<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" xml:lang="en" dtd-version="3.0"><?xmltex \makeatother\@nolinetrue\makeatletter?>
  <front>
    <journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher">HESS</journal-id><journal-title-group>
    <journal-title>Hydrology and Earth System Sciences</journal-title>
    <abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">HESS</abbrev-journal-title><abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Hydrol. Earth Syst. Sci.</abbrev-journal-title>
  </journal-title-group><issn pub-type="epub">1607-7938</issn><publisher>
    <publisher-name>Copernicus Publications</publisher-name>
    <publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
  </publisher></journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/hess-22-3951-2018</article-id><title-group><article-title>Analysis of three-dimensional unsaturated–saturated flow induced by
localized recharge in unconfined aquifers</article-title><alt-title>Analysis of three-dimensional unsaturated–saturated flow</alt-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Analysis of three-dimensional unsaturated--saturated flow}?><?xmltex \runningauthor{C.-H.~Chang et al.}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1">
          <name><surname>Chang</surname><given-names>Chia-Hao</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff2">
          <name><surname>Huang</surname><given-names>Ching-Sheng</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1">
          <name><surname>Yeh</surname><given-names>Hund-Der</given-names></name>
          <email>hdyeh@mail.nctu.edu.tw</email>
        </contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Institute of Environmental Engineering, National Chiao Tung
University, Hsinchu, Taiwan</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic
Engineering, Center for Global Change <?xmltex \hack{\break}?> and Water Cycle, Hohai University,
Nanjing, China</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Hund-Der Yeh (hdyeh@mail.nctu.edu.tw)</corresp></author-notes><pub-date><day>20</day><month>July</month><year>2018</year></pub-date>
      
      <volume>22</volume>
      <issue>7</issue>
      <fpage>3951</fpage><lpage>3963</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>31</day><month>October</month><year>2017</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>9</day><month>November</month><year>2017</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>22</day><month>June</month><year>2018</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>6</day><month>July</month><year>2018</year></date>
      </history>
      <permissions>
        
        
      <license license-type="open-access"><license-p>This work is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view a copy of this licence, visit <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 xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018.html">This article is available from https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018.pdf</self-uri>
      <abstract>
    <p id="d1e106">In the process of groundwater recharge, surface water usually enters an
aquifer by passing an overlying unsaturated zone. Little attention has been
given to the development of analytical solutions to a coupled
unsaturated–saturated flow model due to localized recharge up to now. This
paper develops a mathematical model to depict three-dimensional transient
unsaturated–saturated flow in an unconfined aquifer with localized recharge
on the ground surface. The model contains Richards' equation for unsaturated
flow, a flow equation for saturated formation, and the Gardner constitutive
model describing the behavior of unsaturated soil properties. Both flow
equations are coupled through the continuity conditions of the head and flux
at the water table. The semi-analytical solution to the coupled flow model is
derived by the methods of Laplace transform and Fourier cosine transform. A
sensitivity analysis is performed to explore the head response to the change
in each of the aquifer parameters. A quantitative tool is presented to assess
the recharge efficiency signifying the percentage of the water from the
recharge to the aquifer. We found that the effect of unsaturated flow on the
saturated hydraulic head is negligible if two criteria associated with the
unsaturated soil properties and initial aquifer thickness are satisfied. The
head distributions predicted from the present solution match well with those
from finite-difference simulations. The predictions of the present solution
also agree well with the observed data from a field experiment at an
artificial recharge pond in Fresno County, California.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

      <?xmltex \hack{\allowdisplaybreaks}?>
<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <title>Introduction</title>
      <p id="d1e118">Understanding the effect of water flow due to recharge from a surface water
body such as precipitation, lake, or artificial pond on the groundwater flow
system is important in water resource planning and management (e.g., Wang et
al., 2010; Siltecho et al., 2015; Yang et al., 2015; Scudeler et al., 2016;
Shi et al., 2016). The subsurface soil formation may be divided into
unsaturated and saturated zones depending on the water saturation in void
spaces of the soils. In the recharge process, the surface water may
infiltrate and flow through the unsaturated zone and then arrives at the
water table of the saturated zone (i.e., aquifers). Chang et al. (2016)
reviewed analytical solutions describing the spatiotemporal distributions of
groundwater mounds caused by localized recharge on the ground surface. They
classified 17 solutions in a tabular form with flow dimensions as well as six
headings of references, aquifer domain, aquifer boundary conditions, recharge
region, recharge rate, and remarks. However, those solutions they reviewed
all neglect the process of infiltration in the unsaturated zone and assume
that the surface water directly recharges the saturated zone.</p>
      <p id="d1e121">Solving Richards' equation (Richards, 1931) analytically for unsaturated flow
is tricky owing to its nonlinearity. Gardner (1958) presented a model to
express the relative hydraulic conductivity as an exponential function of the
pressure head in unsaturated soils. Analytical methods for developing the
solution to Richards' equation mostly rely on the use of linearization based
on Gardner's model. Many articles used such an approach to study flow in an
unsaturated zone with infiltration from a variety of surface water bodies
(see, e.g., Huang and Wu, 2012; Wu et al., 2013; Wang<?pagebreak page3952?> and Li, 2015). Those
articles neglected the presence of an underlying aquifer and treated its
water table as the lower boundary with a condition of constant pressure head
(e.g., Huang and Wu, 2012) or water content (e.g., Chen et al., 2001b). For
1-D downward flow, Srivastava and Yeh (1991) discussed distributions of the
pressure head and water content in two distinct unsaturated soil layers with
a constant surface flux. Chen et al. (2001a) examined the water content in an
unsaturated medium with an arbitrary time-varying surface flux, by extending
Warrick's (1975) solution for a flux consisting of step functions of time.
Later, Wu et al. (2012) did similar work to Srivastava and Yeh (1991), but
additionally considered the deformation of the two-layer soils caused by the
change in the porewater pressure in the soils due to the surface flux. For
2-D flow in a vertical plane, Batu (1980) analyzed steady-state flow net
affected by an array of strip surface sources with two different infiltration
rates. Protopapas and Bras (1991) focused on the transient pressure head due
to a uniform strip source with a finite width and infinite length on the
ground surface. For 3-D flow, Chen et al. (2001b) investigated the water
content induced by a surface source with an arbitrary spatiotemporal
infiltration rate. Tracy (2007) studied the pressure head distribution in a
cuboid soil sample with localized recharge over a rectangular area on the
top. The sides of the sample are under either the Dirichlet or no-flow
boundary condition.</p>
      <p id="d1e124">Abovementioned solutions are applicable to either the case of saturated flow
in aquifers recharged directly by surface water or the case of unsaturated
flow due to surface water infiltration. So far little has been known about
the combination of saturated and unsaturated flows that represents a typical
process of recharge to the aquifer. This paper aims at developing a
mathematical model for describing 3-D transient unsaturated–saturated flow
in an unconfined aquifer with localized recharge. Richards' equation along
with Gardner's model is adopted to delineate unsaturated flow between the
ground surface and the water table. The 3-D groundwater flow equation is
employed to depict saturated flow in the aquifer. Richards' equation is
coupled with the saturated flow equation via the continuity conditions of the
head and flux at the water table. Such a coupled flow model has been proposed
by several articles to investigate pumping drawdown problems (e.g., Mathias
and Butler, 2006; Tartakovsky and Neuman, 2007; Mishra and Neuman, 2010,
2011). They treated an extraction well as a line sink in the aquifer, while
we consider the localized recharge as a plane source to the aquifer. The
coupled flow model in their studies is 2-D written in cylindrical
coordinates, while that in ours is 3-D expressed in Cartesian coordinates. In
addition, their solutions are obtained by the Hankel transform, but ours is
based on the Fourier cosine transform. The present work aims to investigate
the spatiotemporal distribution of the hydraulic head due to localized
recharge from the ground surface. The semi-analytical solution for the
hydraulic head is obtained by the Laplace transform and the Fourier cosine
transform. A finite-difference solution is built to check the correctness of
the present solution. The effect of the unsaturated zone on the head in the
saturated aquifer is explored by the present solution. The water quantity
from the localized recharge to the aquifer is analyzed. The sensitivity
analysis is executed to examine the head response to the variation in each of
the aquifer parameters. Application of the present solution to a field
experiment of artificial recharge is also provided.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <title>Methodology</title>
<sec id="Ch1.S2.SS1">
  <title>Mathematical model</title>
      <p id="d1e138">Consider an unconfined aquifer system with localized recharge over a
rectangular area on the ground surface of the system. The origin of the
Cartesian coordinate system is located at the center of the recharge area as
illustrated in Fig. 1a. The area has a size of 2<inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> by 2<inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> on the <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
plane. The shortest distance between an observation point (<inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and a
point (<inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) on the edge of the area is defined as
<inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>min⁡</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The
initial water table separates the unsaturated and saturated zones as shown in
Fig. 1b and is chosen as the reference datum of the coordinate system. The
initial thicknesses of the unsaturated and saturated zones prior to the
recharge are denoted as <inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1" specific-use="star"><caption><p id="d1e272">Schematic diagram of unsaturated–saturated flow in an unconfined
aquifer system with localized recharge: <bold>(a)</bold> top view and
<bold>(b)</bold> cross-sectional view.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=384.112205pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018-f01.png"/>

