Protect groundwater from plant protection products : spatial distributed leaching modelling to identify agricultural areas with high risk for leaching : final report / by Michael Klein, Dr. Judith Klein (Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie, Schmallenberg), Dipl. Geoök. Sc. Kai Thomas, Dr. Matthias Trapp (RLP AgroScience, Institut für Agrarökologie, Neustadt/Weinstraße), Dr. Stephan Hannappel, Dipl. Geogr. Sven Seifert (HYDOR Consult GmbH, Berlin) ; on behalf of the German Environment Agency ; edited by: Section IV 1.3-2 Environmental Exposure and Groundwater Risk of Plant Protection Products - Dr. Wolfram König, Stephan Marahrens, Dr. Anne Osterwald
Download47.15 MB
Discovery
1972791559
URN
urn:nbn:de:gbv:3:2-123456789-1192488
DOI
ISBN
ISSN
Koordinaten
Skalierung
Beiträger
Körperschaft
Erschienen
Dessau-Roßlau : Umweltbundesamt, 2026
Umfang
1 Online-Ressource (290 Seiten, 47,15 MB) : Illustrationen, Diagramme
Ausgabevermerk
Sprache
eng
Anmerkungen
Report completed in: October 2025 // Corrections made to Table 106 in April 2026
Literaturverzeichnis: Seite 254-261
Sprache der Zusammenfassung: Englisch, Deutsch
Inhaltliche Zusammenfassung
The Federal Environment Agency is responsible for environmental risk assessment in the context of authorisation of plant protection products. The current groundwater exposure assessment at national level is based on the use of a single scenario. However, the harmonised tiered approach for the groundwater assessment in the EU aims to improve the prediction of leaching of plant protection products into groundwater in the future based on the method of spatially distributed leaching modelling (SDLM). Appropriate simulation models that can meet this requirement are currently missing or have not yet been sufficiently validated. The aim of the project was to investigate what adjustments are necessary at national level to ensure adequate and reliable prediction of the leaching potential of active substances and metabolites using the method of SDLM for the agricultural area in Germany. In this context, the implementation of additional processes of the water balance in the unsaturated soil zone in PELMO was investigated. Involving a panel of experts, it was decided to develop a new version of GeoPELMO DE that considers the processes of chromatographic flow (matrix flow), preferential flow (macropore flow), surface runoff and drainage. As a result, it was necessary to extensively review and adapt soil, climate and groundwater data available nationwide. Additional investigations were carried out using lysimeter studies and monitoring data from Denmark for a mean calibration of macropore flow in three soil classes. The influence of the additionally implemented processes on the soil water balance and the prediction of percolate water concentrations was analysed. Runoff and drainage had the greatest influence on the water mass balance. Macropore flow and the parametrisation of the organic carbon content in the subsoils had the greatest impact on the substance concentrations in the leachate. A percentile comparison showed that the results of the nationwide predicted leachate concentrations with GeoPELMO DE are more conservative than the currently used national approach based on the Hamburg scenario for a relatively high proportion of the active substances and metabolites investigated. This finding is independent of whether the FOCUS leaching approach based on matrix flow or an extended approach including runoff, macropore flow and drainage is used. However, the ranking of the FOCUS Hamburg scenario as a percentile of nationwide concentrations is lower when the modelling approach is supplemented by these three processes. This means that, in the lower tier groundwater exposure assessment based on the Hamburg scenario, the use of uncertainty factors would be necessary if higher tier simulations with the GeoPELMO DE model would to be used for regulatory purposes in the future. Such regulatory decisions have complex implications and should finally be based on comprehensive and extensive modelling results. Several alternative scenarios were selected from two model versions of GeoPELMO DE and tested on 11 real active substances and 34 metabolites. From a modelling perspective, it can be concluded that finally only spatial models like GeoPELMO DE are able to equally predict an accurate temporal and spatial percentile for all active substances and metabolites. Individual climate-soil-combinations can serve as an approximation, although in specific cases it must always be expected that there may be deviations from the results of a geo-version of the model. It remains therefore difficult to recommend the use of individual scenarios for different substance properties, crops or PPP application patterns based on the analyses carried out, especially since it was not possible to carry out a nationwide comparison with monitoring data within the framework of the project.
