Mitigation of aquatic nonpoint- source QFTUJDJEF pollution with

151 Pages·2011·3.88 MB·German

Mitigation of aquatic nonpoint-
source pollution with
(cid:81)(cid:70)(cid:84)(cid:85)(cid:74)(cid:68)(cid:74)(cid:69)(cid:70)(cid:1)
reatment systems
(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:87)(cid:70)(cid:72)(cid:70)(cid:85)(cid:66)(cid:85)(cid:70)(cid:69)(cid:1)(cid:85)

Dissertation
(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)

Z(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:91)ur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften

(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)Fachbereich 7: Natur- und Umweltwissenschaften
(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)Universität Koblenz-Landau
(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)Campus Landau
(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)vorgelegt
(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)am 26.10.2011

(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)von David Elsaesser
(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)geb. am 14. Januar 1978 in Mannheim

(cid:1)
(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)Referent: Prof. Dr. Ralf Schulz
(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)Korreferent: Jun.-Prof. Dr. Ralf Schäfer
1

Earth is a water planet on which the quality of
water defines the quality of life.
Good water, good life.
Poor Water, poor life.
No water, no life.
Sir Peter Blake, Nairobi 2001

2
Danksagung . 3

Danksagung
Danksagung .
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des EU-Life Projekts ArtWET am Institut für
Umweltwissenschaften der Universität Koblenz-Landau, Campus Landau verfasst. Allen
Menschen die mich in dieser Zeit unterstützt haben möchte ich danken.
Ralf Schulz für die intensive wissenschaftliche Betreuung mit zahlreichen Gesprächen und
die konstruktive Kritik,
Lena Elsaesser für die viele geschenkte Zeit, die ich mit dem Verfassen dieser Arbeit
verbracht habe, die unzähligen Gespräche, die die Arbeit auf eine allgemeinverständliche
Basis gebracht haben und für die Korrekturarbeit,
Christoph Stang für die Hilfe bei der Versuchsvorbereitung, Durchführung und Analyse,
für die Gespräche und Korrektur,
Sebastian Stehle für die Hilfe bei der Statistik und Korrektur,
Ralf Schäfer und Jochen Zubrod für die Hilfe im faszinierenden Nebelwald der Statistik,
Therese Bürgi für die Unterstützung im Labor und
Jone Kammerer für die Hilfe bei allen organisatorischen Fragen.
Meinen Kindern Johanna, Jakob und Leah für die vielen Stunden, in denen ich mich nicht
mit ihnen beschäftigen konnte.
Vinay Mathew und Uli Elsaesser danke ich für die Korrektur der fertigen Arbeit und den
Feinschliff der Sprache.
Ute und Uli Elsaesser danke ich für die finanzielle Unterstützung in meinem Studium und
für anregende Gespräche und konstruktive Kritik.
Für praktische Hilfe bei der Feldarbeit und im Labor danke ich Anne-Grete Buseth
Blankenberg, Mirco Bundschuh, Daniel Futterer, Anna Geist, Eva Hauck, Trond Mæhlum,
Svenja Müßigbrodt, Ben Stisser, und und vielen weiteren Personen.
Für anregende Diskussionen und für Kritik und Korrektur von Teilen der Arbeit danke ich
Erin Bennett, Renja Bereswill, Mirco Bundschuh, Carsten Brühl, Cédrick Chaumont, James
Dabrowski, Lore Elsaesser, Caroline Gregoire, Gwenaël Imfeld, Jens Lange, Robert Mose,
Elodie Passeport, Sylvain Payraudeau, Tobias Schütz, Julien Tournebize, Horst Tremp,
Bernard Vincent, Adrien Wanko und allen anderen Kollegen meiner Arbeitsgruppe und im
Projekt ArtWET.
4
List of Abbreviations . 5

List of abbreviations
List of Abbreviations .
ArtWET EU-Life Project "Mitigation of agricultural nonpoint-source pesticides
pollution and phytoremediation in artificial wetland ecosystems"
CLC Corine land cover
Corine Coordinated Information on the European Environment programme
CREAMS Chemicals, Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems
DP detention pond
DRIPS Drainage Spraydrift and Runoff Input of Pesticides in Surface Waters
DSS decision support system
DT Half life
50
EC median effective concentration
50
EPIC Erosion-Productivity Impact Calculator
EU European Union
GIS geographic information system
HLR hydraulic loading rate (m³/d)
HRT hydraulic retention time (min)
K coefficient of sorption to organic carbon ml/g
OC
LC median lethal concentration
50
log K logP
ow
logP logarithm (base-10) of the partition coefficient of n-octanol and water
LOQ limit of quantification
NaCl sodium chloride - salt
OECD Organisation for Economic Co-operation and Development
PEC predicted environmental concentration (µ/L)
REXTOX ratio of exposure to toxicity
SCS Soil Conservation Service of the USDA
SPE solid phase extraction
SRTM shuttle radar topography mission
SWAT Surface Water Attenuation
SWIM Soil and Water Integrated Model
TOC total organic carbon content
TU toxic unit
USDA United States (of America) Department of Agriculture
USLE Universal Soil Loss Equation
VD vegetated ditch
VTS vegetated surface flow treatments systems
6
Content . 7

Content

Danksagung ................................................................................................................................................................. 3

List of abbreviations ................................................................................................................................................. 5

Publications of the cumulative dissertation ................................................................................................. 9

Summary .................................................................................................................................................................... 10

Zusammenfassung ................................................................................................................................................. 12

I. Introduction .............................................................................................................................................. 15

1.1 Problem definition and Objectives ....................................................................................... 15

1.2 Scientific background .............................................................................................................. 16

1.3 Tasks of the study ....................................................................................................................... 21

2. Experiments .......................................................................................................................................................... 23

2.1 Studies at the experimental vegetated ditch mesocosm in Landau ........................ 23

2.2 Studies at the experimental vegetated wetlands in Lier/Norway ........................... 27

2.3 Tracer studies in vegetated ditches ..................................................................................... 31

3. Field monitoring .................................................................................................................................................. 35

4. Simulation on European Scale...................................................................................................................... 43

4.1 Risk of runoff-related pesticide exposure – the ArtWET exposure tool .................. 43

4.2 Simulation of mitigation measures – The ArtWET mitigation simulator ............ 46

5. Conclusion .............................................................................................................................................................. 53

5.1 Synthesis of the results ............................................................................................................ 53

5.2 Outlook ......................................................................................................................................... 55

6. References .............................................................................................................................................................. 57

Appendix .................................................................................................................................................................... 67

I. Papers: Experiments .......................................................................................................................................... 67

Paper 1: Experimental vegetated ditches ................................................................................ 67

Paper 2: Experiments at the Lier wetlands ............................................................................. 81

II. Paper: Field monitoring .................................................................................................................................. 99

Paper 3: Fungicides in detention ponds and vegetated ditches ..................................... 99

III. Papers: GIS-tools ............................................................................................................................................... 117

Paper 4: Risk Map ........................................................................................................................... 117

Paper 5: Spatial DSS ........................................................................................................................125

IV. Publication record ........................................................................................................................................... 141

IV. Publication record .................................................................................................................... 141

Peer reviewed Publications related to the study ................................................................. 141

Conference contributions ........................................................................................................... 142

V. Erklärung ............................................................................................................................................................. 145

VI. Curriculum vitae ............................................................................................................................................. 147

VII. Supporting material on DVD .................................................................................................................. 149

Content .
8