33
Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF MASTER OF ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT UNIVERSITY OF RHODE ISLAND DECEMBER 9, 2011 MAJOR PAPER ADVISOR: Dr. Peter V. August MESM TRACK: Remote Sensing & Spatial Analysis

Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

 

Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using 

ArcGIS 

by 

Kristen M. Mathieu 

 

 

 

A MAJOR PAPER SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE 

REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF MASTER OF ENVIRONMENTAL 

SCIENCE AND MANAGEMENT 

 

UNIVERSITY OF RHODE ISLAND 

 

DECEMBER 9, 2011 

 

MAJOR PAPER ADVISOR: Dr. Peter V. August 

MESM TRACK: Remote Sensing & Spatial Analysis 

Page 2: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  2

Table of Contents 

I. Introduction  …………………………………………………………………………………….  3 

II. Goal of Project …………………………………………………………………………………  5 

III. Sources of Data ………………………………………………………………………………  6 

IV. Methods ………………………………………………………………………………………… 7 

V. Results ……………………………………………………………………………………………. 22 

VI. Discussion & Conclusion ………………………………………………………………..  26 

VII. Acknowledgements ………………………………………………………………………  30 

VIII. References .………………………………......…...……………………………………..  31

Page 3: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  3

I. Introduction 

           Geographic Information Systems (GIS) have long been used in conjunction with 

remote sensing technology to map accidental petrochemical spills in the environment 

(Li, et al 2000). In this capacity, GIS can be defined as “a geoinformation technology for 

… storing and retrieving data and images, as well as for processing these data into 

information for scientists, environmentalists, and decision‐makers (Ivanov & 

Zatyagalova 2008).” From the creation of Environmental Sensitivity Indices to predictive 

spill trajectory models, GIS has proven to be a powerful tool for predicting and tracking 

the impacts of petrochemical spills (Sorenson 1995).  One of the notable uses of GIS is 

the ability to model and predict the trajectory that a liquid pollutant will take once it has 

been released from a point source. While the majority of these models focus on the 

trajectory of maritime oil spills (APASA 2003), it is also possible to determine the 

trajectory pollutants will take on land through the use of GIS tools originally developed 

for hydrologic modeling.  

   The purpose of this technical paper is to describe and discuss the methodology 

used to create flow path maps for the purpose of predicting the trajectory of liquid 

pollutants in the terrestrial environment. The first section of this paper will discuss the 

impacts of hydrocarbons on the terrestrial environment and the need for accident 

mitigation measures, while the second section of this paper will describe in detail the 

steps necessary to create predictive flow path maps. Any individual with a background 

in basic GIS procedures will be able to create their own flow path maps based on the 

instructions provided in this section.  

Petrochemical Spills in the Terrestrial Environment 

  Through numerous cases studies of maritime oil spills, the scientific community 

has come to understand the wide range of short‐term and long‐term negative impacts 

that petrochemical spills can have on the marine environment. While not as frequently 

studied, the negative impacts of petrochemical spills in the freshwater and terrestrial 

environments are also understood (Vandermuelen 1995). Diesel, gasoline, and motor oil 

all contain heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons, which are known 

Page 4: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  4

carcinogens and naturally long lived due to their high molecular weight. When these 

pollutants are introduced to the natural environment, they tend to accumulate in 

groundwater and sediments, where they neither dissolve nor evaporate (Lloyd & 

Cackette 2001). Instead, they remain in the soil and the water, where they are toxic to 

both flora and fauna. A case study in 1997 involving a massive diesel fuel spill near 

Cayuga Lake in New York found that within 24 hours of the spill, 92% of the local fish 

population was dead (Lytle & Peckarsky 2001). Additionally, sampling and observations 

of the local benthic invertebrate community over the next fifteen months found that the 

spill significantly reduced invertebrate density by 90% and overall species richness by 

50%. By the end of the fifteen‐month period, species density had recovered, while 

species richness had not (Lytle & Peckarsky 2001). A laboratory study investigating the 

impacts of diesel fuel on select plant species found that generally, diesel fuel is 

phytotoxic to plants even in low concentrations, and that plant germination and 

development is negatively effected by exposure to soil that has been contaminated by 

diesel fuel (Adam & Duncan 1999). Used motor oil has been found to be both mutagenic 

and tetratogenic to American the green tree frog (Hyla cinerea), preventing the 

metamorphosis of tadpoles and stunting tadpole growth (Mahaney 1994). Of course, 

the cost of petrochemical spills isn’t just measured in terms of the plants and animals 

are killed or sickened, or the acres of land and water that are irrevocably poisoned. 