Das Umweltbundesamt ist im Rahmen der Zulassung von Pflanzenschutzmitteln für die Umweltrisikobewertung zuständig. Die aktuelle Expositionsbewertung Grundwasser auf nationaler Ebene basiert auf der Verwendung eines einzelnen Szenarios. Das in der EU harmonisierte Stufenkonzept für die Grundwasserbewertung sieht jedoch vor, Einträge von Pflanzenschutzmitteln ins Grundwasser zukünftig mit Hilfe räumlicher Modellabschätzungen besser vorhersagen zu können. Entsprechende Simulationsmodelle, welche diese Anforderung erfüllen können, fehlen bislang oder wurden bisher nicht ausreichend validiert. Das Ziel des Projekts war zu untersuchen, welche Anpassungen national erforderlich sind, um eine angemessene und zuverlässige Vorhersage des Versickerungspotenzials von Wirkstoffen und Metaboliten mit der Methode räumlicher Modellierung für die landwirtschaftliche Fläche in Deutschland zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang wurde die Implementierung zusätzlicher Prozesse des Wasserhaushalts in der ungesättigten Bodenzone in PELMO untersucht. Unter Einbeziehung eines Expertenrats wurde beschlossen, eine neue Version von GeoPELMO DE zu entwickeln, in der die Prozesse chromatographisches Fließen (Matrixfluss) und präferentielles Fließen (Makroporenfluss) sowie Oberflächenabfluss (Runoff) und Drainage berücksichtigt werden. Infolgedessen war eine umfangreiche Sichtung und Anpassung bundesweit verfügbarer Boden-, Klima- und Grundwasserdaten notwendig. Zusätzliche Untersuchungen wurden anhand von Lysimeterstudien und Monitoringdaten aus Dänemark für eine mittlere Kalibrierung des Makroporenflusses in drei Bodenklassen durchgeführt. Der Einfluss der zusätzlich implementierten Prozesse auf den Bodenwasserhaushalt und die Vorhersage von Sickerwasserkonzentrationen wurden analysiert. Runoff und Drainage zeigten den größten Einfluss auf den Wasserhaushalt. Der Makroporenfluss und die Parametrisierung des organischen Kohlenstoffgehalts in den Unterböden hatten die größten Auswirkungen auf die Stoffkonzentrationen im Sickerwasser. Ein Perzentil-Vergleich zeigte, dass die Ergebnisse der bundesweit vorhergesagten Sickerwasserkonzentrationen mit GeoPELMO DE für einen relativ hohen Anteil der untersuchten Wirkstoffe und Metaboliten konservativer sind als der derzeit verwendete nationale Ansatz auf Basis des Hamburg-Szenarios. Diese Erkenntnis ist unabhängig davon, ob der FOCUS-Versickerungsansatz mit Matrixfluss oder ein erweiterter Ansatz inklusive Oberflächenabfluss, Makroporenfluss und Drainage verwendet wird. Die Rangfolge des FOCUS-Hamburg-Szenarios als Perzentil der bundesweiten Konzentrationen fällt jedoch geringer aus, wenn der Modellierungsansatz um die drei Prozesse ergänzt wird. Das bedeutet, dass in der niedrigstufigen Expositionsbewertung Grundwasser anhand des Hamburg-Szenarios die Verwendung von Unsicherheitsfaktoren erforderlich wäre, wenn zukünftig höherstufige Simulationen mit dem Modell GeoPELMO DE regulatorisch verwendet werden sollen. Solche regulatorischen Entscheidungen haben komplexe Auswirkungen und sollten letztlich auf umfassenden und umfangreichen Modellierungsergebnissen basieren. Aus zwei Modellversionen von GeoPELMO DE wurden mehrere alternative Szenarien ausgewählt und an realen 11 Wirkstoffen und 34 Metaboliten getestet. Aus modelltechnischer Sicht lässt sich schlussfolgern, dass nur räumliche Modelle wie GeoPELMO DE in der Lage sind, ein exaktes zeitliches und räumliches Perzentil für alle Wirkstoffe und Metaboliten gleichermaßen vorherzusagen. Einzelne Klima-Boden-Kombinationen können als Annäherung verwendet werden, wobei im konkreten Fall immer damit gerechnet werden muss, dass es zu Abweichungen von den Ergebnissen einer Geo-Version des Modells kommen kann. Es bleibt daher schwierig, anhand der durchgeführten Analysen die Verwendung einzelner Szenarien für unterschiedliche Stoffeigenschaften, Kulturen oder PSM-Anwendungsmuster zu empfehlen, zumal ein bundesweiter Abgleich mit Monitoringdaten im Rahmen des Projektes nicht realisiert werden konnte.
Schriftenreihe
Texte. Umweltbundesamt ; 2026, 33 ppn:505871920
Ressortforschungsplan of the Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Nuclear Safety and Consumer Protection
Ressortforschungsplan of the Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Nuclear Safety and Consumer Protection