芝加哥环线下的地质层。图片来源:Alessandro Rotta Loria/西北大学
第一个量化地下气候变化对民用基础设施影响的研究。
在全球主要城市的地下潜伏着一种“无声的危险”，而我们的建筑并没有设计来应对它。
西北大学(Northwestern University)的一项新研究首次将地下气候变化与城市地下地面的移动联系起来。随着地面升温，它也会变形。这种现象导致建筑物基础和周围地面过度移动(由于膨胀和收缩)，甚至出现裂缝，最终影响结构的长期使用性能和耐久性。研究人员还报告说，过去的建筑损坏可能是由气温上升造成的，并预计这些问题将在未来几年持续下去。
测量了整个芝加哥环线的地面温度。图片来源:Alessandro Rotta Loria/西北大学
尽管气温上升确实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会。通过捕获地下交通系统、停车场和地下设施排放的废热，城市规划者可以减轻地下气候变化的影响，并将热量重新利用到未开发的热能资源中。
这项研究将发表在今天(7月11日)的《通信工程》杂志上。这是第一个量化由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。
“地下气候变化是一种无声的危害，”西北大学的亚历山德罗·罗塔·洛里亚说，他是这项研究的负责人。“由于温度变化，地面正在变形，现有的土木结构或基础设施都无法承受这些变化。虽然这种现象对人的安全没有必然的危险，但它会影响基础系统和民用基础设施的正常日常运行。
西北大学博士生Anjali Naidu Thota将一个温度传感器安装在芝加哥环线地下地下室的管道上。来源:西北大学
“芝加哥粘土在加热时会收缩，就像许多其他细粒土壤一样。由于地下温度升高，市中心的许多地基正在经历不必要的沉降，缓慢但持续。换句话说，你不需要住在威尼斯就能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中扩散，导致地面以惊人的速度变暖。以前的研究人员发现，城市地下浅层每十年变暖0.1到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，到目前为止，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。
芝加哥环线地下地下室温度传感器的特写。来源:西北大学
罗塔·洛里亚说:“如果你想想地下室、停车场、隧道和火车，所有这些设施都在不断地散发热量。”“一般来说，城市比农村地区更温暖，因为建筑材料会周期性地捕获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，我们正在研究它的地下对应物，它主要是由人类活动驱动的。”
芝加哥是一个活生生的实验室
近年来，罗塔·洛里亚和他的团队在芝加哥环线安装了一个由150多个温度传感器组成的无线网络，包括地上和地下。这包括将传感器放置在建筑物的地下室、地铁隧道、地下停车场以及像Lower Wacker Drive这样的地下街道上。为了进行比较，研究小组还在格兰特公园(Grant Park)埋下了传感器，格兰特公园位于密歇根湖附近，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
来自无线传感网络的数据表明，环线下的地下温度通常比格兰特公园下的温度高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，它会对随着温度变化而膨胀和收缩的材料施加很大的压力。
罗塔·洛里亚说:“我们把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人口密集的城市地区都很常见。”“所有遭受地下气候变化的城市地区都容易出现基础设施问题。”
慢慢下沉
在收集了三年的温度数据后，罗塔·洛里亚建立了一个3D计算机模型来模拟从1951年(芝加哥地铁隧道完工的那一年)到现在地面温度的演变。他发现了与实地测量值一致的数值，并使用模拟来预测2051年之前的温度变化。
罗塔·洛里亚还模拟了地面是如何随着温度升高而变形的。有些材料(软粘土和硬粘土)受热时会收缩，而其他材料(硬粘土、沙子和石灰石)则会膨胀。
芝加哥环线的3D效果图。彩色圆点表示温度传感器的位置。图片来源:Alessandro Rotta Loria/西北大学
根据模拟，温度升高会导致地面膨胀并向上膨胀多达12毫米。它们还会导致地面收缩并向下下沉——在建筑物的重量下——多达8毫米。虽然这看起来很微妙，对人类来说是难以察觉的，但这种变化超出了许多建筑组件和基础系统在不影响其操作要求的情况下所能处理的范围。
洛里亚说:“根据我们的计算机模拟，我们已经表明，地面变形可能非常严重，会给民用基础设施的性能带来问题。”“这并不是说一栋建筑会突然倒塌。事情下沉得很慢。对结构和基础设施的可用性的影响可能非常糟糕，但需要很长时间才能看到它们。很有可能地下气候变化已经导致裂缝和过度的基础沉降，我们没有把这与这种现象联系起来，因为我们没有意识到这一点。”
收获的热量
因为城市规划者和建筑师在地下气候变化出现之前设计了大多数现代建筑，他们没有设计出能够承受我们今天所经历的温度变化的结构。不过，现代建筑将比中世纪等更早时期的建筑表现得更好。
“在美国，这些建筑都相对较新，”罗塔·洛里亚说。“拥有非常古老建筑的欧洲城市将更容易受到地下气候变化的影响。采用过去设计和施工方法的砖石建筑通常与当前城市运行相关的扰动保持着非常微妙的平衡。与地下热岛有关的热扰动可能对此类建筑产生不利影响。”
Alessandro Rotta Loria教授和他的博士生Anjali Naidu Thota在芝加哥地下放置温度传感器。来源:安妮·斯佩彻/媒体与技术创新/西北大学
展望未来，罗塔·洛里亚说，未来的规划策略应该结合地热技术来收集废热，并将其输送到建筑物中用于空间供暖。规划人员还可以在新建和现有建筑上安装隔热装置，以尽量减少进入地面的热量。
Rotta Loria说:“最有效和合理的方法是将地下结构隔离开来，以使浪费的热量最少。”“如果不能做到这一点，那么地热技术提供了在建筑物中有效吸收和再利用热量的机会。我们不想要的是使用技术来主动冷却地下结构，因为那要消耗能源。目前，有无数的解决方案可以实施。”
参考文献:《地下气候变化对民用基础设施的无声影响》，Alessandro F. Rotta Loria, 2023年7月11日，《通信工程》。DOI: 10.1038 / s44172 - 023 - 00092 - 1
该研究得到了美国国家科学基金(批准号2046586)的支持。作为这项工作基础的无线传感网络，同时也是罗塔·洛里亚教授的一门课程的活体实验室，得到了墨菲协会和西北大学校友会的部分支持。
