Hydrology / Prof. Dr. Mehmetçik Bayazıt (16137)

PREFACE

This book is a revised and slightly expanded version of my book "Hydrology", first published in 1974, and then revised in 1995. It is intended as a textbook for undergraduate Civil Engineering students taking the Hydrology course in English.
Hydrology has gained a great significance in recent decades with the expansion of the water resources development studies that are an important component of man's efforts in controlling the environment. Although information about the water on the earth is being collected for several centuries, only recently this information is transformed into a science and put into use in engineering studies. Hydrology, as a science that deals with the distribution, motion and properties of the water on the earth, plays an important part in these studies. Hydrologic studies are given an impetus by the rapid growth of the population, agriculture and industry.
In the book, hydrologic events are analyzed by a system approach, following various components of the hydrologic cycle. It is attempted to introduce the student to the recent developments in hydrologic measurements, and the applications of the methods of the system analysis and statistics. A balance is tried to be achieved between various deterministic and probabilistic approaches so that the student can have an idea about the possible methods of treatment of hydrologic problems. Solved problems are added at the end of each chapter to illustrate the use of the methods described in the text. An extensive list of references is given at the end of the book.
I would like to thank to Sevgi Ogun for her careful work in preparing the text on the computer, and to the owners and staff of Birsen Kitabevi for their cooperation. I extend my thanks to Prof. Dr. Beyhan Oguz who thoroughly reviewed the manuscript.

M.BAYAZIT
Istanbul, September 2001

CONTENTS

Preface
Chapter 1 IntroductIon
1.1.Definition of Hydrology                                                                                   1
1.2.Role and Significance of Hydrology in
     Civil Engineering                                                                                            1
1.3.Methods of Hydrology                                                                                    2
1.4.Hydrologic Cycle                                                                                           4
1.5.Fundamental Equations of Hydrology                                                              7
      1.5. 1.Conservation of Mass                                                                          7
1.5.2. Conservation of Energy                                                                              9
1.6.Water Balance of Earth                                                                                  9
1.7.Energy Balance of Earth                                                                               10
Examples                                                                                                         12
Chapter 2 Precipitation                                                                                       14
2.1.Formation of Precipitation                                                                             14
      2.1.1.Necessary Conditions for Precipitation                                                  14
      2.1.2.Artificial Rain                                                                                      16
2.2.Precipitation Measurement                                                                           17
      2.2.1.Measurement of Rainfall                                                                      17
      2.2.2.Measurement of Snow                                                                        20
      2.2.3.Measurement Errors                                                                           21
      2.2.4.Gage Network                                                                                    22
2.3.Analysis of Precipitation Records                                                                 22
      2.3.1.Precipitation Mass Curve and Hyetograph                                             23
      2.3.2.Homogeneity of Records                                                                     24
      2.3.3.Filling the Missing Observations                                                          25
      2.3.4.Extrapolating the Records                                                                   26
      2.3.5.Calculation of Areal Average Precipitation                                             26
      2.3.6.Areal Distribution of Precipitation                                                         28
      2.3.7.Precipitation Depth-Area-Duration Analysis                                           30
      2.3.8.Probable Maximum Precipitation                                                          31
      2.3.9.Distribution of Precipitation in Time                                                      33
Examples                                                                                                        33
Chapter 3 Evaporation                                                                                       39
3.1.Mechanism of Evaporation                                                                           39
3.2.Evaporation from Water Surface                                                                   40
3.3. Evaporation from Soil and Snow                                                                  44
3.4.Transpiration and Interception                                                                      45  
3.5.Evapotranspiration Losses                                                                          46
      3.5.1.Potential and Actual Evapotranspiration                                               46
      3.5.2.Estimation of Potential Evapotranspiration                                           47
      3.5.3.Estimation of Actual Evapotranspiration                                               50
      3.5.4.Estimation of Daily Evapotranspiration                                                 51
Examples                                                                                                        53
Chapter 4 Infiltration                                                                                         56
4.1.Infiltration Capacity                                                                                     56
4.2.Infiltration Rate                                                                                           60
4.3.Infiltration Indices                                                                                        61
Examples                                                                                                        63
Chapter 5 Groundwater                                                                                     66
5.1.Zones of Water in the Soil                                                                           66
5.2.Unsaturated Zone                                                                                       68
5.3.Saturated Zone                                                                                          71
5.4.Recharge of Groundwater and Losses                                                          73
5.5.Groundwater Flow                                                                                      75
5.6.Flow in the Unsaturated Zone                                                                      79
5.7.Flow to Wells                                                                                            82
     5.7.1.Safe Yield of Groundwater                                                                  85
     5.7.2.Hydraulics of Wells                                                                            83

5.8.Determination of Hydraulic Conductivity                                                       86
Examples                                                                                                      90
Chapter 6 Streamflow Measurement and Analysis of Data                                  96

6.1.Measurement of Stage and Water Surface Slope                                         97
6.2.Velocity Measurements                                                                            100
6.3.Cross-section Measurements                                                                   103
6.4.Discharge Measurements                                                                         103
6.5.Rating Curve                                                                                            105
6.6.Analysis of Streamflow Records                                                                107
     6.6. 1.Streamflow Gauging Network                                                            107
     6.6.2.Computation of Daily Flows                                                               108
     6.6.3.Hydrograph                                                                                      110
     6.6.4.Estimation of Flows at Ungauged Sites                                              110
     6.6.5.Flow Duration Curve                                                                         110
     6.6.6.Flow Mass Curve                                                                             112
Examples                                                                                                     114
Chapter 7 Surface Flow                                                                                 117
7.1.Characteristics of a River Basin                                                                117
7.2.Runoff Separation                                                                                    121
7.3.Rainfall-Runoff Relationships                                                                    124
7.4.Rational Method                                                                                      127
7.5.Runoff due to Snowmelt                                                                           128
7.6.Runoff Due to Snowmelt                                                                          130
7.7.Areal Distribution of Runoff in Turkey                                                        132
Examples                                                                                                    133
Chapter 8 Hydrograph Analysis                                                                      137 
8.1.Elements of a Hydrograph                                                                       137
8.2.Separation of Direct Runoff and Base Flow                                                141
8.3.River Basin as a System                                                                         143
8.4.Parametric Basin Model                                                                          144
8.5.Unit Hydrograph Theory                                                                           147
      8.5.1.Definition of Unit Hydrograph                                                           147
      8.5.2.Unit Hydrograpb Derivation                                                              149
      8.5.3.Computation of Runoff from Rainfall by Unit Hydrograpb                     153
      8.5.4.Synthetic Unit Hydrographs                                                            155 
      8.5.5.Instantaneous Unit Hydrograpb                                                       156
      8.5.6.Unit Hydrograpb Applications                                                          158
8.6.Flood Routing                                                                                        158
8.7.Reservoir Routing                                                                                   163
Examples                                                                                                   164
Chapter 9 Applieations of Probability Theory and Statistics in Hydrology           178 
9.1.Definitions                                                                                             179
9.2.Probability                                                                                             181
9.3.Frequency Distribution                                                                            182
9.4.Probability Distribution                                                                            185
9.5.Parameters of Distribution                                                                       186
9.6.Probability Distribution Functions                                                             190
9.7.Flood Frequency Analysis                                                                       196
9.8.Correlation and Regression Analysis                                                        200
9.9.Hydrologic Processes                                                                            204
Examples                                                                                                   208

References                                                                                                 221

Index                                                                                                         223