特约主编致读者（附：龚剑明“城市地下空间的开发利用”项目由来）

地下空间泛指地表面以下的空间,它是地表土地资源向地下的延伸,是国家的战略资源,具体包括：以空间为载体的地下空间工程;以资源为载体的地下水、岩土体等;以能源为载体的地下矿产、地热能等;以生态系统为载体的地下再生系统;其他可供人类开发利用的地表以下的物质和空间。从城市建设的角度定义,地下空间多指以空间为载体的地下空间工程,即传统意义上的狭义地下空间。 随着城市的发展演变,地下空间在不同时期发挥不同的作用和功能,以适应城市和人对地下空间的需求变化。基于国内外城市地下空间的调研,通过功能、形态和效益等方面的分析,可将城市地下空间的发展历程划分为三个阶段,即地下空间1.0阶段、地下空间2.0阶段、地下空间3.0阶段。 在1.0阶段,地下空间建设是以市政功能需求为导向,以市政管线和单体式独立地下空间为主,解决城市快速发展引起的基础设施服务能力不足的问题。在形态布局上,主要依附于城市道路和建（构）筑物,不同空间之间缺乏连通性,呈点式的平面分布,且以浅层地下空间为主。1.0阶段的地下空间又称之为“功能地下空间”。 在2.0阶段,地下空间以地下交通建设为主体,并带动沿线城市地下空间的综合发展,出现了地下综合体、地下城、地下市政和完善的基础防灾设施。在形态布局上,形成了以地铁为骨架,以地下车站、地下综合体、地下枢纽为节点,以地下街等为延伸的网络化布局。竖向开发深度延伸至20~30 m左右,形成了典型的地下交通层空间。在该阶段,地下空间基本实现了有序化开发利用,并优化了城市结构。2.0阶段的地下空间又称之为“交通地下空间”。 在3.0阶段,地下空间以优化地表环境质量为主体,将不适宜的城市功能地下化,并实现单点空间的集约化、规模化利用。在形态布局上,打破了传统平面布局、竖向布局隔离的模式,向立体化、一体化发展,形成了地下空间的立体网络布局。在该阶段,地下空间的开发利用突出了提供城市韧性、改善城市宜居度的目标。3.0阶段的地下空间又称之为“环境地下空间”。 城市地下空间的建设阶段与城市的GDP成正相关关系。我国城市分布和发展的极度不平衡,造成大部分县级城市的地下空间开发利用尚处于地下空间1.0阶段,部分中等和大城市迈入了地下空间2.0建设阶段,少部分大城市、特大城市正在进行或逐步迈入地下空间3.0的建设阶段。新时期,人们对城市功能、生态化和宜居度的要求越来越高,加之信息化技术、人工智能、新型智能材料等的快速发展,地下空间发展可能出现新的特征、新的趋势和新的形态。 充分考虑人类对城市空间的需求,紧密贴合科技的最新突破进展,并考虑城市发展和演变的规律,可以初步判定新时期的城市地下空间开发利用会出现以下趋势：地下空间由单一空间属性向空间、能源、资源和生态“四位一体”的属性转变,其开发利用也从较单一的地下工程建设变为多种属性综合考虑的开发利用,如地下空间、地下空间余热、地热能和间歇性能源储存为一体的地下空间体系;地下空间开发利用逐渐向生态化发展,由过去的“能用”转变为“好用”;地下空间建设将愈加考虑人类生理、心理层面的影响,向人文化转变,形成“以人为本”的开发原则;地下空间向深度信息化、数字化和智慧化发展;地下空间与地上空间的分割日益淡化,城市空间向立体网络化发展。 基于以上城市地下空间的发展趋势,并充分结合21世纪信息化革命的浪潮,可以归纳总结出城市地下空间下一发展阶段（即城市地下空间4.0）的内涵和要求。城市地下空间4.0是以立体化综合利用、人与自然和谐发展为目标的智慧型地下空间,其内涵包括智能、韧性和绿色三个方面,其中智能是手段,韧性和绿色是目标。