관개와 배수

현대식 관개시설의 계획과 건조

수원

관개시설을 하기 위해서 가장 먼저 고려해야 할 것은 수원을 개발하는 일이다(→ 급수설비). 수원은 지하수와 지표수로 구분할 수 있는데, 지표수와 지하수 모두 눈·비와 같은 강수로 인해 생성되지만 지하수는 근원을 찾기 어렵다.

지표수 공급 계획을 세울 때는 이용할 수 있는 하천 및 개울의 유량에 관한 광범위한 조사가 이루어져야 한다.

하천의 범람 및 가뭄·홍수 주기를 비롯한 제반 조사가 오랜 기간에 걸쳐 정기적으로 이루어져 왔다면, 이러한 조사는 매우 간단한 문제가 될 것이다. 이러한 자료로부터 하천의 최소유량·최대유량·일평균유량·월평균유량 등을 알 수 있으며, 댐의 크기, 여수로(餘水路), 하류수로, 계절별 필요 저수량 등을 결정할 수 있다. 그러나 이와 같은 자료가 갖추어져 있지 않은 경우에는 비슷한 기후 및 지형상의 조건을 갖추고 있는 인근 하천의 강수량 또는 유량에 관한 자료를 통해 하천 유량을 추정할 수 있다.

지표수의 수량뿐 아니라 수질도 중요하다.

수질을 결정할 때 가장 중요하게 고려해야 할 두 가지 점은 운반되는 실트의 양과 물에 녹아 있는 염류의 종류와 양이다. 실트의 함량이 높으면 침전물이 저수지에 쌓이게 되어 저수지 유지비용이 많이 들며 저수지 이용 가능 기간도 줄어든다. 또한 염류 농도가 높으면 이 물을 작물에 주었을 때 작물이 손상될 수도 있으며, 토양에 축적되어 토지생산성을 떨어뜨리게 된다.

지하수원도 지표수와 마찬가지로 신중하게 조사해야 하는데, 일반적으로 지하수원은 지표수에 비해 식별이 잘 안되기 때문에 조사하기가 더 어렵다.

지하수의 수원을 개발·계획하는 기술자는 기본적으로 대수층(帶水層)의 범위뿐만 아니라, 대수층의 물을 끌어올렸을 때 수위가 낮아지는 정도와 대수층에 다시 물이 채워지는 속도를 알 필요가 있다. 기술자가 이러한 자료를 얻기 위해서 할 수 있는 방법은 시험용 우물을 파보거나 직접 측정을 해보는 것뿐이다. 일반적으로 재충전되는 물의 양보다 더 많은 지하수를 퍼올리지 않도록 계획해야 하며, 그렇게 하지 않는 경우에는 지하수원이 고갈되고 말 것이다(→ 지하수함양).

개발 계획을 세울 때 보통 이슬과 하수(下水)는 수원에서 제외되지만 이스라엘과 오스트레일리아의 일부 지역에서는 밤에 많은 양의 이슬을 받아 관개수로 사용하고 있으며 어떤 곳에서는 산업체나 소도시로부터 나오는 폐수를 이용하여 관개를 하고 있다.

최근에는 하천의 정화가 점점 더 강조되고 있기 때문에 폐수를 이용한 관개에 대한 관심도 아울러서 증대되고 있다(→ 하수처리).

이집트와 같은 몇몇 나라에서는 하수가 매우 중요한 수자원이며, 미국에서는 관개작업을 폐기물 처리과정의 마지막 단계, 즉 하수 처분 수단으로 여기고 있다. 물에 나트륨과 같은 좋지 않은 염류가 포함되어 있지 않는 한, 하수는 농업용 관개수로 적당하다. 그러나 관개가 하수를 처리하기 위한 주수단인 곳에서는 넓은 면적의 경지가 필요하며 이런 곳에 심을 수 있는 식물의 종류도 제한되는데, 일반적으로 풀과 나무들만이 적당하다.

수원을 확정지을 때는 우선 수원권(水源權)에 대한 문제를 결정해야 한다.

세계 각국에는 수원에 대한 소유권을 규정한 매우 다양한 법규와 관례가 있다. 수원개발계획이 한 가지 목적만을 위한 것이라면 소유권의 결정이 상대적으로 쉬워지지만, 현대 산업사회에서 이루어지는 대부분의 개발사업처럼 다목적 용도를 위한 수원개발이라면 수원에 대한 소유권 결정에는 국가간·주정부간·시당국간·개인소유자간의 협정이 필요하다.

