Eine von der Cornell University geleitete Forschungskooperation hat ergeben, dass Kooperationspartnerschaften, die darauf abzielen, die Kostenlast von Wasserinfrastrukturprojekten auf regionale Interessengruppen zu verteilen, am Ende oft dazu führen, dass die lokalen Partner die Hauptlast der zugrunde liegenden Versorgungs- und Finanzrisiken tragen müssen.
Dieses Ungleichgewicht wird durch eine Reihe von Faktoren verursacht, von institutioneller Komplexität bis hin zu hydroklimatischen Schwankungen. Die Forscher zeigten jedoch, dass KI-gestützte Computer- und Modellierungsalgorithmen dabei helfen können, Partnerschaften mit wesentlich höheren Wasserversorgungsvorteilen und einem Bruchteil des finanziellen Risikos zu entwickeln.
Um die mit diesen Wasserinfrastrukturpartnerschaften verbundenen Kompromisse zu untersuchen, nutzten die Forscher unter der Leitung von Patrick Reed, dem Joseph C. Ford-Professor für Ingenieurwissenschaften an der Cornell Engineering University, den Friant-Kern-Kanal im kalifornischen San Joaquin Valley als Fallstudie.
Das Papier des Teams mit dem Titel „Resilient Water Infrastructure Partnerships in Institutionally Complex Systems Face Challenging Supply and Financial Risk Tradeoffs“ (Resilient Wasserinfrastrukturpartnerschaften in institutionell komplexen Systemen stehen vor herausfordernden Kompromissen bei Angebot und Finanzrisiko) wurde veröffentlicht 27. August in Naturkommunikation. Der Hauptautor ist Andrew Hamilton, ein ehemaliger Postdoktorand in Reeds Labor.
Die Auswirkungen gingen weit über den Golden State hinaus, sagte Reed.
„Das ist nicht nur eine kalifornische Geschichte“, sagte er. „Wir haben Tausende von kommunalen Wasserversorgungssystemen in den Vereinigten Staaten, die alle mit einem gewissen Maß an Unsicherheit und finanziellen Risiken konfrontiert sind, und ein enormer Teil unserer Infrastruktur ist veraltet und sieht sich zudem mit Bedingungen konfrontiert, für die sie nicht unbedingt ausgelegt ist.“
„Wie können wir in dieser Sache zusammenarbeiten und uns zusammentun? Und wer wird sich den Risiken stellen?“, fragte Reed. „Das ist ein großes Problem. Unsere Arbeit ist ein Schritt in die Richtung, einige der wichtigsten Bedenken herauszustellen, aber ich denke, dass es noch viel mehr zu tun gibt, insbesondere angesichts der Tatsache, dass das meiste finanzielle Risiko lokal sein wird.“
Die kombinierten Auswirkungen von Klimawandel, Wirtschaftswachstum und regulatorischen Änderungen haben in Kalifornien und den gesamten USA zu wachsenden Sorgen über Wasserknappheit geführt und den Bedarf an Investitionen in neue Infrastruktur wie große Kanäle und Grundwasserspeicher erhöht. Ein beliebter Ansatz zur Finanzierung großer Infrastrukturprojekte sind Kooperationspartnerschaften – auch Konsolidierung oder Regionalisierung genannt –, bei denen mehrere Wasseranbieter und -nutzer zusammenarbeiten, um gemeinsame Anlagen zu finanzieren, zu bauen und zu betreiben.
„Wenn es potenziell Dutzende unabhängige regionale Einheiten gibt, die das Wasser verwalten, lautet das Argument, dass es im Hinblick auf Effizienz und Kosteneffizienz sinnvoll ist, sie in kooperativen Partnerschaften zusammenzuführen oder diese verteilten Systeme in einem koordinierten System zu regionalisieren oder die Planung und Investitionen zu konsolidieren“, sagte Hamilton.
Angesichts der Komplexität so vieler miteinander verbundener Systeme und der aggregierten Art und Weise, wie die Vorteile berechnet werden, kann es jedoch schwierig sein, die Schwachstellen einzelner Partner einzuschätzen. Um die widersprüchlichen Ziele und Kompromisse besser zu verstehen, untersuchten Reed, Hamilton und ihre Co-Autoren – die Doktorandin Rohini Gupta sowie Greg Characklis und Harrison Zeff von der University of North Carolina in Chapel Hill – die kalifornische Region San Joaquin Valley, in der mehr als 4 Millionen Menschen leben und 5 Millionen Hektar bewässertes Ackerland vorhanden sind.
Die Forscher verwendeten KI-gestützte Berechnungen und Modellierungen, eine „multi-objektive intelligente Suche“, um die Systemdynamik in 300.000 verschiedenen Kandidatenpartnerschaften in mehr als 2.000 verschiedenen Szenariojahren mit einer Vielzahl plausibler Klimabedingungen darzustellen. Der Aufwand erforderte eine enorme Datenerfassung und die Entwicklung der Rechenwerkzeuge, die erforderlich sind, um ein genaues Bild der beteiligten Variablen zu erhalten.
Die Modellrechnungen des Teams zeigten, dass die kumulierten Schätzungen der Vorteile kooperativer Partnerschaften erhebliche Ungleichheiten und negative Auswirkungen für die Partner-Wasserversorger verschleiern können, die bereits über geringe finanzielle Margen verfügen.
Was die rentabelsten Arten von Infrastrukturprojekten angeht, stellten die Forscher fest, dass die meisten Partnerschaften ihre Risiken streuen können, indem sie in Portfolios investieren, die sowohl den Kanalausbau als auch die Grundwasserspeicherung umfassen, statt sich bei der Bekämpfung der Wasserknappheit auf nur eine Strategie zu verlassen.
Die Forscher stellten außerdem fest, dass ihr Algorithmus im Vergleich zur derzeitigen Friant-Kern-Kanal-Partnerschaft dabei helfen könnte, „Goldlöckchen“-Konfigurationen zu identifizieren, die wesentlich mehr Wasser liefern würden und dabei ein geringeres finanzielles Risiko für alle Teilnehmer darstellen würden.
Die Forscher geben den Algorithmus kostenlos weiter, in der Hoffnung, dass Wasserinfrastrukturpartnerschaften ihre eigenen Projekte besser verstehen und effektiver und gerechter finanzieren können.
„Die neuen intelligenten Suchwerkzeuge und Simulationsrahmen ermöglichen es, viele verschiedene Alternativen in vielen unterschiedlichen Szenarien zu testen und die Kompromisse deutlicher zu machen“, sagte Reed.
„Wir wollen nicht den Eindruck erwecken, wir wüssten mehr über das System als die Leute, die es betreiben“, sagte Hamilton. „Wir wollen damit sagen, dass das System komplex ist und wir vielleicht einen Schritt zurücktreten und über bessere Wege nachdenken sollten, unbeabsichtigte Folgen zu vermeiden, wenn wir wirklich große und in vielen Fällen irreversible Investitionen tätigen.“
Weitere Informationen:
AL Hamilton et al., Resiliente Wasserinfrastrukturpartnerschaften in institutionell komplexen Systemen stehen vor herausfordernden Kompromissen hinsichtlich der Versorgung und des finanziellen Risikos. Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51660-8