Aus dem Institut für Natur- und Ressourcenschutz der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel INTEGRATED MONITORING, ASSESSMENT AND MODELING OF NITROGEN AND PHOSPHORUS POLLUTION IN A LOWLAND CATCHMENT IN GERMANY A long-term study on water quality Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Agrar- und Ernährungswissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel vorgelegt von M.Sc. Cristiano Andre Pott aus Panambi, Brasilien Kiel, 2014 ___________________________________________________________________________ Dekan: Prof. Dr. Dr. h.c. Rainer Horn 1. Berichterstatter: Prof. Dr. Nicola Fohrer 2. Berichterstatter: Prof. Dr. Hans-Rudolf Bork Tag der mündlichen Prüfung: 29.01.2014 Integrated monitoring, assessment and modeling of N and P pollution in a lowland catchment in Germany Gedruckt mit Genehmigung der Agrar- und Ernährungswissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Summary SUMMARY Water pollution caused by nitrogen (N) and phosphorus (P) is originated by diffuse and point sources. The point pollution is linked to wastewater from domestic and industrial sewage, whereas diffuse pollution is mainly from rural areas with agriculture and livestock. The monitoring, assessment and modeling of N and P in a lowland catchment were carried out to verify the development of N and P pollution over the last 20 years, and to develop mitigation alternatives to reduce N and P concentrations into rivers. In this study, 462 km² of the upper part of the Stör catchment, a typical rural lowland catchment located in Northern Germany was investigated. The data sets of water quality used in this study were: (i) a monthly water quality monitoring campaign from August 2009 until July 2011 in 21 sampling points, (ii) a daily monitoring campaign using an automatic water sampler located at the outlet of the study area from August 2009 until August 2011, (iii) a monthly water quality campaign from the wastewater treatment plants (WWTPs) from December 2009 until August 2010 (Honsel, 2011; Redeker, 2011), and (iv) a historical monthly water quality campaign from March 1991 until March 1995 in 21 sampling points (Ripl et al., 1996). The main water quality parameters analyzed were: total phosphorus (TP), soluble orthophosphate-phosphorus (PO4-P), particulate phosphorus (PP), total nitrogen (TN), nitrate-nitrogen (NO3-N), ammonium- nitrogen (NH4-N) and total suspended sediment (TSS). TP, PO4-P, TN, NO3-N and NH4-N concentrations were ranked according to the German LAWA classification to compare the data with the Water Framework Directive (WFD) targets. The ecohydrological model Soil and Water Assessment Tool (SWAT, Arnold et al., 1998) was used to simulate water balance, sediment load and nutrient load (NO3-N and TN). Also, a historical scenario of 1990s and future alternative scenarios were simulated. The results show an improvement in water quality for TP, TN and NO3-N from 1991-1995 compared to 2009-2011. Nevertheless, TP, TN, NO3- N and NH4-N concentrations did not reach the standards set by the WFD. Only PO4-P i Integrated monitoring, assessment and modeling of N and P pollution in a lowland catchment in Germany concentration is ranked as moderately polluted agreeing with the WFD targets. The monthly and daily data set showed a typical seasonal variability of water quality with higher N and P concentration in winter. Currently, PP represents the major part of TP pollution and is highly dependent on TSS. 92% of TP load originates from diffuse sources. NO3-N represents the major part of N pollution, 94% from NO3-N load is from diffuse sources. The major part of NH4-N load comes from WWTPs (61%). The results of modeling with the SWAT model showed a good performance for calibration and validation of daily discharge at three gauging stations of the upper Stör catchment. The calibration and validation of sediment and nutrient (NO3-N and TP) load were successful simulated with the SWAT model. In order to use the SWAT model to explain the improvement of TP and NO3-N load over the last 20 years, a historical scenario representing the decade of 1990 was simulated. The TP and NO3-N load of the historical scenario were simulated satisfactorily. The quantity of fertilizer and application calendar of management practices were the main necessary changes to achieve a satisfactory model performance of the historical scenario. Based on the development of the actual land use and of the historical scenario, best management practices (BMPs) scenarios were proposed to reduce N and P pollution in the upper Stör catchment. The most effective practices to minimize the NO3-N and TP load were the reduction of N and P fertilizer application and the increasing of conservation areas, such as field filter strips. Hydrological processes