Mitigation of aquatic nonpoint- source QFTUJDJEFpollution with WFHFUBUFEUreatment systems Dissertation Z[ur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften Fachbereich 7: Natur- und Umweltwissenschaften Universität Koblenz-Landau Campus Landau vorgelegt am 26.10.2011 von David Elsaesser geb. am 14. Januar 1978 in Mannheim Referent: Prof. Dr. Ralf Schulz 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 DT50 Half life EC50 median effective concentration EPIC Erosion-Productivity Impact Calculator EU European Union GIS geographic information system HLR hydraulic loading rate (m³/d) HRT hydraulic retention time (min) KOC coefficient of sorption to organic carbon ml/g LC50 median lethal concentration log Kow logP 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 Publications of the