“智能”首先是指采用智能规划和智能建造提升地下空间立体化综合开发利用的能力,其次是指采用数字信息技术和人工智能技术提升地下空间的智能运行维护能力;“韧性”是指灾害发生时地下空间具备抵御吸收、响应适应和快速恢复的能力;“绿色”是指通过地下空间开发利用实现工程建设与生态环境的和谐、经济效益和环境效益的和谐、行业发展与社会人文的和谐。4.0阶段的地下空间又称之为“智慧地下空间”。 为进一步界定城市地下空间4.0,可以采用三级指标对其内涵进行剖析。其中,一级指标为智能、韧性和绿色。每个一级指标又包括三个二级指标。其中,智能包括智能规划、智能建造和智能运行;韧性包括抵御吸收、响应适应和快速恢复;绿色包括工程技术、经济管理和社会人文。每个二级指标又可分为多个三级指标,比如：智能规划包括形态、功能和布局,模拟和推演;智能建造包括智能设计、智能施工;智能运行包括感知技术、泛在物联、建模认知、服务决策、集成融合等。 20世纪60年代,我国城市地下空间的开发利用以人防工程建设开启了序幕。80年代后期,市场经济促使地下空间向平战结合的方向发展。进入21世纪,我国工业化、城镇化快速发展,城市地下空间开发利用的数量和质量都得到了快速提升。“十二五”时期,我国城市地下空间年均增速达到20%以上,约60%的现状地下空间为“十二五”时期建设完成。新时期,随着“深地”战略的实施和美好城市的建设,城市地下空间势必会快迈入4.0阶段。 然而,对比发达国家的城市地下空间开发建设,我国在城市地下空间开发利用方面还存在一些问题和不足：在管理方面,缺少管理依据,缺失综合管理机构,管理机制和管理制度仍不健全,亟须建立我国特色的地下空间管理体系;在技术方面,复杂地质、敏感环境下的扰动施工控制技术仍需进一步提高,缺少新型的装备和技术,深层地下空间的开发利用尚处于起步阶段,亟须建立基于开发与保护的全深度、全资源开发利用体系;在运维方面,缺少地下基础设施维护与更新的成套技术体系,缺乏对运维信息的管理和应用,灾害下的地下空间逃生救援体制不完善,亟须建立数字化、智慧化的安全运维体系;在人才方面,尚未建立完善的地下空间学科体系,缺乏跨学科、复合型人才,亟须建立健全的地下空间人才培育体系。 为了更好地促使我国城市地下空间的健康可持续发展,必须认清上述的问题和不足,充分理解地下空间4.0的内涵,并判识亟须解决的重大科学与技术问题,以制定相应对策,逐一攻克解决。经过调研、分析和推测,笔者认为新时期我国城市地下空间开发利用需要重点攻关以下内容：基于国土、规划、社科多学科的地下空间全要素、全资源规划及管理;考虑多尺度、多场、多因素的地下空间全灾害、全深度分析及设计;体现人文的地下空间与信息化融合理论及全寿命、全区域智慧运维。 “合理开发利用城市地下空间,是优化城市空间结构和管理格局,缓解城市土地资源紧张的必要措施,对于推动城市由外延扩张式向内涵提升式转变,改善城市环境,建设宜居城市,提高城市综合承载能力具有重要意义”。新时期,随着人们对美好生活的追求,地下空间建设将从狭义地下工程拓展为空间、能源、资源和生态“四位一体”的工程,逐渐进入4.0阶段,成为建设“山水城市”、生态文明城市的必经之路。 本专辑是中国科学院“城市地下空间的开发利用”咨询评议项目核心成果的集合,共收录17篇文章,涉及我国地下空间开发现状、问题与对策以及专题研究三个方面。本专辑的出版旨在促进城市地下空间的健康、生态、合理开发利用,进而促成新时期我国城市地下空间发展的解决方案。专辑的出版有赖于王成善院士、周成虎院士的大力支持和《地学前缘》编辑部工作人员的辛勤付出,在此表示衷心的谢意。     

