Verbundprojekt KiesVision: Fortschrittliche Sedimenterkennung und Datenfusion als Grundlage für eine optimierte Bewirtschaftung von Kiesgruben und Stauseen

Abstract

Das Verbundprojekt KiesVision befasste sich mit der Frage, wie bestehende Baggerseen länger, effizienter und ressourcenschonender genutzt werden können. Viele Baggerseen enthalten weiterhin nutzbare Kies- und Sandvorkommen, die jedoch durch Feinsedimente überdeckt sind oder deren räumliche Verteilung nicht ausreichend bekannt ist. Eine Erweiterung bestehender Abbauflächen ist häufig mit Nutzungskonflikten, naturschutzfachlichen Anforderungen und langen Genehmigungsverfahren verbunden. KiesVision griff daher das Leitprinzip "Tiefe vor Fläche" auf: Vorhandene Lagerstätten sollen innerhalb bestehender Abbaugrenzen besser erkundet und möglichst vollständig genutzt werden, bevor neue Flächen in Anspruch genommen werden. Bisher beruht die Einschätzung der verfügbaren Kies- und Sandmengen häufig auf wenigen Bohrungen und historischen Abbaudaten. Diese Informationen liefern zwar wichtige Einzelbefunde, können aber die räumlichen Unterschiede der Lagerstätte nur begrenzt abbilden. Aus dem Vorgängerprojekt "Kiesdetektion" war bekannt, dass mittelfrequente hydroakustische Verfahren Feinsedimente und interne Schichtgrenzen gut erfassen können, kompakte Kieslagen jedoch nur begrenzt durchdringen. Niederfrequente seismische Systeme wie Sparker waren aus der Meeresgeophysik bekannt, aber für kleine, flache Baggerseen mit steilen Böschungen technisch kaum erprobt. Gleichzeitig fehlten praxistaugliche Verfahren, um oberflächennahe Sedimente wie Kies, Sand und Schlamm flächenhaft zu klassifizieren und diese Informationen direkt in den Abbaubetrieb zu überführen. Die ursprüngliche Aufgabenstellung bestand daher aus drei miteinander verbundenen Entwicklungsschritten. Erstens sollte ein UHRS-Sparker-System so angepasst werden, dass es auf einem kleinen Messboot eingesetzt werden kann, um tiefere Kies- und Sandschichten unterhalb der Feinsedimentauflage zu erfassen. Zweitens sollte mit einem Mehrfrequenz-Echolot untersucht werden, ob sich die oberen Sedimente hydroakustisch in Klassen wie Kies, Sand und Feinmaterial einteilen lassen. Drittens sollten die Messdaten mit modernen Auswerteverfahren zusammengeführt und für ein dreidimensionales Abbau-Blockmodell nutzbar gemacht werden. Dieses Modell sollte später im MARPO-DGPS-System der Firma SPE visualisiert werden, damit Erkundungsdaten nicht nur als Bericht oder Karte vorliegen, sondern direkt in die digitale Arbeitsumgebung des Nassabbaus einfließen können. Der Ablauf des Vorhabens begann mit der technischen und organisatorischen Vorbereitung der Messkampagnen. Für den Sparkereinsatz mussten unter anderem Kabelführung, Stromversorgung, Gewichtsverteilung und Schleppkonfiguration (Aufbau Sparker und Streamer) an ein kleines Messboot angepasst werden. Zur Planung wurden zunächst aktuelle Fächerecholotdaten in zwei Baggerseen erhoben, da sich die Gewässermorphologie durch den laufenden Abbau verändern kann. Anschließend wurden die ersten Sparkermessungen vorbereitet und im Januar 2024 durchgeführt. Nach einer kostenneutralen Verlängerung wurde zudem eine Messkampagne an einem alpinen Speicher vorbereitet; dort verhinderten jedoch GPS-Probleme verwertbare Messdaten, sodass ersatzweise Messungen an einem anderen Stausee durchgeführt wurden. Parallel dazu wurde die Sedimentklassifikation mit dem Mehrfrequenz-Echolot EA440 vorbereitet. Dafür wurde zunächst eine zusätzliche Trägerplattform entwickelt und getestet. Da diese nicht die erforderliche Stabilität erreichte, wurde das System wieder auf das Drohnenboot "Calypso" zurückgeführt. Im Projektverlauf mussten mehrere praktische Probleme gelöst werden, unter anderem