<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20241031//EN" "JATS-journalpublishing1-4.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">ojfd</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title>Open Journal of Fluid Dynamics</journal-title>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2165-3860</issn>
      <issn pub-type="ppub">2165-3852</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Scientific Research Publishing</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.4236/ojfd.2026.164007</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">ojfd-154953</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
        <subj-group>
          <subject>Physics</subject>
          <subject>Mathematics</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>Mathematical Modeling of Open-Channel Flow Hydrodynamics: Effects of Flow Manning Roughness and Bed Roughness</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes">
          <name name-style="western">
            <surname>Mung’ori</surname>
            <given-names>Simon Mutugi</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Okongo</surname>
            <given-names>Mark</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Murwayi</surname>
            <given-names>Alice Lunani Mulama</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="aff1"><label>1</label> Department of Mathematics, Chuka University, Chuka, Kenya </aff>
      <author-notes>
        <fn fn-type="conflict" id="fn-conflict">
          <p>The authors declare that they have no conflicts of interest regarding the publication of this paper.</p>
        </fn>
      </author-notes>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>01</day>
        <month>12</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection">
        <month>12</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>16</volume>
      <issue>04</issue>
      <fpage>103</fpage>
      <lpage>119</lpage>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>01</day>
          <month>09</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>26</day>
          <month>10</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="published">
          <day>29</day>
          <month>10</month>
          <year>2026</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>© 2026 by the authors and Scientific Research Publishing Inc.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <license-p> This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link> ). </license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri content-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.4236/ojfd.2026.164007">https://doi.org/10.4236/ojfd.2026.164007</self-uri>
      <abstract>
        <p>Pollution in the environment has increased drastically in recent times. Environmentalists and scientists have faced challenges in finding ways to minimize pollution and manage its effects. Water pollution has tremendously increased, which causes human aquatic activities like fishing, transportation, sea mining, and others to be unpredictable. The influx of pollutants into the flow causes significant changes in flow density, bed level, flow depth, flow velocity, and consequently bed topography. Soluble pollutants affect the density of flow and hence its velocity and other flow parameters. Insoluble pollutants have a reasonable effect on bed level, flow depth, and bed topography. This study aims to mathematically model open-channel flow hydrodynamics and assess how Manning’s roughness coefficient and bed roughness influence flow velocity, water depth, and discharge under different flow conditions. The study investigates how the roughness of an open-channel bed affects the way water flows, particularly its velocity, depth, discharge, and energy loss. The differential equations governing the flow are first expressed in dimensionless form and discretized using the finite difference method with appropriate initial and boundary conditions. Numerical values are simulated using the Python program, and results obtained from this study are represented graphically. The results indicate that flow velocity decreases with an increase in pollutants in the flow; a consistent increase in average friction slope as the Manning roughness coefficient increases; and further demonstrate that flow depth increases with increasing Manning roughness coefficient.</p>
      </abstract>
      <kwd-group kwd-group-type="author-generated" xml:lang="en">
        <kwd>Manning’s Roughness</kwd>
        <kwd>Finite Difference Method</kwd>
        <kwd>Numerical Simulation</kwd>
        <kwd>Pollution</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec id="sec1">
      <title>1. Introduction</title>
      <p>The depth-averaged equations are widely used to model hydraulic and environmental flows [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. Their applications include river dynamics, flood propagation, sediment transport, and coastal circulation. Finite difference numerical methods have been used for solving depth-averaged flow equations. The study of open-channel flows requires an understanding of the flow in order to accurately capture its characteristics. Designing and studying engineering projects on rivers, understanding the hydraulic phenomena of the watercourse for water quality control, and predicting exceptional natural events associated with water flow constitute the main objectives of studying open-channel flow simulation. The effects of channel curvature and riparian vegetation on flow dynamics and sediment transport have been investigated using a depth-averaged two-dimensional model [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. The objective of this paper is to determine the flow velocities and flow depth due to changes in the Manning roughness coefficient. Although considerable research has been conducted on the effects of either soluble or insoluble pollutants individually, studies that simultaneously incorporate both forms of pollution remain limited. This gap in the literature necessitates further investigation into the combined effects of pollutants on flow and sediment dynamics. Therefore, the main objective of the study is to model depth-averaged polluted flow and bed topography in an open channel. The specific objectives of this work are: </p>
      <p>To investigate the effects of variations in Manning’s roughness coefficient on flow velocity and flow depth in an open-channel flow system.To develop a sediment transport model that incorporates the influence of pollutant influx on flow and sediment dynamics.To establish the effects of increased solid pollution on bed height and bed topography. </p>
    </sec>
    <sec id="sec2">
      <title>2. Physical Model</title>
      <sec id="sec2dot1">
        <title>Geometry</title>
        <p>The flow parameters: flow height <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , bed height <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and flow velocities <italic>u</italic> and <italic>v</italic> in both <italic>x</italic> and <italic>y</italic> directions, respectively, can be illustrated using <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref>.</p>
