Water-Resources Engineering

Cover......Page 1
Title Page......Page 2
Copyright Page......Page 3
Contents......Page 6
Preface......Page 16
1.2 The Hydrologic Cycle......Page 20
1.3.1 Water-Control Systems......Page 24
1.3.2 Water-Use Systems......Page 25
1.3.3 Supporting Federal Agencies in the United States......Page 26
Problem......Page 27
2.2.1 Steady-State Continuity Equation......Page 28
2.2.2 Steady-State Momentum Equation......Page 29
2.2.3 Steady-State Energy Equation......Page 41
2.2.4 Water Hammer......Page 54
2.3 Pipe Networks......Page 58
2.3.1 Nodal Method......Page 59
2.3.2 Loop Method......Page 61
2.4 Pumps......Page 65
2.4.1 Affinity Laws......Page 70
2.4.2 Pump Selection......Page 72
2.4.3 Multiple-Pump Systems......Page 77
2.4.4 Variable-Speed Pumps......Page 79
Problems......Page 81
3.2 Water Demand......Page 89
3.2.1 Per-Capita Forecast Model......Page 90
3.2.2 Temporal Variations in Water Demand......Page 95
3.2.3 Fire Demand......Page 96
3.2.4 Design Flows......Page 98
3.3.1 Pipelines......Page 100
3.3.4 Meters......Page 104
3.3.5 Fire Hydrants......Page 105
3.3.6 Water-Storage Reservoirs......Page 106
3.4 Performance Criteria for Water-Distribution Systems......Page 109
3.4.3 Water Quality......Page 110
3.4.4 Network Analysis......Page 111
3.5 Building Water-Supply Systems......Page 112
3.5.2 Specification of Minimum Pressures......Page 113
3.5.3 Determination of Pipe Diameters......Page 115
Problems......Page 120
4.2.1 Steady-State Continuity Equation......Page 122
4.2.2 Steady-State Momentum Equation......Page 123
4.2.3 Steady-State Energy Equation......Page 140
4.3.1 Profile Equation......Page 151
4.3.2 Classification of Water-Surface Profiles......Page 153
4.3.3 Hydraulic Jump......Page 158
4.3.4 Computation of Water-Surface Profiles......Page 162
Problems......Page 178
5.1 Introduction......Page 185
5.2.1 Best Hydraulic Section......Page 186
5.2.2 Boundary Shear Stress......Page 189
5.2.3 Cohesive versus Noncohesive Materials......Page 191
5.2.4 Bends......Page 196
5.2.6 Freeboard......Page 197
5.3 Design of Channels with Rigid Linings......Page 199
5.4 Design of Channels with Flexible Linings......Page 201
5.4.1 General Design Procedure......Page 202
5.4.2 Vegetative Linings and Bare Soil......Page 206
5.4.3 RECP Linings......Page 216
5.4.4 Riprap, Cobble, and Gravel Linings......Page 218
5.4.5 Gabions......Page 222
5.5 Composite Linings......Page 224
Problems......Page 227
6.2.1 Residential Sources......Page 230
6.2.2 Nonresidential Sources......Page 231
6.2.3 Inflow and Infiltration (I/I)......Page 232
6.2.4 Peaking Factors......Page 233
6.3 Hydraulics of Sewers......Page 235
6.3.1 Manning Equation with Constant n......Page 237
6.3.2 Manning Equation with Variable n......Page 239
6.3.3 Self-Cleansing......Page 242
6.3.5 Design Computations for Diameter and Slope......Page 243
6.3.6 Hydraulics of Manholes......Page 246
6.4.2 Pipe Material......Page 248
6.4.6 Manholes......Page 250
6.4.8 Force Mains......Page 252
6.4.9 Hydrogen-Sulfide Control......Page 253
6.5 Design Computations......Page 255
6.5.1 Design Aids......Page 256
6.5.2 Procedure for System Design......Page 259
Problems......Page 266
7.2.1 Hydraulics......Page 269
7.2.2 Design Constraints......Page 281
7.2.3 Sizing Calculations......Page 283
7.2.4 Roadway Overtopping......Page 290
7.2.5 Riprap/Outlet Protection......Page 293
7.3 Gates......Page 294