特殊地质城市地下空间开发利用面临的问题与挑战

我国地质环境十分复杂,地面沉降、地裂缝、活动断裂及岩溶等特殊地质现象十分发育,是世界上地质灾害最为严重的国家之一,这给我国目前大规模城市地下空间开发利用尤其是城市轨道交通和地下综合管廊的建设带来了前所未有的地质挑战。文中论述了我国城市地面沉降、地裂缝、活动断裂及岩溶等特殊地质现象的分布与发育状况及危害,明确指出了上述特殊地质环境下城市地下空间开发利用中面临的诸如监测缺乏系统性、缺少评价与安全利用理论方法和技术支撑、特殊地质与地下空间相互作用机制不明以及规划缺乏前瞻性等关键问题和挑战,建议尽快开展我国特殊地质城市地下空间开发利用的适宜性评价理论方法、规划设计理论、探测与监测技术方法以及城市地下空间资源评价、安全利用与防治关键技术等方面的研究,为我国地面沉降、地裂缝、活动断裂以及岩溶等特殊地质城市地下空间开发利用与安全运营提供重要科学依据与技术指导。     

论新时代我国城市地下空间高质量开发和可持续利用

开发利用城市地下空间,开辟城镇化发展新资源,是解决城市病、改善城市生态环境、优化城市空间结构、提高城市韧性的重要途径。本文深入分析了新时代中国城市地下空间开发利用的现状,认为存在冒进式开发与总体供给不足、碎片化利用与协同规划缺位、被动式应对与科技支撑薄弱、无序化管理与法律法规匮乏等若干紧迫问题,明确了“立法为本、规划引领、调查先行、管理智能、科研支撑”的开发利用原则,提出了全面开展城市地下空间调查评价、尽快建立地下空间协同规划体系、加速构建地下空间智慧管理体系、超前布局地下空间科技发展战略、尽早健全城市地下空间法律法规等五个方面的具体对策建议,充分利用中国体制上的优势,集成国际城市地下空间开发利用先进的理念和技术,从而推动我国新时代城市地下空间产业快速发展、科技水平不断提高和地下空间体系日趋完善,在全球树立城市地下空间资源可持续开发利用的典范。     

中国城市地下空间地质结构分类与地质调查方法

城市地下空间开发和利用是顺应城市发展规律的合理抉择,也是我国近年来城市建设的热点区域。中国幅员辽阔,各类城市分布在不同的地貌区域内,具有不同地质背景和地质结构条件,在进行大规模城市地下空间开发和利用之前,要根据不同的地质地貌条件对各类城市地下空间结构进行初步分类,建立我国城市地下空间工程地质结构的分类体系,用于指导未来我国各类城市地下空间开发利用的工程实践。在考虑到不同城市所处地貌位置、区域构造特征、岩石圈深部结构特点、现今地震活动情况、地下岩土体结构、地下水埋深等多种参数,对未来中国可能进行大规模地下空间开发和利用的49座城市进行了分类。将地貌位置作为一级划分单元,对处在同一地貌部位各类城市所处大地构造环境、壳幔特征、基底结构、表层断层活动性以及潜在震级大小进行区分;同时对表层岩土体类型和岩土体立体结构进行分类。城市地下空间分类是基于对地下空间的精细化探测。本文还总结了现今对地下地质结构的调查方法,包括地面调查、钻探、地球物理勘探和建模方面的新技术和新方法,但对于在复杂地质环境下及深层地下空间开发中结构系统的全要素精细探测仍需要发展新的方法和理论,对不同类型城市地质结构模型的构建理论和描述方法也有待突破,城市地下空间地质结构分类体系和分类方法仍需进一步完善。     

城市地下空间要素的数字化路径探讨与思考——以上海市为例

城市地下空间资源是解决人地矛盾,释放城市空间,优化设施布局,保障城市安全的宝贵资源。上海市作为我国最早开发利用城市地下空间资源的城市之一,城市地下空间资源的开发规模巨大。进入21世纪,随着信息化技术的发展,城市地下空间的开发利用也面临数字化转型的挑战。本文对上海市城市地下空间要素的数字化现状和特点进行总结,对城市地下空间要素的数字化路径进行探讨,认为可以从可视化、可实用和可持续三个维度来思考上海市城市地下空间要素的数字化进程。首先,标准统一的可视化全要素城市地下空间数字底座是数字化建设最基本的要求;其次,数字底座实现应用级别的业务功能是城市地下空间要素数字化建设的基本目标和发力点;最后,实现数字底座全生命周期的共建、共治和共享,保障其生命力和可持续是数字化建设成功与否的重要标志。上海市城市地下空间要素的数字化目前正在由可视化向可实用和可持续方向迈进,整合各类已有城市地下空间要素数据资源,通过数字化支撑政府管理和社会运维是未来的发展方向。     