수원으로 관개할 수 있는 면적의 크기는 기후, 재배작물의 종류, 토양에 의해 결정되는데, 이와 같은 요인들을 평가하고 그 지역에서 연간 필요로 하는 평균 강수량을 예측하기 위해 많은 방법들이 개발되어왔다.

미국 서부지역에서 작물 재배에 필요한 연강우량은 곡류의 경우 305~760㎜, 사초(飼草)의 경우 610~1,525㎜이다. 극동지방에서는 목화재배를 하려면 강우량이 915㎜ 정도 되어야 하고 쌀 재배를 위해서는 이 양의 2~3배 이상이 필요하다. 미국 내의 습지지역에서는 부족한 강우량을 관개로 보충하고 있는데, 이런 지역에서 곡류 수확을 위해 필요한 수량은 150~230㎜이지만 실제로는 저수지 및 하천에서의 증발이나 운반 도중의 손실에 대한 여유분이 필요하다.

수로체계

관개에 이용되는 수로의 형태는 수원에 따라 다르다.

저수지는 농장으로부터 멀리 떨어져 있는 경우가 많기 때문에 지표관개를 하려면 물을 운반하기 위한 수로 및 도관체계가 필요하다. 우물에서 끌어올린 지하수를 이용할 경우에는 수로 또는 도관이 사용되는 수도 있기는 하지만 대개 훨씬 작은 수로를 필요로 한다. 수로체계는 중력수(重力水)가 얼마나 먼곳에 있는가에 따라 결정되는데, 필요한 경우에는 펌프를 이용하여 물의 흐름을 보완하기도 한다.

물은 본류로부터 지류 또는 측류를 거쳐 마지막으로 여러 농장을 거치며 물을 공급하는 분류로 흘러가는데 부수적으로 필요한 시설로는 웨어(역류댐), 수문 댐 및 여러 형태의 댐이 있다.

수로는 보통 콘크리트로 벽을 바르는데 이렇게 함으로써 누수에 의한 손실을 막고, 잡초가 자라는 것을 방지하며 붕괴의 위험을 막고 관리 비용을 줄일 수 있다. 가장 일반적인 형태의 콘크리트 수로는 슬립폼 공법을 이용한 것으로 원하는 곳을 횡단으로 판 후 흙벽과 바닥에 콘크리트를 발라 만드는 것이다.

도관을 만드는 재료는 매우 다양하다.

커다란 관은 대개 콘크리트로 만들지만, 지류에 사용하는 관은 콘크리트, 시멘트-석면, 강화 플라스틱, 알루미늄, 강철 등을 이용한다. 도관은 위가 열린 암거(暗渠)를 설치하는 데 비해 비용이 많이 들지만, 일단 만들어놓기만 하면 땅을 차지하지 않고 증발에 의한 손실도 없으며 조류(藻類)의 번식도 막을 수 있다.

물의 이용

물을 농장까지 끌어들인 후에 이 물을 논·밭에 대는 방법으로는 지표관개·지하관개·살수관개(撒水灌漑) 등이 있는데, 지표관개는 대체로 땅이 경사져서 일정한 기울기가 있는 곳에서만 사용할 수 있으며, 다른 관개는 땅이 경사지지 않은 곳에서도 할 수 있다.

그밖에도 변형된 여러 관개방법이 있지만 가장 일반적인 것에 대해서만 다루고자 한다.

지표관개는 일류관개(溢流灌漑)와 고랑관개[畦間灌漑]로 나누어진다. 일류관개는 물을 경지의 한쪽 끝에서 보내, 이 물이 반대쪽까지 넘쳐 흐르도록 하는 방법으로 곡류와 사초를 키우는 곳에서 주로 이용한다.

고랑관개는 옥수수·목화·사탕무·감자 등과 같이 줄을 맞추어 심는 작물에 사용하는데, 관개방법은 작물을 심어놓은 줄 사이에 고랑을 파고 물이 지나도록 하는 것이다. 두 지표관개 모두 경지의 구석 낮은 곳에 배수구를 설치해야 하는데, 이것은 과다한 양의 물을 빼서 다른 곳으로 보내고 경지가 침수되는 것을 방지하기 위해서이다.