        </fig>

      <?pagebreak page3953?><p id="d1e287">The mathematical model for the aquifer system comprises two simultaneous
equations for unsaturated and saturated flows. The equation for saturated
flow in homogeneous and anisotropic aquifers is expressed as

                <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><mml:math id="M11" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><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:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the hydraulic head in the saturated zone; <inline-formula><mml:math id="M16" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>
is elapsed time since recharge began; <inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M19" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are,
respectively, the saturated hydraulic conductivities in the <inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>
directions; <inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the specific storage. Richards' equation for
unsaturated flow is expressed as (Richards, 1931)

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M24" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the hydraulic head in the unsaturated
zone. The relative hydraulic conductivity <inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and specific
moisture capacity <inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are defined by the Gardner constitutive model
(Gardner, 1958) as

                <disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><mml:math id="M31" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and

                <disp-formula id="Ch1.E4" content-type="numbered"><mml:math id="M32" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>C</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the specific yield and <inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the unsaturated exponent
related to the pore-size distribution of a medium ranging from 0.2 to
5 m<inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (Philip, 1969). Substituting Eqs. (3) and (4) into Eq. (2) leads
to

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M36" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E5"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            It is essentially nonlinear and solved with difficulty by analytical methods.
Kroszynski and Dagan (1975) employed the approach of perturbation expansion
to simplify Richards' equation as a first-order linearized equation and
developed an approximate solution for unsaturated–saturated flow induced by
well pumping. The approach is extensively used in many studies on
unsaturated–saturated flow (e.g., Mathias and Butler, 2006; Tartakovsky and
Neuman, 2007; Mishra et al., 2012;  Liang et al., 2017a). The linearized
version of Richards' equation is written as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M37" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E6"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The initial conditions for those two zones are

                <disp-formula id="Ch1.E7" content-type="numbered"><mml:math id="M38" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Because of symmetry of the recharge area along the <inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> axes, the
first quadrant (i.e., <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) of the flow domain is
considered. Thus, all the horizontal outer boundaries are specified as the
no-flow condition expressed as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M43" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E8"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E9"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mo>lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The top boundary condition for the recharge area is
denoted as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M45" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E10"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a constant recharge rate and <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Heaviside step
function. Note that Eq. (10) can be written as <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> inside the recharge area <inline-formula><mml:math id="M49" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M50" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
and denoted as <inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> outside that area. The
impermeable boundary condition at the aquifer bottom is written as

                <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><mml:math id="M52" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The two continuity requirements of the hydraulic head and flux at the water
table are expressed, respectively, as

                <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><mml:math id="M53" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and

                <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><mml:math id="M54" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The continuity conditions are valid when the water table change is less than
50 % of the initial saturated aquifer thickness, which is certified by a
Hele-Shaw experiment (Marino, 1967).</p>
      <?pagebreak page3954?><p id="d1e1730">Define the dimensionless variables and parameters as follows:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M55" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E14"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where the overbar represents a dimensionless variable or parameter. According
to Eq. (14), the unsaturated–saturated flow model is rewritten as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M56" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E15"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E16"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E17"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E18"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E19"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mo>lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E20"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E21"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E22"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E23"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS2">
  <title>Laplace domain solution</title>
      <p id="d1e2819">The unsaturated–saturated flow model composed of Eqs. (15)–(23) is solved
by the methods of Laplace and Fourier cosine transforms. The Laplace
transform is defined as

                <disp-formula id="Ch1.E24" content-type="numbered"><mml:math id="M58" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">exp</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          with the property that

                <disp-formula id="Ch1.E25" content-type="numbered"><mml:math id="M59" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">exp</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the dimensionless
hydraulic head in the Laplace domain, <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Laplace transform parameter,
<inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
from Eq. (17). Using Eqs. (24) and (25) converts <inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M66" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into
<inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M68" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into
<inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
into <inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The model then becomes

                <disp-formula id="Ch1.E26" content-type="numbered"><mml:math id="M74" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and

                <disp-formula id="Ch1.E27" content-type="numbered"><mml:math id="M75" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          subject to the transformed boundary conditions of <inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with
<inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at
<inline-formula><mml:math id="M79" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at
<inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Moreover, the transformed continuity conditions are
<inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M84" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e3887">Afterward, one may take the double Fourier cosine transform that provides

                <disp-formula id="Ch1.E28" content-type="numbered"><mml:math id="M85" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M86" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E29"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the dimensionless
hydraulic head in the Fourier domain; <inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the
Fourier cosine transform parameters. The transform converts <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into
<inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,</p>
      <?pagebreak page3955?><p id="d1e4341"><?xmltex \hack{\noindent}?><inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
into <inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Equations (26) and (27) hence become
ordinary differential equations in terms of <inline-formula><mml:math id="M100" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> denoted, respectively,
as

                <disp-formula id="Ch1.E30" content-type="numbered"><mml:math id="M101" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and

                <disp-formula id="Ch1.E31" content-type="numbered"><mml:math id="M102" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Similarly, the transformed boundary conditions are expressed as

                <disp-formula id="Ch1.E32" content-type="numbered"><mml:math id="M103" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M104" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E33"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The transformed continuity conditions are written as

                <disp-formula id="Ch1.E34" content-type="numbered"><mml:math id="M105" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and

                <disp-formula id="Ch1.E35" content-type="numbered"><mml:math id="M106" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Solving Eqs. (30) and (31) subject to Eqs. (32)–(35) and then taking the
inverse Fourier cosine transform leads to the solutions in the Laplace domain
written as

                <disp-formula id="Ch1.E36" specific-use="align" content-type="subnumberedon"><mml:math id="M107" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36.1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            and

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M108" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            with

                <disp-formula specific-use="align" content-type="subnumberedoff"><mml:math id="M109" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">exp</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cosh⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cosh⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>sinh⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>cosh⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36.3"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi>sinh⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36.4"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">cosh</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36.5"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">and</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">and</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">and</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">and</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36.6"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cosh⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36.7"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>sinh⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36.8"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Note that Eq. (36a) is the solution for unsaturated flow, while Eq. (36b) is
that for saturated flow. The inverse Laplace transform to both solutions may
not be tractable. The numerical inversion of Laplace transform proposed by
Stehfest (1970) is therefore used to obtain time-domain results of the
solutions. The double integrals in the solutions can be evaluated numerically
by the Gaussian quadrature (e.g., Gerald and Wheatley, 2004) using the
dblquad Matlab built-in function (Gilat and Subramaniam, 2007) or the
NIntegrate Mathematica built-in function (Wolfram, 1996).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS3">
  <title>Solution for the transient recharge rate</title>
      <p id="d1e6357">The present solution can be applied to the problem of time-varying recharge
rates based on Duhamel's integral (Bear, 1979, p. 158). The dimensionless
transient head solution <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> subject to the dimensionless
time-varying recharge rate <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be
expressed as