Cleanup efforts for large diesel and oil spills can last anywhere from years to decades, 

and can cost millions of dollars to complete. In some cases, bioremediation can literally 

take hundreds of years (Lloyd & Cackette 2001). With figures like those, there is little 

wonder why government agencies and environmental groups alike work tirelessly to 

mitigate potential petrochemical spills before they begin.  

The Rhode Island Army National Guard 

  Because of the potentially devastating effects that a major gasoline, oil, or diesel 

fuel spill could have on the environment, the Rhode Island Army National Guard is 

required by both State and Federal law to have a Spill Prevention and Contingency Plan 

for the Camp Fogarty Training Site, located in East Greenwich, RI. This Spill Plan 

Page 5: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  5

addresses the storage and containment of petroleum, oils, and lubricant products at 

Camp Fogarty, and describes the “practices, procedures, structures, and equipment for 

the prevention of and response to spills” that can potentially occur on the property 

(RIARNG). The Spill Plan contains a number of reasonable spill scenarios, a section on 

spill response procedures, and several maps of the various parking lots in the Camp that 

contain aboveground storage tanks. These maps, which were created by an outside 

contractor, contain estimated flow paths for pollutants that could potentially be spilled 

within the parking lot. Unfortunately, these maps are not the product of a scientific 

investigation, and as such, their accuracy is somewhat questionable. Accurate flow path 

maps are especially critical for this location, as there are a number of small streams on 

and around the property that drain to the Hunt River Watershed, and an improperly 

contained petrochemical spill could prove disastrous for the local flora and fauna. This 

project was begun to address this problem, and provide the RI Army National Guard 

with science‐based flow path maps developed through hydrologic modeling in GIS.  

 

II. Goal of Project  

  The ultimate goal of this project is to provide the Rhode Island Army National 

Guard with a series of maps that depict the flow paths of liquid pollutants in two of their 

parking lots, as well as an overall model of flow paths for Camp Fogarty, and a step‐by‐

step instructional manual that will guide users through the process of creating a flow 

path map. This project is essentially a test to determine if it is possible to create 

overland flow paths for chemical spills using hydrologic modeling tools within the 

framework of a Geographic Information System. The parking lots adjacent to the Sun 

Valley Armory and the Camp Fogarty Armory are the two areas that the flow path 

analysis concentrates on. During the flow path analysis, LIDAR‐derived elevation data 

are run through a hydrologic modeling extension of ArcGIS, flow direction and 

accumulation are calculated, depressions and sinks are located, and flow paths are 

created through the process of defining streams within the landscape. The maps that 

result from this analysis will not only feature general flow paths for each parking area, 

Page 6: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  6

but also specific point source flow paths for each aboveground storage tank within the 

parking lot, and the depressions within the parking areas that each flow path drains to.  

 

III. Sources of Data 

  All of the data used in this analysis were supplied to the author in an ESRI 

(Environmental Systems Research Institute, Redlands, CA) file geodatabase by Michael 

Bradley and Tracey Daley of the Rhode Island Army National Guard. The primary vector 

data that were used in the analysis include three feature classes: Vehicle Parking Areas, 

Existing Structures, and Aboveground Storage Tanks. These feature classes are 

represented in a WGS 1984 UTM Zone 19N coordinate system. The Aboveground 

Storage Tank feature class is a point data set that was created in 2005 by georeferencing 

the locations of aboveground storage tanks in Camp Fogarty using a Trimble GeoXT GPS 

handheld unit. The Existing Structures feature class is a polygon data set that was 

created in 2006 by georeferencing existing structures in Camp Fogarty from statewide 

aerial imagery for 2003‐2004 provided by the RI Department of Transportation. 

