[미국] “수도사업자간 협력이 수도시설 위험 완화에 도움”

미국 TACC, NSF가 지원하는 슈퍼컴퓨터 이용 수돗물 공급 시뮬레이션 

노스캐롤라이나대 데이비드 고릭·코넬대 데이비드 골드 공동 연구조사

미국 지구물리학 연합저널인 『수자원연구(Water Resources Research)』 3월호에 게재

새로운 연구에 따르면 노스캐롤라이나 리서치 트라이앵글(North Carolina Research Triangle)에 있는 6개의 인구 중심지(six population centers)의 급수에 대한 텍사스 고급 컴퓨팅 센터(TACC ; Texas Advanced Computing Center)의 ‘스탬프드2(Stampede2)’ 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 사용한 연구에서 공공수도사업자(utility, 이하 ‘유틸리티’) 간의 합의가 수도시설의 위험을 완화하는 데 도움이 될 수 있다는 것을 발견했다.

텍사스 어드벤스트 컴퓨팅 센터(TACC)의 ‘스탬프드2(Stampede2)’ 슈퍼컴퓨터는 NSF가자금을 지원하는 EXSEDE의 할당된 리소스이다. [사진출처(Photo source) = TACC(텍사스어드밴스트컴퓨팅센터)]

 

소설가 마크 트웨인(Mark Twain)은 “위스키는 마시기 위한 것이고, 물은 싸우기를 위한 것이다!”라는 말을 인용했다. 하지만 도시의 수도시설과 관련하여 협력이 단독으로 진행하는 것보다 더 많은 이점을 가져온다면 어떻게 될까요? 

노스캐롤라이나 리서치 트라이앵글(North Carolina Research Triangle)의 물 공급에 대한 새로운 연구는 유틸리티 간의 합의가 수도시설의 위험을 완화하는 데 도움이 될 수 있다는 것을 발견했다.

이 연구는 미국 NSF(국립과학재단 ; National Science Foundation)의 지원을 받는 XSEDE(Extreme Science and Engineering Discovery Environment ; 익스트림 사이언스 앤드 엔지니어링 디스커버리 인바이런먼트)이 수여하는 텍사스 어드밴스트 컴퓨팅 센터(TACC)의 ‘스탬프드2(Stampede2)’ 시스템에 슈퍼컴퓨터 할당을 사용했다.

이 조사 결과는 물 공급업체가 수요와 공급의 문제에 직면하고 인프라 개선에 적절한 자금을 조달하는 사용자에게 지역 수자원을 할당하는 모든 곳에서 일반화할 수 있다.

노스캐롤라이나 대학교 채플힐(North Carolina Chapel Hill)의 박사 후 연구원인 데이비드 고릭(David Gorelick)은 “우리는 전력회사 간의 협력이 전통적인 독립적인 계획과 관리에 비해 수도 공급과 재정적 필요성 모두에 도움이 될 수 있다는 것을 발견했다”고 말했다. 

새로운 연구에 따르면 노스캐롤라이나 리서치 트라이앵글(North Carolina Research Triangle)에 있는 6개의 인구 중심지의 급수 시스템에 대한 텍사스 어드벤스트 컴퓨팅 센터(TACC)의 ‘스탬프드2(Stampede2)’ 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 사용한 연구에서 공공수도사업자(utility) 간의 합의가 수도시설의 위험을 완화하는 데 도움이 될 수 있다. 연간 평균 수백만 갤런의 물 수요는 유틸리티 예측을 기반으로 한 인세트 플롯(inset plots)에서 2015년에서 2060년까지 제공된다.

 

데이비드 고릭(David Gorelick)은 길링스 글로벌 공중보건학교(Gillings School of Global Public Health)의 환경과학 및 공학부 환경시스템 금융리스크센터 소속이다. 

그의 연구는 미국 지구물리학 연합(American Geophysical Union)의 저널인 『수자원연구(Water Resources Research)』에 2022년 3월에 발표되었다. 저자들은 노스캐롤라이나에 있는 지역 유틸리티와 함께 개발한 계산 모델로 시작했다.

데이비드 고릭은 “그들의 참여는 우리의 결과가 적어도 그들의 행동을 알리고 새로운 배·급수시설이나 하수처리장과 같은 수자원 기반시설과 관련된 수억 달러의 크고 장기적인 재정적 결정을 내릴 때 더 중요한 함정을 피하는 데 도움이 될 것이라는 많은 확신을 우리에게 준다”고 말했다.

이 모델은 2060년까지 위험 관리 및 장기적인 인프라 계획 결정을 정확하게 시뮬레이션 한다.

“이 연구는 XSEDE 슈퍼컴퓨팅 리소스 없이는 가능하지 않는다”라고 코넬대학(Cornell University)의 토목 및 환경공학과 박사 과정 데이비드 골드(David Gold)가 말했다.