bei Firmware, Kompass- und GPS-Integration sowie bei der Kompatibilität zwischen EA440-Datenformat und Auswertesoftware. Nach diesen Anpassungen konnten verwertbare Messdaten bei 15, 38 und 200 kHz erhoben und ausgewertet werden. Die Klassifikation wurde mit Sedimentkernen und GraviProbe-Messungen validiert. Die wesentlichen Projektergebnisse zeigen, dass die angestrebten Entwicklungen grundsätzlich erfolgreich umgesetzt werden konnten. Das angepasste UHRS-Sparker-System konnte auf kleinen Binnengewässern eingesetzt werden und lieferte eine klare Trennung zwischen überdeckenden Feinsedimenten (Ton/Schluff), gestörten beziehungsweise gröberen Horizonten (Sand/Kies) und darunterliegendem unverritztem Material. In einem Baggersee konnten die seismischen Ergebnisse mit vorhandenen Bohrinformationen plausibilisiert werden. Im zweiten See wurden erkennbare Lagerungshorizonte in deutlich größeren Tiefen erfasst, auch wenn für diese Bereiche keine Bohrvalidierung vorlag. Damit wurde eine wichtige Grundlage geschaffen, um Restkiesmengen unterhalb von Schlammauflagen zukünftig besser abzuschätzen. Auch die hydroakustische Sedimentklassifikation lieferte wichtige Ergebnisse. Durch die Kombination aus Echomerkmalen, Validierungsdaten und maschinellen Lernverfahren konnten unterschiedliche Sedimenttypen differenziert ausgewertet werden. Besonders die 200-kHz-Daten erwiesen sich als geeignet, um oberflächliche harte und weiche Sedimente zu unterscheiden. Damit wurde gezeigt, dass Mehrfrequenz-Echolotdaten künftig eine wichtige Rolle bei der Kartierung oberflächennaher Sedimente spielen können. Für den praktischen Abbaubetrieb eröffnet dies die Möglichkeit, Lösewerkzeug, Pumpleistung und Abbaustrategie besser an die tatsächlichen Materialeigenschaften anzupassen. Das KIT-IPF bearbeitete die wissenschaftliche Auswertung und Datenfusion. Dabei wurden zunächst datengetriebene Verfahren wie Autoencoder und Clusterverfahren untersucht. Im Projektverlauf wurde der Schwerpunkt stärker auf physikalisch interpretierbare Ansätze gelegt, insbesondere auf eine gemeinsame Inversion von Quellwavelet, Reflexivität und Q-Faktor. Diese Arbeiten schaffen eine Grundlage, um Sedimente künftig nicht nur visuell oder statistisch, sondern auch anhand geophysikalisch interpretierbarer Materialeigenschaften zu beschreiben. SPE entwickelte parallel die Integration der Untergrunddaten in MARPO-DGPS weiter. Dazu wurden GeoTIFF-Daten importiert, in Punkt-, Flächen- und Volumenmodelle überführt und als Blockmodell echtzeitfähig visualisiert. So wurde der Transfer von Mess- und Forschungsergebnissen in eine betriebliche Softwareumgebung vorbereitet. Die Zusammenarbeit im Verbund war für den Projekterfolg wesentlich. limknow übernahm die Projektkoordination, die Feldmessungen, die Sedimentbeprobung und die anwendungsnahe Auswertung. Das KIT-IPF brachte die wissenschaftliche Kompetenz in maschineller Auswertung, Signalverarbeitung und Datenfusion ein. SPE stellte die Verbindung zur industriellen Abbaukontrolle her und entwickelte die softwaretechnische Umsetzung im MARPO-DGPS-System. Ergänzend wurden externe Partner wie Geo Marine Survey Systems für den Sparkereinsatz eingebunden. Insgesamt entstand dadurch eine durchgängige Entwicklungskette von der Messung im Gewässer über die wissenschaftliche Interpretation bis zur praktischen Visualisierung für den Nassabbau. Das Projekt leistet damit einen wichtigen Beitrag zur ressourcenschonenden Nutzung bestehender Baggerseen und eröffnet zugleich Perspektiven für das Sedimentmanagement in Stauseen und anderen sedimentbelasteten Gewässern. Des Weiteren können die Erkenntnisse zukünftig im Bereich der geo-technischen Erkundung für die Verankerung von schwimmenden Solaranlagen genutzt werden (FloatingPV).