论新时代我国城市地下空间高质量开发和可持续利用

开发利用城市地下空间,开辟城镇化发展新资源,是解决城市病、改善城市生态环境、优化城市空间结构、提高城市韧性的重要途径。本文深入分析了新时代中国城市地下空间开发利用的现状,认为存在冒进式开发与总体供给不足、碎片化利用与协同规划缺位、被动式应对与科技支撑薄弱、无序化管理与法律法规匮乏等若干紧迫问题,明确了"立法为本、规划引领、调查先行、管理智能、科研支撑"的开发利用原则,提出了全面开展城市地下空间调查评价、尽快建立地下空间协同规划体系、加速构建地下空间智慧管理体系、超前布局地下空间科技发展战略、尽早健全城市地下空间法律法规等五个方面的具体对策建议,充分利用中国体制上的优势,集成国际城市地下空间开发利用先进的理念和技术,从而推动我国新时代城市地下空间产业快速发展、科技水平不断提高和地下空间体系日趋完善,在全球树立城市地下空间资源可持续开发利用的典范。     

基于城市规划的城市地下空间开发适宜性评价探讨

随着城市化进程的持续推进,城市地下空间开发利用的重要性日益凸显。但各城市地下空间资源开发存在盲目性,未能与城市规划要求充分对接,亟须构建面向城市地下空间开发的适宜性评价体系。本文阐述了城市规划与地下空间开发间的关系,提出在城市规划指导下进行地下空间开发的重要性。针对不同的城市类型,需要采取针对性的探测技术,评价地质、环境、资源和技术经济等方面,并根据评价结果划分开发适宜性等级。研究认为,在城市规划指导下,运用开发适宜性评价体系,可以实现地下空间的有序可持续利用。     

基于国内典型城市对比的地下空间开发利用现状及问题分析

根据对北京、上海、南京、成都、青岛、武汉、郑州、惠州8个国内典型城市地下空间开发利用现状的调查与研究,认为我国城市地下空间开发利用的速度和规模发展迅速,成效显著,但不同类型城市地下空间开发利用程度还存在较大差异,城市地下空间存在冒进式开发与协调性不足等问题,地下空间开发深度不够、功能不全面、规划体系不完善和管理制度不健全等问题较为突出。结合国外发达国家与城市地下空间发展的方向和趋势,提出了我国城市地下空间发展应不断加强城市地质调查、完善地下空间规划体系、加强城市地下空间运营管理、健全城市地下空间信息共享平台和推动科学技术创新的意见与建议。     

西安市地下空间开发利用现状与对策建议

西安作为国家级中心城市,地下空间开发逐渐步入实践化和规模化阶段,其面临的问题具有很强的代表性和典型性。在对国内外地下空间开发利用进展和趋势分析的基础上,针对西安市地下空间利用中存在的问题,提出了开发利用的对策建议,主要包括:①积极推进城市地下空间资源调查、监测与评估工作。②加强地下空间开发与地质环境的相互作用机理、地下空间的价值估算、地下空间资源开发的多元化融资模式等方面的技术攻关。③建立和完善相关法律法规、技术标准和行政管理细则。④推进城市地下空间资源开发利用的信息化和智能化,保障地下空间的合理开发利用,有效支撑国土空间规划与布局优化。     