데이비드 골드와 동료들은 채플힐(Chapel Hill), 더럼(Durham), 롤리(Raleigh)로 둘러싸인 약 200만 명 주민들의 노스캐롤라이나 리서치 트라이앵글(North Carolina Research Triangle)의 수도 공급 시스템을 2060년까지 수백만 개의 미래 주에서 평가했다. 이를 통해 광범위한 미래 조건에 견고한 물관리 전략을 발견할 수 있었다.

데이비드 골드(David Gold)는 “슈퍼컴퓨팅 능력이 없다면 물 공급 시스템이 인구 증가든 기후변화든 서로 다른 유형의 불확실성에 어떻게 반응하는지 측면에서 맹목적으로 비행하고 있다”고 말했다.

공동저자인 코넬대학(Cornell University)의 토목 및 환경공학과 박사 과정 데이비드 골드(David Gold, 왼쪽), 코넬대, 노스캐롤라이나 대학교 채플힐(North Carolina Chapel Hill)의 박사 후 연구원인 데이비드 고릭(David Gorelick, 오른쪽). [사진출처(Photo source) = TACC(텍사스어드밴스트컴퓨팅센터)]

 

데이비드 골드는 이어 “TACC(텍사스 어드밴스트 컴퓨팅 센터)의 ‘스탬프드2(Stampede2)’ 슈퍼컴퓨터를 사용할 수 있게 된 것은 우리에게 매우 큰 일이었다”라면서 “데스크탑에서 이러한 시뮬레이션을 실행하려고 한다면 ‘스탬프드2’를 사용하여 실행한 모든 시뮬레이션을 몇 시간 만에 실행하는 데 15년 이상이 걸릴 것이다”라고 강조했다.

따라서 유틸리티 계획 및 관리 도구인 워터패스(WaterPaths) 확률적 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 이 지역 유틸리티 규모에 맞는 계산 모델이 개발되었다. 고장 위험은 주간 자료목록(portfolio) 관리와 장기 연간 인프라 투자를 결합하는 관리 결정, 수문 기후 조건, 인간의 요구에 따라 변하는 저수지 용량 역학을 기반으로 발전되었다.

수도시설 간 계약의 일부 위험에는 비대칭 파트너 성장에 대한 노출 또는 수요와 공급의 기복에 대응하기 위한 계약 구조 자체의 경직성이 포함된다. 흥미롭게도 저자는 보다 유연한 계약이 파트너가 변화하는 조건에 적응할 수 있도록 함으로써 파트너에게 더 많은 혜택을 줄 수 있다고 가정했다.

“사실, 우리는 유틸리티들이 이러한 경우에서 더 많은 재정적 위험을 경험한다는 것을 발견했다”라고 데이비드 고릭(David Gorelick)은 말했다. 연구에 따르면 유연성이 낮은 계약에서는 유틸리티가 자체의 위험을 완화하는 것으로 제한된다. 그러나 시간이 지남에 따라 계약을 업데이트할 수 있는 경우 각 유틸리티는 파트너의 위험과 불확실성에 더 많이 노출된다.

“우리는 협력이 좋은 것이라는 것을 발견했다. 그러나 협력의 종류와 방식은 유틸리티들에게 매우 중요할 수 있으며, 따라서 우리 모두가 수도요금을 받기 위해 지불하는 수도요금은 매우 중요하다”고 데이비드 고릭은 말했다.

이 논문에서 연구된 합의의 간단한 예는 새로운 급·배수시설이나 하수처리장에 대한 것과 같은 고정된 할당 계약이었다. 미국의 지자체와 지방 정부는 지역 간 협정을 제정할 수 있기 때문에, 유틸리티는 함께 협력할 수 있고, 초기에 공유 프로젝트에서 저장 또는 처리 용량의 고정된 할당을 할당할 수 있다. 예를 들어, 한 사업자가 해당 발전소 개발의 20%를 부담하는 경우, 용량의 20%를 사용할 수 있다.

“이러한 종류의 합의들이 왜 중요한가, 그리고 우리가 이 연구에서 적어도 몇 개를 시험하고 싶었던 이유는 그 합의들이 널리 퍼져 있고 장소마다 매우 맞춤화될 수 있기 때문이다”라고 데이비드 고릭은 말했다.

NSF가 자금을 지원하는 TACC의 주요 고성능 데이터 저장 및 보관 시스템. [사진출처(Photo source) = TACC(텍사스어드밴스트컴퓨팅센터)]

 

지금까지 유틸리티 공급과 재무 목적 측면에서 성능을 평가하기 위한 연구 노력은 거의 없었다.

데이비드 골드(David Gold)는 “오늘날 우리의 물공급 시스템은 그 어느 때보다 더 큰 도전에 직면해 있다. 하지만, 슈퍼컴퓨터의 측면에서, 우리는 전에 없던 도구들도 가지고 있다”라면서 “XSEDE에서 사용할 수 있는 자원과 같은 자원을 사용함으로써, 우리는 경기장을 조금이나마 평준화할 수 있다”고 강조했다. 