7.3.1 Free Discharge......Page 295
7.3.2 Submerged Discharge......Page 298
7.3.3 Empirical Equations......Page 300
7.4.1 Sharp-Crested Weirs......Page 301
7.4.2 Broad-Crested Weirs......Page 313
7.5.1 Uncontrolled Spillways......Page 318
7.5.2 Controlled (Gated) Spillways......Page 326
7.6.1 Type Selection......Page 331
7.6.2 Design Procedure......Page 333
7.7 Dams and Reservoirs......Page 337
7.7.1 Types of Dams......Page 338
7.7.2 Reservoir Storage......Page 341
7.7.3 Hydropower......Page 347
Problems......Page 354
8.1 Introduction......Page 363
8.2.1 Discrete Probability Distributions......Page 364
8.2.2 Continuous Probability Distributions......Page 365
8.2.3 Mathematical Expectation and Moments......Page 366
8.2.4 Return Period......Page 369
8.2.5 Common Probability Functions......Page 370
8.3.1 Estimation of Population Distribution......Page 391
8.3.2 Estimation of Population Parameters......Page 398
8.3.3 Frequency Analysis......Page 406
8.4 Uncertainty Analysis......Page 414
Problems......Page 416
9.2 Rainfall......Page 420
9.2.1 Measurement of Rainfall......Page 422
9.2.2 Statistics of Rainfall Data......Page 424
9.2.3 Spatial Averaging and Interpolation of Rainfall......Page 435
9.2.4 Design Rainfall......Page 440
9.2.5 Extreme Rainfall......Page 448
9.3.1 Interception......Page 452
9.3.3 Infiltration......Page 456
9.3.4 Rainfall Excess on Composite Areas......Page 480
9.4 Baseflow......Page 483
Problems......Page 487
10.2 Mechanisms of Surface Runoff......Page 492
10.3.1 Overland Flow......Page 493
10.3.2 Channel Flow......Page 503
10.3.3 Accuracy of Estimates......Page 505
10.4.1 The Rational Method......Page 506
10.4.2 NRCS-TR55 Method......Page 511
10.5.1 Unit-Hydrograph Theory......Page 514
10.5.2 Instantaneous Unit Hydrograph......Page 520
10.5.3 Unit-Hydrograph Models......Page 521
10.5.4 Time-Area Models......Page 528
10.5.5 Kinematic-Wave Model......Page 533
10.5.6 Nonlinear-Reservoir Model......Page 534
10.5.7 Santa Barbara Urban Hydrograph Model......Page 536
10.5.8 Extreme Runoff Events......Page 538
10.6.1 Hydrologic Routing......Page 539
10.6.2 Hydraulic Routing......Page 550
10.7.1 Event-Mean Concentrations......Page 552
10.7.2 Regression Equations......Page 554
Problems......Page 558
11.2 StreetGutters......Page 564
11.3 Inlets......Page 568
11.3.1 Curb Inlets......Page 569
11.3.2 Grate Inlets......Page 573
11.3.3 Combination Inlets......Page 579
11.3.4 Slotted Inlets......Page 584
11.4 Roadside and Median Channels......Page 585
11.5 Storm Sewers......Page 586
11.5.1 Calculation of Design Flow Rates......Page 587
11.5.2 Pipe Sizing and Selection......Page 590
11.5.3 Manholes......Page 595
11.5.4 Determination of Impervious Area......Page 596
11.5.5 System-Design Computations......Page 597
11.5.6 Other Design Considerations......Page 602
Problems......Page 603
12.2.2 Quality Control......Page 605
12.3.1 Storage Impoundments......Page 606
12.3.2 Infiltration Basins......Page 622
12.3.3 Swales......Page 624
12.3.5 Bioretention Systems......Page 629
12.3.6 Exfiltration Trenches......Page 631
12.3.7 Subsurface Exfiltration Galleries......Page 636
12.4.2 Structural SCMs......Page 637
Problems......Page 638
13.2 Penman–Monteith Equation......Page 643
13.2.1 Aerodynamic Resistance......Page 644
13.2.2 Surface Resistance......Page 645
13.2.3 Net Radiation......Page 646
13.2.4 Soil Heat Flux......Page 649
13.2.6 Psychrometric Constant......Page 650
