态功能的开发活动,故以保护为主。

通过以上分析,基于国土空间规划的多种地下资源协同利用潜力如图8所示,望亭镇—陆慕镇—同里镇—吴江区以西、太湖以东一带,唯亭街道—甪直镇以及渭塘镇东部零星区域建议优先开发地下空间资源,考虑与浅层地热能和地质材料的协同利用,并注意工程建设对地下水影响。渭城镇—斜塘街道—同里镇,震泽镇—平望镇—同里镇—甪直镇以东一带建议优先开发浅层地热能资源,考虑与地下空间和地质材料的协同利用。需要说明的是以上地下空间更倾向于城市地下空间,就目前苏州城市发展的紧迫性来说对土地资源的需求高于对矿产资源的需要,故前者的利用也优于后者。而特殊地下空间本身具备战略资源的属性,故其开发利用还需结合国家总体发展需要综合考量。

图8 苏州市多种地下地质资源协同利用潜力分区图Fig.8 Zoning map of the synergistic utilization potential of multiple underground resources in Suzhou City

3.2 多种地下资源协同利用开发建议

(1)城镇空间“地下空间+浅层地热能”。城镇空间人口稠密,建筑密集,上部空间有限。地下空间开发需要足够的空白空间,而浅层地热能利用,如果没有足够的钻孔,无法保证地源热泵系统提供足够的冷热负荷。因此将地下空间和浅层地热能协同利用,可采取能源地下空间(EG)技术优势显著。后期具体的协同利用过程中,工程实施前需加强对工程场地地质条件和浅层地热能的应用条件的调查和评估;工程运营时应注意定期监测地源热泵系统运行影响范围内的岩土体温度、地下水水位、水质、地基沉降等变化。保证地下建构筑物的安全稳定。

(2)农业空间“浅层地热能为主”。当前我国提出“碳达峰、碳中和”战略发展目标,尤其是随着乡村振兴战略的实施和推进,农业对能源需求将呈现持续增长的态势,对于农业空间建议采取以浅层地热能为主的资源协同利用的方式,加大不同形式的新能源供给比例。此外在浅层地下水可开采资源量范围内,将来可适度利用地下水资源进行蓄水,推动“水土双源”联合热泵系统的应用,促进利用效益最大化,环境影响最小化,低碳环保美观。

4 结论与展望

通过对苏州市区各类地下地质资源(地下空间、浅层地热能、地下水、地质材料)的调查与分析,表明其具有较好的开发利用价值和潜力。其中,地下浅层到次深层适宜开展以地下空间为主的协同开发,而深层适宜开展以浅层地热能为主的协同开发。结合苏州国土空间发展格局和地下资源的优势分布特征,城镇空间地下地质资源开发利用潜力排序为地下空间≈地质材料>浅层地热能>地下水,建议采取“地下空间+浅层地热能”协同利用模式;农业空间地下地质资源开发利用潜力排序为浅层地热能>地下水>地下空间>地质材料,建议采取以浅层地热能为主的协同利用模式;生态空间立足于生态环境保护。

多种地下地质资源协同开发利用的落地需要有相应的法律法规和技术标准的支持,因此当务之急是制定相关的标准或将其融入地下空间等专项规划当中,使其“合法化”。应当用可持续发展的眼光来看待多种地下资源协同开发利用的问题,注意资源的优化配置,加强协同利用的科学性和可行性研究,进一步丰富开发利用的方式方法。