                <disp-formula id="Ch1.E37" content-type="numbered"><mml:math id="M112" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a dummy variable, <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes <inline-formula><mml:math id="M115" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> or
<inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> for the initial dimensionless recharge rate <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> or
<inline-formula><mml:math id="M120" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> replaced by <inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If Eq. (37) is not an
integrable function, we can evaluate numerically through the discretization
method that (Singh, 2005)

                <disp-formula id="Ch1.E38" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M123" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E38.1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E38.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E38.3"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>G</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>M</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:munderover><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> signifies the dimensionless head solution at
<inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a
dimensionless time step; <inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>M</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is called the ramp kernel; <inline-formula><mml:math id="M128" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are, respectively, dimensionless recharge rates at
<inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2" specific-use="star"><caption><p id="d1e6925">Schematic diagram of finite-difference grids: <bold>(a)</bold> top view
and <bold>(b)</bold> cross-sectional view.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=441.017717pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018-f02.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS4">
  <title>Recharge efficiency</title>
      <p id="d1e6946">The percentage of the water from the localized recharge reaching the water
table is defined as recharge efficiency (RE) (Munevar and Marino, 1999)
written as

                <disp-formula id="Ch1.E39" content-type="numbered"><mml:math id="M132" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">RE</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>l</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where the denominator <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the volumetric rate of the
water entering the aquifer system from the recharge, and the double integral
is the sum of the infiltration flux at the water table. According to the
dimensionless quantities defined in Eq. (14), Eq. (39) becomes

                <disp-formula id="Ch1.E40" content-type="numbered"><mml:math id="M134" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">RE</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>p</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">RE</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> represents RE in the Laplace domain and
<inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is defined in Eq. (36b). The RE increases from zero to a value
equal to or below unity. The infiltration process does not affect the water
table when RE <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. On the other hand, the water from the surface recharge
totally arrives at the aquifer when RE <inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<?pagebreak page3956?><sec id="Ch1.S2.SS5">
  <title>Sensitivity analysis</title>
      <p id="d1e7194">The sensitivity analysis is commonly used to assess the change in the
hydraulic head in response to a small change in a hydraulic parameter. The
normalized sensitivity coefficient based on the present solution is defined
as

                <disp-formula id="Ch1.E41" content-type="numbered"><mml:math id="M139" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the present solution for the unsaturated or saturated
flow and <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>th parameter. Equation (41) can be approximated
as

                <disp-formula id="Ch1.E42" content-type="numbered"><mml:math id="M143" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an increment set to <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Yeh et al.,
2008). Note that a large value of <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates that the head is
sensitive to the change in the target parameter.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS6">
  <title>Finite-difference solution</title>
      <?pagebreak page3957?><p id="d1e7394">An iterative algorithm based on an implicit finite-difference approximation
to Eq. (5) is developed to solve the nonlinear unsaturated–saturated flow
model. Figure 2 shows the finite-difference grids in the simulation domains
of <inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m, <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m, and <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula>20 m <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m discretized by a non-uniform grid with small grid sizes near the
recharge area of <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and large grid
sizes away from that area. The domain falls in the first quadrant due to
symmetrical flow to the <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis and <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis. The saturated thickness is
20 m and the unsaturated thickness is 10 m. All the boundaries except the
recharge region are therefore under the no-flow condition. Equation (5) is
approximated as

                <disp-formula id="Ch1.E43" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M155" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced close="" open=""><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="" close=")"><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E43.1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E43.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E43.3"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the hydraulic head in the unsaturated zone at a
nodal point (<inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; superscript <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents one time step earlier
than the present time denoted as superscript <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
are grid sizes beside a nodal point (<inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>) in the west, east, north
and south, respectively; <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the grid size on the <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis; <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the time step. Note that Eq. (43) reduces to the discretized expression
of Eq. (6) when the quadratic terms are neglected. Similarly, Eq. (1) is
approximated as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M172" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E44"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the hydraulic head in the saturated zone at a nodal
point (<inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>). The initial condition for each nodal point is
expressed as

                <disp-formula id="Ch1.E45" content-type="numbered"><mml:math id="M177" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext> at each</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The no-flow condition specified at the outer boundaries shown in Fig. 2a and
the bottom can be written as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M178" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E46"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E47"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E48"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the total number of grids on the <inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>- and
<inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axes, respectively. The top boundary condition is approximated as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M183" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>outside the recharge area</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>inside the recharge area</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E49"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total number of grids on the <inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis. The grid sizes
<inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M187" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
and <inline-formula><mml:math id="M189" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are all 5 m inside the recharge area, while
outside the area they gradually increase according to the formulas <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M191" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> starting from <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m <inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m. Note that the largest grid size is
set equal to 25 m for good accuracy in solution prediction. The grid size
<inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is set to 0.1 m and the time step <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is chosen as
0.1 days for the period of 0–2.5 days and 0.25 days for 2.5–100 days. The
total number of nodal points is 327 789. The values of the hydraulic
parameters are shown in Table 1.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T1" specific-use="star"><caption><p id="d1e9999">Default values of variables and hydraulic parameters.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="3">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Notation</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Default value (unit)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Definition</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.5 m<inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Unsaturated exponent in Gardner's model for soil characteristics</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">(<inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">(10 m, 20 m)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Initial thicknesses of unsaturated and saturated zones, respectively</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">None</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Specific moisture capacity</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">50 m</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Shortest distance between the edge of recharge area and observation point</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">None</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Hydraulic head in saturated zone</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.1 m d<inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Recharge rate</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">None</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Relative hydraulic conductivity</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">(<inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">(10 m d<inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, 10 m d<inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, 1 m d<inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Saturated hydraulic conductivity in <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> directions, respectively</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">(<inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">50 m</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Half of width of recharge area in <inline-formula><mml:math id="M218" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> directions, respectively</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">(<inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">(10<inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> m<inline-formula><mml:math id="M223" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, 0.2)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Specific storage and specific yield, respectively</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">None</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Time</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">(<inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">None</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Cartesian coordinates</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">None</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Hydraulic head in unsaturated zone</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">(<inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">(0.5, 1, 1)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">(<inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">(<inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">None</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">(<inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">(<inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">None</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">(<inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">(<inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">(10, 1, 0.625)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">(<inline-formula><mml:math id="M253" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">(0.1, 1000)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M255" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <p id="d1e10878">The head solution to the nonlinear model of Eqs. (43)–(49) is obtained by an
iteration method. Initially, the quadratic terms in Eq. (43) are assumed as
<inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
with

                <disp-formula id="Ch1.E50" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M258" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E50.1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E50.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E50.3"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E50.4"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E50.5"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E50.6"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where superscript (<inline-formula><mml:math id="M259" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>) represents the <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>th iteration and gradients
<inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M263" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cause a linearized
Eq. (43) because they are known head values from the previous iteration. At
the first time step (i.e., <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the first iteration solves
a system of Eqs. (44)–(49) and the linearized Eq. (43) with
<inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and obtains the numerical solution of
<inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at each nodal point. The second iteration obtains
<inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with updated values of <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
and <inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the previous result of <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Repeat
this iteration process for <inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> until the convergence condition of
<inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at
each nodal point in the unsaturated zone is satisfied. The last result of
<inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is therefore the head solution to the nonlinear model.
Similarly, the iteration process is applied to obtain <inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
for <inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the other time steps (i.e., <inline-formula><mml:math id="M278" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) with the convergence condition <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that the
first iteration at each time step calculates <inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
and <inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> obtained at the previous time
step.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <title>Results and discussion</title>
      <p id="d1e12551">The default values of the parameters and variables used in the calculation of
the present solution are listed in Table 1. In Sect. 3.1, the error arising
from neglecting the process of infiltration in the unsaturated zone is
examined. In Sect. 3.2, the recharge efficiency associated with the
properties of the unsaturated zone is investigated. In Sect. 3.3, the
sensitivity analysis of the hydraulic head in the unsaturated zone in regard
to various hydraulic parameters is discussed. In Sect. 3.4, the present
solution is compared with a finite-difference solution. In Sect. 3.5, the
present solution is applied to a field problem of artificial recharge.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <title>Effect of unsaturated flow on head distributions in aquifers</title>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3"><caption><p id="d1e12561">Temporal distributions of the dimensionless head in the saturated
zone predicted by the present solution and Chang et al.'s (2016) solution for
different pairs of (<inline-formula><mml:math id="M285" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M286" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>) representing the effect of
unsaturated flow.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018-f03.png"/>

