石油沥青涂层管线土壤环境腐蚀性因素的模糊聚类

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2000.01.052 第22卷第4期 北京科技大学学报 Vol.22 No.4 2000年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2000 石油沥青涂层管线土壤环境 腐蚀性因素的模糊聚类 卢琳罗德贵李长荣屈祖玉 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要通过相关性数据处理和模糊聚类分析，对影响土壤环境腐蚀性的各种因素之间的相 互关系进行了讨论，相关系数矩阵和聚类谱系图两者都表明，有些因素之间的相关性很大，有 些相对独立.研究发现影响土壤环境腐蚀性的23项因素在相关系数大于0.8的情况下，可明显 地聚为6类，这对石油沥青涂层管线土壤瘸蚀性的深入研究，有一定的参考价值. 关键词土壤腐蚀，模糊聚类，地下管道 分类号TQ050.91 石油沥青涂层作为地下管线的防腐绝缘 值，泥糊电导.(4)微生物：硫酸盐还原菌，真菌， 层，配合电化学保护措施，可以达到涂层和电化 异氧菌，中性硫化菌，酸性硫化菌 学联合保护作用.但是，由于不同地区的土壤 1.2土壤腐蚀性因素间的相关性 腐蚀性有很大差异，影响土壤腐蚀性的因素也 考虑到因素与因素之间的相互关系是通过 很多，作用交错复杂.而且，涂层在地下长期服 “相异度”和“相似度”来表达的，因使用的运算 役过程中其性能也会发生老化，甚至变质.要 不同而有各种定义.通常，度量相似性的参数是 弄清石油沥青涂层保护性能与土壤理化性质及 相关系数(r),表达式为： 微生物种类、数量、分布之间的关系是相当困难 ∑(xt一一) 的.因此，本文根据中国石油天然气管道科学院 ri=- (1) 提供的南、北两地土壤环境腐蚀性因素及涂层 [6xa-I[x-川 性能实测数据，应用模式识别理论对涂层性能 其中：x,x分别代表2个因素，元，元是因素x,x 和土壤环境腐蚀性因素进行相关性分析和系统 的平均值，x,分别为第i,J个因素在第k个样 聚类，旨在探讨各因素之间存在的相对关系，为 品中的取值，N代表样品数目. 今后石油沥青涂层管线土壤腐蚀性的等级划分 由(1)式算得的相关系数可正可负，其绝对 和涂层防护性能的评价及预测提供参考和依 值表示相关性的大小，正、负号表示两因素之间 据， 变化的方向，正号表示同向变化，负号表示反向 变化， 1土壤腐蚀性因素的相关性 为了数学运算简便，本研究根据式(1)编制 1.1土壤腐蚀性因素类型 了计算r的应用程序.对儿百个土壤腐蚀性数 据进行处理，得到如图1所示的25×25相关系 根据南、北两地土壤腐蚀环境调查数据，选 数矩阵. 取了影响土壤腐蚀性的因素25项，可分为4种 由图1相关性分析表明，土壤的物理、化学、 类型。 电化学和微生物等因素间存在着一定的相互关 (1)土壤的物理性质：含水量，容重，总孔隙 系，某些电化学性质和化学性质之间、物理性质 度，含气率.(2)土壤的化学性质：可溶性盐总量 与微生物之间、化学性质各因素之间以及物理 (全盐)，CO}浓度，HCO浓度，C浓度，SO浓 性质各因素之间密切相关.例如，有机质（化学 度，NO浓度，有机质含量，全氮含量，Ca含量， 因素)与全氨含量（化学因素）两者之间的相关 Mg含量，K含量，Na含量.(3)土壤的电化学 系数高达99%.全盐量（化学因素）与电导率（电 性质：Eh,(Ph=7时氧化还原电位)，电导率，pH 化学因素)两者之间的相关系数为90%.又如， 1999-12-08收稿卢琳女，23岁，硕士 含气率（物理因素）与真菌（微生物因素）两者之

第 2 2 卷 第 4 期 2州 H) 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e sr iyt o f s e i e n e e a n d l ’e c h n o l o gy B e ij in g V b l 一 2 2 N 0 . 4 A u g . 20() 0 石油沥 青涂层 管线土壤环境 腐蚀性因素的模糊聚类 卢 琳 罗德 贵 李长荣 屈 祖玉 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 通过相 关性 数据 处理和模 糊聚类 分析 , 对 影响 土壤环境 腐蚀 性的各 种 因素 之 间的相 互 关系进 行 了讨论 . 相关 系数矩 阵和 聚类谱 系图两 者都表 明 , 有 些因素之 间 的相关性 很大 , 有 些 相对独 立 . 研究 发现影 响土壤 环境腐蚀 性 的 23 项因 素在 相关系 数大于 .0 8 的情况 下 , 可 明显 地 聚为 6 类 . 这 对石 油沥青 涂层 管线土 壤腐蚀 性的深 入研究 , 有 一定 的参考价 值 . 关键 词 土 壤腐 蚀 , 模 糊聚类 , 地下管 道 分 类号 T Q 0 5 0 . 9 一 l 石 油沥 青涂 层 作 为 地 下 管 线 的 防 腐 绝 缘 层 , 配合 电化学保护措施 , 可 以达 到涂层 和 电化 学 联 合保护 作用 〔1] . 但是 , 由于 不 同地 区 的 土 壤 腐蚀性有很 大 差 异 , 影 响 土 壤腐蚀性 的 因 素也 很 多 , 作 用 交错 复杂 2[] . 而 且 , 涂层在 地 下长 期 服 役过程 中其性 能也会 发生 老 化 , 甚至 变质 {31 . 要 弄清石 油沥 青涂层 保护性能 与土 壤理 化性 质及 微生 物种类 、 数量 、 分布之 间的关系是相 当困难 的 . 