        <p>The fluid enters the computational domain at a velocity of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the <italic>x</italic> and <italic>y</italic> directions, respectively, and exits through the outlet boundary.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec3">
      <title>3. Governing Equations</title>
      <p>The mathematical model is based on the conservation equations of mass and momentum.</p>
      <sec id="sec3dot1">
        <title>3.1. Continuity Equation</title>
        <p>For two-dimensional depth-averaged shallow water flow, the continuity equation is given as,</p>
        <fig id="fig1">
          <label>Figure 1</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/2320887-rId21.jpeg?20261030093410" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 1.</bold> Two-dimensional flow.</p>
        <disp-formula id="FD1">
          <label>(1)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>q</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the water depth, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the depth-averaged velocity in the <italic>x</italic>-direction, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the depth-averaged velocity in the y-direction.</p>
        <p>Initial and Boundary Conditions</p>
        <p>The continuity equation was initialized using a uniform water depth of 0.5 m throughout the 100 m computational domain. The initial longitudinal velocity was set to 1.5 m/s, giving an initial discharge of 0.75 m<sup>3</sup>/s for the 1 m-wide rectangular channel. At the upstream boundary, a constant inflow discharge of 0.75 m<sup>3</sup>/s was imposed. Where required, this was accompanied by an upstream flow depth of 0.5 m. At the downstream boundary, an open-flow condition was applied by prescribing the downstream water depth where observational data were available; otherwise, a zero-gradient condition for water depth was imposed. For the two-dimensional formulation, the lateral channel boundaries were treated as impermeable walls with zero transverse velocity. These conditions provide the required inflow, outflow, and initial water volume for updating the flow depth at each computational time step using the continuity equation.</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot2">
        <title>3.2. Momentum Equation</title>
        <p>A two-dimensional shallow water equation is expressed in Equation (2) in the <italic>x</italic>-direction and Equation (3) in the <italic>y</italic>-direction, respectively [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. </p>
        <disp-formula id="FD2">
          <label>(2)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>f</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD3">
          <label>(3)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>f</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where</p>
        <disp-formula id="FD4">
          <label>(4)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>f</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:msup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD5">
          <label>(5)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>f</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:msup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> f </mml:mi><mml:mi> x </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> f </mml:mi><mml:mi> y </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the friction slope terms in the <italic>x</italic> and <italic>y</italic> directions, respectively. <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Manning roughness coefficient for a clean and straight natural stream. <inline-formula><mml:math><mml:mi> h </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the flow depth, <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> are the depth-averaged velocity components in the <italic>x</italic> and <italic>y</italic> directions, respectively, <inline-formula><mml:math><mml:mi> z </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the bed level, and <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the gravitational acceleration.</p>
        <p>The Manning roughness coefficient for clean and straight natural streams is approximately <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0.03 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], which results in Equations (2) and (3). Due to pollution, the flow changes its turbidity, and this results in gradual changes in the Manning roughness coefficient. This leads to a change in the friction slope, which is reflected in the following flow equations. Substituting Manning roughness values of 0.04, 0.05, and 0.06 into Equations (4) and (5), respectively, we obtain the following equations of friction slope.</p>
        <p>Manning’s roughness coefficient is employed as a surrogate scenario parameter to represent alternative channel-bed roughness conditions and associated hydraulic resistance. The different values are used to assess the sensitivity of the modeled hydrodynamic characteristics to variations in channel roughness and are not intended to represent pollutant-specific parameters or direct pollutant concentration limits. Any influence of roughness on pollutant transport is therefore interpreted as an indirect effect mediated through changes in the hydrodynamic and dispersion characteristics of the flow.</p>
        <p>Manning roughness: 0.04.</p>
        <disp-formula id="FD6">
          <label>(6)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>16</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:msup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD7">
          <label>(7)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>16</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:msup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Manning roughness: 0.05.</p>
        <disp-formula id="FD8">
          <label>(8)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>25</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:msup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD9">
          <label>(9)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>25</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:msup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Manning roughness: 0.06.</p>
        <disp-formula id="FD10">
          <label>(10)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:msup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD11">
          <label>(11)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:msup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Substituting Equations (6) and (7) into Equations (2) and (3), respectively, we obtain Equations (12) and (13), respectively.</p>
        <disp-formula id="FD12">
          <label>(12)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>16</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD13">