        </fig>

      <?pagebreak page3958?><p id="d1e12587">Here we investigate the difference between the present solution and Chang et
al.'s (2016) analytical solution to explore the effect of unsaturated flow on
the head distributions in the aquifer. Chang et al.'s (2016) solution
considers 3-D saturated flow in an unconfined aquifer with localized recharge
but neglects the effect of unsaturated flow. One might expect that the
difference will mainly be dominated by the magnitudes of parameters <inline-formula><mml:math id="M287" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula>
(dimensionless unsaturated exponent) and <inline-formula><mml:math id="M288" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (dimensionless unsaturated
thickness). Figure 3 displays the predicted temporal head distributions at
(<inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by their solution and
the present solution, Eq. (36b), for different pairs of (<inline-formula><mml:math id="M290" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M291" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>) with <inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or 10<inline-formula><mml:math id="M293" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> from 10<inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> to
one. Significant difference in <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> predicted by both solutions can be
seen except for the cases <inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
(10<inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, 10<inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>), and (10<inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, 10<inline-formula><mml:math id="M302" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>) shown in the figure. The
result indicates that the thickness of the unsaturated zone is less than
10 % of the saturated aquifer thickness (i.e., <inline-formula><mml:math id="M303" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) for
obtaining close predictions from both solutions. When <inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
both solutions disagree if <inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and agree well if <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, indicating that the magnitude of the product <inline-formula><mml:math id="M307" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(<inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) should at least be 10 (i.e., <inline-formula><mml:math id="M309" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) for good
agreement of both solutions. It is worth noting that both solutions disagree
even for a much thinner unsaturated zone as compared with the aquifer (i.e.,
<inline-formula><mml:math id="M310" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) because of <inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Additionally, the curves
for <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> all disagree with Chang et al.'s (2016) solution, whereas
the curves for <inline-formula><mml:math id="M313" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> match with this solution except for two
cases where (<inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and (10<inline-formula><mml:math id="M316" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, 1) (not
shown in the figure). Judging from the above, one can recognize that the
effect of unsaturated flow on the predicted head in saturated aquifers is
negligible when <inline-formula><mml:math id="M317" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M318" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A great number
of existing analytical solutions ignoring unsaturated flow give accurate
predictions only when those two inequalities are satisfied (e.g., Chang and
Yeh, 2007; Illas et al., 2008; Bansal and Teloglou, 2013). Otherwise,
significant deviations will happen in their predictions.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <title>Effect of unsaturated flow on recharge efficiency</title>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4"><caption><p id="d1e13078">Temporal distribution curves of the recharge efficiency (RE) for
different pairs of (<inline-formula><mml:math id="M319" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M320" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>) representing the effect
of unsaturated flow.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018-f04.png"/>

        </fig>

      <?pagebreak page3959?><p id="d1e13104">The effect of the unsaturated zone on the RE is explored based on the
curves of the RE versus <inline-formula><mml:math id="M321" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> shown in Fig. 4 plotted using Eq. (40)
for different pairs of <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">100</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, (10, 0.5), (1,
0.01), (1, 0.5), and (1, 1). For a given <inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, the RE increases with
<inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> for a fixed <inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and decreasing <inline-formula><mml:math id="M326" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> for a fixed <inline-formula><mml:math id="M327" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula>. After <inline-formula><mml:math id="M328" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the RE approaches an ultimate value equalling
unity when <inline-formula><mml:math id="M329" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">100</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and (1, 0.01), 0.9 when <inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, 0.7 when <inline-formula><mml:math id="M331" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and 0.6
when <inline-formula><mml:math id="M332" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Those results imply that the ultimate
recharge efficiency (URE) depends on the magnitudes of both <inline-formula><mml:math id="M333" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Figure 5 illustrates contours of the URE at <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
in the ranges of <inline-formula><mml:math id="M336" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.01</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M337" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">100</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The URE
approaches unity when <inline-formula><mml:math id="M338" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.05</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M339" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In contrast, it is below 0.9 and related to a given pair (<inline-formula><mml:math id="M340" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>) when <inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M343" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It is clearly seen that the
RE is great for a large <inline-formula><mml:math id="M344" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> and/or a small <inline-formula><mml:math id="M345" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Those
results provide useful information in the estimation of the amount of water
from the recharge entering the aquifer. Notice that the case of URE <inline-formula><mml:math id="M346" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
may be due to the problem that unsaturated flow is influenced by the water
retention capacity and diffusivity in the horizontal direction.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS3">
  <title>Sensitivity analysis for flow in unsaturated zone</title>
      <p id="d1e13512">Chang et al. (2016) performed the sensitivity analysis to investigate the
sensitivity of the hydraulic head in saturated aquifers to the change in each
of the aquifer parameters. This section focuses on the sensitivity analysis
of the head in the unsaturated zone. Consider the recharge area of <inline-formula><mml:math id="M347" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M348" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and the observation points A at (0, 0,
5 m) under the area and B at (100 m, 0, 5 m) beside the area. Other values
of the parameters are given in Table 1. The temporal distribution curves of
the normalized sensitivity coefficient <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> predicted by Eq. (42) to
each of the parameters <inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M351" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M352" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M353" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M357" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are exhibited in Fig. 6a for point A and Fig. 6b for
point B. At a given time, a positive <inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> means that the change in the
specific parameter causes the increase in the head. In contrast, a negative
<inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> signifies that the change leads to the head decrease. The magnitude
of the head remains unchanged when <inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Obviously, the parameters
<inline-formula><mml:math id="M361" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M362" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M364" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and
<inline-formula><mml:math id="M365" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are important factors affecting the predicted head observed at points
A and B, revealing that those parameters should be included in the flow
model. The head at point A is sensitive to the changes in <inline-formula><mml:math id="M366" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
but that at point B is insensitive. The result
implies that unsaturated flow prevails under the recharge area but does not
away from the area. In addition, the coefficient <inline-formula><mml:math id="M368" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
almost equals zero over the entire recharge period, indicating that the
change in <inline-formula><mml:math id="M370" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not affect the predicted head in the
unsaturated zone.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F5"><caption><p id="d1e13800">Contours of the ultimate recharge efficiency (URE) plotted at
<inline-formula><mml:math id="M371" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for various values of
<inline-formula><mml:math id="M372" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>.
</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018-f05.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F6" specific-use="star"><caption><p id="d1e13846">Temporal distribution curves of the normalized sensitivity
coefficients for the hydraulic head in the unsaturated zone in response to
the change in each of the parameters <inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M375" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M376" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M378" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M381" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> observed at <bold>(a)</bold> (0, 0, 5 m) under the
recharge area and <bold>(b)</bold> (100 m, 0, 5 m) beside the area.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=455.244094pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018-f06.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS4">
  <title>Validation of the present solution</title>
      <p id="d1e13945">The finite-difference solution to the unsaturated–saturated flow model based
on the nonlinear and linearized versions of Richards' equation, Eqs. (5) and
(6), has been developed and described in Sect. 2.6. It is used to validate
the present solution. Figure 7 demonstrates temporal head distributions
observed at (25 m, 0, 5 m) and (25 m, 0, <inline-formula><mml:math id="M382" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m) under the recharge area
and at (94.65 m, 0, 5 m) and (94.65 m, 0, <inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m) beside the area. The
figure displays good agreement on the predicted head distributions from both
the solutions. It is noteworthy that numerous attempts had been made by
scholars to examine the accuracy of the linearized version of Richards'
equation (e.g., Kroszynski and Dagan, 1975; Mishra and Neuman, 2010;
Liang et al., 2017b). They also revealed that the linearized equation
causes insignificant deviation in model predictions. We therefore conclude
that the present solution is correctly developed and fairly predicts<?pagebreak page3960?> the
hydraulic head for the unsaturated–saturated flow induced by localized
recharge.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS5">
  <title>Application of the present solution to the field experiment</title>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F7"><caption><p id="d1e13976">Temporal distributions of the hydraulic head predicted by the
present solution and the finite-difference solution based on Richards'
equation, Eq. (5), and its linearized version, Eq. (6), observed at (25 m,
0, 5 m) and (25 m, 0, <inline-formula><mml:math id="M384" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m) under the recharge area and at (94.65 m,
0, 5 m) and (94.65 m, 0, <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m) beside the area.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018-f07.png"/>

