Design of forest supply chain under uncertainty: the impact of spruce budworm infestation on the wood supply

Mushakhian, Siamak (2021). Design of forest supply chain under uncertainty: the impact of spruce budworm infestation on the wood supply. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The forest industry is very important from both environmental and economic perspectives for Canada. In 2017, production in the forest sector contributed around $25 billion to Canada’s real gross domestic product (GDP) through 210 thousand direct and 107 thousand indirect jobs. However, millions of dollars are the cost of damage of invasive species to forest owners such as government, industries, and private citizens. Revenue losses, prevention and control investments, and environmental mitigation efforts have cost Canada hundreds of millions of dollars during the last years. Spruce budworm (Choristoneura fumiferana (Clemens)) outbreaks is a well known major natural disturbance in eastern Canada. It is one of the most destructive insects in North America’s conifer stands. Reduction in the wood supply is one major direct impact of insect outbreaks. As an example, in 2017, more than 7 million hectares were defoliated by spruce budworm in Quebec. Repeated defoliation causes tree mortality, reduction of growth rates, and reduced lumber quality. There are different control methods to protect forest against insects and diseases. Silvicultural control methods such as salvage harvesting and pre-emptive harvesting, are used to satisfy the forestry companies’ demand and chemical methods like spraying biological insecticide Bacillus thuringiensis ssp. kurstaki (Btk) is taken into account to maintain trees alive during large-scale infestation for later harvest.

In my article, titled “Salvage Harvest planning for Spruce Budworm Outbreak using Multistage Stochastic Programming”, we considered the effect of changes of outbreak intensity on wood values throughout the forest as the wood infestation can change the lumber quality. Salvage harvesting considered as an action to mitigate the economic and environmental damages. We propose a multistage stochastic mixed-integer programming model for harvest scheduling under various outbreak intensities. The objective is to maximize revenues of wood value minus logistic costs while satisfying demand for wood in the industry. Results show that when there is an outbreak throughout the forest, the first priority for salvage harvesting is to focus on forest areas with the lowest level of infestation.

The other article, titled “The integration of spraying and harvesting to minimize the wood losses during an outbreak of Spruce Budworm” uses two control techniques, spraying and harvesting, against spruce budworm defoliation in the forest. In each period, the estimation of wood volume for each stand is updated based on its feature attributes, history of the defoliation, and whether it has been sprayed or not. This study provides a deterministic model addressing the questions of where and when should be harvested or sprayed to maximize revenues of harvested wood minus logistic costs and maximize the value of standing trees at the end of the planning horizon while satisfying demand for wood in the industry and minimizing the forest protection costs. The model has been applied to a case study located in the Bas-Saint Laurent region in Quebec. The results show that the benefits of harvesting outweigh the benefits of spraying and the models prefer to harvest rather than spraying; however, it does not mean that spraying is not effective. Spraying is helpful but it is not economical in comparison with harvesting. Furthermore, stands which have the highest wood loss, in other words, they have a high proportion of BF and WS and the cumulative defoliation score is around the turning point of the cumulative mortality curve are elected for harvesting. Finally, stands which have a highdensity ratio (volume to the area) are economical choices for spraying.

While studying strategic forest management models, we observed two mistakes in the original formulation in one of the well-known models called Model II if the minimum number of periods between regeneration harvests is overlooked. The first is a mistake in the area constraints and the second in calculating one important parameter of the model representing discounted net revenue per hectare between periods. We provide a revised model together with comments on the computations of a parameter used in the model formulation. Then, in order to validate the problem identified, we solve the Model II with realistic data to address the modeling mistakes and explain how our revised formulation works with the same data. We also describe situations where the mistakes may have a larger impact and explain why they have not been identified earlier. This study is the first article called “How the minimum number of periods between regeneration harvests induces modeling mistakes in the well-known Model II forest management”.

Titre traduit

Conception de la chaîne d'approvisionnement forestière sous l’incertitude: l’impact de l’infestation de la de la tordeuse des bourgeons de l'épinette sur l’approvisionement en bois

Résumé traduit

L'industrie forestière joue un rôle important au Canada aux niveaux environnemental et économique. En 2017, la production du secteur forestier a contribué pour environ 25 milliards de dollars au produit intérieur brut (PIB) du Canada en plus de 210 000 emplois directs et 107 000 emplois indirects. Cependant, des millions de dollars représentent le coût des dommages causés par les espèces envahissantes aux propriétaires forestiers tels que le gouvernement, les industries et les particuliers. Les pertes de revenus, les investissements de prévention et de contrôle et les efforts d'atténuation environnementale ont coûté au Canada des centaines de millions de dollars au cours des dernières années. Les éclosions de tordeuse des bourgeons de l'épinette sont une perturbation naturelle majeure bien connue dans l'est du Canada. C’est l’insecte le plus destructeur des peuplements de conifères en Amérique du Nord. La réduction de l'approvisionnement en bois est l'un des principaux effets directs des épidémies d'insectes. À titre d'exemple, en 2017, plus de 7 millions d'hectares ont été défoliés par la tordeuse des bourgeons de l'épinette au Québec. Une défoliation répétée entraîne la mortalité des arbres, une réduction des taux de croissance et une diminution de la qualité du bois. Il existe différentes méthodes de contrôle pour protéger la forêt contre les insectes et les maladies. Les méthodes de lutte sylvicole telles que la récolte de récupération et la récolte préventive sont utilisées pour satisfaire la demande des entreprises forestières et des méthodes chimiques comme la pulvérisation d’insecticide biologique Bacillus thuringiensis ssp. kurstaki (Btk) est pris en compte pour maintenir les arbres en vie pendant une infestation à grande échelle pour une récolte ultérieure.