          <label>(13)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>16</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>f</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Substituting Equations (8) and (9) into Equations (2) and (3), respectively, we obtain Equations (14) and (15), respectively.</p>
        <disp-formula id="FD14">
          <label>(14)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>25</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD15">
          <label>(15)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>25</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>f</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Substituting Equations (10) and (11) into Equations (2) and (3), respectively, we obtain Equations (16) and (17), respectively.</p>
        <disp-formula id="FD16">
          <label>(16)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD17">
          <label>(17)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The Manning roughness coefficient increases with increasing turbidity and sediment concentration, rising from 0.03 under clean-water conditions to approximately 0.06 in polluted flows [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. The increase in roughness reflects the enhanced hydraulic resistance associated with pollutant and sediment influx. Consequently, the flow variables, including the velocity components (<italic>u</italic>) and (<italic>v</italic>), flow depth (<italic>h</italic>), and bed elevation (<italic>z</italic>), exhibit a gradual and systematic variation over time at a fixed spatial location, indicating the dynamic response of the flow field and bed morphology to increasing levels of pollutants.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec4">
      <title>4. Initial and Boundary Conditions</title>
      <sec id="sec4dot1">
        <title>4.1. Initial Conditions</title>
        <disp-formula id="FD18">
          <label>(18)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>10</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>10</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>0.5</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>We define the non-dimensional variables. The velocity component is non-dimensionalised using the characteristic velocity <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> U </mml:mi><mml:mi> o </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; water depth is non-dimensionalised using the characteristic depth <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> H </mml:mi><mml:mi> o </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , such that</p>
        <disp-formula id="FD19">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>U</mml:mi>
                    <mml:mi>o</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msup>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>U</mml:mi>
                    <mml:mi>o</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>H</mml:mi>
                    <mml:mi>o</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Consequently, the prescribed non-dimensional initial conditions</p>
        <disp-formula id="FD20">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>10</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msup>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>10</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>0.5</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Corresponding to the dimensional initial conditions</p>
        <disp-formula id="FD21">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>10</mml:mn>
              <mml:msub>
                <mml:mi>U</mml:mi>
                <mml:mi>o</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>10</mml:mn>
              <mml:msub>
                <mml:mi>U</mml:mi>
                <mml:mi>o</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>0.5</mml:mn>
              <mml:msub>
                <mml:mi>H</mml:mi>
                <mml:mi>o</mml:mi>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Thus, the initial <italic>u</italic> and <italic>v</italic> velocity components are each ten times the selected reference velocity, while the initial depth is one-half of the selected reference depth; therefore, the corresponding dimensional values are, </p>
        <disp-formula id="FD22">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>U</mml:mi>
                <mml:mi>o</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>1.5</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The initial velocity components <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 10 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 10 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicate that the flow possesses momentum in both the <italic>x</italic>-direction and <italic>y</italic>-direction at the beginning of the simulation. This is appropriate for modeling rivers, channels, or pollutant flows where flow is continuously moving. Assigning non-zero velocities avoids the trivial stationary solution that would result from zero initial velocities and allows the model to capture the evolution of flow dynamics immediately after the simulation starts. The initial water depth <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0.5 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ensures that a finite volume of flow exists throughout the computational domain. A positive depth is required for the shallow water equations to remain physically meaningful and numerically stable, since zero depth may lead to computational instability.</p>
      </sec>
      <sec id="sec4dot2">
        <title>4.2. Boundary Conditions</title>
        <disp-formula id="FD23">
          <label>(19)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>10</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>100</mml:mn>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>10</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The computational domain was defined over a channel length of 100 m, discretised using a uniform spatial grid <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0.5025 </mml:mn><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mtext> m </mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . An explicit time-stepping scheme with a time step of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0.01 </mml:mn><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mtext> s </mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was employed for a total simulation time of 2.0 s. Numerical stability was maintained by satisfying the Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) condition with the CFL number restricted to 0.5 or less. A prescribed velocity boundary condition was applied at the inlet, while a zero-gradient outflow condition was imposed at the downstream boundary. With <italic>g</italic> = 9.81 and wave speed <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 4.43 </mml:mn><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext> m </mml:mtext><mml:mo> / </mml:mo><mml:mtext> s </mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , CFL = 0.108, which is below 0.5 and therefore satisfies a typical explicit CFL limit.</p>