Similarly, the Vehicle Parking Areas feature class was created in 2010 by georeferencing 

existing parking lots in Camp Fogarty from the 2008 RI Enhanced 911 statewide aerial 

images provided by the firm Pictometry.  

  The primary raster data used in this analysis were a 1‐meter spatial resolution 

Digital Elevation Model that was originally derived from LIDAR data. Digital Elevation 

Models, or DEMs, are defined as “a raster set of elevations, usually spaced in a uniform 

horizontal grid” (Bolstad 2008). EarthData International collected the original LIDAR data 

in November 2006 at the request of the RI Army National Guard. Upon receipt of the 

ASCII file format Bare Earth Grid, Tracey Daley converted them into text files, which 

were then converted into ASCII 3D file format. Finally, the ASCII 3D file was converted 

into a Bare Earth DEM. This 3 meter DEM was later resampled by Michael Bradley to a 1 

meter DEM, the raster which is used in this analysis. This DEM, Fogarty_1m, is a 

continuous floating point raster that is 1219 by 1739 in size (pixel rows and columns) 

with a WGS 1984 UTM Zone 19N coordinate system.  

Page 7: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  7

IV. Methods   

  The following steps were used to conduct a flow path analysis for two parking 

lots located within the RI Army National Guard property at Camp Fogarty. The analysis 

conducted within this paper is performed entirely within ESRI’s ArcGIS 10 (Service Pack 

3). ArcGIS is an extremely powerful and versatile geospatial data analysis and mapping 

software package that is widely used in the field of environmental science.  This analysis 

largely relies on a free extension of ArcGIS, called ArcHydro, which is primarily used for 

watershed mapping and delineation. I have outlined the steps of this analysis from start 

to finish, beginning with downloading and installing ArcHydro, and ending with creating 

custom point source flow paths for your map. Each step in the analysis begins with an 

underlined heading, and a brief description of the analysis that you are about to 

complete. Any text fields that you need to complete, buttons that you need to click, 

menus that you need to select a choice from, or actions that you need to take will be 

highlighted in bold. Additionally, important tasks or anything that you should be careful 

with will be labeled with the prefix “NOTE:” and will be italicized.  

 

Downloading Arc Hydro 

Using the FTP client of your choice, FTP into the ESRI site and download the ArcHydro 

installer. 

• ArcHydro can be accessed using the following information: (Dartiguenave 2008) 

o Server Address: ftp.esri.com 

o Login: RiverHydraulics 

o Password: river.1114 

 

• Once inside, browse to ArcHydro > Setup10 > 2.0.1.133_2.0_Final  

o Download ArcHydroTools.msi to your Desktop. The installer is a 21.8 mb 

file, and takes only a few moments to download over a high‐speed 

Internet connection.  

 

Page 8: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  8

Install ArcHydro 

Next, using the ArcHydroTools.msi Installer, you will install the ArcHydro toolbar to your 

computer.  

• NOTE: Before you install ArcHydro, check to make sure that the following 

software prerequisites are installed on your computer: 

o Microsoft .Net Framework 3.5 

o ArcGIS 10 with .Net libraries 

o Spatial Analyst Extension 

Note: While Spatial Analyst is not required to install ArcHydro, it 

must be activated on your computer in order to run virtually all of 

the tools used in this analysis.  

• The ArcHydro installation is a fairly standard one, and makes use of the familiar 

InstallShield software.  

o Simply double click on the ArcHydroTools icon on your Desktop to begin 

the installation process.  

o Click Next , then Accept the Terms of the License Agreement, and 

continue clicking on the Next button until the installation is complete. 

o Click Finish to complete the installation.  

 

Figure 1. ArcHydro Installation Wizard 

Page 9: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  9

 

• Finally, you will enable the ArcHydro toolbar within ArcMap.  

o Open ArcMap, and right click in the toolbar area.  

o Select ArcHydro Tools from the drop‐down menu. This will place 

ArcHydro in your toolbar.  

• Your installation is now complete, and you are ready to begin using ArcHydro.  

 

 

Figure 2. ArcHydro Toolbar 

 

Create A Geodatabase 

To begin the process, create a new file geodatabase using ArcCatalog. This geodatabase 

will act as a repository for the majority of the files that you create while performing a 

flow path analysis. 