지하관개는 흔히 사용되는 관개방법은 아니다.

작물의 뿌리대에 물이 모일 수 있도록 뿌리 아래쪽에 불투수층이 있는 경우에만 이용할 수가 있으며, 물은 토관 배수구나 도랑을 통해 경지에 공급된다.

최근에는 스프링클러를 이용한 살수관개가 많이 사용되는데 특별한 준비가 필요없고 관개율도 조절할 수 있으며, 여기에 쓰이는 장치는 동결방지용 또는 약제살포용으로도 사용할 수 있다.

스프링클러의 종류는 분무 형태로 물을 뿌리는 것에서부터 1시간에 2.5cm 이상의 물을 뿌릴 수 있는 것까지 다양하다.

증산과 누수의 억제

관개에 사용되는 물의 손실을 줄이기 위해 다양한 방법을 사용해왔다.

지표관개와 지하관개에서 물이 줄어들게 되는 2가지 중요한 요인은 저수지 및 수로에서의 증산작용과 누수이다. 증산작용을 억제하기 위해 많은 연구가 이루어져왔는데, 유망한 방법 중 하나는 특수 알코올 막을 물 표면에 덮어씌우는 방법이다. 이 방법은 물의 질을 떨어뜨리지 않으면서 증산을 30% 정도 막을 수 있다. 그러나 막이 약해서 바람이 조금만 강해도 막이 찢어져 물의 표면이 노출된다는 문제점이 있다.

콘크리트와 같은 불투수성 물질로 주수로와 부수로안을 처리함으로써 누수에 의한 손실을 상당 부분 막을 수 있다.

그밖에도 아스팔트와 플라스틱판이 사용되는데 플라스틱은 미관상 좋지만 노출되면 상하기 쉬운 단점이 있다.

대표적인 관개시설

전형적인 지표관개는 강 유역의 저수지와 같이 공적으로 개발된 수원과 공공사업에 의해 건설된 주수로를 이용하여 농경지에 물을 대는 것이다.

수로의 물은 대개 중력에 의해 흘러가나 종종 물을 끌어올리기 위한 시설이 필요할 때도 있다. 옥외 수로를 이용하여 수원으로부터 각 개인의 농경지로 물을 끌어오며, 고랑관개나 일류관개법으로 각 농경지에 물을 댄다.

얼마 전까지만 해도 스프링클러를 이용한 살수관개시설 대부분이 사적으로 개발한 수원밖에는 사용할 수 없었으나 최근에는 공용용수도 사용할 수 있게 되었다(→ 스프링클러 시스템). 사적으로 개발한 수원이든 공적으로 한 것이든 간에 살수관개시설에는 1분에 3,785ℓ 이상의 물을 공급할 수 있는 커다란 우물이나 공급용 수로로부터 물을 끌어 올리기 위한 양수기가 있어야 하며, 이와 같이 양수기로 퍼올린 물은 각 개인의 스프링클러로 들어가게 된다.

자동 또는 반자동의 이동식 스프링클러는 농경지를 이동하면서 관개를 한다.

일반적으로 스프링클러는 중앙고정식과 이동식 2가지가 있는데, 중앙고정식은 농경지의 중간에 고정되어 스프링클러가 부착된 긴팔이 돌아가며 농경지를 원형으로 적신다. 이 방식은 정4각형으로 되어 있는 농경지의 경우에는 구석에 대한 관개가 불가능하다는 단점이 있다.

이동식 스프링클러는 트레일러 위에 스프링클러가 장착되어 작물이 심어져 있지 않은 고랑을 따라 움직여가면서 관개를 한다. 이 스프링클러는 주수원에 연결되어 있는 탄력성있는 호스를 끌고 옮겨다니는데, 고랑의 끝부분에 다다르면 자동적으로 꺼지고 다음 고랑으로 이동한다. 몇 가지 단점이 있기는 하지만 스프링클러를 이용한 관개체계는 일정한 양의 물을 최소한의 노력을 가지고 효율적으로 공급할 수 있는 방법이다.

