Water-Resources Engineering
, by Chin, David A.
- ISBN: 9780132833219 | 0132833212
- Cover: Hardcover
- Copyright: 10/4/2012
Water-Resources Engineeringprovides comprehensive coverage of hydraulics, hydrology, and water-resources planning and management. Presented from first principles, the material is rigorous, relevant to the practice of water resources engineering, and reinforced by detailed presentations of design applications. Prior knowledge of fluid mechanics and calculus (up to differential equations) is assumed.
Preface xv
1 Introduction 1
1.1 Water-Resources Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The Hydrologic Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Design of Water-Resource Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Water-Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Water-Use Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.3 Supporting Federal Agencies in the United States . . . . . . . . . . 7
Problem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Fundamentals of Flow in Closed Conduits 9
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Single Pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Steady-State Continuity Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Steady-State Momentum Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 Steady-State Energy Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3.1 Energy and hydraulic grade lines . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.3.2 Velocity profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3.3 Head losses in transitions and fittings . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3.4 Head losses in non circular conduits . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3.5 Empirical friction-loss formulae . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.4 Water Hammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3 Pipe Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.1 Nodal Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.2 Loop Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.3 Application of Computer Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4 Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.1 Affinity Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.2 Pump Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.2.1 Commercially available pumps . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.2.2 System characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4.2.3 Limits on pump location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.3 Multiple-Pump Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.4 Variable-Speed Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3 Design of Water-Distribution Systems 70
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2 Water Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.1 Per-Capita Forecast Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.1.1 Estimation of per-capita demand . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.1.2 Estimation of population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.2 Temporal Variations in Water Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.3 Fire Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.4 Design Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3 Components of Water-Distribution Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1 Pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1.1 Minimum size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.1.2 Service lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.1.3 Pipe materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.2 Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.3 Valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.4 Meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.5 Fire Hydrants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.6 Water-Storage Reservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4 Performance Criteria for Water-Distribution Systems . . . . . . . . . . . . . 90
3.4.1 Service Pressures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.2 Allowable Velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.3 Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.4 Network Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.5 Building Water-Supply Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5.1 Specification of Design Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.5.2 Specification of Minimum Pressures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.5.3 Determination of Pipe Diameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4 Fundamentals of Flow in Open Channels 103
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.1 Steady-State Continuity Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.2 Steady-State Momentum Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.2.2.1 Darcy–Weisbach equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.2.2 Manning equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.2.3 Other equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.2.4 Velocity distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.2.3 Steady-State Energy Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.3.1 Energy grade line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2.3.2 Specific energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.3 Water-Surface Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.3.1 Profile Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.3.2 Classification of Water-Surface Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.3.3 Hydraulic Jump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.3.4 Computation of Water-Surface Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.3.4.1 Direct-integration method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.3.4.2 Direct-step method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.3.4.3 Standard-step method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.3.4.4 Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.3.4.5 Profiles across bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5 Design of Drainage Channels 166
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.2 Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.2.1 Best Hydraulic Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.2.2 Boundary Shear Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.2.3 Cohesive versus Non cohesive Materials . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.2.4 Bends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.2.5 Channel Slopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.2.6 Freeboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.3 Design of Channels with Rigid Linings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.4 Design of Channels with Flexible Linings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.4.1 General Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.4.2 Vegetative Linings and Bare Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.4.3 RECP Linings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.4.4 Riprap, Cobble, and Gravel Linings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.4.5 Gabions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.5 Composite Linings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6 Design of Sanitary Sewers 211
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.2 Quantity of Wastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.2.1 Residential Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.2.2 Nonresidential Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.2.3 Inflow and Infiltration (I/I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.2.4 Peaking Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.3 Hydraulics of Sewers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
6.3.1 Manning Equation with Constant n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.3.2 Manning Equation with Variable n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.3.3 Self-Cleansing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
6.3.4 Scour Prevention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
6.3.5 Design Computations for Diameter and Slope . . . . . . . . . . . . . 224