13.2.9 Actual Vapor Pressure......Page 651
13.2.10 Air Density......Page 652
13.3 Application of the PM Equation......Page 653
13.4 Potential Evapotranspiration......Page 656
13.5 Reference Evapotranspiration......Page 657
13.5.1 FAO56-Penman–Monteith Method......Page 658
13.5.2 ASCE Penman–Monteith Method......Page 662
13.5.3 Evaporation Pans......Page 663
13.5.4 Empirical Methods......Page 667
13.6.1 Index-of-Dryness Method......Page 670
13.6.3 Remote Sensing......Page 672
Problems......Page 673
14.1 Introduction......Page 675
14.2 Darcy’s Law......Page 681
14.2.1 Hydraulic Conductivity......Page 685
14.3 General Flow Equation......Page 695
14.4.1 Unconfined Aquifers......Page 700
14.4.2 Confined Aquifers......Page 706
14.5 Flow in the Unsaturated Zone......Page 710
Problems......Page 715
15.2.1 Unconfined Flow Between Two Reservoirs......Page 719
15.2.2 Well in a Confined Aquifer......Page 721
15.2.3 Well in an Unconfined Aquifer......Page 725
15.2.4 Well in a Leaky Confined Aquifer......Page 728
15.2.5 Well in an Unconfined Aquifer with Recharge......Page 732
15.2.6 Partially Penetrating Wells......Page 733
15.3.1 Well in a Confined Aquifer......Page 737
15.3.2 Well in an Unconfined Aquifer......Page 747
15.3.3 Well in a Leaky Confined Aquifer......Page 755
15.4 Principle of Superposition......Page 760
15.4.1 Multiple Wells......Page 761
15.4.2 Well in Uniform Flow......Page 763
15.5.1 Constant-Head Boundary......Page 765
15.5.2 Impermeable Boundary......Page 769
15.6 Saltwater Intrusion......Page 771
Problems......Page 780
16.2 Design of Wellfields......Page 790
16.3.1 Delineation of Wellhead Protection Areas......Page 793
16.3.2 Time-of-Travel Approach......Page 794
16.4.1 Types of Wells......Page 796
16.4.2 Design of Well Components......Page 797
16.4.3 Performance Assessment......Page 807
16.4.4 Well Drilling......Page 812
16.5.1 Pumping Well......Page 813
16.5.2 Observation Wells......Page 814
16.5.3 Field Procedures......Page 815
16.6 Design of Slug Tests......Page 817
16.7 Design of Exfiltration Trenches......Page 822
16.8 Seepage Meters......Page 827
Problems......Page 828
17.2 Planning Process......Page 834
17.3 Economic Feasibility......Page 837
17.3.1 Compound-Interest Factors......Page 838
17.3.2 Evaluating Alternatives......Page 842
Problems......Page 848
A.1 Units......Page 850
A.2 Conversion Factors......Page 851
B.2 Organic Compounds Found inWater......Page 853
B.3 Air at Standard Atmospheric Pressure......Page 855
C.1 Areas Under Standard Normal Curve......Page 856
C.2 Frequency Factors for Pearson Type III Distribution......Page 858
C.3 Critical Values of the Chi-Square Distribution......Page 860
C.4 Critical Values for the Kolmogorov–Smirnov Test Statistic......Page 861
D.1 Error Function......Page 862
D.2.2 Evaluation of Bessel Functions......Page 863
D.3 Gamma Function......Page 867
D.4 Exponential Integral......Page 868
E.2 Ductile-Iron Pipe......Page 869
E.4 Physical Properties of Common Pipe Materials......Page 870
F.1 Definition of Soil Groups......Page 871
F.2 Terminology......Page 872
Bibliography......Page 873
A......Page 931
C......Page 932
D......Page 935
E......Page 937
F......Page 938
G......Page 939
H......Page 941
I......Page 942
L......Page 943
N......Page 944
O......Page 945
P......Page 946
R......Page 948
S......Page 950
T......Page 954
U......Page 955
W......Page 956
Z......Page 958