현대식 배수시설의 계획과 건조

배수시설의 계획

지금까지 토양학 및 작물학 분야는 많이 발전되어 왔지만 이러한 기초원리를 배수시설의 설계에 포함시키는 기술은 제대로 발전하지 못했다.

이와 같이 이미 밝혀진 이론의 적용이 어려운 가장 큰 이유는 이론 전개시 사용되는 이상적인 토양에 비해 실제 토양이 예측할 수 없이 다양하기 때문이다.

배수시설의 형태는 여러 요인에 의해 결정되지만 가장 중요한 것은 지표면 밑의 토양 구조가 배수구를 이용할 수 있을 만큼 물이 빨리 흐르도록 되어 있는가 하는 점이다. 사질토양과 미사토의 비율이 높고 점토의 비율이 낮은 토양에서는 물이 빨리 통과할 수 있으므로 지하배수가 가능하나 점토질의 비율이 높은 토양은 배수가 이루어지지 않는다.

토양 안에서 물이 가장 천천히 흐르는 층에 맞추어 배수시설 설계가 조정되며, 지하 시설물이 이 깊이에 만들어질 수도 있기 때문에 1.5~1.8m 깊이의 토양은 그 성질을 반드시 고려해야 한다(→ 투과성, 토양단면).

경지의 경사도와 지형도 중요한 요소이다.

많은 경우에 있어서 땅의 경사도가 너무 낮기 때문에 15cm나 30cm씩 경사를 식별할 수 있는 등고선 지도를 이용하여 문제성이 많은 지점을 알아내고 배수구를 만들 위치를 찾아야 한다. 배수구는 대개 공공차원으로서만이 개발될 수 있으며 강우형태, 재배작물, 평상시 지하수면의 높이 등 전반적인 문제도 함께 고려해야 한다. 작물이 자라는 기간 중 가장 중요한 시기에 폭우가 내리지 않는 지역에서는 광대한 배수시설이 없어도 된다.

배수시설의 용량은 부분적으로 작물의 생장형태, 재식시기(栽植時期), 임계생장시기, 과다한 물에 대한 토양의 내성, 수확시기, 작물의 가치 등에 의해서도 좌우된다.

지하수면의 높이는 지역에 따라 다르기 때문에 배수시설을 설계하기 전에 미리 조사해야 한다.

배수시설의 형태

배수에는 지하배수와 지표배수 2가지가 있다.

배수시설의 맨 끝쪽 처분 지점이 배출구이다. 지표배수는 주집수(主集水) 배수구, 옥외배수구, 옥외배수관으로 이루어져 있고 지하배수는 주배수구, 부배수구, 부배수구로부터 나온 측면배수구로 이루어져 있다. 배출구는 배수시설에서 마지막으로 물을 처리하는 곳이며, 주배수구는 물을 배출구로 운반하고, 부배수구 또는 옥외배수구는 여러 작은 단위지역으로부터 물을 모아 주배수구에 연결하는 역할을 한다.

배수의 가장 작은 단위인 측면 및 옥외배수구는 경지 중의 물을 제거하는 역할을 한다.

배수시설에 있어서 배출구는 자연상태의 개울, 강 또는 커다란 시설배수구인데, 시설배수구의 단면은 보통 사다리꼴이며 측면의 둑은 평평하여 안정성이 있어야 한다. 둑 위에서는 풀이 자랄 수도 있는데, 물의 흐름을 방해할 가능성이 있는 교목과 관목은 제거해야 한다.

지표배수시설은 지표면의 물에서부터 옥외배수로 바닥에 있는 물까지 모두 제거한다.

지표배수는 지표면의 물을 천천히 통과시켜 지표면을 개량하는 수단으로 쓰이며, 지표면의 고인 물을 제거함으로써 지하배수의 보조역할도 한다.

지표면의 옥외배수에는 여러 가지 형태가 있는데, 이중에서 가장 널리 이용되고 있는 방법은 평행식 배수와 난잡배수이다. 평행식 배수는 토양과 경지의 경사에 따라 수로간의 간격을 수백m로 일정하게 유지하며 평행으로 설치하는 방법이고, 난잡배수는 일정 지역에서 낮은 곳을 향해 물이 흘러가도록 하는 방법이다.