        <p>The condition <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 10 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents a prescribed inflow velocity entering the computational domain. This simulates a continuously supplied flow, such as water entering a channel from an upstream source. The condition <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 100 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 10 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> maintains a consistent downstream flow velocity at the outlet boundary, preventing unrealistic velocity gradients and numerical reflections that may distort the solution.</p>
        <p>Using equal inlet and outlet velocities allows the study to focus on changes in flow depth, sediment transport, bed evolution, or pollutant effects without introducing additional disturbances caused by varying boundary inflow and outflow conditions. These boundary values are particularly suitable when investigating the influence of factors such as bed roughness, sediment concentration, or pollutant influx on flow behavior under approximately uniform flow conditions.</p>
        <p>The computational domain was defined as a 100 m long and 1 m wide rectangular channel with an initial uniform water depth of 0.5 m. The channel bed was assigned a uniform longitudinal slope of 0.05, with the upstream bed elevation taken as the reference datum of 0 m. Accordingly, the initial bed elevation was defined by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> z </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 0.05 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , resulting in a downstream bed elevation of −5.0 m at <italic>x</italic> = 100 m. The initial longitudinal flow velocity was set to 1.5 m/s, corresponding to an initial discharge of 0.75 m<sup>3</sup>/s, while the initial transverse velocity was set to zero.</p>
        <p>At the upstream boundary, a constant water depth of 0.5 m and longitudinal velocity of 1.5 m/s were prescribed. The downstream boundary was treated as an open boundary, with the longitudinal and transverse velocity gradients set to zero and the downstream water depth specified where required. The two lateral boundaries were treated as impermeable channel walls, imposing zero transverse velocity. The bed elevation at all boundaries followed the prescribed bed geometry. For a fixed-bed simulation, the bed elevation was maintained throughout the simulation by imposing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> z </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The model was subsequently run for Manning roughness coefficients of 0.03, 0.04, 0.05, and 0.06 to examine their influence on the longitudinal velocity distribution shown in <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref>.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec5">
      <title>5. Dimensionless Parameters</title>
      <p>Non-dimensional numbers, also known as dimensionless numbers, are fundamental in fluid mechanics and engineering, as they provide insights into the relative importance of different physical quantities and parameters. They are mathematical ratios that express the relationship between various forces, velocities, and dimensions in a system, helping to simplify and generalize the analysis of complex phenomena. According to Icha (2012), non-dimensional numbers are particularly useful for comparing and categorizing flows, such as characterizing the relative influence of inertial forces to viscous forces in a fluid. One of the most well-known dimensionless numbers is the Reynolds number (Re), which is used to predict whether a flow is laminar or turbulent. The Reynolds number is expressed as the ratio of inertial forces to viscous forces and is essential in understanding the flow behavior in different scenarios.</p>
      <sec id="sec5dot1">
        <title>5.1. Reynold Number, Re</title>
        <p>Reynolds number (Re) is a dimensionless quantity used in fluid dynamics to characterize the flow of fluids, such as liquids or gases, around objects. It was named after the British engineer Osborne Reynolds, who popularized its use in the late 19th century. The Reynolds number is an essential parameter in understanding the transition between laminar and turbulent flow. The Reynolds number (Re) is defined as the ratio of inertial forces to viscous forces within a fluid flow. It helps predict the flow regime (laminar or turbulent) and provides insight into flow behavior. Reynolds number is given by Equation (20).</p>
        <disp-formula id="FD24">
          <label>(20)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>Re</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>Inertia force</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>Viscous force</mml:mtext>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>ρ</mml:mi>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>L</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>μ</mml:mi>
              </mml:mfrac>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
      <sec id="sec5dot2">
        <title>5.2. Froude Number, Fr</title>
        <p>The Froude number (Fr) is a dimensionless value representing the ratio of inertia forces to gravitational forces in fluid dynamics, given by Equation (21)</p>
        <disp-formula id="FD25">
          <label>(21)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>Fr</mml:mtext>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>Inertia force</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>gravitational force</mml:mtext>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mi>V</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msqrt>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                      <mml:mi>L</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msqrt>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The Froude number is essential for analyzing open channels, waves, and ship design, and it defines free surfaces: Fr &lt; 1 subcritical, Fr = 1 critical, and Fr &gt; 1 supercritical.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec6">
      <title>6. Numerical Method</title>
      <sec id="sec6dot1">
        <title>6.1. Continuity Equation in Finite Difference Form</title>
        <p>At grid point <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and time level <italic>n</italic>, using forward time and central spatial differences</p>
        <disp-formula id="FD26">
          <label>(22)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>q</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msubsup>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Hence, the depth at the next time step is</p>
        <disp-formula id="FD27">
          <label>(23)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>Δ</mml:mi>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>q</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msubsup>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>For<italic>q</italic> = 0,</p>