that affect the N and P transport processes are complex and the ecohydrological SWAT model can help to explain N and P changes which occur in the watershed. Also, the SWAT model can help catchment managers to identify suitable BMPs, and thus improve the water quality in surface aquatic systems in the future. ii Zusammenfassung INTEGRIERTE MESSUNG, MODELLIERUNG UND BEWERTUNG DER STICKSTOFF- UND PHOSPHORBELASTUNG IN EINEM TIEFLANDEINZUGSGEBIET IN DEUTSCHLAND: Eine Langzeitstudie zur Wasserqualität ZUSAMMENFASSUNG Stickstoff- (N) und Phosphorbelastungen (P) in Gewässern stammen aus diffusen und punktuellen Quellen. Die Punktquellen resultieren aus hauptsächlich Haushaltsabwässern und industriellen Abwässern, während der diffuse Austrag hauptsächlich aus landwirtschaftlicher Nutzung stammt. Die Überwachung, die Bewertung und die Modellierung von N und P in einem Tieflandeinzugsgebiet wurden durchgeführt, um die Entwicklung von N- und P- Belastung in den letzten 20 Jahren zu überprüfen, und Maßnahmen zur Reduzierung von N- und P-Konzentrationen in Fliessgewässern zu entwickeln. In dieser Studie wurden 462 km² des oberen Stör-Einzugsgebietes, einem typischen Tieflandeinzugsgebiet im Norden Deutschlands, betrachtet. Die in dieser Studie verwendeten Wasserqualitätsdaten stammen aus: (i) monatlichen Kampagnen zur Überwachung der Wasserqualität von August 2009 bis Juli 2011 an 21 Messstellen, (ii) einer Kampagne mit täglicher Auflösung mit einem automatischen Wasserprobenehmer am Auslass des Untersuchungsgebietes von August 2009 bis August 2011, (iii) einer monatliche Wasserqualitätskampagne aus den Kläranlagen von Dezember 2009 bis August 2010 (Honsel, 2011; Redeker, 2011), und (iv) einer historischen monatlichen Wasserqualitätskampagne von März 1991 bis März 1995 an 21 Messstellen (Ripl et al., 1996). Die wichtigsten analysierten Wasserqualitätsparameter waren: Gesamt-Phosphor (TP), lösliches Orthophosphat-Phosphor (PO4-P), partikulärer Phosphor (PP), Gesamt- Stickstoff (TN), Nitrat-Stickstoff (NO3-N), Ammonium-Stickstoff (NH4-N) und das suspendierte Sediment (TSS). TP, PO4-P, TN, NO3-N und NH4-N Konzentrationen wurden im Rahmen der Vorgaben der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) eingeordnet, um sie mit Zielvorgabe der Wasserrahmenrichtlinie (WFD) zu vergleichen. Das ökohydrologische Modell SWAT wurde verwendet, um den Wasserhaushalt, die Sedimentfracht und die Nährstoffbelastung (NO3-N und TN) zu simulieren. Auch ein historisches Szenario der 1990er Jahre und alternative Szenarien wurden simuliert. Die Ergebnisse zeigen eine Verbesserung der Wasserqualität für TP, TN und NO3-N von 1991-1995 im Vergleich zu 2009-2011. TP, TN, iii Integrated monitoring, assessment and modeling of N and P pollution in a lowland catchment in Germany NO3-N und NH4-N-Konzentrationen erreichten nicht die Standards der WFD. Lediglich die PO4-P Konzentration kann nach LAWA als mäßig belastet eingestuft werden und erfüllt damit die Anforderungen der WFD. Die Monats- und Tageswerte zeigten eine typische saisonale Variabilität der Wasserqualität mit höheren N- und P-Konzentrationen im Winter. Derzeit stellt PP den Hauptteil der TP-Belastung und ist stark von TSS abhängig. 92% der TP- Belastung kommt aus diffusen Quellen. NO3-N stellt den größten Teil der N-Belastung, 94% der NO3-N-Belastung kommt aus diffusen Quellen. Der größte Teil der NH4-N-Belastung kommt aus Kläranlagen (61%). Die Ergebnisse der SWAT-Modellierung zeigten eine gute Kalibrierungs- und Validierungsgüte des täglichen Abflusses an den drei Messstationen des oberen Stör-Einzugsgebietes. Monatliche Sedimentfracht, NO3-N- und TP-Belastung wurden für den Kalibrierungs- und Validierungszeitraum mit dem SWAT Modell erfolgreich simuliert. Die Simulation des historischen Szenarien repräsentiert das 1990er Jahren und wurde simuliert, indem nur die Landnutzungskarte und die Managementpraktiken verändert wurden, um die Verbesserung von TP und NO3-N in den letzten 20 Jahren mit dem SWAT-Modell zu erklären. Die TP- und NO3-N-Belastung des historischen Szenarien wurden zufriedenstellend simuliert. Die Düngermenge und die Zeitpunkte der Managementmaßnahmen waren die wichtigsten notwendigen Änderungen, um eine zufriedenstellende Modellgüte des historischen Szenario zu erreichen. Basierend auf der Entwicklung der aktuellen und historischen Szenarien wurden neue Szenarien zu den bestmöglichen Managementmaßnahmen (BMPs) vorgeschlagen, um die N- und P-Belastung im oberen Stör- Einzugsgebiet zu reduzieren. Die effektivste Maßnahmen, um die NO3-N- und TP-Belastung zu minimieren, waren durch die Reduktion der N-und P-Düngung und die Einrichtung bzw. der Ausweitung von Schutzstreifen, wie z. B. Ackerrandstreifen, zu erzielen. Hydrologische Prozesse, die die N- und P-Prozesse beeinflussen,