Abstract Although umpteen studies are available in the hydrologic literature for modeling the contaminant transports under steady flow conditions, similar trend is not seen while modeling this process under unsteady flow conditions and, thereby, limiting their field application for pollution monitoring in semi-gauged rivers. In this study, three simple model variants, namely, VPMM-AD(ΨD c ), VPMM-AD(ΦD f ) and VPMM-AD(D c ) were developed for unsteady state contaminant routing by tight-coupling the physically-based Variable Parameter McCarthy- Muskingum (VPMM) flow-transport sub-model with the Advection-Dispersion (AD) contaminant-transport sub-model. These model variants were extensively tested under unsteady and steady flow conditions using the numerical experiments, and USGS laboratory and real-world river application datasets considering the popular MIKE11-AD model as the benchmark. The study results revealed the consistent superior performance of the VPMM-AD(ψD c ) and VPMM-AD(ΦD f ) model variants over the benchmark model. The developed approach is a novel one as it is fully physically-based, free from numerical stability problem as the governing equations are solved iteratively, can work at meso-scale with the same computational space and time-steps in the flow and solute routings compatible with the spatiotemporal scales of observation, very simple to use, and do not compromise with the routing accuracy as encountered in the benchmark hydrodynamic model even with a fully implicit finite difference scheme.

中文翻译：

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用于河流瞬态流和非反应性污染物传输的嵌入式 VPMM-AD 模型

摘要 虽然在水文文献中有大量研究可用于模拟稳态流条件下的污染物传输，但在非稳态流条件下模拟这一过程时并没有看到类似的趋势，从而限制了它们在半流域污染监测的现场应用。在本研究中，通过紧密耦合基于物理的变量，开发了三个简单的模型变体，即 VPMM-AD(ΨD c )、VPMM-AD(ΦD f ) 和 VPMM-AD(D c )，用于非稳态污染物路由参数 McCarthy-Muskingum (VPMM) 流动传输子模型和对流扩散 (AD) 污染物传输子模型。这些模型变体在不稳定和稳定流动条件下使用数值实验进行了广泛测试，以流行的 MIKE11-AD 模型为基准的 USGS 实验室和真实河流应用数据集。研究结果表明，与基准模型相比，VPMM-AD(ψD c ) 和 VPMM-AD(ΦD f ) 模型变体具有一致的优越性能。所开发的方法是一种新颖的方法，因为它完全基于物理，没有数值稳定性问题，因为控制方程是迭代求解的，可以在中尺度下工作，流动中的计算空间和时间步长相同，溶质路由兼容具有观测的时空尺度，使用非常简单，并且即使使用完全隐式有限差分方案，也不会影响基准水动力模型中遇到的路由精度。研究结果表明，与基准模型相比，VPMM-AD(ψD c ) 和 VPMM-AD(ΦD f ) 模型变体具有一致的优越性能。所开发的方法是一种新颖的方法，因为它完全基于物理，没有数值稳定性问题，因为控制方程是迭代求解的，可以在中尺度下工作，流动中的计算空间和时间步长相同，溶质路由兼容具有观测的时空尺度，使用非常简单，并且即使使用完全隐式有限差分方案，也不会影响基准水动力模型中遇到的路由精度。研究结果表明，与基准模型相比，VPMM-AD(ψD c ) 和 VPMM-AD(ΦD f ) 模型变体具有一致的优越性能。所开发的方法是一种新颖的方法，因为它完全基于物理，没有数值稳定性问题，因为控制方程是迭代求解的，可以在中尺度下工作，流动中的计算空间和时间步长相同，溶质路由兼容具有观测的时空尺度，使用非常简单，并且即使使用完全隐式有限差分方案，也不会影响基准水动力模型中遇到的路由精度。