        </fig>

      <p id="d1e14005">Bianchi and Haskell (1968) executed a field experiment of artificial recharge
from two ponds on an alluvial fan in Fresno County, California. Pond No. 2
was within a square of 90 m <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 90 m on the ground. The average
recharge rate of the pond was 0.107 m d<inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The initial water table was
6.4 m below the ground and 24.384 m over the impervious aquifer bottom. The
entire recharge period was 10.92 days on record. The values of the aquifer
parameters obtained from well test data were <inline-formula><mml:math id="M388" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7.925</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m d<inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M390" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.022</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. There are 19 observation data of the water table rise
beneath the center of the pond versus time shown in Fig. 8. We apply the
least square method using the Mathematica FindRoot built-in
function (Wolfram, 1996) to
estimate five parameters <inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M392" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and
<inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> based on the data and the present solution. The estimated values are
<inline-formula><mml:math id="M396" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.388</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m<inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M398" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5.642</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m d<inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M400" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.573</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m d<inline-formula><mml:math id="M401" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M402" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m<inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M404" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.102</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which are all in the reasonable ranges of their parameter values;
they are <inline-formula><mml:math id="M405" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.2</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m<inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (Philip, 1969), <inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">8.64</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">864</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m d<inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M409" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.33</mml:mn><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M410" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M411" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.01</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.3 for sandy aquifers
(Freeze and Cherry, 1979, p. 604). Figure 8 demonstrates 19 observed data of
the water table rise, the predictions from Glover's (1960) solution with
<inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.925 m d<inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M414" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.022 provided in Bianchi and
Haskell (1968), and the present solution with the five estimated parameters.
The Glover solution was developed by assuming that the flow is radially
outward from a circular recharge pond with an equivalent area to the square
of 90 m <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 90 m and the unsaturated flow above water table is
neglected. The predictions from the present solution agree well with the
observed data, but those from Glover's<?pagebreak page3961?> solution do not, indicating that the
effect of unsaturated flow had better be considered because <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.48</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.26</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in this case do not satisfy the condition of
<inline-formula><mml:math id="M418" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M419" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> concluded in Sect. 3.1. From
those discussed above, the present solution has been shown to be applicable
to a real-world problem for unsaturated–saturated flow due to a recharge
pond.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F8"><caption><p id="d1e14527">Comparison of the water table rise predicted by the present solution
and Glover's (1960) solution with field-observed data given in Bianchi and
Haskell (1968).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/22/3951/2018/hess-22-3951-2018-f08.png"/>

        </fig>

</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4" sec-type="conclusions">
  <title>Concluding remarks</title>
      <p id="d1e14544">This study develops a novel mathematical model depicting 3-D
unsaturated–saturated flow for the process that surface water recharge
passes through an unsaturated zone and flows down to an unconfined aquifer.
The Richards equation is considered to delineate unsaturated flow induced by
infiltration due to recharge from the ground surface. The Gardner model is
used to describe the unsaturated soil characteristics. The transient
groundwater flow equation is then employed to describe the rise of the
hydraulic head in the aquifer in response to the water flow from the
unsaturated zone. Both equations are coupled by the continuity equations of
the head and flux at the water table. The head solution to the model is
derived by means of the Laplace transform and Fourier cosine transform. The
recharge efficiency defined as the percentage of the water from the recharge
down to the aquifer is clearly discussed. The sensitivity analysis is
performed to investigate the head response to the change in each of the
hydraulic parameters in the unsaturated zone. The present solution agrees
well with the finite-difference solution in predicting the time-varying head
for the unsaturated–saturated flow model. In addition, the present solution
is applied to study the observed data from a field experiment conducted by
Bianchi and Haskell (1968). On the basis of the studies obtained from the
present solution, the following conclusions can be drawn.</p>
      <p id="d1e14547">The effect of unsaturated flow on the hydraulic head in the aquifer is
ignorable when the product of the unsaturated exponent (<inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and initial
unsaturated thickness (<inline-formula><mml:math id="M421" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>) is greater than 10 (i.e., <inline-formula><mml:math id="M422" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and the
unsaturated thickness is less than 10 % of the initial aquifer thickness
(<inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula>) (i.e., <inline-formula><mml:math id="M424" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Otherwise, the effect should be considered to
avoid large deviations in calculating the head in the aquifer. Existing
models considering only saturated flow can predict accurate results only when
these two inequalities are satisfied.</p>
      <p id="d1e14601">The recharge efficiency initially equals zero, increases with time, and
finally approaches a constant value (below or equal to unity) depending on
the values of <inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M426" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e14645">The ultimate recharge efficiency approaches unity when <inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.05</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or
<inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> but less than 90 % when <inline-formula><mml:math id="M429" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M430" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In
other words, the surface source supplies more recharge water to the aquifer
if the unsaturated zone has a large <inline-formula><mml:math id="M431" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> and/or a small <inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e14721">The results of the sensitivity analysis indicate that the parameter <inline-formula><mml:math id="M433" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M434" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
or <inline-formula><mml:math id="M435" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> causes positive influence but <inline-formula><mml:math id="M436" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M437" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, or <inline-formula><mml:math id="M439" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
produces negative impact on the predicted head in the unsaturated zone. The
head under the recharge area is sensitive to the changes in <inline-formula><mml:math id="M440" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M441" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
but that beside the area is not. Moreover, the head is rather insensitive to
the change in <inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>

      
      </body>
    <back><notes notes-type="dataavailability">

      <p id="d1e14823">The field-observed data and Glover's (1960) solution are provided in Bianchi and Haskell (1968).
The data sets of Chang et al.'s (2016) solution, the present solution, and the finite-difference solution are available upon request.</p>
  </notes><notes notes-type="authorcontribution">

      <p id="d1e14829">C-HC conceived the presented idea, developed the semi-analytical solution and code for the model,
and performed the results in the figures. C-SH developed the code for the finite-difference simulations. H-DY
supervised the findings of this work. All authors discussed the results and contributed to the final manuscript.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests">