• New > File Geodatabase 

o In keeping with basic file‐naming protocol for ArcGIS, be sure not to use 

any spaces or non‐alpha numeric characters other than dash or 

underscore when naming your geodatabase. 

o Name your geodatabase something meaningful; I suggest naming it after 

your study area. 

• Once your geodatabase is created, right‐click in the same folder where it is 

located and create a New Folder.  

o Name your folder the same thing as your geodatabase. You will use it 

later to hold output from ArcHydro. 

 

Select Your Study Area 

Next, open a new map document, and add the DEM and the polygon feature class or 

shapefile that contains your study area.  If necessary, select out the specific location 

where you would like to perform a flow path analysis.  

Page 10: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  10

• Selection > Select by Attributes 

o Right click on the selected layer > Data > Export Data 

o Browse to the location of your geodatabase, so that your selection will be 

exported as a new feature class in your geodatabase 

o Be sure to name your new feature class something meaningful. Ex: 

Study_Area 

 

Setting Up Your Geoprocessing Environment 

When beginning any raster analyses, it is wise to first set up your geoprocessing 

environment.  

• Geoprocessing > Environment  

• Workspace > Current Workspace: Your Geodatabase 

• Output Coordinates > Output Coordinate System: Same as Input;  WGS 1984 

UTM Zone 19N 

• Processing Extent > Extent: Same as clipped study area 

• Raster Analysis > Cell Size: Same as DEM 

• Raster Analysis > Mask: Clipped study area 

• Raster Storage > Pyramid: Check Build Pyramids 

 

Clip Your DEM 

Before you can create a flow path map using ArcHydro, it is necessary to first clip your 

DEM to the extent of the area you would like to perform your flow path analysis on. 

• Add your DEM to the map document. 

• ArcToolbox > Data Management Tools > Raster > Raster Processing > Clip 

o Input Raster:  The DEM you want to clip 

o Output Extent: Your Study Area feature class 

o Be sure to check the Use Input Features for Clipping Geometry check box 

o Output Raster Dataset: Create a new folder for your clipped DEM, and 

give it a name. The name of your clipped DEM is restricted to 13 

Page 11: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  11

characters or less. Do not save your new DEM to the geodatabase, 

because the next step requires editing it outside of a geodatabase. 

Instead, save it to the folder that you created earlier.  

o Note: When specifying your output, you want it in ESRI Grid format, so 

leave the file extension blank. This is very important to the next step! If 

you create your clipped DEM in a format other than ESRI Grid, you will run 

into problems that you cannot fix.  

o Note: ArcHydro is not capable of processing grids larger than 20,000 x 

20,000 cells. 

• Press OK to run the command. 

• Once the Clip procedure is finished, Save your map document, and exit ArcMap. 

 

Enable Z‐Units in Your DEM 

Unfortunately, the clipped DEM you have just created must be manipulated a little 

before you can use ArcHydro. Regardless of if z‐units are enabled in your original DEM, 

they are disabled by default in your clip, and must be manually enabled to take 

advantage of the full functionality of ArcHydro.  

• Browse to the location of your clipped DEM in Windows Explorer, and find the 

prj.adf file associated with it 

• Right click on the prj.adf file, and open it in a plain text editor of your choice. 

Notepad, the Windows default will work fine for this.  

Take note of the line of text that makes up this file, and find where it says "Zunit 

NO".  

• Replace "NO" with "1" (without the quotation marks), and save the file.  

• Note: 1 represents the number of z units present in on spatial reference unit. If 

the DEM's values were in meters, as they are in this example, you would put 1. If 

the DEM's values were in centimeters, you would put 100 (Murison 2011).  

• Be careful not to save the file in .txt format.  

Page 12: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  12

 

Data Management in ArcHydro 

Before you begin work in ArcHydro, you must first establish how you want it to manage 

data output. Unlike the tools available in ArcToolbox, ArcHydro does not give you the 

option of selecting where you want your output to go for each individual command. 

Instead, you must select one geodatabase to put all of your vector data in, and one 

folder to put all of your raster data in.  