6.3.6 Hydraulics of Manholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.4 System Design Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.4.1 System Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.4.2 Pipe Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.4.3 Depth of Sanitary Sewer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.4.4 Diameter and Slope of Pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.4.5 Hydraulic Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.4.6 Manholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.4.7 Pump Stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.4.8 Force Mains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.4.9 Hydrogen-Sulfide Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
6.4.10 Combined Sewers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
6.5 Design Computations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
6.5.1 Design Aids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.5.1.1 Manning’s n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.5.1.2 Minimum slope for self-cleansing . . . . . . . . . . . . . . 237
6.5.2 Procedure for System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7 Design of Hydraulic Structures 250
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
7.2 Culverts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
7.2.1 Hydraulics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
7.2.1.1 Submerged entrances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
7.2.1.2 Unsubmerged entrances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.2.2 Design Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.2.3 Sizing Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
7.2.3.1 Fixed-headwater method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
7.2.3.2 Fixed-flow method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
7.2.3.3 Minimum-performance method . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.2.4 Roadway Overtopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.2.5 Riprap/Outlet Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.3 Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
7.3.1 Free Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
7.3.2 Submerged Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.3.3 Empirical Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.4 Weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
7.4.1 Sharp-Crested Weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
7.4.1.1 Rectangular weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
7.4.1.2 V-notch weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
7.4.1.3 Compound weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.4.1.4 Other types of sharp-crested weirs . . . . . . . . . . . . . . 293
7.4.2 Broad-Crested Weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
7.4.2.1 Rectangular weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
7.4.2.2 Compound weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
7.4.2.3 Gabion weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
7.5 Spillways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
7.5.1 Uncontrolled Spillways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
7.5.2 Controlled (Gated) Spillways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
7.5.2.1 Gates seated on the spillway crest . . . . . . . . . . . . . . 308
7.5.2.2 Gates seated downstream of the spillway crest . . . . . . . 309
7.6 Stilling Basins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
7.6.1 Type Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
7.6.2 Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
7.7 Dams and Reservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
7.7.1 Types of Dams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
7.7.2 Reservoir Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
7.7.2.1 Sediment accumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
7.7.2.2 Determination of storage requirements . . . . . . . . . . . 326
7.7.3 Hydropower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
7.7.3.1 Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
7.7.3.2 Turbine performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
7.7.3.3 Feasibility of hydropower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
8 Probability and Statistics in Water-Resources Engineering 344
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
8.2 Probability Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
8.2.1 Discrete Probability Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
8.2.2 Continuous Probability Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
8.2.3 Mathematical Expectation and Moments . . . . . . . . . . . . . . . 347
8.2.4 Return Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
8.2.5 Common Probability Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
8.2.5.1 Binomial distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
8.2.5.2 Geometric distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
8.2.5.3 Poisson distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
8.2.5.4 Exponential distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
8.2.5.5 Gamma/Pearson Type III distribution . . . . . . . . . . . . 357
8.2.5.6 Normal distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
8.2.5.7 Log-normal distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
8.2.5.8 Uniform distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
8.2.5.9 Extreme-value distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
8.2.5.10 Chi-square distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
8.3 Analysis of Hydrologic Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
8.3.1 Estimation of Population Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
8.3.1.1 Probability distribution of observed data . . . . . . . . . . 372
8.3.1.2 Hypothesis tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
8.3.1.3 Model selection criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
8.3.2 Estimation of Population Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
8.3.2.1 Method of moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
8.3.2.2 Maximum-likelihood method . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
8.3.2.3 Method of L-moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
8.3.3 Frequency Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
8.3.3.1 Normal distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
8.3.3.2 Log-normal distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
8.3.3.3 Gamma/Pearson Type III distribution . . . . . . . . . . . . 390
8.3.3.4 Log-Pearson Type III distribution . . . . . . . . . . . . . . 391
8.3.3.5 Extreme-value Type I distribution . . . . . . . . . . . . . . 393
8.3.3.6 General extreme-value (GEV) distribution . . . . . . . . . 394
8.4 Uncertainty Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
9 Fundamentals of Surface-Water Hydrology I: Rainfall and Abstractions 401
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
9.2 Rainfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
9.2.1 Measurement of Rainfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
9.2.2 Statistics of Rainfall Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
9.2.2.1 Rainfall statistics in the United States . . . . . . . . . . . . 410
9.2.2.2 Secondary estimation of IDF curves . . . . . . . . . . . . . 410
9.2.3 Spatial Averaging and Interpolation of Rainfall . . . . . . . . . . . . 416
9.2.4 Design Rainfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
9.2.4.1 Return period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
9.2.4.2 Rainfall duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
9.2.4.3 Rainfall depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
9.2.4.4 Temporal distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
9.2.4.5 Spatial distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
9.2.5 Extreme Rainfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
9.2.5.1 Rational estimation method . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
9.2.5.2 Statistical estimation method . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
9.2.5.3 World-record precipitation amounts . . . . . . . . . . . . . 432
9.2.5.4 Probable maximum storm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
9.3 Rainfall Abstractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
9.3.1 Interception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
9.3.2 Depression Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