        <disp-formula id="FD28">
          <label>(24)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>u</italic> and <italic>v</italic> are depth-averaged velocities, so the discharge per unit width is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> q </mml:mi><mml:mi> x </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> h </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> q </mml:mi><mml:mi> y </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> h </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      </sec>
      <sec id="sec6dot2">
        <title>6.2. Momentum Equation in Finite Difference Approximation</title>
        <p>The finite difference discretization is done on a Cartesian grid with indices <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and time levels <italic>n</italic> for the current grid and <italic>n</italic> + 1 for the next grid. ∆<italic>x</italic>, ∆<italic>t</italic> are the grid and time spacing.</p>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup><mml:msup><mml:mi> h </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at cell <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and time <italic>n</italic>, and face flux values at <italic>x</italic> and <italic>y</italic> are denoted as <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , respectively. In discretizing, we utilize the time derivative for the forward difference and the spatially centered derivative.</p>
        <p>Time derivative for forward difference for both <italic>x</italic> and <italic>y</italic> grids:</p>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo> − </mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <italic>x</italic> grid</p>
        <p>and for the <italic>y</italic>-grid</p>
        <disp-formula id="FD29">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>We also apply spatially centered derivatives.</p>
        <disp-formula id="FD30">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                              <mml:mi>v</mml:mi>
                              <mml:mi>h</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>≈</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD31">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>v</mml:mi>
                              <mml:mi>h</mml:mi>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>≈</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>h</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>h</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Discretizing Equations (4) and (5), respectively, by the finite difference method on a Cartesian grid, we obtain Equations (25) and (26), respectively.</p>
        <disp-formula id="FD32">
          <label>(25)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>b</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msubsup>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>i</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mtext>*</mml:mtext>
                          </mml:msubsup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>v</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>i</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mtext>*</mml:mtext>
                          </mml:msubsup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD33">
          <label>(26)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>b</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msubsup>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>i</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mtext>*</mml:mtext>
                          </mml:msubsup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>v</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>i</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mtext>*</mml:mtext>
                          </mml:msubsup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The above equations are second-order accurate in space only.</p>
        <p>We discretize Equation (2) in the <italic>x</italic>-direction to obtain Equation (27).</p>
        <disp-formula id="FD34">
          <label>(27)</label>
          <mml:math display="inline">
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>n</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Similarly, we discretize Equation (3) in the y-direction to obtain Equation (28).</p>
        <disp-formula id="FD35">
          <label>(28)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>n</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>We discretize Equations (6) and (7) for Manning roughness 0.04 to obtain standard Equations (29) and (30).</p>
        <disp-formula id="FD36">
          <label>(29)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>16</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>b</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>i</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mtext>*</mml:mtext>
                          </mml:msubsup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msqrt>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msqrt>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD37">
          <label>(30)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>16</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>b</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>i</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mtext>*</mml:mtext>
                          </mml:msubsup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msqrt>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msqrt>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Substituting Equation (29) into Equation (12), we obtain Equation (31).</p>
        <disp-formula id="FD38">
          <label>(31)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>n</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>16</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>9</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Similarly, substituting Equation (30) into Equation (13), we obtain Equation (32). </p>
        <disp-formula id="FD39">
          <label>(32)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>n</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>16</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>9</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>We discretize Equations (8) and (9) for Manning roughness 0.05 to obtain Equations (33) and (34).</p>
        <disp-formula id="FD40">
          <label>(33)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>25</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>b</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>i</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mtext>*</mml:mtext>
                          </mml:msubsup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msqrt>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msqrt>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD41">
          <label>(34)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>25</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>9</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>b</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>i</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mtext>*</mml:mtext>
