Architektur¶

Modulübersicht¶

config.yaml                  ← Zentrale Konfigurationsdatei (YAML)
        │
        ▼
config.py                    ← Config-Loader (Validierung, Pfadauflösung)
        │
        ▼
Paths_and_params.py          ← Kompatibilitäts-Wrapper
        │
        ▼
WorldQual_Lite_TP.py         ← Hauptmodul (Frachtberechnung)
        │
        ├── BinaryFileHandler.py    ← UNF-Datei I/O
        │
        └── InputDataFetchFunctions.py  ← DB/CSV-Datenzugriff
                │
                ├── .env             ← Datenbankzugangsdaten (nicht in Git)
                └── MySQL oder CSV-Dateien

BasinDelineation.py          ← Einzugsgebiets-Definition (eigenständig)

Datenfluss¶

[UNF-Dateien]──────────────┐
  Oberflächenabfluss        │
  Urbaner Abfluss           │    ┌─────────────────────┐
  Viehdichte                ├───►│                     │
  Korrekturfaktoren         │    │  WorldQual_Lite_TP  │
  P-Raten, Cropland         │    │                     │
  Zellfläche, Erosion, ...  │    │  Für jede Zelle:    │
                            │    │  ├─ DomesticSewered │──► CSV
[DB/CSV]────────────────────┤    │  ├─ Manufacturing   │    (monatl./jährl.
  Bevölkerung               │    │  ├─ Fertilizer      │     Frachten)
  Emissionsfaktoren         ├───►│  ├─ Livestock       │
  Kläranlagen-Raten         │    │  ├─ Scattered       │──► Plot
  Entfernungsraten          │    │  ├─ Atm. Deposition │    (Stacked Bar)
  Konzentration Industrie   │    │  ├─ Chem. Weather.  │
  Vieh-Exkretionsraten      │    │  └─ Urban Runoff    │──► RMSE, R²
                            │    │                     │
[Einzugsgebiets-Zellenliste]─────────┘    └─────────────────────┘

Berechnungslogik¶

Hauptschleife¶

Das Modell iteriert über Jahre. Pro Jahr:

Datenladen: UNF-Dateien für das aktuelle Jahr lesen (Abfluss, Vieh, Korrekturfaktoren, etc.)
Zellschleife: Für jede Zelle im Einzugsgebiet und jeden Monat:
- 8 Frachtkomponenten berechnen
- Erosionsanteil anwenden (Cell_Yearly_ErodedPortion)
- Auf Einzugsgebiet aufsummieren
Retention: Auf die Gesamtfracht den Retentionsfaktor anwenden (Load_After_Retention_factor)
Output: CSV schreiben, Plot erzeugen

Erosionsmodell (Fink et al.)¶

Diffuse Quellen (Dünger, Vieh, Deposition, Verwitterung) unterliegen einem Erosionskoeffizienten:

ErodedPortion = Lmax × (1 - exp(-(SR/a)^b)) + c × SoilErosion × P_input

Dabei ist: - SR = Oberflächenabfluss [mm/a] - Lmax, a, b, c = Kalibrierungsparameter - SoilErosion = Bodenerosionsrate [kg/km²/a] - P_input = P-Eintrag in den Boden

Retentionsmodell (Vollenweider)¶

Die Fracht am Einzugsgebietsauslass wird durch Retention in Wasserkörpern reduziert:

Load_out = Load_in / (1 + a × HL^b)

Dabei ist HL = Hydraulic Load = Q_out / Seefläche.

Behandlungseffizienz (Kläranlagen)¶

Für Punktquellen (Häuslich, Industrie):

Load_treated = Σ (Pop × ef × conn_level × (1 - rem_level)) × (1 - stp_failure)

Dabei werden 5 Behandlungsstufen unterschieden: unbehandelt, primär, sekundär, tertiär, quartär.

Streusiedlungen¶

Nicht angeschlossene Bevölkerung wird in 3 Kategorien aufgeteilt: - Behandelt (Kleinkläranlagen, Klärgruben) → Bodenentfernung angewandt - Hängende Latrinen → Direkter Eintrag - Offene Defäkation → Diffuser Eintrag über Abfluss

Vergleich mit WorldQual (Vollversion)¶

Aspekt	Vollversion (C++)	Lite (Python)
Frachtberechnung (wq_load)	Ja, identische Logik	Ja, portiert
Instream-Transport (worldqual)	Ja, Routing, Abbau, Seen	Nein
Statistik (wq_stat)	Ja, Stationsvergleich	Eingeschränkt, nur RMSE am Auslass
Erosionsmodell	Ja, Fink et al.	Ja, identisch
Retentionsmodell	Ja, physikbasiert	Vereinfacht (Vollenweider)
Multi-Parameter	Ja, 6 Parameter	Nein, nur TP
Parallelisierung	Nein, Single-Core	Nein, Single-Core