평행식 배수는 균일하게 배수를 해주지만 난잡배수는 수로에 연결되어 있는 곳보다 낮은 지역만을 배수하게 된다. 2가지 경우 모두 수로가 얕고 양쪽이 납작한 형태로 되어 있어 경작지로 이용할 수도 있다. 작물은 물이 줄 사이로 흘러가게 하기 위해 수로에 직각으로 심는다.

지표배수구가 제대로 기능을 하기 위해서는 정지작업(整地作業)이 필수적이다.

정지작업은 경지의 경사가 배수 수로를 향할 수 있도록 경지의 형태를 바꾸는 작업이다. 경사도는 전체 경작지가 균일할 수도 있으며, 부분부분에 따라 다를 수도 있다. 디지털컴퓨터가 등장하기 전까지는 정지작업 계획에 필요한 계산을 하는 데 시간이 많이 소요되었으나, 오늘날에는 정지작업의 마지막 설계를 결정하기 전에 컴퓨터를 이용함으로써 수많은 가능성들을 빠르게 조사할 수 있다.

흔히 관(管)을 이용한 배수라고 부르는 지하 배수시설에서는 배출구를 제외한 모든 부분이 지표 아래 있다.

이 배수시설은 배수구 깊이의 토양수까지 전부 제거할 수 있고, 식물의 뿌리 발달에 필요한 많은 양의 토양을 제공하며, 봄에 지표의 온도 상승을 돕고, 토양 미생물 활동의 균형을 유지시켜주며, 토양 중의 공기와 작물성장을 극대화하는 데 필요한 그밖의 요인들을 제공해주므로 지표배수보다 더 나은 배수방법이라고 할 수 있다.

지하배수에서의 가장 작은 단위는 물을 토양으로부터 제거하는 측면배수구이다.

측면배수구는 균일하게 또는 무작위로 배열될 수 있는데 어떠한 방법을 택할 것인가 하는 문제는 자라고 있는 작물의 종류와 이용가치, 토양의 종류, 강수형태에 따라 결정된다. 균일 측구가 설치된 배수체계에서 가장 중요한 문제는 측구의 깊이와 설치 간격이다. 일반적으로 균일하게 배수를 하기 위해서는 측구가 깊을수록 측구의 간격을 크게 설치한다. 이론적인 연구에 의하면 측구는 30cm 정도 깊이에 7.3m 간격으로 설치하는 것이 좋다고 하므로 보통 24~91m 간격을 두고 0.91~1.5m 깊이로 설치한다.

지하배수 시설은 습지뿐 아니라 관개지에서도 중요한데, 지하수면을 조절하고 물의 흐름을 확실히 함으로써 뿌리층에 염분이 축적되거나 토양의 생산성이 떨어지는 것을 방지한다.

배수시설의 건설과 유지

대부분의 지하배수구는 도랑을 파고 관을 묻은 후 다시 도랑을 메꾸는 방식으로 만드는데 미국과 유럽에서는 도랑을 파지 않고 배수관을 설치할 수 있는 기계를 개발하기 위한 작업이 진행중이다.

배수구의 경사도를 적절하게 유지하도록 기계를 조절하는 일이 중요한 문제인데, 최근 레이저 광선을 이용한 굴착기술의 발달이 이러한 문제를 해결해주었다. 토관이나 콘크리트관이 지금까지 사용되어 온 주재료였으나, 현재는 플라스틱관이 많이 사용되고 있으며 이것은 가벼워서 다루기 쉽다는 장점을 가지고 있다.

적절히 관리만 된다면 배수시설은 상당히 오랫동안 사용할 수 있다.

선택성 제초제를 사용하여 관목과 수초들이 수로에 자라지 못하도록 하고 쇠창살을 배출구에 설치하여 설치류와 굴을 파고 사는 동물들이 배수구 안에 집을 짓지 못하도록 한다. 지표배수시설은 지표상의 작은 변화에도 커다란 영향을 받을 수 있기 때문에 거의 매년 배수구의 경사도, 수로의 교차 부분, 정지작업된 지역의 경사도에 대한 유지·보수가 필요하다. 지하배수시설은 정기적인 점검만 필요할 뿐 다른 보수작업이 거의 필요없다. 배출구와 이따금씩 생기는 재료의 구조적 결함이 주요 정비내용이다.