                          </mml:msubsup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msqrt>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msqrt>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Substituting Equation (33) into Equation (14), we obtain Equation (35).</p>
        <disp-formula id="FD42">
          <label>(35)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>n</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>25</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>9</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Similarly, substituting Equation (37) into Equation (15), we obtain Equation (36).</p>
        <disp-formula id="FD43">
          <label>(36)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>n</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>25</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>9</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>We discretize Equations (10) and (11) for Manning roughness coefficient 0.06 to obtain Equations (37) and (38).</p>
        <disp-formula id="FD44">
          <label>(37)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>b</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>i</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mtext>*</mml:mtext>
                          </mml:msubsup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msqrt>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msqrt>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD45">
          <label>(38)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>4</mml:mn>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>b</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>i</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mtext>*</mml:mtext>
                          </mml:msubsup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:msqrt>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mi>i</mml:mi>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msqrt>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Substituting Equation (37) into Equation (17), we obtain Equation (39).</p>
        <disp-formula id="FD46">
          <label>(39)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>n</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>4</mml:mn>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Similarly, substituting Equation (38) into Equation (17), we obtain Equation (40).</p>
        <disp-formula id="FD47">
          <label>(40)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>n</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>*</mml:mtext>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mtext>*</mml:mtext>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>4</mml:mn>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The governing equations were solved numerically using the finite difference method. The numerical simulations were performed using Python.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec7">
      <title>7. Results and Discussion</title>
      <sec id="sec7dot1">
        <title>7.1. Results and Discussion for Continuity Equation</title>
        <p>Flow Depth Update during Each Time Step</p>
        <p>Simulating Equation (24) at each time step, the following results are obtained.</p>
        <p><xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref> shows how the flow depth <italic>h</italic> is updated from one time step to the next. At time step <italic>n</italic>, the model starts with a known flow depth <italic>h</italic>. The continuity equation is then used to calculate the change in water stored in the channel. The curve illustrates how flow depth increases with an increase in time step.</p>
        <fig id="fig2">
          <label>Figure 2</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/2320887-rId188.jpeg?20261030093414" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 2.</bold> Flow depth vs time.</p>
      </sec>
      <sec id="sec7dot2">
        <title>7.2. Results and Discussion for Momentum Equation</title>
        <p>7.2.1. Comparison of Average Friction Slope for Different Manning Roughness Coefficients</p>
        <p>Equation (27) was numerically simulated for a range of Manning roughness coefficients, and the resulting average friction slopes were evaluated on a common computational grid. A comparative analysis of the average friction slope corresponding to each roughness coefficient yielded the results presented below.</p>
        <fig id="fig3">
          <label>Figure 3</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/2320887-rId189.jpeg?20261030093414" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 3.</bold> Average friction for different Manning roughness.</p>
        <p><xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref> presents a bar chart illustrating the relationship between the Manning roughness coefficient and the average friction slope. The results show a consistent increase in average friction slope as the Manning roughness coefficient increases from 0.03 to 0.06. In particular, the highest roughness coefficient (<italic>n</italic> = 0.06) corresponds to the greatest average friction slope, indicating increased resistance to flow. This trend demonstrates the strong influence of channel roughness on frictional losses within the flow system. Since elevated pollutant concentrations contribute to higher Manning roughness values, the results suggest that pollutant-induced increases in channel roughness lead to greater average friction slopes and consequently enhanced energy dissipation within the flow.</p>
        <p>7.2.2. Variation of Velocity with Time at Three Fixed Observation Points for Different Manning Roughness Coefficients</p>
        <p>By numerically simulating Equation (27) at three fixed spatial locations, (<italic>x</italic> = 200), (<italic>x</italic> = 600), and (<italic>x</italic> = 800), for different Manning roughness coefficients, the temporal evolution of velocity was investigated. The simulations were performed on various computational grids to facilitate a comparative analysis of the influence of grid resolution and channel roughness on velocity variation with time. The corresponding results are presented below.</p>
        <fig id="fig4">
          <label>Figure 4</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/2320887-rId190.jpeg?20261030093415" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 4.</bold> Velocity vs time for three different points.</p>
        <p><xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref> illustrates the temporal variation of flow velocity at three fixed spatial locations (<italic>x</italic>= 200), (<italic>x</italic>= 600), and (<italic>x</italic>= 800), for different Manning roughness coefficients. At all three observation points, a similar trend is observed, whereby velocity decreases with time for Manning roughness values of 0.03, 0.04, 0.05, and 0.06. Furthermore, an increase in the Manning roughness coefficient results in a corresponding reduction in flow velocity, indicating the significant influence of channel roughness on flow resistance.</p>