因 此 , 本文 根据 中国石 油 天然气 管道科学 院 提 供的 南 、 北 两 地土 壤环 境腐蚀性 因 素 及涂层 性能 实测数据 , 应用 模式识 别 理论 对涂 层 性能 和 土壤 环境 腐蚀性 因素 进行相 关性 分析 和 系 统 聚类 , 旨在探讨各因 素之间存在 的相对关系 , 为 今 后石 油 沥 青涂层 管线 土 壤 腐 蚀性 的等 级 划 分 和 涂层 防 护 性 能的 评 价及 预 测 提供 参 考和 依 据 . 值 , 泥 糊 电导 . ( 4) 微生物 : 硫酸盐 还原 菌 , 真菌 , 异 氧菌 , 中性硫化菌 , 酸性硫 化菌 . 1 . 2 土壤腐蚀性因素间的相 关性 考虑到因 素与因素之 间的相互 关系是通过 “ 相 异 度 ” 和 “ 相 似度 ” 来表达的 , 因 使用 的运算 不 同而 有各种定义 . 通 常 , 度量相似性的参数是 相 关系数 (心 ) , 表达式为 汇4] : 艺仇一元)怀一耳) ` = 二上」 一 ( l ) 〔艺x( , 一动 2」【艺怀 一 凡) ] “ 1 土壤腐蚀性 因素 的相关性 1 . 1 土壤腐蚀 性因素类型 根据 南 、 北 两地土 壤 腐蚀环 境 调 查数 据 , 选 取 了影 响 土 壤腐蚀性 的因 素 25 项 , 可 分为 4 种 类 型 . ( l) 土壤 的物理 性质 : 含水量 , 容重 , 总 孔隙 度 ,含气率 . ( 2) 土 壤的化 学性质 : 可 溶性盐 总量 ( 全 盐 ) , C以 一 浓度 , H C O 歹浓度 , lC 一 浓 度 , 5 0 互 一 浓 度 , N O了浓 度 , 有机质含量 , 全 氮含量 , C a 三含量 , M 疹含量 , r 含 量 , N 扩 含 量 . ( 3) 土 壤 的 电化学 性质 : E h , ( P h = 7 时氧化 还 原 电位 ) , 电导率 , p H 1 99 9 一 1 2 一 0 8 收稿 卢琳 女 , 23 岁 , 硕 士 其 中 : x ` , xj 分别 代表 2 个 因素 , 元 , 兀是 因素 戈 , xj 的平 均值 , *ix , 介 分 别 为第 i , j 个 因素 在第 k 个样 品 中 的 取值 , N 代 表样 品 数 目 . 由 ( l) 式算得的相关系数可正 可 负 , 其绝对 值 表 示 相 关性 的大 小 , 正 、 负号表示 两 因素 之 间 变化 的方 向 , 正 号表示 同 向变化 , 负号表示反 向 变 化 . 为了数学运算 简便 , 本研究根据式 ( l) 编制 了 计 算 介 的应用 程 序 . 对几 百个土 壤腐蚀性数 据 进行处 理 , 得 到 如 图 1 所示 的 2 5 ` 2 5 相 关系 数矩阵 . 由图 1相 关性分 析表 明 , 土 壤 的物理 、 化学 、 电化 学和 微生 物等 因素 间存在着 一 定 的相 互 关 系 , 某些 电化学性质 和 化 学性质之 间 、 物理 性质 与 微生 物之 间 、 化 学性质各 因 素之 间 以及 物理 性质各 因素之 间密 切 相关 . 例 如 , 有机质 ( 化学 因 素 ) 与全氮含量 ( 化学 因素 ) 两 者之 间的相关 系 数 高达 9 % . 全 盐量 ( 化学 因素 ) 与 电导率 ( 电 化学 因 素 ) 两 者之间 的相关系数为 90 % . 又如 , 含气率 ( 物理因素 ) 与真菌 (微 生物 因素 ) 两 者之 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 04. 052

◆362 北京科技大学学报 2000年第4期 (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)（10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)19)(20)(21)(22)(23)(24(25) (1)1.00 (2)0.181.00 (1)NO(6)Ca2(11)电导率 (16)pH (21)中性疏化菌 (3)0.250.521.00 (2)CI(7)Mg(12)含水量(17)有机质(22)酸性硫化菌 (4)0.380.11-0.241.00 (3)SO(8)K(13)密度 (18)全氮 (23)疏酸盐还原菌 (5)0.300.01-0.60-0.261.00 (6)0.250.260.66-0.220.351.00 (4)CO(9)Na(14)总孔隙度(19)Eh, (24)真菌 (7)0.300.430.93-0.21-0.490.811.00 (5)HC0,(10)全盐(15)含气率(20)泥糊电导(25)异氧菌 (8)0.510.110.70-0.140.800.560.741.00 (9)0.430.730.320.370.10-0.060.15-0.101.00 (10)0.620.670.86-0.47-0.360.620.820.580.581.00 (11)0.610.380.800.68-0340.680.790.690.450.911.00 (12)-035-0.84-0.590.360.04-0.05-0.45-0.090.82-0.76-0.581.00 (13)0.84-0.25-0.220.600.10-0.26-0.18-0.27-0.63-0.57-0.610.371.00 (14)0.840250.220.60-0.100260.180.270.630.570.61-0.37-1.001.00 (15)0.790.540.41-0.610.090.220.320.250.820.750.71-0.70-0.930.931.00 (160.020.36-0.510.050.80-0.49-0.49-0.800.50-0.17-0.31-0.300.120.120.211.00 (17)0.530.740.11-0.340.24-0.080.02-0.250.900.500.32-0.750.670.670.820.661.00 (18)0.520.760.120.330.220.110.030.240.880.510.33-0.78-0.620.620.800.650.991.00 (19)0.650.50-0.1】-0250.28-0.07-0.11-0.230.760.350.21-0.47-0.760.760.780.670.910.881.00 (20)0.110.810.81-0.21-0.290,310.650.250.520.760.56-0.860.090.09-0.420.080.400.440.051.00 (21)0.44-0.21-0.140.030.280.02-0.04-0.110.33-028-0.050.260.45-0.45-0.450.010.34-027-0.35-0251.00 (22) (23)0.46033-0.15-0.310.23-0.590.30-0240.700.190.13-0.62-0.460.460.610.610.770.790.680.20-0.27-1.00 (24)0.790.580230.400.000.320240.100.720.640.53-0.53-0.890.890.900.340.850.810.900.250.40-0.481.00 (25)0.260.700.32-0.290.040.210.15-0.170.800.490.31-0.57-0.61-0.600.700.310.720.660.62047-0.55-0.300.681.00 图1土壤腐蚀性因素相关系数矩阵 Fig.1 The matrix of correlation coefficients of soil corrosive factors 间的相关系数为90%.再如，总孔隙度（物理因 聚类时可不考虑这2个因素，聚类基础为23项 素)与含气率（物理因素）两者之间的相关系数 因素. 为92%.另外，由于采样和保存方法不当以及室 2.2聚类结果分析 内测量造成的系统误差，使得pH值与中性硫化 从某种程度上说，相关系数的大小反映出 菌之间的相关性不理想 由一种因素表征另一种因素的准确程度，使得 2土壤腐蚀性因素的聚类分析 属于同类的因素在某种意义上彼此相似，而属 于不同类的因素则具有不同的性质，图2为聚 2.1土壤腐蚀性因素的聚类 类谱系图，表明在相关系数r>0.8的情况下，将 在相关性分析的基础上，进行模式识别的 土壤腐蚀性的23项因素聚成明显的6类.同时 聚类方法有很多，本文采用的是系统聚类方法， 可以看到，土壤的化学性质、物理性质、电化学 它以类间距离作为聚类的依据.类间距离有几 性质和土壤微生物在同一类中交错出现，这说 种不同的定义方式，本文选用最小距离法，即将 明南、北两地的土壤腐蚀性因素交互作用明显， 两因素之间的相关系数的倒数(1r)看作两因 因素间既互相联系，又互相制约， 素间的广义距离.也就是说相关系数越大，两因 下面对各因素聚类的依据及可信度进行分 素间的距离越小， 析. 聚类步骤为：(1)先把每个因素看成一类；(2) (1)第1类：NO浓度，C1浓度，SO浓度，Na 把相关系数中最大的2个因素聚为一类，若最 含量，Ca含量，Mg含量，全盐，电导率，含水量， 大相关系数小于步骤(3)中的标准值，则结束聚 密度，总空隙度，含气率，有机质含量，全氮含量， 类过程；(3)调整聚类结果，即将相关系数大于 Eh,泥糊电导，真菌. 某一标准值的因素都聚为一类，这样聚合程度 在这一类中，包含了土壤腐蚀性因素的所 好，又不会对结果的准确性影响太大 有性质.其中，含水量，密度，总孔隙度，含气率是 而后，在相关系数大于标准值的情况下，不 常用的表征土壤物理性质的指标.它们都是土 断重复步骤(2)就能看出不同程度的聚类情况. 壤通气性的直接或间接指标，都受到土壤质地 由于在土壤成分实际分析过程中，其CO 及土壤松紧度的影响，任何一种变化都会引起 含量为微量，且酸性硫化菌含量均为0，所以在 其他因素的变化，这观点可由这些因素的测量

一 3 6 2 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0 年 第 4 期 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) (8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) (川 ( 1 2 ) ( 13 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 16 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 2 0 ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 25 ) ( l ) N O至 (6 )C 扩 ( 1 1) 电导 率 ( 1 6 )P H ( 2 1)中性硫 化菌 (2 )C I 一 ( 7 )M g ,一 ( 12)含水 量 ( 17 )有 机质 (22 )酸 性硫 化菌 ( 3 )50 圣 一 ( 8 )r ( 13 )密 度 ( 18 )全 氮 ( 2 3 )硫酸 盐还原菌 ( 4 )C O 圣 一 ( 9 )N a ( 14 )总孔 隙度 ( 19 )hE : ( 2 4 )真菌 (5) H C O至( 10)全 盐 ( 15 )含 气率 ( 2 0)泥糊 电导 (2 5)异氧菌 ō 10084 nU , ``, nU气乙八西, óOR 才 . . … 01 八比0 l , o 0 . 