      <p id="d1e14835">The authors declare that they have no conflict of
interest.</p>
  </notes><ack><title>Acknowledgements</title><?pagebreak page3962?><p id="d1e14841">This research has been supported in part by the grants from the Fundamental
Research Funds for the Central Universities (2018B00114) and the Taiwan
Ministry of Science and Technology under the contract numbers MOST
105-2221-E-009-043-MY2 and MOST 106-2221-E-009-066. The authors are indebted
to the thoughtful and helpful comments of the editor and two
reviewers.<?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\newline}?>Edited by: Philippe Ackerer
<?xmltex \hack{\newline}?> Reviewed by: two anonymous referees</p></ack><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bib1"><label>1</label><mixed-citation>
Bansal, R. K. and Teloglou, I. S.: An analytical study of groundwater
fluctuations in unconfined leaky aquifers induced by multiple localized
recharge and withdrawal, Global Nest J., 15, 394–407, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib2"><label>2</label><mixed-citation>Batu, V.: Flow net for unsaturated infiltration from periodic strip sources,
Water Resour. Res., 16, 284–288, 1980.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib3"><label>3</label><mixed-citation>Bear, J.: Hydraulics of Groundwater, McGraw-Hill, New York, 1979.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib4"><label>4</label><mixed-citation>Bianchi, W. C. and Haskell, E. E.: Field observations compared with
Dupuit-Forchheimer theory for mound heights under a recharge basin, Water
Resour. Res., 4, 1049–1057, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/WR004i005p01049" ext-link-type="DOI">10.1029/WR004i005p01049</ext-link>, 1968.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib5"><label>5</label><mixed-citation>Chang, C.-H., Huang, C.-S., and Yeh, H.-D.: Technical Note: Three-dimensional
transient groundwater flow due to localized recharge with an arbitrary
transient rate in unconfined aquifers, Hydrol. Earth Syst. Sci., 20,
1225–1239, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-20-1225-2016" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-20-1225-2016</ext-link>, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib6"><label>6</label><mixed-citation>Chang, Y. C. and Yeh, H. D.: Analytical solution for groundwater flow in an
anisotropic sloping aquifer with arbitrarily located multiwells, J. Hydrol.,
347, 143–152, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib7"><label>7</label><mixed-citation>Chen, J. M., Tan, Y. C., Chen, C. H., and Parlange, J. Y.: Analytical
solutions for linearized Richards' equation with arbitrary time-dependent
surface fluxes, Water Resour. Res., 37, 1091–1093, 2001a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib8"><label>8</label><mixed-citation>Chen, J. M., Tan, Y. C., and Chen, C. H.: Multidimensional infiltration with
arbitrary surface fluxes, J. Irrig. Drain. E-Asce, 127, 370–377,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9437(2001)127:6(370)" ext-link-type="DOI">10.1061/(asce)0733-9437(2001)127:6(370)</ext-link>, 2001b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib9"><label>9</label><mixed-citation>Freeze, R. A. and Cherry, J. A.: Groundwater, Prentice-Hall, Englewood
Cliffs, New Jersey, 1979.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib10"><label>10</label><mixed-citation>Gardner, W. R.: Some steady-state solutions of the unsaturated moisture flow
equation with application to evaporation from a water table, Soil Sci., 85,
228–232, 1958.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib11"><label>11</label><mixed-citation>Gerald, C. F. and Wheatley, P. O.: Applied Numerical Analysis, 7th Edn.,
Pearson-Wesley, Boston, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib12"><label>12</label><mixed-citation>Gilat, A. and Subramaniam, V.: Numerical Methods for Engineers and
Scientists: An Introduction with Applications Using MATLAB, John Wiley &amp;
Sons, Hoboken, New Jersey, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib13"><label>13</label><mixed-citation>Glover, R. E.: Mathematical derivations as pertain to groundwater recharge,
Agricultural Research Service, US Department of Agriculture, Colorado, 1960.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib14"><label>14</label><mixed-citation>Huang, R. Q. and Wu, L. Z.: Analytical solutions to 1-D horizontal and
vertical water infiltration in saturated/unsaturated soils considering
time-varying rainfall, Comput. Geotech., 39, 66–72,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2011.08.008" ext-link-type="DOI">10.1016/j.compgeo.2011.08.008</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib15"><label>15</label><mixed-citation>Illas, T. S., Thomas, Z. S., and Andreas, P. C.: Water table fluctuation in
aquifers overlying a semi-impervious layer due to transient recharge from a
circular basin, J. Hydrol., 348, 215–223, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib16"><label>16</label><mixed-citation>Kroszynski, U. I. and Dagan, G.: Well pumping in unconfined aquifers: The
influence of the unsaturated zone, Water Resour. Res., 11, 479–490,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/WR011i003p00479" ext-link-type="DOI">10.1029/WR011i003p00479</ext-link>, 1975.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib17"><label>17</label><mixed-citation>Liang, X. Y., Zhan, H. B., Zhang, Y.-K., and Liu, J.: On the coupled
unsaturated–saturated flow process induced by vertical, horizontal, and slant
wells in unconfined aquifers, Hydrol. Earth Syst. Sci., 21, 1251–1262,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-21-1251-2017" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-21-1251-2017</ext-link>, 2017a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib18"><label>18</label><mixed-citation>Liang, X. Y., Zhan, H. B., Zhang, Y. K., and Schilling, K.: Base flow
recession from unsaturated-saturated porous media considering lateral
unsaturated discharge and aquifer compressibility, Water Resour. Res., 53,
7832–7852, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/2017WR020938" ext-link-type="DOI">10.1002/2017WR020938</ext-link>, 2017b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib19"><label>19</label><mixed-citation>Marino, M. A.: Hele-Shaw model study of the growth and decay of groundwater
ridges, J. Geophys. Res., 72, 1195–1205, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/JZ072i004p01195" ext-link-type="DOI">10.1029/JZ072i004p01195</ext-link>, 1967.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib20"><label>20</label><mixed-citation>Mathias, S. A. and Butler, A. P.: Linearized Richards' equation approach to
pumping test analysis in compressible aquifers, Water Resour. Res., 42,  W06408.
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2005WR004680" ext-link-type="DOI">10.1029/2005WR004680</ext-link>,
2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib21"><label>21</label><mixed-citation>Mishra, P. K. and Neuman, S. P.: Improved forward and inverse analyses of
saturated-unsaturated flow toward a well in a compressible unconfined
aquifer, Water Resour. Res., 46, W07508, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2009wr008899" ext-link-type="DOI">10.1029/2009wr008899</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib22"><label>22</label><mixed-citation>Mishra, P. K. and Neuman, S. P.: Saturated-unsaturated flow to a well with
storage in a compressible unconfined aquifer, Water Resour. Res., 47, W05553,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2010wr010177" ext-link-type="DOI">10.1029/2010wr010177</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib23"><label>23</label><mixed-citation>Mishra, P. K., Vesselinov, V. V., and Kuhlman, K. L.: Saturated-unsaturated
flow in a compressible leaky-unconfined aquifer, Adv. Water Resour., 42,
62–70, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib24"><label>24</label><mixed-citation>Munevar, A. and Marino, M. A.: Modeling analysis of ground water recharge
potential on alluvial fans using limited data, Ground Water, 37, 649–659,
1999.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib25"><label>25</label><mixed-citation>Philip, J. R.: Theory of infiltration, Adv. Hydrosci., 5, 215–305, 1969.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib26"><label>26</label><mixed-citation>
Protopapas, A. L. and Bras, R. L.: Analytical solutions for unsteady
multidimensional infiltration in heterogeneous soils, Water Resour. Res., 27,
1029–1034, 1991.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib27"><label>27</label><mixed-citation>Richards, L. A.: Capillary conduction of liquids through porous mediums,
J. Appl. Phys., 1, 318-333, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1063/1.1745010" ext-link-type="DOI">10.1063/1.1745010</ext-link>, 1931.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib28"><label>28</label><mixed-citation>Scudeler, C., Pangle, L., Pasetto, D., Niu, G.-Y., Volkmann, T., Paniconi,
C., Putti, M., and Troch, P.: Multiresponse modeling of variably saturated
flow and isotope tracer transport for a hillslope experiment at the Landscape
Evolution Observatory, Hydrol. Earth Syst. Sci., 20, 4061–4078,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-20-4061-2016" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-20-4061-2016</ext-link>, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib29"><label>29</label><mixed-citation>Shi, P. F., Yang, T., Zhang, K., Tang, Q. H., Yu, Z. B., and Zhou, X. D.:
Large-scale climate patterns and precipitation in an arid endorheic region:
linkage and underlying mechanism, Environ. Res. Lett., 11, 044006,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/4/044006" ext-link-type="DOI">10.1088/1748-9326/11/4/044006</ext-link>,
2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib30"><label>30</label><mixed-citation>Siltecho, S., Hammecker, C., Sriboonlue, V., Clermont-Dauphin, C., Trelo-ges,
V., Antonino, A. C. D., and Angulo-Jaramillo, R.: Use of field and laboratory
methods for estimating unsaturated hydraulic properties under different land
uses, Hydrol. Earth Syst. Sci., 19, 1193–1207,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-19-1193-2015" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-19-1193-2015</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <?pagebreak page3963?><ref id="bib1.bib31"><label>31</label><mixed-citation>Singh, S. K.: Rate and volume of stream flow depletion due to unsteady
pumping, J. Irrig. Drain. E.-Asce, 131, 539–545, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib32"><label>32</label><mixed-citation>Srivastava, R. and Yeh, T. C. J.: Analytical solutions for one-dimensional,
transient infiltration toward the water-table in homogeneous and layered
soils, Water Resour. Res., 27, 753–762, 1991.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib33"><label>33</label><mixed-citation>Stehfest, H.: Numerical inversion of Laplace transforms, Commun. ACM, 13,
47–49, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1145/361953.361969" ext-link-type="DOI">10.1145/361953.361969</ext-link>, 1970.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib34"><label>34</label><mixed-citation>Tartakovsky, G. D. and Neuman, S. P.: Three-dimensional
saturated-unsaturated flow with axial symmetry to a partially penetrating
well in a compressible unconfined aquifer, Water Resour. Res., 43, W01410,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2006WR005153" ext-link-type="DOI">10.1029/2006WR005153</ext-link>,
2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib35"><label>35</label><mixed-citation>Tracy, F. T.: Three-dimensional analytical solutions of Richards' equation
for a box-shaped soil sample with piecewise-constant head boundary conditions
on the top, J. Hydrol., 336, 391–400, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib36"><label>36</label><mixed-citation>Wang, H. and Li, J.: Analytical solutions to the one-dimensional coupled
seepage and deformation of unsaturated soils with arbitrary nonhomogeneous
boundary conditions, Transport Porous. Med., 108, 481–496,
10.1007/s11242-015-0485-x, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib37"><label>37</label><mixed-citation>Wang, X.-S., Ma, M.-G., Li, X., Zhao, J., Dong, P., and Zhou, J.: Groundwater
response to leakage of surface water through a thick vadose zone in the
middle reaches area of Heihe River Basin, in China, Hydrol. Earth Syst. Sci.,
14, 639–650, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-14-639-2010" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-14-639-2010</ext-link>, 2010.
</mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bib38"><label>38</label><mixed-citation>Warrick, A. W.: Analytical solutions to the one-dimensional linearized
moisture flow equation for arbitrary input, Soil Sci., 120, 79–84, 1975.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib39"><label>39</label><mixed-citation>Wolfram, S.: The Mathematica Book, 3rd Edn., Cambridge University Press,
Cambridge, England, 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib40"><label>40</label><mixed-citation>Wu, L. Z., Zhang, L. M., and Huang, R. Q.: Analytical solution to 1D coupled
water infiltration and deformation in two-layer unsaturated soils, Int. J.
Numer. Anal. Met., 36, 798–816, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib41"><label>41</label><mixed-citation>Wu, L. Z., Selvadurai, A. P. S., and Huang, R. Q.: Two-dimensional coupled
hydromechanical modeling of water infiltration into a transversely isotropic
unsaturated soil region, Vadose Zone J., 12,  vzj2013.04.0072, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.2136/vzj2013.04.0072" ext-link-type="DOI">10.2136/vzj2013.04.0072</ext-link>,
