本發明屬于二氧化碳地質封存和微生物誘導碳酸鈣沉淀領域，具體涉及一種微尺度混合作用誘導碳酸鹽的沉淀速率系數計算方法。

背景技術：

1、在巖溶的確高礦化度地下水的形成及運移、二氧化碳地質封存、微生物誘導碳酸鈣沉淀加固巖土體等自然過程和實際工程中，廣泛涉及混合作用誘導碳酸鹽沉淀。在巖溶地區，碳酸鹽巖體裂隙網絡中不同化學組分地下水在裂隙交叉影響下會發生混合作用，而ca2+、mg2+等金屬陽離子與co32-陰離子混合會誘導碳酸鹽沉淀進而改變介質結構和滲流過程。在二氧化碳地質封存中，注井液與井壁附近高礦化度地下水的混合作用有可能誘導碳酸鹽沉淀，進而使得工程效率降低。在微生物加固技術中，微生物代謝產生的co32-離子和巖土體地下水中的ca2+離子混合后會生成碳酸鈣沉淀。因此，微尺度混合作用誘導碳酸鹽的沉淀速率系數計算是理解碳酸鹽沉淀機制和促進相關工程技術發展的關鍵。

2、諸多研究關注于通過“黑箱”實驗、化學穿透曲線、巖土體力學參數、壓力反演等諸多方法推算沉淀速率，而較少關注直接求取混合環境碳酸鹽沉淀速率系數，這對認識混合作用誘導碳酸鹽沉淀的細觀機制和提高場地尺度的工程效率帶來了較大挑戰。

技術實現思路

1、發明目的，本發明的目的在于解決現有方法無法直接求取混合環境碳酸鹽沉淀速率系數的不足，為此，本發明提供了一種微尺度混合作用誘導碳酸鹽的沉淀速率系數計算方法。

2、技術方案，為了實現上述目的，本發明提出一種微尺度混合作用誘導碳酸鹽的沉淀速率系數計算方法，包括以下步驟：

3、s1開展微尺度混合作用誘導碳酸鹽沉淀實驗，利用相機記錄碳酸鹽沉淀過程的圖像，獲取碳酸鹽沉淀圖像數據集；

4、s2建立碳酸鹽沉淀識別模型，通過圖像校準將原始圖像的位置、尺寸和亮度調整至統一樣式，利用預設的灰度閾值對碳酸鹽沉淀識別并根據識別效果不斷迭代灰度直至能夠識別準確，最后根據迭代后的灰度閾值準確識別出碳酸鹽沉淀；

5、s3建立碳酸鹽沉淀速率計算模型，基于碳酸鹽沉淀識別結果統計出校準后圖像中碳酸鹽沉淀占據的像素點數量，根據像素點數量計算出混合作用誘導碳酸鹽的沉淀量，結合混合作用時間計算出碳酸鹽沉淀速率；

6、s4建立碳酸鹽沉淀速率系數計算模型，計算不同時刻的碳酸鹽沉淀量和沉淀速率，最后計算出混合作用誘導碳酸鹽的沉淀速率系數。

7、進一步地，所述的步驟s1具體包括以下步驟：

8、1)開展微尺度混合作用誘導碳酸鹽沉淀實驗：先根據研究目標制備二維微尺度透明介質，將可產生碳酸鹽沉淀反應的兩種或多種混溶流體以流量注入微尺度透明介質，為創建碳酸鹽沉淀圖像數據集提供基礎。

9、2)建立微尺度混合作用誘導碳酸鹽沉淀圖像數據集：利用cmos相機實時記錄混合作用誘導碳酸鹽沉淀過程的圖像，將單次實驗的全部圖像作為單次實驗的圖像數據集，將所有實驗的圖像作為全部實驗的圖像數據集。

10、進一步地，所述的步驟s2具體包括以下步驟：

11、1)碳酸鹽沉淀圖像校準：根據研究需求，將cmos相機采集的原始圖像旋轉至正交方向，將原始圖像裁剪至目標視域范圍內，再將圖像亮度調整至相同值；

12、2)灰度閾值迭代調整：根據預設的灰度閾值對校準后的圖像進行碳酸鹽沉淀識別，如果原圖像和校準后的圖像邊界重合率大于98％，則判斷識別結果準確，若不準確，則對灰度閾值調整迭代直至識別準確；