1 8 1 . 0() 0 之5 0 . 5 2 l . 0() -0 .3 8 刃 . 11 一众2 4 1 . 0 一3 0 0 . 0 1 _ 0 石0 _ 0 2 6 l . 0() 0 2 5 0 . 26 0 . 6 一 0 . 22 一 0 3 5 1 . 0 0 0 3 0 0 . 43 0 月3 一 0 2 1 一 0 . 4 9 0 , 8 1 1 . 加 0 万 1 一 1 1 0 7 0 一 0 . 14 0名 0 0 .5 6 07 4 0 4 3 07 3 0 3 2 一3 7 0 . 1 0 一 0 . 06 0 . 1 5 0 石2 0 . 6 7 0 . 8 6 _ 0 4 7 _ 0 3 6 0 石2 0 . 82 0 6 1 03 8 0 名0 一 0 . 68 一 0 3 4 0 石8 07 9 一3 5 一 0 . 84 一 0 5 9 0 3 6 _ 0 . 04 一 0 . 0 5 一 0月 5 一 84 一 0 . 2 5 一 0 之2 0 . 6 0 0 . 1 0 一 0 之6 一 0 . 1 8 0 一 84 0 2 5 0 之2 0 . 6() 一 0 . 1 0 0 . 2 6 0 . 1 8 0 . 7 9 0 . 54 0 . 4 1 一 0 . 6 1 一 0 . 09 0 . 2 2 0 . 32 一 , 02 0 . 3 6 一 0 乃 1 一 0 . 05 0 . 8 0 一 0 4 9 _ 0泌9 0 一 5 3 0 . 7 4 0 . 1 1 一 0 . 3 4 0之4 一 0 刀8 0 . 0 2 0 . 5 2 0 7 6 0 12 0 3 3 0之 2 一 0 . 1 1 0 . 03 0 一 65 0 j 0 一 0 1 1 _ 02 5 0 , 2 8 一 0 . 0 7 一 0 . 1 1 0 . 11 0 . 8 1 0 名l 一 0 . 2 1 一 0 2 9 0 3 1 0 . 65 1 . 00 0夕 1 1 . 0() 一 0 夕6 一 0 5 8 一 0石 7 一 0 . 6 1 0 j 7 0石 1 0 . 75 07 1 45088263632 -0仪住众认L 心住仓习L 0275869劝02710 一 0名 0 0 5 0 一 0 . 1 7 _ 03 1 一 3 0 一 0 . 1 2 0 . 1 2 一4 一 0 2 1 一 0 . 1 4 一乃3 0 . 2 8 0 . 0 2 一 0 刀4 一 0 . 1 1 0 3 2 一 0 . 7 5 一 0 . 6 7 0 . 6 7 0 , 33 · 0 . 7 8 · 0 石2 0 石2 一 0 4 7 一 0 刀6 0 7 6 一 0 86 0 . 09 0 . 09 一 0 . 42 0之6 0 . 4 5 一 0 4 5 _ 0 , 4 5 1 . 0 0乃5 1 . 00 一 0 . 35 一 0之 5 1 . 0 0 -0 2524325 .0 0 滩6 0 3 3 一 0 . 1 5 一 0 3 1 0 2 3 一 0 5 9 0 刀9 0 5 8 0 之3 _ 0 . 4 0 0 . 0() 0 3 2 0 之6 0 7 0 0 3 2 一 0 之9 0 . 04 0 . 2 1 F 论 · 1 一 0 . 3 0 一 0 . 2 4 0 7 0 0 . 1 9 0 . 1 3 一 0 . 6 2 一 0滋 6 0 46 0 石 1 0 . 6 1 0 . 7 7 0刀 9 0 . 6 8 0 . 20 一 0 . 2 7 0 之4 0 . 10 0 . 7 2 0 . 64 0 万3 一 0 . 5 3 一 0名9 0 . 8 9 0 . 9 0 0 . 34 0名5 0名1 0 . 9() 02 5 0 . 4 0 0 . 1 5 一 0 . 1 7 0 . 80 0 4 9 0 j l _ 0乃7 一 0石 1 一 0石 0 0 夕0 0 3 1 0 , 72 0石6 0 石2 0 4 7 一 0 5 5 1 . 0 0 04 8 1 . 0 0 3 0 0 . 6 8 1 0 0 l()sz’ev0 l(0)l(1)l(2)345167(8)9l203(4)5 图 1 土壤腐蚀性因素相关系数矩阵 T h e m a t r l盆 o f C 0 r 代la it o n C 0 e币C i e l st o f S 0 il C 0 r m s iv e fa C t o 邝 间 的相 关 系数 为 90 % . 再 如 , 总 孔 隙度 ( 物理 因 素 ) 与含气率 ( 物理 因素 ) 两 者 之 间 的 相 关系数 为 9 2% . 另 外 , 由于 采样和保存方法不 当 以及 室 内测量造成 的系统误 差 , 使得 p H 值与中性硫 化 菌 之 间 的相 关性不 理想 . 2 土壤腐蚀性 因素的聚 类分析 2 . 1 土 壤腐蚀 性因素的聚 类 在相 关性分 析 的基础上 , 进行模式识 别 的 聚类方法有很 多 , 本文 采用 的 是 系统聚 类方法 , 它 以类间距 离作 为 聚类 的依 据 LS] . 类 间距 离有几 种不 同 的定义方式 , 本文选用最 小距 离法 , 即将 两 因素之 间 的相 关 系数 的倒 数 ( l/ 介 ) 看作两 因 素 间的广义 距 离 . 也 就是 说 相 关系数越大 , 两 因 素 间 的距离越小 . 聚类步骤为 : ( l) 先 把每个 因素 看成 一 类; (2) 把相 关系数 中最 大 的 2 个 因素聚 为一类 , 若最 大 相 关 系数小 于 步 骤 (3 ) 中的标准值 , 则 结束聚 类过程 ; (3 ) 调整 聚类结 果 , 即 将相 关系数 大 于 某一 标准值 的 因素都聚 为一 类 , 这样聚合 程度 好 , 又不 会对结果 的准确性影 响太大 . 