2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib42"><label>42</label><mixed-citation>Yang, T., Wang, C., Chen, Y. N., Chen, X., and Yu, Z. B.: Climate change and
water storage variability over an arid endorheic region, J. Hydrol., 529,
330–339, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib43"><label>43</label><mixed-citation>Yeh, H. D., Chang, Y. C., and Zlotnik, V. A.: Stream depletion rate and
volume from groundwater pumping in wedge-shape aquifers, J. Hydrol., 349,
501–511, 2008.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>Analysis of three-dimensional unsaturated–saturated flow induced by localized recharge in unconfined aquifers</article-title-html>
<abstract-html><p>In the process of groundwater recharge, surface water usually enters an
aquifer by passing an overlying unsaturated zone. Little attention has been
given to the development of analytical solutions to a coupled
unsaturated–saturated flow model due to localized recharge up to now. This
paper develops a mathematical model to depict three-dimensional transient
unsaturated–saturated flow in an unconfined aquifer with localized recharge
on the ground surface. The model contains Richards' equation for unsaturated
flow, a flow equation for saturated formation, and the Gardner constitutive
model describing the behavior of unsaturated soil properties. Both flow
equations are coupled through the continuity conditions of the head and flux
at the water table. The semi-analytical solution to the coupled flow model is
derived by the methods of Laplace transform and Fourier cosine transform. A
sensitivity analysis is performed to explore the head response to the change
in each of the aquifer parameters. A quantitative tool is presented to assess
the recharge efficiency signifying the percentage of the water from the
recharge to the aquifer. We found that the effect of unsaturated flow on the
saturated hydraulic head is negligible if two criteria associated with the
unsaturated soil properties and initial aquifer thickness are satisfied. The
head distributions predicted from the present solution match well with those
from finite-difference simulations. The predictions of the present solution
also agree well with the observed data from a field experiment at an
artificial recharge pond in Fresno County, California.</p></abstract-html>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>1</label><mixed-citation>
Bansal, R. K. and Teloglou, I. S.: An analytical study of groundwater
fluctuations in unconfined leaky aquifers induced by multiple localized
recharge and withdrawal, Global Nest J., 15, 394–407, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>2</label><mixed-citation>Batu, V.: Flow net for unsaturated infiltration from periodic strip sources,
Water Resour. Res., 16, 284–288, 1980.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>3</label><mixed-citation>Bear, J.: Hydraulics of Groundwater, McGraw-Hill, New York, 1979.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>4</label><mixed-citation>
Bianchi, W. C. and Haskell, E. E.: Field observations compared with
Dupuit-Forchheimer theory for mound heights under a recharge basin, Water
Resour. Res., 4, 1049–1057, <a href="https://doi.org/10.1029/WR004i005p01049" target="_blank">https://doi.org/10.1029/WR004i005p01049</a>, 1968.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>5</label><mixed-citation>
Chang, C.-H., Huang, C.-S., and Yeh, H.-D.: Technical Note: Three-dimensional
transient groundwater flow due to localized recharge with an arbitrary
transient rate in unconfined aquifers, Hydrol. Earth Syst. Sci., 20,
1225–1239, <a href="https://doi.org/10.5194/hess-20-1225-2016" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-20-1225-2016</a>, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>6</label><mixed-citation>Chang, Y. C. and Yeh, H. D.: Analytical solution for groundwater flow in an
anisotropic sloping aquifer with arbitrarily located multiwells, J. Hydrol.,
347, 143–152, 2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>7</label><mixed-citation>Chen, J. M., Tan, Y. C., Chen, C. H., and Parlange, J. Y.: Analytical
solutions for linearized Richards' equation with arbitrary time-dependent
surface fluxes, Water Resour. Res., 37, 1091–1093, 2001a.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>8</label><mixed-citation>Chen, J. M., Tan, Y. C., and Chen, C. H.: Multidimensional infiltration with
arbitrary surface fluxes, J. Irrig. Drain. E-Asce, 127, 370–377,
<a href="https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9437(2001)127:6(370)" target="_blank">https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9437(2001)127:6(370)</a>, 2001b.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>9</label><mixed-citation>Freeze, R. A. and Cherry, J. A.: Groundwater, Prentice-Hall, Englewood
Cliffs, New Jersey, 1979.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>10</label><mixed-citation>Gardner, W. R.: Some steady-state solutions of the unsaturated moisture flow
equation with application to evaporation from a water table, Soil Sci., 85,
228–232, 1958.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>11</label><mixed-citation>Gerald, C. F. and Wheatley, P. O.: Applied Numerical Analysis, 7th Edn.,
Pearson-Wesley, Boston, 2004.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>12</label><mixed-citation>Gilat, A. and Subramaniam, V.: Numerical Methods for Engineers and
Scientists: An Introduction with Applications Using MATLAB, John Wiley &amp;
Sons, Hoboken, New Jersey, 2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>13</label><mixed-citation>Glover, R. E.: Mathematical derivations as pertain to groundwater recharge,
Agricultural Research Service, US Department of Agriculture, Colorado, 1960.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>14</label><mixed-citation>Huang, R. Q. and Wu, L. Z.: Analytical solutions to 1-D horizontal and
vertical water infiltration in saturated/unsaturated soils considering
time-varying rainfall, Comput. Geotech., 39, 66–72,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2011.08.008" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2011.08.008</a>, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>15</label><mixed-citation>Illas, T. S., Thomas, Z. S., and Andreas, P. C.: Water table fluctuation in
aquifers overlying a semi-impervious layer due to transient recharge from a
circular basin, J. Hydrol., 348, 215–223, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>16</label><mixed-citation>Kroszynski, U. I. and Dagan, G.: Well pumping in unconfined aquifers: The
influence of the unsaturated zone, Water Resour. Res., 11, 479–490,
<a href="https://doi.org/10.1029/WR011i003p00479" target="_blank">https://doi.org/10.1029/WR011i003p00479</a>, 1975.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>17</label><mixed-citation>
Liang, X. Y., Zhan, H. B., Zhang, Y.-K., and Liu, J.: On the coupled
unsaturated–saturated flow process induced by vertical, horizontal, and slant
wells in unconfined aquifers, Hydrol. Earth Syst. Sci., 21, 1251–1262,
<a href="https://doi.org/10.5194/hess-21-1251-2017" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-21-1251-2017</a>, 2017a.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>18</label><mixed-citation>Liang, X. Y., Zhan, H. B., Zhang, Y. K., and Schilling, K.: Base flow
recession from unsaturated-saturated porous media considering lateral
unsaturated discharge and aquifer compressibility, Water Resour. Res., 53,
7832–7852, <a href="https://doi.org/10.1002/2017WR020938" target="_blank">https://doi.org/10.1002/2017WR020938</a>, 2017b.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>19</label><mixed-citation>Marino, M. A.: Hele-Shaw model study of the growth and decay of groundwater
ridges, J. Geophys. Res., 72, 1195–1205, <a href="https://doi.org/10.1029/JZ072i004p01195" target="_blank">https://doi.org/10.1029/JZ072i004p01195</a>, 1967.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>20</label><mixed-citation>Mathias, S. A. and Butler, A. P.: Linearized Richards' equation approach to
pumping test analysis in compressible aquifers, Water Resour. Res., 42,  W06408.
<a href="https://doi.org/10.1029/2005WR004680" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2005WR004680</a>,
2006.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>21</label><mixed-citation>Mishra, P. K. and Neuman, S. P.: Improved forward and inverse analyses of
saturated-unsaturated flow toward a well in a compressible unconfined
aquifer, Water Resour. Res., 46, W07508, <a href="https://doi.org/10.1029/2009wr008899" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2009wr008899</a>, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>22</label><mixed-citation>Mishra, P. K. and Neuman, S. P.: Saturated-unsaturated flow to a well with
storage in a compressible unconfined aquifer, Water Resour. Res., 47, W05553,
<a href="https://doi.org/10.1029/2010wr010177" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2010wr010177</a>, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>23</label><mixed-citation>Mishra, P. K., Vesselinov, V. V., and Kuhlman, K. L.: Saturated-unsaturated
flow in a compressible leaky-unconfined aquifer, Adv. Water Resour., 42,
62–70, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>24</label><mixed-citation>Munevar, A. and Marino, M. A.: Modeling analysis of ground water recharge
potential on alluvial fans using limited data, Ground Water, 37, 649–659,
1999.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>25</label><mixed-citation>Philip, J. R.: Theory of infiltration, Adv. Hydrosci., 5, 215–305, 1969.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>26</label><mixed-citation>
Protopapas, A. L. and Bras, R. L.: Analytical solutions for unsteady
multidimensional infiltration in heterogeneous soils, Water Resour. Res., 27,
1029–1034, 1991.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>27</label><mixed-citation>Richards, L. A.: Capillary conduction of liquids through porous mediums,
J. Appl. Phys., 1, 318-333, <a href="https://doi.org/10.1063/1.1745010" target="_blank">https://doi.org/10.1063/1.1745010</a>, 1931.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>28</label><mixed-citation>
Scudeler, C., Pangle, L., Pasetto, D., Niu, G.-Y., Volkmann, T., Paniconi,
C., Putti, M., and Troch, P.: Multiresponse modeling of variably saturated
flow and isotope tracer transport for a hillslope experiment at the Landscape
Evolution Observatory, Hydrol. Earth Syst. Sci., 20, 4061–4078,
<a href="https://doi.org/10.5194/hess-20-4061-2016" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-20-4061-2016</a>, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>29</label><mixed-citation>Shi, P. F., Yang, T., Zhang, K., Tang, Q. H., Yu, Z. B., and Zhou, X. D.:
Large-scale climate patterns and precipitation in an arid endorheic region:
linkage and underlying mechanism, Environ. Res. Lett., 11, 044006,
<a href="https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/4/044006" target="_blank">https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/4/044006</a>,
2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>30</label><mixed-citation>
Siltecho, S., Hammecker, C., Sriboonlue, V., Clermont-Dauphin, C., Trelo-ges,
V., Antonino, A. C. D., and Angulo-Jaramillo, R.: Use of field and laboratory
methods for estimating unsaturated hydraulic properties under different land
uses, Hydrol. Earth Syst. Sci., 19, 1193–1207,
<a href="https://doi.org/10.5194/hess-19-1193-2015" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-19-1193-2015</a>, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>31</label><mixed-citation>Singh, S. K.: Rate and volume of stream flow depletion due to unsteady
pumping, J. Irrig. Drain. E.-Asce, 131, 539–545, 2005.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>32</label><mixed-citation>Srivastava, R. and Yeh, T. C. J.: Analytical solutions for one-dimensional,
transient infiltration toward the water-table in homogeneous and layered
soils, Water Resour. Res., 27, 753–762, 1991.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>33</label><mixed-citation>Stehfest, H.: Numerical inversion of Laplace transforms, Commun. ACM, 13,
47–49, <a href="https://doi.org/10.1145/361953.361969" target="_blank">https://doi.org/10.1145/361953.361969</a>, 1970.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>34</label><mixed-citation>Tartakovsky, G. D. and Neuman, S. P.: Three-dimensional
saturated-unsaturated flow with axial symmetry to a partially penetrating
well in a compressible unconfined aquifer, Water Resour. Res., 43, W01410,
<a href="https://doi.org/10.1029/2006WR005153" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2006WR005153</a>,
2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>35</label><mixed-citation>Tracy, F. T.: Three-dimensional analytical solutions of Richards' equation
for a box-shaped soil sample with piecewise-constant head boundary conditions
on the top, J. Hydrol., 336, 391–400, 2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib36"><label>36</label><mixed-citation>Wang, H. and Li, J.: Analytical solutions to the one-dimensional coupled
seepage and deformation of unsaturated soils with arbitrary nonhomogeneous
boundary conditions, Transport Porous. Med., 108, 481–496,
10.1007/s11242-015-0485-x, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib37"><label>37</label><mixed-citation>
Wang, X.-S., Ma, M.-G., Li, X., Zhao, J., Dong, P., and Zhou, J.: Groundwater
response to leakage of surface water through a thick vadose zone in the
middle reaches area of Heihe River Basin, in China, Hydrol. Earth Syst. Sci.,
14, 639–650, <a href="https://doi.org/10.5194/hess-14-639-2010" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-14-639-2010</a>, 2010.