        <p>Among the roughness values considered, a Manning roughness coefficient of 0.06 consistently produces the lowest velocity throughout the simulation period at all three locations. The similarity of the velocity profiles at (<italic>x</italic> = 200), (<italic>x</italic> = 600), and (<italic>x</italic> = 800) suggests that the effect of Manning roughness on flow velocity is spatially consistent across the computational domain. Consequently, the velocity-distance relationship is expected to exhibit a similar pattern, characterized by lower velocities for higher Manning roughness coefficients.</p>
        <p>7.2.3. Effects of Distance on Velocity for Different Manning Roughness Coefficients</p>
        <p>Simulating Equation (27) for velocity with distance for various Manning roughness coefficients, the following results are obtained.</p>
        <fig id="fig5">
          <label>Figure 5</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/2320887-rId191.jpeg?20261030093415" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 5</bold><bold>.</bold> Velocity vs distance.</p>
        <p><xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5</xref> illustrates the variation of flow velocity with distance for different Manning roughness coefficients. The results show a progressive decrease in velocity as the flow advances downstream. A comparison of the different Manning roughness coefficients reveals that an increase in Manning’s roughness coefficient leads to a reduction in flow velocity. Specifically, a roughness coefficient of <italic>n</italic> = 0.06 produces lower velocities than a coefficient of <italic>n</italic> = 0.03. This trend indicates an inverse relationship between flow velocity and channel roughness, whereby lower roughness values correspond to higher velocities and higher roughness values correspond to lower velocities.</p>
        <p>7.2.4. Effects of Manning Roughness Coefficient on Water Depth</p>
        <p>Simulating Equation (27) for water depth with distance for various Manning roughness coefficients, the following results are obtained.</p>
        <fig id="fig6">
          <label>Figure 6</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/2320887-rId192.jpeg?20261030093415" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 6</bold><bold>.</bold> Water depth vs distance.</p>
        <p><xref ref-type="fig" rid="fig6">Figure 6</xref> illustrates the variation of water depth with distance for different Manning roughness coefficients. The results indicate that the flow depth increases progressively along the channel length. In the present study, it is assumed that the bed slope exceeds the friction slope, resulting in subcritical flow conditions (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> F </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). Under such conditions, the flow depth is not constant but adjusts continuously in response to the balance between gravitational forces, flow resistance, and energy dissipation along the channel. The results further demonstrate that flow depth increases with increasing Manning roughness coefficient. Specifically, a roughness coefficient of <italic>n</italic> = 0.06 produces greater flow depths than a coefficient of <italic>n</italic> = 0.03.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec8">
      <title>8. Conclusions</title>
      <p>To satisfy the continuity of flow and maintain the discharge, the water depth adjusts by increasing, thereby compensating for the loss in flow velocity. Consequently, rougher channels tend to sustain higher flow depths than smoother channels. The interaction between flow depth and channel roughness has important implications for hydraulic engineering design and river management. In the design of artificial channels, both parameters must be carefully considered to ensure that the desired flow capacity and velocity are achieved. Higher channel roughness may require greater flow depths to convey the same discharge effectively. In natural rivers and streams, roughness varies spatially due to factors such as bed material composition, sediment accumulation, vegetation growth, and channel irregularities.</p>
      <p>The graph of flow depth in the continuity equation shows that the flow depth is updated progressively at each time step, with the depth changing toward a stable value as the simulation advances. This indicates that the continuity equation is being applied consistently, allowing the model to account for the variation in water volume over time. Overall, the results demonstrate a stable and physically consistent flow-depth update process during the simulation.</p>
      <p>The relationship between flow velocity and the Manning roughness coefficient is of considerable hydraulic significance, as the roughness coefficient directly influences flow resistance and, consequently, the overall flow characteristics within an open channel. The numerical simulations demonstrate that an increase in the Manning roughness coefficient leads to a reduction in flow velocity and promotes greater sediment deposition along the channel bed. This behavior arises because higher roughness values increase the resistance exerted on the flowing water, resulting in greater energy dissipation through friction.</p>
      <p>The observed results are consistent with Manning’s equation, which predicts an inverse relationship between flow velocity and the roughness coefficient. As the Manning roughness coefficient increases, the frictional resistance along the channel boundary intensifies, causing a decrease in flow velocity. The reduction in flow velocity lowers the sediment transport capacity of the flow, thereby enhancing the tendency for sediment particles to settle and accumulate on the bed.</p>
      <p>Flow depth and Manning’s roughness coefficient are closely interrelated hydraulic parameters that govern flow behavior in open channels. Flow depth influences the hydraulic radius, which, together with the Manning roughness coefficient, determines the flow velocity as described by Manning’s equation. In general, an increase in flow depth enhances the hydraulic radius and tends to increase flow velocity. However, the extent of this increase is moderated by the channel roughness, which imposes resistance to flow and dissipates energy through frictional effects. The numerical results indicate that channels with higher Manning roughness coefficients exhibit greater flow depths than channels with lower roughness coefficients under similar hydraulic conditions. This behavior can be attributed to the increased hydraulic resistance associated with larger roughness values. As roughness increases, frictional losses become more significant, leading to a reduction in flow velocity.</p>
    </sec>
    <sec id="sec9">
      <title>Acknowledgements</title>
      <p>The authors would like to thank Chuka University for their support of this research.</p>
    </sec>