而后 , 在相 关系数大于标准值 的情况下 , 不 断 重 复步骤 (2 ) 就能看出 不 同程度 的聚类情况 . 由于 在土 壤成分 实 际分析过程 中 , 其 C O ; - 含量 为微量 , 且酸性硫化菌含量 均为 0 , 所 以在 聚 类 时可 不 考虑 这 2 个因 素 , 聚 类基 础 为 23 项 因素 . .2 2 聚类结果 分析 从 某种程度上 说 , 相 关系数的大小 反 映 出 由一 种 因素表征另一 种 因素 的准确程度 , 使得 属 于 同类 的 因素在某种意义上彼 此 相似 , 而 属 于 不 同类 的 因素则具 有不 同 的性质 . 图 2 为聚 类谱系 图 , 表明 在相 关系数 r 。 > 0 . 8 的情 况 下 , 将 土 壤 腐蚀 性 的 23 项 因 素聚 成 明显 的 6 类 . 同 时 可 以看到 , 土 壤 的化学性质 、 物理 性质 、 电化学 性 质 和 土 壤 微生 物 在 同一 类 中交 错 出现 , 这 说 明南 、 北 两 地的土 壤腐蚀性 因素交互 作用明 显 , 因素 间 既互 相 联系 , 又互 相 制 约 . 下 面对 各 因素聚类的依据及 可 信度进行 分 析 . ( l) 第 1 类 : N O 了浓度 , lC 一 浓度 , 5 0 茸 一 浓 度 , N 扩 含量 , c +az 含量 , M 宫 十 含量 , 全盐 , 电导率 , 含水量 , 密 度 , 总 空 隙度 , 含气 率 , 有机质 含量 ,全氮含 量 , E 玩 , 泥 糊 电导 ,真菌 . 在这一类 中 , 包含 了土 壤腐 蚀性 因素 的所 有性质 . 其 中 , 含水量 ,密度 , 总孔 隙度 ,含气率是 常用 的表征 土 壤物理 性质 的指 标 . 它 们 都是 土 壤通气性的直接或间接指标 , 都受到 土 壤质地 及 土 壤 松紧度的 影 响 , 任何 一 种变化 都 会引 起 其他 因素的变化 , 这观 点可 由这 些因 素的测 量

Vol.22 No.4 卢琳等：石油沥青涂层管线土壤环境腐蚀性因素的模糊聚类 ·363· 101112131415 161718 1920212324 25 第 第 第 要 第 6 类 2类 类 类 类 类 图2土镶腐蚀性因素聚类谱系图 Fig.2 Pedigreo of corrsive factor clucters of soil 原理中得到说明. 透气性亦差，氧含量随之减小，则Eh,值低.另 已知： 一方面，土壤微生物的营养来源和活动能源主 含水量 w=&二& (1) 要来自有机质和全氮量，换言之，有机质和全氮 g2 需度（环刀法）日99 含量直接影响土壤中腐蚀菌含量的高低.而腐 (2) 蚀菌的生命活动和新陈代谢可以消耗氧，可以 总孔隙度：P=93.947-32.995d (3) 降低土壤氧化还原电位Eh,.由此可见，它们对 含气率： P.=P-Wxd (4) 土壤腐蚀性的影响是非常复杂的，也是非常重 其中：g一湿土质量，g一干土质量，G一环刀质 要的. 量，G-环刀加湿土质量，V一环刀体积，W一土 Cl浓度，SO浓度，NO5浓度，Na含量，Ca2 壤含水量，d一土壤密度. 含量，Mg含量，全盐，电导率，泥糊电导也属于 从上述4个公式可清楚地看到，计算需要 一类.显而易见，土壤中的盐分对土壤腐蚀介质 含水量的值，孔隙度是直接由密度算得，含气率 的导电过程起到重要的作用.电导率、泥糊电导 则由其他3个参数算出.这就不难解释为什么 都是表征土壤的导电能力，二者存在着必然的 这4种因素的相关性比较好.尤其是对于密度 联系，同时土壤中盐离子的含量还能影响到土 和孔隙度，理论上二者的相关性应达到100%， 壤溶液中的氧的溶解度，含盐量高，氧气溶解度 实际计算所得ry>99.9%.土壤介质中含水量增 就会下降，于是削弱了土壤腐蚀的电化学阴极 加时，土壤中的孔隙被水充满，透气能力会下 过程，同时还会影响土壤的Eh, 降.同样可以证实土壤含气率与土壤密度和含 (2)第2类：HCO浓度，pH.在这2种因素 水量有密切相关性. 中，pH值是土壤中所含盐分的综合反映，它表 其次，有机质含量，全氮含量，真菌，E,等 征着土壤酸碱性强弱.本研究的土壤中CO?的 因素聚在一起，说明它们之间的关系比较密切. 含量极少，所以土壤中的H的含量就少，相对 由腐蚀原理知，有机质对金属腐蚀的作用常常 而言，OH的含量主要影响pH值.它主要来源 是通过土壤微生物活动过程而加剧的.土壤有 于HCO的水解，即： 机质在土壤微生物的作用下，一是能把复杂的 HCO:+H2O=H,CO,+OH. 有机质分解成简单的无机化合物，二是能把动 可见，pH值的大小直接取决于HCO含量的多 植物残体分解后，再合成腐植质，在分解转化过 少，实测数据也说明这一点，土壤的pH值均大 程中，释放出的气体和有机酸有较强的氧化作 于7. 用，从而影响土壤介质氧化还原电位E,.此外， (3)第3类：K含量.K*含量单独为一类有待 有机质的含量越高，土壤的孔隙度越低，土壤的 进一步研究验证.从实测数据来看，K的含量很