9.3.3 Infiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
9.3.3.1 The infiltration process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
9.3.3.2 Horton model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
9.3.3.3 Green—Ampt model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
9.3.3.4 NRCS curve-number model . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
9.3.3.5 Comparison of infiltration models . . . . . . . . . . . . . . 460
9.3.4 Rainfall Excess on Composite Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
9.4 Baseflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
10 Fundamentals of Surface-Water Hydrology II: Runoff 473
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
10.2 Mechanisms of Surface Runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
10.3 Time of Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
10.3.1 Overland Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
10.3.1.1 Kinematic-wave equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
10.3.1.2 NRCS method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
10.3.1.3 Kirpich equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
10.3.1.4 Izzard equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
10.3.1.5 Kerby equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
10.3.2 Channel Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
10.3.3 Accuracy of Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
10.4 Peak-Runoff Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
10.4.1 The Rational Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
10.4.2 NRCS-TR55 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
10.5 Continuous-Runoff Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
10.5.1 Unit-Hydrograph Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
10.5.2 Instantaneous Unit Hydrograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
10.5.3 Unit-Hydrograph Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
10.5.3.1 Snyder unit-hydrograph model . . . . . . . . . . . . . . . . 503
10.5.3.2 NRCS dimensionless unit hydrograph . . . . . . . . . . . . 506
10.5.3.3 Accuracy of unit-hydrograph models . . . . . . . . . . . . 509
10.5.4 Time-Area Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
10.5.5 Kinematic-Wave Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
10.5.6 Nonlinear-Reservoir Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
10.5.7 Santa Barbara Urban Hydrograph Model . . . . . . . . . . . . . . . 517
10.5.8 Extreme Runoff Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
10.6 Routing Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
10.6.1 Hydrologic Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
10.6.1.1 Modified Pulsmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
10.6.1.2 Muskingum method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
10.6.2 Hydraulic Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
10.7 Water-Quality Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
10.7.1 Event-Mean Concentrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
10.7.2 Regression Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
10.7.2.1 USGS model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
10.7.2.2 EPA model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
11 Design of Stormwater-Collection Systems 545
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
11.2 Street Gutters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
11.3 Inlets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
11.3.1 Curb Inlets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
11.3.2 Grate Inlets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
11.3.3 Combination Inlets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
11.3.4 Slotted Inlets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
11.4 Roadside and Median Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
11.5 Storm Sewers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
11.5.1 Calculation of Design Flow Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
11.5.2 Pipe Sizing and Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
11.5.3 Manholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
11.5.4 Determination of Impervious Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
11.5.5 System-Design Computations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578
11.5.6 Other Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
12 Design of Stormwater-Management Systems 586
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
12.2 Performance Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
12.2.1 Quantity Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
12.2.2 Quality Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
12.3 Design of Stormwater Control Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
12.3.1 Storage Impoundments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
12.3.1.1 Detention basins–Design parameters . . . . . . . . . . . . 588
12.3.1.2 Wet detention basins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590
12.3.1.3 Dry detention basins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
12.3.1.4 Design of outlet structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
12.3.1.5 Design for flood control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
12.3.2 Infiltration Basins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
12.3.3 Swales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
12.3.3.1 Retention wales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606
12.3.3.2 Biofiltration swales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
12.3.4 Vegetated Filter Strips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610
12.3.5 Bioretention Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610
12.3.6 Exfiltration Trenches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612
12.3.6.1 General design guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
12.3.6.2 Design for flood control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
12.3.6.3 Design fo rwater-quality control . . . . . . . . . . . . . . . 616
12.3.7 Subsurface Exfiltration Galleries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617
12.4 Selection of SCMs for Water-Quality Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
12.4.1 Nonstructura lSCMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
12.4.2 Structural SCMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
12.4.3 Other Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
12.5 Major Drainage System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
13 Estimation of Evapotranspiration 624
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
13.2 Penman—Monteith Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
13.2.1 Aerodynamic Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625
13.2.2 Surface Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626
13.2.3 Net Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
13.2.3.1 Shortwave radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
13.2.3.2 Longwave radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
13.2.4 Soil Heat Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630
13.2.5 Latent Heat of Vaporization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
13.2.6 Psychrometric Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
13.2.7 Saturation Vapor Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632
13.2.8 Vapor-Pressure Gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632
13.2.9 Actual Vapor Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632
13.2.10 Air Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
13.3 Application of the PM Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634
13.4 Potential Evapotranspiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637
13.5 Reference Evapotranspiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638
13.5.1 FAO56-Penman—Monteith Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639
13.5.2 ASCE Penman—Monteith Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
13.5.3 Evaporation Pans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
13.5.4 Empirical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648
13.6 Actual Evapotranspiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
13.6.1 Index-of-Dryness Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
13.6.2 Crop-Coefficient Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