我国城市地下空间安全问题探讨

随着我国城市地下空间大规模开发利用,地下空间施工、运营和管理过程中的安全事故不断发生,严重影响了城市的安全发展。本文总结了我国城市地下空间安全现状和不同地下空间设施类型的安全事故类型及产生原因,对地下空间施工、运营和管理中的安全问题进行了分析,重点分析了不同施工工艺诱发的各类地质灾害,不同类型的地质环境因素诱发的工程事故,地下空间运营期间结构老化、外部地质环境变化引起的安全问题,地下空间管理不到位导致的安全事故,并提出从管理和技术层面、监管层面、法律层面等多维度的防治建议,即：需要完善地下空间管理技术体系,建立完整的行政管理机构,健全城市地下空间法律法规。     

我国城市地下空间规划现状、问题与对策

地下空间规划是城市地下空间开发利用有序开展的重要保障。随着我国轨道交通建设的全面展开以及相关政策的陆续出台,我国城市地下空间开发利用必将迎来更大的发展。城市地下空间规划也在近年越来越得到重视。从目前各城市的地下空间规划实践来看,我国城市地下空间规划的技术体系已基本成型,但其中仍然存在着各种各样的问题。在摸清我国城市地下空间规划编制现状和实施效果的基础上,掌握我国城市地下空间规划所面临的问题,并结合未来地下空间发展趋势提出我国城市地下空间规划解决问题的对策,有助于城市地下空间规划理论和方法进一步完善,更好地保障我国城市地下空间事业的可持续发展。     

自然资源要素综合观测体系运维模式及保障体系构建

为实现自然资源要素综合观测体系的长期稳定运行并确保观测数据的科学性和准确性,建立一套适合综合观测体系的运维模式和保障体系意义重大。在分析国内外观测站网运维模式和保障经验的基础上,结合自然资源要素综合观测试点站网的建设、运营情况,提出了领导层+业务执行层+咨询层的运维模式,以及由经费保障、通信网络保障、基建装备保障、数据质量控制保障、野外观测台站日常管理与制度及人才队伍保障构成的自然资源要素综合观测保障体系框架。构建的运维模式层级清晰、职责明确,保障体系框架涵盖面广、重点突出,基本能满足自然资源要素综合观测体系长期、稳定、连续运行和定位观测的运维保障需求。     

地球科学大数据的管理与共享：以英国地质调查局为例

大数据驱动的研究范式正在引起地学领域的革命,而海量大数据的有效管理和共享是数据高效利用的前提。英国地质调查局作为最早成立的国家地质调查局,拥有海量的地学数据资源,通过近年来对数字化工作的全面推进,在数据的开放共享方面走在了世界各国的最前沿。文章对英国地质调查局的数据资源管理和数据共享方式进行了分析调研,详细介绍了他们的一站式管理平台——开放地学的主体组成,以及他们与同行合作建设的数据库。开放地学全面汇总了地调局内的数据资源,并通过一系列数据共享将所有数据集有机链接,通过数据和模型的巧妙结合,在满足用户数据需求的同时,对数据的应用进行了全方位的拓展,是地球系统科学研究框架下地球科学数字化工作的良好典范。     

石家庄地区水资源利用与经济发展协调模型研究

运用大系统递阶优化控制理论对石家庄地区水资源开发利用与经济发展协调管理问题进行分析和研究,提出该地区水资源开发利用与经济发展协调管理的三级递阶模型;探讨了模型系统优化识别问题和系统协调管理模式及其优化方法。通过数字仿真、灵敏度分析,说明模型运行结果准确可靠,可作为管理部门决策的依据。     

火星资源赋存状况及其原位利用技术研究进展与展望

太空资源的勘探及利用是深空探测的重要目的之一。火星是人类最容易到达和资源利用最为迫切的行星,对火星资源进行勘查和原位利用是未来火星载人探测及基地建设需要解决的重要问题。本文对火星大气资源、水资源、土壤与岩石矿物资源、风能与太阳能资源等可利用资源的类型及赋存状况进行了分析,制作了火星资源的全球分布图,并从资源分布的角度提出了未来火星资源探测及火星基地建设的首选区域。同时,本文也总结了火星原位资源利用技术的研究进展及问题,认为未来需要从以下几个方面开展进一步研究：加强火星资源的针对性勘查与评估;开发新的资源利用模式与技术;建立资源利用成本的综合评估模型;完善资源开发与利用相关的法律法规。     

