Water-Resources Engineering

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

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