• ArcHydro > ApUtilities > Set Target Location 

o Raster Data: Browse to the folder you created previously, and set it as 

the target location for your raster data. 

o Vector Data: Browse to the geodatabase you created previously, and set 

is as the target location for your vector data.  

o Press OK to confirm your selections.  

 

 Figure 3.  Data Management in ArcHydro.  

 

Depression Evaluation 

The Depression Evaluation Tool defines and characterizes depressions within a DEM, as 

well as the areas that drain into depressions. The output of the Depression Evaluation 

comes in two forms: the depressions themselves and the areas that drain into them. 

Characteristics such as the volume and depth of each depression are generated by 

default in the unit of measurement.  

• ArcHydro > Terrain Preprocessing > DEM Manipulation > Depression Evaluation 

Page 13: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  13

• DEM: Select your clipped DEM from the drop‐down menu. 

Depression: Name your depression output. Ex: ExampleDep. 

Depression Drainage Area: Name your depression drainage area output. Ex: 

ExampleDepDA.  

 

 Figure 4. Depression Evaluation Dialog  

 

• Press OK to run the tool. 

 

 

Depression Cleanup 

The output that results from the depression evaluation tool has a very pixilated 

appearance, and in general is aesthetically displeasing. To make this output suitable for 

use in a map, it is necessary to smooth the polygons out.  

• ArcToolbox > Cartography Tools > Generalization > Smooth Polygon 

o Input Features: Select your Depression Evaluation depression output 

from the drop‐down menu. Ex: ExampleDep 

o Output Feature Class: Browse to the geodatabase you created 

previously, and name your output. Ex: SmoothedDepression.  

o Smoothing Algorithm: PAEK 

o Smoothing Tolerance: 5 Meters 

o Press OK to run the tool. 

Page 14: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  14

 

 Figure 5. Original Output from Depression Evaluation 

 

 

 Figure 6. Depression Evaluation Output After Smoothing 

 

 

Flow Direction 

The flow direction tool analyzes the values of the 8 cells that surround a given cell and 

determines the direction of the flow based on the steepest path (Czekanski & McKinney 

2008).  

• ArcHydro > Terrain Preprocessing > Flow Direction 

Page 15: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  15

o Hydro DEM: Select your clipped DEM from the drop‐down menu. 

o Outer Wall Polygon: Select the clipped vector dataset containing your 

study area from the drop‐down menu.  

o Flow Direction Grid: Name your new flow direction raster output. Your 

file name cannot exceed 13 characters, and as usual, should not contain 

any spaces or non‐alphanumeric characters.  

 

 Figure 7. Flow Direction Dialog 

 

• Press OK to run the tool.  

• Your output should resemble the output below in Figure 8.  

 

 

 

Page 16: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  16

Figure 8. Flow Direction Output 

 

Flow Accumulation 

The flow accumulation tool computes a raster grid that contains the accumulated 

number of cells upstream of a given cell. Flow accumulation is the basis for the flow 

path analysis.  

• ArcHydro > Terrain Preprocessing > Flow Accumulation 

o Flow Direction Grid: Select the flow direction raster that you just created 

from the drop‐down menu. 

o Flow Accumulation Grid: Name your new accumulation grid. As this is a 

raster file, your file name cannot exceed 13 characters.  

o Press OK to run the tool.  

 

 Figure 9. Flow Accumulation Dialog 

 

• Your output will resemble the output below in Figure 10.  

Page 17: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  17

 

 Figure 10. Flow Accumulation Output 

 

Stream Definition & Segmentation 

• ArcHydro > Terrain Preprocessing > Stream Definition 

o A warning will pop up telling you to enter a numeric value greater than zero 

for the Area. This number represents the Stream Threshold value. Press OK 

and ignore it for the time being, leaving it at zero. If the output appears to be 

too dense (i.e., too many streams), this is the number to change. A smaller 

number will result in a denser stream network, while a larger number will 

result in a less dense stream network (Czekanski & McKinney 2006).  

o Flow Accumulation Grid: Select your flow accumulation raster from the drop‐

down menu. 

o Stream Grid: Name your new stream grid.  Because this is a raster file, your 

name cannot exceed 13 characters.  

Page 18: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  18

 

 Figure 11. Stream Definition Dialog 

 

o Press OK to run the tool. 