관개와 배수를 통한 토지개간

1980년대 들어 늘어가는 식량 및 섬유자원의 필요성으로 새로운 농경지의 지속적인 개발이 필요하게 되었다. 그러나 이러한 경지의 개간은 관개 및 배수시설이 없이는 거의 불가능하다. 이미 알려진 시설물로는 홍수조절·관개·발전을 위해 설계된 대규모의 강유역 개발사업이 있다. 소련·중국·인도·이집트·이란·오스트레일리아·미국 등 세계 각국에서 이러한 사업들이 설계 단계에 있거나 건설중이다. 거의 모든 경우에 배수가 함께 고려되는데 가능하다면 배수시설은 지하배수를 하는 것이 좋다.

염분 때문에 사용하지 못하던 넓은 면적의 땅을 개간하기 위해서는 관개와 배수를 함께 해야 하는데, 이 경우에는 반드시 지하배수시설을 하여 지하수면을 낮추고 담수를 토양으로 유입시켜 염분을 녹여 밖으로 내보내야 한다. 미국·인도·근동 지방에는 이러한 기술을 이용하여 개간할 수 있는 광대한 지역들이 있다.

네덜란드 국민들은 배수를 이용하여 토지개간사업을 벌여왔다. 1932년 아이셀메르(옛 이름은 조이데로제) 제방을 축조함으로써 대규모 수역을 담수호수로 탈바꿈시켰으며, 지금도 끊임없이 제방을 쌓고 간척사업을 시행하여 작은 간척지들을 만들고 있다. 간척지 주위에는 제방을 쌓고 물을 밖으로 뽑아낸 후 여러 곳에 배수 수로와 지하배수로를 설치하여 작물 뿌리층의 물을 뽑아내고 이러한 작업이 끝나면 개간사업의 마지막 과정인 작물심기를 시작한다.

개간에 쓰이는 기계와 지표배수 기술의 발달로 열대림을 개간하고 배수하여 농경지로 만들 수 있는데 첫번째 단계는 교목, 관목, 그밖의 열대식생 등을 제거하는 것이며, 그 다음은 배출구 수로를 설치한다. 어떤 경우에는 지하배수관 설치가 가능하지만 토양과 강우조건에 따라 이러한 시설의 설치가 불가능할 수도 있다. 지표배수구는 균일하게 설치하며 경지는 평평하게 정지(整地)한다. 새로 개간된 열대림의 배수장치는 토양이 안정될 때까지 특별한 주의가 필요하며, 토양이 안정된 후에도 재시공이 필요한 경우가 자주 발생한다.

세계의 관개와 배수

UN의 식량농업기구(FAO)는 관개지에 대한 통계자료를 보유하고 있는데, 이에 의하면 전세계의 관개지는 2억 1,170만ha로 추정된다.

각 나라에서 보내온 자료로 만들어진 FAO 자료는 대규모 관개지가 있는 나라로 중국·인도·파키스탄·소련·미국 등을 들고 있다. 130개국 이상의 나라에 관개지가 있는데 지금까지 보고된 가장 넓은 면적의 관개지는 중국의 46,00만ha 면적의 경지이다. 소련을 포함한 아시아 지역의 관개지는 전세계 총 관개지의 약 65%를 차지하고 있는데, 이들 중 대부분은 지상관개를 하고 있으며 주로 중국·인도·파키스탄·동남아시아의 쌀생산 지역들이다. 살수관개는 전세계적으로 이용되고 있으나, 가장 넓은 면적에 걸쳐 이 방법을 쓰고 있는 나라는 미국으로 그 면적은400만 6,500ha에 달한다.

배수시설에 관한 통계자료는 관개에 대한 자료보다 빈약하다. 그러나 어떠한 형태의 배수시설이든 거의 전세계에 걸쳐 사용되고 있다는 것은 자명한 사실이다. 인도와 같이 관개를 이용한 대규모의 강유역개발사업계획이 있는 국가들에서는 관개지가 염분 축적에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 배수시설도 동시에 계획하고 있다. 미국에서 1959년 작성한 배수에 관한 통계자료에 의하면 전세계 경지의 10%에 해당하는 3,720만ha가 조직적인 사업에 의하여 배수되고 있다.

관개 및 배수는 경작지를 개간하고 개선시키는 데 가장 필수적인 것이기 때문에 이러한 작업에 의해 전세계의 농지가 개선될 것은 거의 확실하다.