Water-Resources Engineering

Preface xv1 Introduction 11.1 Water-Resources Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 The Hydrologic Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Design of Water-Resource Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.1 Water-Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.2 Water-Use Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3.3 Supporting Federal Agencies in the United States . . . . . . . . . . 7Problem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Fundamentals of Flow in Closed Conduits 92.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Single Pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.1 Steady-State Continuity Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.2 Steady-State Momentum Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.3 Steady-State Energy Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2.3.1 Energy and hydraulic grade lines . . . . . . . . . . . . . . . 252.2.3.2 Velocity profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2.3.3 Head losses in transitions and fittings . . . . . . . . . . . . 272.2.3.4 Head losses in non circular conduits . . . . . . . . . . . . . 312.2.3.5 Empirical friction-loss formulae . . . . . . . . . . . . . . . 322.2.4 Water Hammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.3 Pipe Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.3.1 Nodal Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.3.2 Loop Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.3.3 Application of Computer Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.4 Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.4.1 Affinity Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.4.2 Pump Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.4.2.1 Commercially available pumps . . . . . . . . . . . . . . . . 532.4.2.2 System characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.4.2.3 Limits on pump location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.4.3 Multiple-Pump Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.4.4 Variable-Speed Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623 Design of Water-Distribution Systems 703.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.2 Water Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.2.1 Per-Capita Forecast Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.2.1.1 Estimation of per-capita demand . . . . . . . . . . . . . . . 713.2.1.2 Estimation of population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.2.2 Temporal Variations in Water Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.2.3 Fire Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.2.4 Design Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.3 Components of Water-Distribution Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.3.1 Pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.3.1.1 Minimum size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.3.1.2 Service lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.3.1.3 Pipe materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.3.2 Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.3.3 Valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.3.4 Meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.3.5 Fire Hydrants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863.3.6 Water-Storage Reservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873.4 Performance Criteria for Water-Distribution Systems . . . . . . . . . . . . . 903.4.1 Service Pressures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.4.2 Allowable Velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.4.3 Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.4.4 Network Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923.5 Building Water-Supply Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.5.1 Specification of Design Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.5.2 Specification of Minimum Pressures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.5.3 Determination of Pipe Diameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014 Fundamentals of Flow in Open Channels 1034.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.2 Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.2.1 Steady-State Continuity Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.2.2 Steady-State Momentum Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.2.2.1 Darcy-Weisbach equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.2.2.2 Manning equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1104.2.2.3 Other equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.2.2.4 Velocity distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1204.2.3 Steady-State Energy Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.2.3.1 Energy grade line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254.2.3.2 Specific energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254.3 Water-Surface Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324.3.1 Profile Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324.3.2 Classification of Water-Surface Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . 1344.3.3 Hydraulic Jump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394.3.4 Computation of Water-Surface Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . 1434.3.4.1 Direct-integration method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1454.3.4.2 Direct-step method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1474.3.4.3 Standard-step method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1484.3.4.4 Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1504.3.4.5 Profiles across bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1595 Design of Drainage Channels 1665.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665.2 Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.2.1 Best Hydraulic Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.2.2 Boundary Shear Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1705.2.3 Cohesive versus Non cohesive Materials . . . . . . . . . . . . . . . . 1725.2.4 Bends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1775.2.5 Channel Slopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1785.2.6 Freeboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1785.3 Design of Channels with Rigid Linings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1805.4 Design of Channels with Flexible Linings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1825.4.1 General Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1835.4.2 Vegetative Linings and Bare Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1875.4.3 RECP Linings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1975.4.4 Riprap, Cobble, and Gravel Linings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1995.4.5 Gabions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2035.5 Composite Linings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2086 Design of Sanitary Sewers 2116.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2116.2 Quantity of Wastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2116.2.1 Residential Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2116.2.2 Nonresidential Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2126.2.3 Inflow and Infiltration (I/I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2136.2.4 Peaking Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2146.3 Hydraulics of Sewers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2166.3.1 Manning Equation with Constant n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2186.3.2 Manning Equation with Variable n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2206.3.3 Self-Cleansing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2236.3.4 Scour Prevention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2246.3.5 Design Computations for Diameter and Slope . . . . . . . . . . . . . 2246.3.6 Hydraulics of Manholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2276.4 System Design Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2296.4.1 System Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2296.4.2 Pipe Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2296.4.3 Depth of Sanitary Sewer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2316.4.4 Diameter and Slope of Pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2316.4.5 Hydraulic Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2316.4.6 Manholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2316.4.7 Pump Stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2336.4.8 Force Mains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2336.4.9 Hydrogen-Sulfide Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2346.4.10 Combined Sewers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2366.5 Design Computations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2366.5.1 Design Aids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2376.5.1.1 Manning’s n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2376.5.1.2 Minimum slope for self-cleansing . . . . . . . . . . . . . . 2376.5.2 Procedure for System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2477 Design of Hydraulic Structures 2507.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2507.2 Culverts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2507.2.1 Hydraulics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2507.2.1.1 Submerged entrances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2527.2.1.2 Unsubmerged entrances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2597.2.2 Design Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2627.2.3 Sizing Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2647.2.3.1 Fixed-headwater method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2657.2.3.2 Fixed-flow method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2697.2.3.3 Minimum-performance method . . . . . . . . . . . . . . . 2717.2.4 Roadway Overtopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2717.2.5 Riprap/Outlet Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2747.3 Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2757.3.1 Free Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2767.3.2 Submerged Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2797.3.3 Empirical Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2817.4 Weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2827.4.1 Sharp-Crested Weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2827.4.1.1 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 Dra