吉林省中部水资源利用趋势分析及对策

吉林省中部是全国重要的商品粮基地和东北重要的经济区,水资源的短缺和不合理利用严重制约了该区社会经济的可持续发展。根据水资源时空分布特征和开发利用现状,认为本区总体上为水资源脆弱区。从水资源需求趋势和供给能力两方面,综合判断水资源利用高峰将出现在2020年左右,用水量约为55～60亿m~3。水资源利用结构将有显著的变化,到2030年时,居民用水、工业用水、农业用水三者需水量之比达到1∶2∶2的水平。提出建设节水农业是实现区域水资源可持续利用的战略性措施；合理利用雨洪资源是提高供水体系稳定性的关键手段；实施水源置换工程是改善供水系统的重要举措；建立合理的水价体系是实现水资源合理配置的基础性工程；加强水资源的综合管理是实现水资源可持续利用的体制保障。     

城市地下空间地质安全风险三维评价方法与实践

城市地下空间地质安全风险三维评价是合理进行地下空间立体化开发、降低开发地质风险的重要手段,但目前尚缺乏系统的研究,工作方法体系仍有待深入探讨。本文在前人工作基础上,对城市地下空间地质安全风险的类型、地质诱因与核心评价指标,以及传统二维评价的局限性进行归纳总结,并结合三维地质建模、三维评价指标体系以及三维空间分析等关键三维方法技术,提出了一套较为系统的城市地下空间地质安全风险三维评价技术方法体系。为验证方法的有效性,在南京市江北新区开展了城市地下空间地质安全风险三维评价实例研究,取得了较好的效果。研究显示该方法体系能够显著提升三维尺度下地下空间地质安全风险评价精度和准确性,为立体化地下空间开发提供有力支持。     

中国地热资源现状及发展趋势

中国地热资源禀赋良好,分布广泛且具有明显的规律性和地带性。本文系统总结了国内取得的地热资源勘查开发成果:浅层地热能资源在全国范围内普遍分布,我国336个地级以上城市规划区范围内浅层地热能资源年可开采量折合标准煤7亿吨;水热型地热资源年可开采量折合标准煤19亿吨;干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨。阐明了有代表性的水热型地热资源成因机制和干热岩资源成藏模式。地热开发利用技术发展迅速,浅层地热能和水热型地热资源利用量逐年攀升,但在地热资源成藏模式研究、勘查开发及管理利用等方面仍有亟须突破的技术瓶颈和需要改进的环节。文章分析了存在问题并提出了我国地热发展战略路线,下一步应加强热源机理与控热构造研究,推进地热探测技术和开发利用示范,开展重点地区浅层地热能、水热型地热资源勘查评价,完善干热岩勘查开发技术体系,推动地热产业健康有序发展。     

中国城市地质调查总体构想与关键理论技术

近年来,我国在城市群、大城市和中小城镇等不同层面组织开展了大量的城市地质调查,在城市地质资源、地质环境、发展空间的调查评价,以及地质信息服务城市管理制度建设等方面取得了丰富成果,在调查技术方法、成果产品服务、工作协调机制等方面积累了一些经验,但和新型城镇化的需求相比,还存在着工作理念较落后、地质信息更新慢,成果体系没标准、工作机制不完善等诸多不足。国家新型城镇化发展战略提出了全新的城市发展理念,在优化城市结构布局、拓展城市发展空间、推进绿色城市建设、提高城市安全保障水平等方面,对城市地质调查提出了迫切需求。新时期应该以全新的思路开展城市地质调查,要树立大资源、大环境、大数据理念,服务城市规划、建设、运行、管理等多个层面,开展空间、资源、环境、灾害等多要素综合调查,打造地下三维可视化的城市地质模型(透明城市),完善空天地一体化的地质资源环境监测网络,建立开放共享、动态更新的城市地质信息服务与决策支持系统,构建城市地质调查成果服务产品体系、技术标准体系和保障制度体系。为实现这个目标,需要建立城市资源环境承载能力、城市多圈层交互带、地下空间资源协同规划等理论,开展城市地质探测与监测、国土空间开发地质适宜性评价、地下空间开发利用地质安全评价、三维城市地质建模与公共服务等技术攻关。