地面塌陷、污染地下水，地下也有气候变化，甚至危及人类健康

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

文 | 闻静

近日，科学家首次评估了地下热岛对城市地区地下土层的影响，成果发表于学术期刊《通信工程》（Communications Engineering）上。新研究显示，地下热岛会威胁到建筑物和各类基础设施的使用安全。

地下热岛影响城市居民生活

地下热岛的形成原因分为两大类。一是人为因素，例如，为了给建筑物内部供暖，相关基础设施会不断地在地下散失热量；地下交通也会影响地下原本的温度场，列车行驶、制动，以及乘客也会产生热量；其他地下管道、高压电缆等也会散失热量。二是气象因素，可认为是人为因素在过去几个世纪里累积产生的效应，例如，城市热岛效应导致地表气温上升，又进一步导致了地下环境温度升高。

地下热岛效应与城市的人口密度和人口总数正相关，并受城市的地形地貌以及水文地质条件影响。数据显示，由于地下热岛效应，世界各大主要城市的地下环境温度每十年约升高 0.1～2.5℃（地面以下 100 米处）。在一些人口密集的城区，甚至出现了 20℃的温度异常。科学家表示，地下热岛会给城市地区带来许多不容忽略的隐患。

地下热岛会导致植物生长受限、地下水热污染等，还会带来一系列交通问题、公共卫生问题。例如，地铁轨道过热，列车只能减速运行甚至停运，而公共交通服务延误又会造成巨大的经济损失；地下极端气温还会导致人体不适甚至诱发疾病，如热痉挛、 脱水、高血压、哮喘和中暑等。

关注“无声的”地下热岛效应

值得注意的是，地下热岛对城市地区的危害仿佛是无声的。地下热岛会导致土壤、岩石、建筑材料发生形变或者功能丧失，并且有些变化是不可逆的，以至于发生严重的地面塌陷、房屋变形等问题。然而，现有的城市房屋建筑、基础设施都没有考虑地下热岛效应，因此，我们很难评估在这些建筑设施在运营后期会产生什么问题。

在新研究中，科学家以美国人口第二稠密的芝加哥环路区为研究区域，利用该城区的数字模型，以及安装在该地区地表、地下的多个无线温度传感器得到的数据，首次评估了地下热岛对民用建筑设施的影响。

研究显示，芝加哥环路区的地下环境已经接近热饱和，过去年平均升温约为 0.49℃（地面以下 100 米处），现在约为 0.14℃。数据还显示，伴随着时间推移，不同类型的土壤层会经历不同的温度变化。这个差异受是否有热源存在及热源的位置，土壤的结构和密度，与地表的距离，地表的热物理特性，是否有地下水存在及地下水流量的大小等多重因素影响。

在本项研究中，研究人员发现，排除离热源、地表的距离等因素，有些石灰岩的温度变化明显过大，这说明这种岩性的岩石较其他岩石的热饱和条件更高。这是在评估地下热岛对城市建筑设施的影响时，不可忽略的一件事。

收集地热或者隔绝地热

科学家提出了两种缓解地下热岛的方法。

一是利用地热技术将这部分额外的热量收集起来。这也说明，虽然地下热岛会带来一系列问题，但同时也是一个机遇，我们可以合理地利用这些热量。

二是对地下环境进行改造干预，例如，通过改善原有的地下围栏或建造新的地下围栏，对热量进行隔绝。通常，在地热技术不成熟，或者地下环境确实相当恶劣时，我们才会采取这种干预措施。

科学家认为，在关于地下热岛的研究中，要综合利用物理学和能源科学的技术手段，以便可以从理论和技术两方面，为全球各个城市的城市规划战略修订提供建议。

参考文献：

• The silent impact of underground climate change on civil infrastructure | Communications Engineering (nature.com)

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