    <sec id="sec10">
      <title>Nomenclature</title>
      <table-wrap id="tbl1">
        <label>Table 1</label>
        <table>
          <tbody>
            <tr>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mi>g</mml:mi>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>
                Gravitational acceleration, m/s
                <sup>2</sup>
              </td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Re</td>
              <td>Reynolds number</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Fr</td>
              <td>Froude number</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>H</mml:mi>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>Characteristic height</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>U</mml:mi>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>Characteristic velocity</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>Velocity vector, m/s</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mi>ρ</mml:mi>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>
                Density, kg/m
                <sup>3</sup>
              </td>
            </tr>
            <tr>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>Momentum fluxes</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>
                Depth-averaged velocity components in the
                <italic>x</italic>
                and
                <italic>y</italic>
                directions, respectively (m∙s
                <sup>−</sup>
                <sup>1</sup>
                )
              </td>
            </tr>
            <tr>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>S</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>f</mml:mi>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>S</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>f</mml:mi>
                            <mml:mi>y</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>
                Friction slope terms in the
                <italic>x</italic>
                and
                <italic>y</italic>
                directions, respectively
              </td>
            </tr>
            <tr>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                        <mml:mi>b</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>Manning roughness coefficient</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>Flow depth (m)</td>
            </tr>
          </tbody>
        </table>
      </table-wrap>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1">
        <label>1.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Chaudhry, M.H. (2008) Open-Channel Flow. 2nd Edition, Springer.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Chaudhry, M.H.</string-name>
              <string-name>Edition, S</string-name>
            </person-group>
            <year>2008</year>
            <article-title>Open-Channel Flow</article-title>
            <source>2nd Edition</source>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B2">
        <label>2.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Wu, W., Shields, F.D., Bennett, S.J. and Wang, S.S.Y. (2005) A Depth‐Averaged Two‐dimensional Model for Flow, Sediment Transport, and Bed Topography in Curved Channels with Riparian Vegetation. <italic>Water Resources Research</italic>, 41, W03015. https://doi.org/10.1029/2004wr003730 <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2004wr003730</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1029/2004wr003730">https://doi.org/10.1029/2004wr003730</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Wu, W.</string-name>
              <string-name>Shields, F.D.</string-name>
              <string-name>Bennett, S.J.</string-name>
              <string-name>Wang, S.S.Y.</string-name>
              <string-name>Flow, S</string-name>
            </person-group>
            <year>2005</year>
            <article-title>A Depth‐Averaged Two‐dimensional Model for Flow, Sediment Transport, and Bed Topography in Curved Channels with Riparian Vegetation</article-title>
            <source>Water Resources Research</source>
            <volume>41</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2004wr003730</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B3">
        <label>3.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Liu, X., Infante Sedano, J.Á. and Mohammadian, A. (2015) A Coupled Two-Dimensional Numerical Model for Rapidly Varying Flow, Sediment Transport and Bed Morphology. <italic>Journal of Hydraulic Research</italic>, 53, 609-621. https://doi.org/10.1080/00221686.2015.1085919 <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/00221686.2015.1085919</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1080/00221686.2015.1085919">https://doi.org/10.1080/00221686.2015.1085919</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Liu, X.</string-name>
              <string-name>Sedano, J.</string-name>
              <string-name>Mohammadian, A.</string-name>
              <string-name>Flow, S</string-name>
            </person-group>
            <year>2015</year>
            <article-title>A Coupled Two-Dimensional Numerical Model for Rapidly Varying Flow, Sediment Transport and Bed Morphology</article-title>
            <source>Journal of Hydraulic Research</source>
            <volume>53</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/00221686.2015.1085919</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B4">
        <label>4.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="web">The Engineering ToolBox (2004) Manning’s Roughness Coefficients for Open Channel Flow. https://www.engineeringtoolbox.com/mannings-roughness-d_799.html</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="web">
            <year>2004</year>
            <article-title>Manning’s Roughness Coefficients for Open Channel Flow</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B5">
        <label>5.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Zhang, G., Luo, R., Cao, Y., Shen, R. and Zhang, X.C. (2010) Impacts of Sediment Load on Manning Coefficient in Supercritical Shallow Flow on Steep Slopes. <italic>Hydrological Processes</italic>, 24, 3909-3914. https://doi.org/10.1002/hyp.7892 <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/hyp.7892</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1002/hyp.7892">https://doi.org/10.1002/hyp.7892</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Zhang, G.</string-name>
              <string-name>Luo, R.</string-name>
              <string-name>Cao, Y.</string-name>
              <string-name>Shen, R.</string-name>
              <string-name>Zhang, X.C.</string-name>
            </person-group>
            <year>2010</year>
            <article-title>Impacts of Sediment Load on Manning Coefficient in Supercritical Shallow Flow on Steep Slopes</article-title>
            <source>Hydrological Processes</source>
            <volume>24</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/hyp.7892</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
    </ref-list>
  </back>
</article>