V b l . 2 2 N o . 4 卢 琳等 : 石 油沥 青涂层 管线土 壤环境 腐蚀性 因素 的模 糊聚类 . 3 6 3 . 3 l 7 1 1 卜 l ` 卜 月 { 叫肛」 第 第3 第4 第5 第6 1 类 类 类 类 类 图 2 土壤腐 蚀性 因 素聚 类谱 系图 F ig . 2 p ed ig reo o f e o r r s i v e fa e t o r c l u e t e r s o f s o U 、、产了、. 、 , 尹 气且,. 、少. `ù,、 4 了.、 、 .、 r l 、厂叹 原理 中得 到说 明 己 知 『6 , : 含 水 量 w = 翅二且圣 系 密 度 ( 环 刀 法 ) d ( G 一 G 。 ) x 1 0 0 Vx ( 10 0 + 哟 总孔 隙度 : P = 9 3 . 9 4 7 一 3 2 . 9 9 5 d 含气率 : aP = 尸一 牙火 d 其 中 : g ,一 湿 土质量 , 乡一 干土 质量 , 0G 一 环 刀 质 量 , G 一 环 刀 加湿 土 质量 , V一 环 刀 体积 J 不` 土 壤含水量 , 子一土 壤 密 度 . 从 上 述 4 个公 式可 清楚地看到 , 计 算需 要 含水 量 的值 , 孔隙度是 直 接 由密 度算得 , 含气 率 则 由其他 3 个参数算 出 . 这就不 难解释 为什 么 这 4 种因素 的相 关 性 比较好 . 尤 其 是对 于 密度 和 孔隙度 , 理 论上 二 者 的相关性应 达 到 10 % , 实际 计算所 得 r 。 > 9 .9 % . 土 壤 介质 中含 水 量 增 加 时 , 土 壤 中的孔 隙被水充满 , 透 气能力会下 降 . 同 样可 以证 实土 壤含气率 与土 壤密 度和 含 水 量有 密切 相 关性 . 其 次 , 有机质含 量 , 全氮含量 , 真菌 , Eh 7 等 因素 聚 在 一起 , 说明它 们 之间 的关 系 比较密切 . 由腐蚀 原理知 , 有机质对 金 属 腐蚀 的作用常常 是通过 土壤微生 物活动 过程而 加 剧 的 , 土 壤有 机 质在 土 壤微生 物 的作用下 , 一 是 能把 复杂 的 有 机质分解成 简单 的无机化合 物 , 二 是 能把动 植 物残体分解后 , 再合成腐植质 . 在分解转化过 程 中 , 释 放 出 的气 体和 有 机酸 有 较 强 的 氧化作 用 , 从而 影 响土 壤介质氧化还 原电位 E h 7 . 此外 , 有机质的含量越高 , 土 壤 的孔隙度越低 , 土 壤 的 透气 性亦 差 , 氧含量 随之减 小 , 则 Eh 7 值低 . 另 一 方 面 , 土 壤微生 物 的营养来源和 活 动 能源主 要 来 自有机质和 全氮量 , 换言之 , 有机质和 全氮 含量直 接影 响 土 壤 中腐 蚀菌 含量 的高 低 . 而腐 蚀菌的生 命活 动和新陈代谢可 以消耗氧 , 可 以 降低 土 壤 氧化还 原 电位 Eh 7 . 由此可 见 , 它们 对 土 壤腐蚀性 的影响是非常复杂 的 , 也是非常重 要 的 . C l 一 浓度 , S以 一 浓度 , N O歹浓度 , N a ` 含量 , C犷 含量 , M 才 +含量 , 全盐 , 电导率 , 泥 糊 电导 也 属于 一 类 . 显 而 易 见 , 土 壤中的 盐分 对 土 壤腐 蚀介质 的导 电过程起 到 重 要的作用 . 电导率 、 泥 糊电 导 都 是表 征土壤 的 导 电 能力 , 二 者 存在 着 必然 的 联 系 . 同时 土 壤 中盐 离子 的含量还 能影 响 到 土 壤溶液 中的氧 的溶解 度 , 含 盐量 高 , 氧气 溶解度 就会下 降 , 于 是削弱 了土 壤腐蚀 的 电化学阴极 过程 , 同 时 还会影 响 土 壤 的 E h 7 . (2 ) 第 2 类 : H C O 了浓度 , p H . 在这 2 种 因素 中 , p H 值是 土 壤 中所含盐 分 的综 合反 映 , 它 表 征着土 壤酸碱性强 弱 . 本研究 的土 壤中 C O 犷的 含量极 少 , 所 以土 壤中的 H ` 的含量就少 . 相对 而 言 , O H 一 的含量主 要 影 响 p H 值 . 它 主 要来源 于 H C O 子的水解 , 即 : H C O 歹+ H Z O 二 H Z C O 3+ O H 一 可 见 , p H 值 的大 小直 接取决于 H C O歹含 量 的多 少 . 实测数据 也 说 明这 一 点 , 土 壤 的 p H 值均大 于 7 . (3 ) 第 3 类 : +K 含量 . K 十含量 单独为一 类有待 进一 步研 究验证 . 从实测 数据 来看 , +K 的含量 很

·364 北京科技大学学报 2000年第4期 少，在盐分总量中所占比例仅为1%，在测量中3结语 那怕出现微小的误差，完全有可能引起聚类结 果的偏差. 本文利用计算机编程技术与数据管理软件 (4)第4类：中性硫化菌.中性硫化菌是属中 建立的土壤环境因素聚类分析程序系统，对影 性菌，是有无氧都可生活的细菌.当土壤在富氧 响土壤腐蚀的23项因素进行聚类分析，作出相 条件下，硫化菌生长，它能氧化厌氧的硫酸盐还 应的相关系数矩阵和聚类谱系图，从聚类结果 原菌的代谢产物，产生硫酸，从而使钢铁管或水 来看，土壤中物理因素、化学因素、电化学因素 泥管产生腐蚀破坏， 的相关性较好，而微生物的独立性较强，有待进 ()第5类：硫酸盐还原菌.硫酸盐还原南是 一步深入研究.关于钾离子的独立性值得商榷， 一种厌氧细菌，它的生机活动是在缺氧的条件 仍需进一步验证，故在考虑土壤腐蚀影响因素 下进行的.在它的体内有一种过氧化氢酶，能将 时可以忽略.另外，土壤的4个物理因素指标（容 硫酸盐还原成硫化氢，导致钢铁材料的腐蚀，形 重、含水量、孔隙度、含气率)间关系极为密切， 成黑色的疏化亚铁的沉积物(FeS).这些沉积物 全盐量和导电率相关性很好，有机质和全氮量 会进一步引起氧的浓差电池腐蚀或电偶腐蚀. 也总聚在一类.这些对今后土壤腐蚀性的评价 (6)第6类：异氧（养）菌.异养菌属于好氧菌， 和预测及土壤类型与石油沥青涂层防护性能关 它的生机活动是在含氧的条件下进行的.一般 系的深入探讨，有一定的参考价值， 来说，异养菌对金属没有直接的腐蚀性，但它们 参考文献 所代谢产生的有机酸、无机酸，或产生的粘状沉1王光雍，王海江.自然环境腐蚀与防护北京：化学工业 积物会降低非金属材料的稳定性，加速地下金 出版社，1997.215 属构件的腐蚀破坏， 2王强.