13.6.3 Remote Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
13.7 Selection of ET Estimation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
14 Fundamentals of Groundwater Hydrology I: Governing Equations 656
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656
14.2 Darcy’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
14.2.1 Hydraulic Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666
14.2.1.1 Empirical formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666
14.2.1.2 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670
14.2.1.3 Anisotropic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670
14.2.1.4 Stochastic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674
14.3 General Flow Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676
14.4 Two-Dimensional Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681
14.4.1 Unconfined Aquifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681
14.4.2 Confined Aquifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687
14.5 Flow in the Unsaturated Zone Problems . . . . . . . . . . . 691
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696
15 Fundamentals of Groundwater Hydrology II: Applications 700
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700
15.2 Steady-State Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700
15.2.1 Unconfined Flow Between Two Reservoirs . . . . . . . . . . . . . . 700
15.2.2 Well in a Confined Aquifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702
15.2.3 Well in an Unconfined Aquifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706
15.2.4 Well in a Leaky Confined Aquifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709
15.2.5 Well in an Unconfined Aquifer with Recharge . . . . . . . . . . . . . 713
15.2.6 Partially Penetrating Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714
15.3 Unsteady-State Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718
15.3.1 Well in a Confined Aquifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718
15.3.2 Well in an Unconfined Aquifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728
15.3.3 Well in a Leaky Confined Aquifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736
15.3.4 Other Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741
15.4 Principle of Superposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741
15.4.1 Multiple Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742
15.4.2 Well in Uniform Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744
15.5 Method of Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746
15.5.1 Constant-Head Boundary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746
15.5.2 Impermeable Boundary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 750
15.5.3 Other Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752
15.6 Saltwater Intrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761
16 Design of Groundwater Systems 771
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771
16.2 Design of Wellfields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771
16.3 Wellhead Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774
16.3.1 Delineation of Wellhead Protection Areas . . . . . . . . . . . . . . . 774
16.3.2 Time-of-Travel Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775
16.4 Design and Construction of Water-Supply Wells . . . . . . . . . . . . . . . . 777
16.4.1 Types of Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777
16.4.2 Design of Well Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778
16.4.2.1 Casing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 779
16.4.2.2 Screen intake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 779
16.4.2.3 Gravel pack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783
16.4.2.4 Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784
16.4.2.5 Other considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785
16.4.3 Performance Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788
16.4.4 Well Drilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793
16.5 Design of Aquifer Pumping Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794
16.5.1 Pumping Well . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794
16.5.2 Observation Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795
16.5.3 Field Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796
16.6 Design of Slug Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798
16.7 Design of Exfiltration Trenches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803
16.8 Seepage Meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 808
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 809
17 Water-Resources Planning 815
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815
17.2 Planning Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815
17.3 Economic Feasibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 818
17.3.1 Compound-Interest Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819
17.3.1.1 Single-payment factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819
17.3.1.2 Uniform-series factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 820
17.3.1.3 Arithmetic-gradient factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 820
17.3.1.4 Geometric-gradient factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 821
17.3.2 Evaluating Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823
17.3.2.1 Present-worth analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823
17.3.2.2 Annual-worth analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825
17.3.2.3 Rate-of-return analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825
17.3.2.4 Benefit—cost analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 828
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829
A Units and Conversion Factors 831
A.1 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 831
A.2 Conversion Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 832
B Fluid Properties 834
B.1 Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834
B.2 Organic Compounds Found in Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834
B.3 Air at Standard Atmospheric Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836
C Statistical Tables 837
C.1 Areas Under Standard Normal Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837
C.2 Frequency Factors for Pearson Type III Distribution . . . . . . . . . . . . . 839
C.3 Critical Values of the Chi-Square Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . 841
C.4 Critical Values for the Kolmogorov—Smirnov Test Statistic . . . . . . . . . . 842
D Special Functions 843
D.1 Error Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843
D.2 Bessel Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844
D.2.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844
D.2.2 Evaluation of Bessel Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844
D.2.2.1 Bessel function of the first kind of order n . . . . . . . . . . 844
D.2.2.2 Bessel function of the second kind of order n . . . . . . . . 845
D.2.2.3 Modified Bessel function of the first kind of order n . . . . 845
D.2.2.4 Modified Bessel function of the second kind of order n . . 845
D.2.2.5 Tabulated values of useful Bessel functions . . . . . . . . . 845
D.3 Gamma Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848
D.4 Exponential Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 849
E Pipe Specifications 850
E.1 PVC Pipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 850
E.2 Ductile-Iron Pipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 850
E.3 Concrete Pipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 851
E.4 Physical Properties of Common Pipe Materials . . . . . . . . . . . . . . . . 851
F Unified Soil Classification System 852
F.1 Definition of Soil Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852
F.2 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853
Bibliography 854
Index 912
What is included with this book?
The New copy of this book will include any supplemental materials advertised. Please check the title of the book to determine if it should include any access cards, study guides, lab manuals, CDs, etc.
The Used, Rental and eBook copies of this book are not guaranteed to include any supplemental materials. Typically, only the book itself is included. This is true even if the title states it includes any access cards, study guides, lab manuals, CDs, etc.
Please wait while the item is added to your bag...
