潜伏在全球主要城市的看不见的危机：地下气候变化威胁城市稳定

在全球各大城市的地下潜伏着一种"无声的危险"，而我们的建筑物在设计时并没有考虑到这一点。美国西北大学的一项新研究首次将地下气候变化与城市地下的地层移动联系起来。随着地面升温，它也会发生变形。这种现象导致建筑物地基和周围地面过度移动（由于膨胀和收缩），甚至开裂，最终影响建筑物的长期运行性能和耐久性。

研究人员还报告说，过去的建筑损坏可能就是由这种温度上升造成的，并预计这些问题将在未来几年继续存在。

芝加哥河套地区测量到的地面温度。图片来源：Alessandro Rotta Loria/西北大学

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尽管气温上升对我们的基础设施构成了威胁，但研究人员也将其视为一个潜在的机遇。通过捕捉地下交通系统、停车场和地下室设施排放的废热，城市规划者可以减轻地下气候变化的影响，并将这些热量重新利用为尚未开发的热能资源。

该研究报告将于今天（7月11日）发表在《通信工程》（《自然》旗下期刊）上。这是第一项量化地下热岛引起的地面变形及其对民用基础设施影响的研究。

西北大学的Alessandro Rotta Loria领导了这项研究，他说："地下气候变化是一种无声的危害。由于温度的变化，地面正在发生变形，而现有的民用结构或基础设施在设计上都无法承受这些变化。虽然这种现象不一定会危及人们的安全，但会影响地基系统和整个民用基础设施的正常日常运行。"

西北大学博士生Anjali Naidu Thota将温度传感器安装在芝加哥环形路地下的一根管道上。资料来源：西北大学

"芝加哥粘土在受热时会收缩，就像许多其他细粒土壤一样。由于地下温度升高，市中心的许多地基都在缓慢但持续地发生不必要的沉降。换句话说，你不需要生活在威尼斯，也可以生活在一个正在下沉的城市--即使造成这种现象的原因完全不同"。

罗塔-洛里亚是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程系助理教授。

什么是地下气候变化？

在全球许多城市地区，热量不断从建筑物和地下交通扩散，导致地面以惊人的速度升温。先前的研究人员发现，城市地下的浅表层每十年升温0.1至2.5摄氏度。

这种现象被称为"地下气候变化"或"地下热岛"，已知会导致生态问题（如地下水污染）和健康问题（包括哮喘和中暑）。但是，直到现在，地下气候变化对民用基础设施的影响仍未得到研究和了解。

芝加哥环形路地下一个温度传感器的特写。资料来源：西北大学

"如果你想到地下室、停车场、隧道和火车，所有这些设施都会持续散发热量，"Rotta Loria说。罗塔-洛里亚说："一般来说，城市比农村地区更热，因为建筑材料会周期性地截留人类活动和太阳辐射产生的热量，然后将其释放到大气中。这个过程已经被研究了几十年。现在，我们正在研究其地表下的对应过程，这主要是由人类活动驱动的。"

近年来，Rotta Loria和他的团队在芝加哥河套地区的地上和地下安装了150多个温度传感器组成的无线网络。这包括在建筑物的地下室、地铁隧道、地下停车场以及下瓦克路等地下街道安装传感器。为了进行比较，研究小组还在格兰特公园埋设了传感器，格兰特公园是密歇根湖畔的一片绿地，远离建筑物和地下交通系统。

智能手机接收来自地下温度传感器的数据。来源：西北大学

无线传感网络的数据显示，Loop地下的温度通常比格兰特公园地下的温度高10度。与未受干扰的地面温度相比，地下结构中的空气温度可高达25度。当热量向地面扩散时，会对随着温度变化而膨胀和收缩的材料造成巨大压力。

Rotta Loria说："我们将芝加哥作为一个活生生的实验室，但地下气候变化在全球几乎所有密集的城市地区都很常见。所有遭受地下气候变化影响的城市地区都容易出现基础设施问题。"

缓慢下沉

在收集了三年的温度数据后，Rotta Loria建立了一个三维计算机模型，模拟从1951年（芝加哥建成地铁隧道的年份）到今天的地面温度演变过程。他发现这些数值与实地测量值一致，并通过模拟预测了2051年之前的温度变化情况。

Rotta Loria还模拟了地面在温度升高时的变形情况。一些材料（软粘土和硬粘土）在受热时会收缩，而另一些材料（硬粘土、沙子和石灰石）则会膨胀。

芝加哥河套地区的三维渲染图。彩色圆点标记温度传感器的位置。图片来源：Alessandro Rotta Loria/西北大学

根据模拟结果，温度升高会导致地面膨胀并向上扩展多达12毫米。同时，气温升高也会导致地面收缩并向下凹陷--在建筑物重量的作用下--多达8毫米。虽然这看起来很微妙，人类也无法察觉，但这种变化超过了许多建筑构件和地基系统在不影响其运行要求的情况下所能承受的范围。

Rotta Loria说："根据我们的计算机模拟，我们发现地面变形可能非常严重，以至于导致民用基础设施的性能出现问题。建筑物不会突然倒塌。建筑物下沉的速度非常缓慢。对结构和基础设施的适用性造成的后果可能非常严重，但需要很长时间才能看到。地下气候变化很有可能已经造成了裂缝和地基沉降过大，而我们却没有意识到这一现象。"

收集热量

由于城市规划者和建筑师在地下气候变化出现之前就设计了大多数现代建筑，因此他们在设计建筑时并没有考虑到我们今天所经历的温度变化。尽管如此，现代建筑仍将比中世纪等较早时期的建筑更好。

Rotta Loria说："在美国，建筑物都相对较新。Rotta Loria说："欧洲城市的建筑非常古老，更容易受到地下气候变化的影响。由石头和砖块建成的建筑采用了过去的设计和建造方法，通常与城市当前运行相关的扰动处于非常微妙的平衡状态。与地下热岛相关的热扰动会对此类建筑产生不利影响。"

亚历山德罗-罗塔-洛里亚（Alessandro Rotta Loria）教授和他的博士生安加利-奈杜-托塔（Anjali Naidu Thota）在整个芝加哥地下放置温度传感器。资料来源：Annie Speicher/媒体与技术创新/西北大学

展望未来，Rotta Loria表示，未来的规划战略应整合地热技术，以收集废热并将其输送到建筑物中用于空间供暖。规划者还可以在新建和现有建筑上安装隔热装置，以尽量减少进入地下的热量。"最有效、最合理的方法是隔离地下结构，使浪费的热量降到最低。如果做不到这一点，那么地热技术就提供了在建筑物中有效吸收和再利用热量的机会。我们不希望使用主动冷却地下结构的技术，因为这需要消耗能源。目前，有无数种解决方案可以实施"。