 

• ArcHydro > Terrain Preprocessing > Stream Segmentation 

o Flow Direction Grid: Select your flow direction raster from the drop‐down. 

o Stream Grid: Select the stream definition grid that you just created.  

o You may leave Sink Watershed Grid and Sink Link Grid set to Null, as these 

datasets have not been created and are not necessary to this step.  

o Stream Link Grid: Name your new stream link grid. This is a raster, so your file 

name cannot exceed 13 characters.  

 

 

Page 19: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  19

Figure 12. Stream Segmentation Dialog 

 

Press OK to run the tool.  

 

Drainage Line Processing 

This is the process that actually creates the flow lines that will go into your flow path 

map.  

• ArcHydro > Terrain Preprocessing > Drainage Line Processing 

o Stream Link Grid: Select the stream link grid created by the Stream 

Segmentation tool from the drop‐down menu. 

o Flow Direction Grid: Select your flow direction raster from the drop‐

down menu. 

o Drainage Line: Name your new flow lines.  

o Press OK to run the tool. This process may take a few minutes to 

complete. 

o Your output will resemble the output below in Figure 13.  

o Once output for the Drainage Line Processing tool is generated, you have 

all of the data you need to make a general flow path map for your study 

area. If you would like to generate flow paths for specific points within 

your study area, continue on to the next step. 

Page 20: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  20

 

 Figure 13. Drainage Line Processing Output. This output is your finished flow path result.  

 

Interactive Flow Path Tracing 

One of the more interesting and useful tools available in ArcHydro is the Interactive 

Flow Path Tracing tool. This tool allows the end user to create a custom flow path for 

any point source within the boundaries of the DEM. 

• ArcHydro > Interactive Flow Path Tracing 

 

Figure 14. Interactive Flow Path Tracing on the ArcHydro Toolbar 

 

o Drainage Area: Select the Drainage Area output created by the 

Depression Evaluation Tool.  

Note: Make sure to select the Drainage Area output, and not the 

Depression output. 

o Flow Direction Grid: Select your Flow Direction raster from the drop‐

down menu.  

o Longest Flow Path: Name your interactive flow path output.  

Page 21: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  21

 

Figure 15. Interactive Flow Path Tracing Dialog 

 

• Press OK to begin using the tool.  

• To use this tool, simply click anywhere within the DEM, and ArcHydro will draw a 

custom flow path in vector line format for the point where you’ve clicked.  

If the flow path drains to an area outside the boundaries of the DEM, the tool 

will return an error: No drainage area found for the clicked point! Click OK to 

dismiss it.  

• Otherwise, if your flow path drains to an area within your DEM and is successful, 

you will automatically zoom to your new flow path and a dialog box will pop up 

and ask you if you want to create a flow path as shown. Click Yes to approve 

your new flow path.  

• Flow paths generated by this tool will always automatically drain to the nearest 

depression, regardless of the size or volume of the depression. If you believe 

that the volume of liquid flowing along your custom path exceeds the capacity of 

the depression it first drains to, simply create another flow path just beyond that 

depression to determine where the liquid will flow next.  

 

Page 22: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  22

 

 Figure 16. Interactive Flow Path Tracing Output.  The squiggly red lines represent two custom flow paths 

generated by the tool. Note that they automatically stop at the depression that they drain to.  

 

 

V. Results 

 

The results of the flow path analysis for the Sun Valley Armory parking lot were 

as expected. The analysis produced extremely clear and well‐defined flow paths that 

lead to depressions that can be observed on site with the naked eye. As indicated in 

Figure 17, there is a large depression nearly the length of the parking lot that runs from 

North to South. This depression is located approximately 35 feet to the West of the 

motor pool gate, and the majority of the parking lot drains to this location. This 

depression is capable of holding approximately 34,196 US Gallons of fluid.  