地下管道的腐蚀与阴极保护.西宁：青海人民出 由此可见，土壤微生物对腐蚀产生不可忽 版社，1983.62 视的影响.但不同种类的细菌生长环境不同，各 3刘继旺，石油沥青在不同土壤中的老化因素的分析、 讨论.见：全国土壤腐蚀试验网站资料选编（第2集）. 自有不同的作用机理，而且有的土壤的环境条 上海：上海交通大学出版社，1992.126 件复杂多变，还可能存在多种细菌交替腐蚀的 4王碧泉，陈祖荫.模式识别一理论、方法和应用.北 情况，所以微生物的相关性就差一些.目前看来， 京：地震出版社，1989.30 由于取得微生物活动及其对金属材料腐蚀的影 5李安贵.模糊数学及其应用.北京：冶金工业出版社， 响数据不多，还很雅给出一个明确的结论， 1994 6全国土壤腐蚀试验网站编，材料土壤腐蚀试验方法.北 京：科学出版社，1990.121 Fuzzy Cluster of Corrosion Factors of Soil Environment for Petroleum Asphalt Coated Pipe LU Lin,LUO Degui. LI Changrong,QU Zuyu Materials Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT By considering the data correlation and using the fuzzy cluster of pattern recognition,the rela- tionship among varions corrosive factors of soil was investigated.Both the matrix of correlation coefficients and the pedigree of factor clusters show that some factors are correlated closely to each other,while others are relatively independent.The correlation coefficients are very high between the parameters such as organic substances and total nitrides,organic substances and microorganism total salts and conductivity,density and void volume etc.However,the CO,sulfur oxide bacterias etc.,indicate much lower correlation coefficients with soil pH.And the 23 soil corrosive factors are clusterd into 6 distinct clusters under the correlation coef- ficient value above 0.8.The results of will be helpful to the further study on the soil corrosivity of petroleum asphalt coated pipe. KEY WORDS soil corrosion;fuzzy cluster;underground pipe

. 3 64 . 北 京 科 技 大 2 00 0 年 第 4 期 少 , 在 盐 分总 量 中所 占比例 仅 为 l % , 在测 量中 那 怕 出现微小 的误 差 , 完全有可 能 引起聚类 结 果 的偏差 . (4 ) 第 4 类 : 中性硫化菌 . 中性硫 化菌是 属 中 性菌 , 是 有无氧都可 生 活 的细 菌 . 当 土 壤在 富氧 条件下 , 硫化菌生 长 , 它能氧化厌氧的硫酸 盐还 原菌的代谢产物 , 产生 硫酸 , 从 而 使钢 铁 管或水 泥 管产生 腐蚀破坏 . ( 5) 第 5 类 : 硫酸 盐还 原 菌 . 硫酸盐 还原菌是 一 种 厌氧细 菌 , 它 的 生机 活 动 是 在缺氧 的条件 下 进行的 . 在它 的体 内有一 种过 氧化氢酶 , 能将 硫酸盐还原 成硫化氢 , 导 致钢 铁材料的腐 蚀 , 形 成黑 色 的硫化亚铁 的沉积物 (F eS ) . 这 些沉积 物 会进一 步 引起氧 的浓差 电池 腐蚀或 电偶腐蚀 . ( 6) 第 6 类 : 异 氧 ( 养 ) 菌 . 异养菌 属 于好 氧菌 , 它 的生 机活 动 是在含氧 的 条件下 进行的 . 一 般 来说 , 异养菌对 金 属 没 有直接 的腐蚀性 , 但它 们 所 代谢产生 的有机酸 、 无机酸 , 或 产 生 的粘状沉 积 物会 降低非金属 材料 的稳定性 , 加速地下 金 属 构件 的腐蚀破坏 . 由此可 见 , 土 壤微生 物对腐蚀产生 不 可 忽 视 的影响 . 但不 同种 类的 细 菌生 长 环 境不 同 , 各 自有不 同 的作用机理 . 而 且 有的土 壤 的环 境条 件 复杂多变 , 还 可 能存在 多种细 菌交替腐蚀 的 情况 , 所 以微生 物的相 关 性就 差 一 些 . 目前看来 , 由 于取得微 生物活 动 及 其对 金属 材料腐蚀 的影 响数据 不 多 , 还 很 难 给 出一 个 明确 的 结论 . 学 学 报 结语 本文 利用 计算机编程技术与数据管理软件 建立的 土 壤环 境因 素聚 类分 析程 序系统 , 对 影 响 土 壤腐蚀的 23 项 因 素进行聚 类 分析 , 作出 相 应 的相关系数矩阵和聚类谱系图 . 