</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib38"><label>38</label><mixed-citation>Warrick, A. W.: Analytical solutions to the one-dimensional linearized
moisture flow equation for arbitrary input, Soil Sci., 120, 79–84, 1975.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib39"><label>39</label><mixed-citation>Wolfram, S.: The Mathematica Book, 3rd Edn., Cambridge University Press,
Cambridge, England, 1996.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib40"><label>40</label><mixed-citation>Wu, L. Z., Zhang, L. M., and Huang, R. Q.: Analytical solution to 1D coupled
water infiltration and deformation in two-layer unsaturated soils, Int. J.
Numer. Anal. Met., 36, 798–816, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib41"><label>41</label><mixed-citation>Wu, L. Z., Selvadurai, A. P. S., and Huang, R. Q.: Two-dimensional coupled
hydromechanical modeling of water infiltration into a transversely isotropic
unsaturated soil region, Vadose Zone J., 12,  vzj2013.04.0072, <a href="https://doi.org/10.2136/vzj2013.04.0072" target="_blank">https://doi.org/10.2136/vzj2013.04.0072</a>,
2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib42"><label>42</label><mixed-citation>Yang, T., Wang, C., Chen, Y. N., Chen, X., and Yu, Z. B.: Climate change and
water storage variability over an arid endorheic region, J. Hydrol., 529,
330–339, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib43"><label>43</label><mixed-citation>Yeh, H. D., Chang, Y. C., and Zlotnik, V. A.: Stream depletion rate and
volume from groundwater pumping in wedge-shape aquifers, J. Hydrol., 349,
501–511, 2008.
</mixed-citation></ref-html>--></article>