13、3)碳酸鹽沉淀識別：根據迭代后的灰度閾值對校準后的圖像進行碳酸鹽沉淀識別，將沉淀占據的像素點修改為黑色，其余位置修改為白色。

14、進一步地，所述的步驟s3具體包括以下步驟：

15、1)碳酸鹽沉淀像素點統計：根據碳酸鹽沉淀識別結果，對校準后圖像的像素點矩陣中沉淀占據的像素點數量np進行統計；

16、2)碳酸鹽沉淀量計算：根據統計出的像素點數量，計算混合作用誘導碳酸鹽的沉淀質量mt，其計算公示為：

17、mt＝npδhρc(1)

18、式中，np為碳酸鹽沉淀所占據的像素點數量(/)；h為二維微尺度透明介質流道深度(l)；ρc為碳酸鹽沉淀的密度(ml-3)；δ為像素點分辨率(l2)，其計算公式為，

19、δ＝s0/n0??????????????????????????(2)

20、式中，s0為校準后圖像實際所代表的視域面積(l2)；n0為校準后圖像中的像素點總數(/)；

21、3)碳酸鹽沉淀速率計算：根據計算出的碳酸鹽沉淀量，計算混合作用誘導碳酸鹽的沉淀速率rt(molt-1)，其計算公式為()，

22、

23、式中，mt為碳酸鹽沉淀質量(m)；mc為碳酸鹽礦物的摩爾質量(mmol-1)；t為混合作用時間(t)，其計算公式為，

24、

25、式中，vt為溶液的總注入體積(m)；q為注入流量(l3t-1)；

26、進一步地，所述的步驟s4具體包括以下步驟：

27、1)計算不同時刻的碳酸鹽沉淀量和沉淀速率：根據式(1)和式(3)計算不同時刻的碳酸鹽沉淀量mt和沉淀速率rt。

28、2)計算碳酸鹽沉淀速率系數：基于計算的碳酸鹽沉淀速率，結合碳酸鹽沉淀速率計算沉淀速率系數，碳酸鹽沉淀速率計算如下：

29、

30、因此，沉淀速率常數k計算為：

31、

32、式中，rt為沉淀速率(mol·l·t-1)；k為沉淀速率常數(mol·l·t-1)；δg為整個反應的gibbs自由能變化量(j·mol-1)；r為理想氣體常數(j·k-1·mol-1)；t為絕對溫度(k)；m和n為取決于化學動力學過程的經驗系數；ω表示飽和狀態，其可計算為：

33、ω＝iap/ksp?????????????????????????(7)

34、式中，ksp為碳酸鹽的溶度積常數；iap為離子活度積，其可計算為：

35、iap＝c+γ+c-γ-?????????????????????????(8)

36、

37、式中，c-、c+分別為碳酸鹽礦物的陰陽離子濃度(mol·l-3)；γi為溶液中i離子的活度系數(/)，其中γ-、γ+為對應的陰陽離子活度系數(/)；i為溶液的離子強度(mol·l-3)；zi為i離子的電荷數(/)；ci為i離子的濃度(mol·l-3)；n為溶液中的離子總數(/)；a為取決于水的介電常數、密度和溫度的常數。

38、有益效果，與現有技術相比，本發明具有如下的有益技術效果：

39、(1)本發明提出的一種微尺度混合作用誘導碳酸鹽的沉淀速率系數計算方法，通過開展微尺度混合作用誘導碳酸鹽沉淀實驗建立碳酸鹽沉淀圖像數據集，具有可操作性強和價格低廉的優點；通過建立碳酸鹽沉淀識別模型和建立碳酸鹽沉淀速率計算模型實現了微尺度混合作用誘導碳酸鹽沉淀的精確識別和速率直接量化，具有流程簡單、精度高、計算快的優點；通過建立碳酸鹽沉淀速率系數計算模型，實現了微尺度混合作用誘導碳酸鹽的沉淀速率系數計算，具有創新性好和精度高的優點。總體而言，發明的一種微尺度混合作用誘導碳酸鹽的沉淀速率系數計算方法具有可操作性強、流程簡單、價格低廉、精度高、計算快的優點。

40、(2)本發明提出了一種微尺度混合作用誘導碳酸鹽的沉淀速率系數計算方法，可以實現微尺度混合作用誘導碳酸鹽的沉淀速率系數計算，對二氧化碳地質封存和微生物誘導碳酸鈣具有重要意義。