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 . . . . . . . . . . . . . . . . . .