从聚类结果 来 看 , 土 壤 中物 理 因 素 、 化 学因 素 、 电化学 因素 的相 关性较好 , 而微 生物 的独立性较强 , 有待进 一 步深 入 研究 . 关于钾 离子 的独立性值得商榷 , 仍 需进 一 步验 证 , 故 在考虑 土 壤腐蚀影 响 因 素 时可 以忽 略 . 另外 , 土 壤 的 4 个物理 因 素指标 ( 容 重 、 含水量 、 孔 隙度 、 含气率 ) 间关系极 为密切 , 全 盐 量和 导 电 率相 关性 很好 , 有机质 和 全氮量 也 总聚在一 类 . 这些对今后 土 壤腐蚀性 的评 价 和 预测 及 土 壤类型 与石 油沥 青涂层 防护 性 能 关 系 的深入 探讨 , 有一 定 的参考价 值 . 参 考 文 献 1 王光 雍 , 王海 江 . 自然环境腐 蚀与 防护 . 北京 : 化 学工业 出版社 , 199 7 2 15 2 王 强 . 地 F管 道的腐 蚀与 阴极保护 . 西宁 : 青 海人 民出 版社 , 19 83 . 62 3 刘 继 旺 . 石油沥 青在不 同土壤 中 的老 化 因素的 分析 、 讨论 . 见 : 全 国土 壤腐蚀 试验 网 站 资料选编 ( 第 2 集 ) . 上海 : 上海 交通大 学 出版 社 , 19 92 . 12 6 4 王 碧泉 , 陈祖荫 . 模 式识 别— 理 论 、 方 法和应 用 . 北 京 : 地震 出版社 , 1 9 89 3 0 5 李安贵 . 模糊 数学及 其应用 . 北京 : 冶 金工业 出版 社 , 19 9 4 6 全 国土壤 腐蚀试验 网站编 . 材料 土壤腐 蚀试验方 法 . 北 京 : 科学 出版社 , 1 9 90 . 12 1 F u z yZ C l u s t e r o f C o r o s i o n F a e t o r s o f 5 0 11 E vn i r o nm e n t fo r P e tr o l e um A s P h a lt C o a t e d P IP e L U iL n , L UO D ge “ 砚 LI hC a n g ℃ gn , Q U Z砂 “ M a t e r iia s S e i e n e e an d E n g m e e n n g S e h o l , U S T B e ij in g B e ij ign 10 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T B y e o n s i d e n n g ht e d a t a e o r e l a ti o n an d u s in g ht e if l z y e l u s te r o f Pa t t e m r e e o g in ti o n , ht e r e l a - t i o sn hi P am o n g v iar o sn e or s i v e fa e ot r s o f 50 11 w a s in v e s t i g a t e d . B hot het m a tr i x o f e o r e l at i o n e o e if e i e snt an d ht e P e d igr e e o f fa e t or e l u s t e r s s h o w ht at s om e fa e t o r s ar e c o r e l aet d c l o s e ly t o e a e h o ht e r, w h il e o ht e r s ar e r e l at i v e ly in de Pe n de nt . hT e e o er lat i o n e o e if e i e snt ar e v e yr h ihg b e wt e e n ht e P amr e t e r s s u e h a s o r g an i e s ub s切nL c e s an d t aot l in itr d e s , o gr an i e s ub s t a n e e s an d m i e or o gr an i s m t o at l s a it s a n d e o n du e t i v iyt , de n s iyt an d v o id v o l um e e t e . H ow e v e r, ht e C O ; 一 , s ul 仙 o x id e b a e t e ir a s e t e . , in id e aet m uc h l ow e r e o r e l at i o n c o e if e i e nt s w iht 5 0 11 PH . nA d ht e 2 3 5 0 11 e o r o s i v e fa e t o r s ar e e l u s t e r d int o 6 d i s t i n e t e l u st e r s un d e r ht e e o r e l at i o n e o e -f if e i e n t v a lue ab o v e 0 . 8 . hT e r e s u lt s o f w ill b e h e lPfu l ot ht e fu 川五er s ut 勿 on ht e 50 11 e o r o s i v iyt o f P e tr o l e um a s Ph a it e o aet d P IP e . K E Y w 0 R D S 5 0 11 e o r o s i o n ; 五卫及y e l u s t e r ; un d e卿 o un d p iP e