그는 이어 “인구 증가와 기후변화에서 오는 도전과 불확실성에 대해 생각할 때, 이러한 컴퓨터 리소스는 이러한 변화의 잠재적 영향에 대한 통찰력과 향후 수년간 물 공급을 안정적으로 유지할 수 있는 지속 가능한 관리 전략을 개발할 수 있도록 지원한다”라고 덧붙였다.

[원문보기]

Cooperation rewards water utilities

TACC's Stampede2 supercomputer simulates water supply in inter-utility agreement study

A new study found that agreements between water utilities can help mitigate their risks, in research that used Stampede2 supercomputer simulations of water supply of six population centers (colors) in the North Carolina Research Triangle.

Mark Twain is attributed with the quote, "Whisky is for drinking, and water is for fighting over!" But what if cooperation yielded more benefit than just going it alone, when it comes to urban water utilities?

A new study of water supply in the North Carolina Research Triangle found that agreements between water utilities can help mitigate their risks.

The research used supercomputer allocations on the Stampede2 system of the Texas Advanced Computing Center awarded by the Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), which is funded by the National Science Foundation.

The findings are generalizable to any place where water providers allocate regional water resources among users that face challenges in supply and demand and in affordably financing infrastructure improvements.

"We found that cooperation amongst utilities could be beneficial to both their water supply and financial needs compared to more traditional independent planning and management," said David Gorelick, a postdoctoral research associate at the University of North Carolina, Chapel Hill. Gorelick is with the Center on Financial Risk in Environmental Systems, Department of Environmental Sciences and Engineering, Gillings School of Global Public Health.

he study was published March 2022 in Water Resources Research, a journal of the American Geophysical Union.

The authors started with a computational model they developed together with regional utilities in North Carolina.

"Their participation gives us a lot of confidence that our results will be used at least to inform their behavior and to help avoid some more significant pitfalls when it comes to making big, long term, hundred-million-dollar financial decisions concerning water infrastructure such as new reservoirs or wastewater treatment plants," Gorelick said.

The model accurately simulates their risk management and long-term infrastructure planning decisions out until 2060.

"This work is not possible without XSEDE supercomputing resources," said study co-author David Gold, a PhD candidate in the Department of Civil and Environmental Engineering at Cornell University.

Gold and colleagues evaluated the water supply system of the North Carolina Research Triangle of about two million residents, bounded by Chapel Hill, Durham, and Raleigh, over millions of future states out to 2060. This allowed discovery of water management strategies that are robust to a broad set of future conditions.

"Without supercomputing capabilities, we're flying blind in terms of how the water supply system reacts to different types of uncertainties, whether it's population growth or changing climate," Gold said.

"It's been expansive for us to be able to use Stampede2," Gold added. "If we were to try to run these simulations on our desktop, it would take us over 15 years to do all the simulations that we ran using Stampede2 over just the course of a few hours."

A utility-scale computational model of the region was thus developed, using the WaterPaths stochastic simulation software, a utility planning and management tool. The risk-of-failure was evolved based on reservoir capacity dynamics that change on hydroclimatic conditions, human demands, and management decisions that combine weekly portfolio management with long-term annual infrastructure investments.

Some of the risks of inter-utility agreements include exposure to asymmetric partner growth or the inflexibility of the agreement structure itself to respond to the ups and downs of supply and demand.

Interestingly, the authors hypothesized that more flexible agreements might benefit partners more by allowing them to adapt to changing conditions.

"In fact, we found that utilities experienced more financial risk in these cases," Gorelick said. The study found that with less flexible agreements, utilities are limited to mitigating their own risks. But when agreements can be updated over time, each utility is more exposed to the risks and the uncertainties of their partners.

"We found that cooperation is a good thing. But the type and the manner in which cooperation occurs can be very important for water utilities, and thus the water rates that all of us pay to get our water bills," Gorelick said.

A simple example of an agreement studied in the paper was a fixed allocation agreement, such as that for a new reservoir or wastewater treatment plant. Because municipalities and local governments in the U.S. can enact inter-local agreements, utilities can partner together and be allocated fixed allocations of storage or treatment capacity in a shared project at the outset.

If one utility, for instance, pays for 20% of the development of that plant, they are allowed to use 20% of its capacity.

"Why these sorts of agreements matter, and why we wanted to test at least a couple in this study is that the agreements are widespread and very customizable from place to place," Gorelick said.

Thus far, there have been very few research efforts to assess their performance in terms of utility supply and financial objects.

Said Gold: "Today, our water systems face greater challenges than ever. But, we also have tools that we've never had before, in terms of supercomputers. By using resources, such as those available at XSEDE, we are able to level the playing field a bit. When we think about the challenges and uncertainties coming from population growth and changing climate, these computer resources allow us insight into the potential effects of these changes and the support to develop sustainable management strategies that can keep our water supply reliable for years to come."

[출처 = TACC(텍사스어드밴스트컴퓨팅센터)(https://www.tacc.utexas.edu/-/cooperation-rewards-water-utilities?fbclid=IwAR1OFKLvZXIxf2UdgJxlLJNaDt7S26o-I1J14IZe-BAFxnWM-toBcvOM03Y)/ 2022년 5월 19일]