Dans mon article, intitulé «Planification de la récolte de récupération pour l'éclosion de la tordeuse des bourgeons de l'épinette à l'aide de la programmation stochastique multi-étapes», nous avons examiné l'effet des changements d'intensité de l'épidémie sur les valeurs du bois dans toute la forêt, car l'infestation du bois peut changer la qualité du bois. La récolte de récupération est considérée comme une action visant à atténuer les dommages économiques et environnementaux. Nous proposons un modèle de programmation stochastique en nombres entiers multi-étapes pour la planification des récoltes sous diverses intensités d'épidémie. L'objectif est de maximiser les revenus de la valeur du bois moins les coûts logistiques tout en satisfaisant la demande de bois dans l'industrie. Les résultats montrent qu'en cas d'épidémie dans toute la forêt, la plus haute priorité pour la récolte de récupération est de se concentrer sur les zones forestières présentant le niveau d'infestation le plus bas.

L'autre article, intitulé «L'intégration de la pulvérisation et de la récolte pour minimiser les pertes de bois lors d'une épidémie de tordeuse des bourgeons de l'épinette» utilise deux techniques de lutte, la pulvérisation et la récolte, contre la défoliation par la tordeuse des bourgeons de l'épinette dans la forêt. À chaque période, l'estimation du volume de bois pour chaque peuplement est mise à jour en fonction de ses attributs caractéristiques, de l'historique de la défoliation et du fait qu'il a été pulvérisé ou non. Cette étude fournit un modèle déterministe abordant les questions de savoir où et quand doit être récolté ou pulvérisé pour maximiser les revenus du bois récolté moins les coûts logistiques et maximiser la valeur des arbres sur pied à la fin de l'horizon de planification tout en satisfaisant la demande de bois dans l'industrie et minimiser les coûts de protection des forêts. Le modèle a été appliqué à une étude de cas située dans la région du Bas-Saint-Laurent au Québec. Les résultats montrent que les avantages de la récolte l'emportent sur les avantages de la pulvérisation et les modèles préfèrent récolter plutôt que pulvériser; cependant, cela ne signifie pas que la pulvérisation n'est pas efficace. La pulvérisation est utile mais elle n'est pas économique par rapport à la récolte. De plus, les peuplements qui ont la plus forte perte de bois, en d'autres termes, ils ont une proportion élevée de sapin baumier et l’épinette blanche et le score de défoliation cumulatif est autour du point de retournement de la courbe de mortalité cumulée sont choisis pour la récolte. Enfin, les peuplements qui ont un rapport de densité élevé (volume / surface) sont des choix économiques pour la pulvérisation.

Lors de l'étude des modèles de gestion stratégique des forêts, nous avons observé deux erreurs dans la formulation originale de l'un des modèles bien connus appelé Modèle II si le nombre minimum de périodes entre les récoltes de régénération est négligé. Le premier est une erreur dans les contraintes de surface et le second dans le calcul d'un paramètre important du modèle représentant le revenu net actualisé par hectare entre les périodes. Nous fournissons un modèle révisé avec des commentaires sur les calculs d'un paramètre utilisé dans la formulation du modèle. Ensuite, afin de valider le problème identifié, nous résolvons le modèle II avec des données réalistes pour corriger les erreurs de modélisation et expliquer comment notre formulation révisée fonctionne avec les mêmes données. Nous décrivons également des situations où les erreurs peuvent avoir un impact plus important et expliquons pourquoi elles n'ont pas été identifiées plus tôt. Cette étude est le premier article intitulé «Comment le nombre minimum de périodes entre les récoltes de régénération induit des erreurs de modélisation dans la gestion forestière du Modèle II».

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 165-179).
Mots-clés libres:	planification de la gestion forestière, récolte du bois, planification de la récolte, programmation linéaire, modèle II, tordeuse des bourgeons de l'épinette, infestation, défoliation, approvisionnement en bois, récolte de récupération, pulvérisation, programmation stochastique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ouhimmou, Mustapha
Codirecteur:	Codirecteur Rönnqvist, Mikael
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	25 oct. 2021 13:18
Dernière modification:	25 oct. 2021 13:18
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2739

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