Page 23: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  23

 Figure 17. Results of the Sun Valley Armory flow path analysis 

 

To the East of this large depression, there are a number of smaller depressions, each 

capable of holding between 3 and 2,375 US Gallons of fluid. Most of the eastern portion 

of the parking lot will drain to these depressions first, only draining to the larger 

depression if the volume of fluid spilled exceeds their capacity. The Interactive Flow 

Path Tracer shows that each of the two aboveground storage tanks will drain to a 

smaller depression, as indicated in Figure 18. The 500 Gallon storage tank will drain to a 

3‐gallon depression before overflowing, and the 4000 Gallon storage tank will drain to a 

21‐gallon depression before overflowing. Once these smaller depressions overflow, the 

liquid from the tanks will travel west to the largest depression, where they will be 

contained completely.  

Page 24: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  24

 Figure 18. Interactive Flow Paths for the Sun Valley aboveground storage tanks and the surrounding area. 

 

  Unfortunately, the results of the flow path analysis for the Camp Fogarty Armory 

parking lot were neither clear, nor particularly well defined. The first run‐through of the 

analysis produced results that were completely unsuitable for any kind of use. 

 

Page 25: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  25

 Figure #. Initial results of Camp Fogarty Armory flow path analysis.  Stream threshold value = 0 

 

 These first flow paths covered nearly the entire study area, and had no discernable 

pattern. By adjusting the Stream Threshold value in the Stream Definition process from 

0.0000 to, it was possible to decrease the density of the stream network and produce a 

slightly more defined set of flow paths. However, these new flow paths are too short 

and choppy to be of much use. The flow paths do seem to indicate that they drain to 

depressions in the landscape. There are a number of small depressions throughout the 

parking lot, the largest of which is capable of holding approximately 519 US Gallons of 

fluid. This depression is located in the southwest corner of the parking lot, where it 

appears that the majority of spilled fluid will go.  

Page 26: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  26

 Figure 19. Secondary Results of Camp Fogarty Armory flow path analysis.  

Stream threshold value = 0.000010 

 

  The results produced by the Interactive Flow Path Tool are far clearer than those 

produced by the general flow path analysis. The Interactive Flow Path Tool shows that 

fluid leaked from the 3000 Gallon aboveground storage tank will drain to a series of 

small depressions, finally stopping at a 108 gallon depression located approximately 150 

feet to the southeast of the tank. Once this depression overflows, the fluid from it will 

pool around it and remain in the southwest corner of the parking lot.  

VI. Discussion & Conclusion 

The combination of the success of the flow path analysis for the Sun Valley 

Armory parking lot and the somewhat unexpected failure of the flow path analysis for 

the Camp Fogarty Armory leads me to believe that while the model of creating flow 

paths in ArcHydro is valid, the model is also strongly susceptible to problematic data. I 

Page 27: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  27

believe that the unfavorable flow paths created by the Camp Fogarty Armory analysis 

are likely the result of artifacts in the original data. I do not believe that the results 

generated by this flow path analysis occurred as a result of a problem with the actual 

algorithms used by ArcHydro. When looking at the clipped DEM for the parking lot, 

clearly visible diagonal striations are present throughout. These striations did not 

appear to be present in the actual parking lot on the date of my last field visit, and I 

strongly recommend that the Army National Guard conduct a survey of the site to 

determine if they exist in the real world. 

 

Figure 20. Potential artifacts in the DEM 

 It is possible that this problem may potentially be remedied through converting the 

floating point raster to integer format. This conversion process has been known to 

reduce the number of sinks and artifacts in a DEM. However, this process relies on 

knowing the vertical accuracy of the data, something that has not yet been established 

for this dataset and is currently unknown. 

In light of the unclear and somewhat disappointing nature of these results, I 

have created a workaround to generate flow paths for the Camp Fogarty Armory 

parking lot. Looking at the output of the flow accumulation tool, it is clear that some 

sort of fluid stream exists in the parking lot. By using Raster Calculator and Reclassify, it 

is possible to isolate these accumulation streams so that the raster is comprised of 

streams with a value of 1 and all other cells with a value of NoData. Next, using the tool 

Raster to Polyline, it is possible to convert the raster accumulation streams to line 

Page 28: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  28

format, effectively creating flow lines for the parking lot. These streams do require some 

editing, but the end result is a set of easily interpretable flow paths.  

 

To ensure that these results have some validity, I carried out this procedure on 

the flow accumulation output for the Sun Valley Armory parking lot and compared them 

to the real flow paths generated by the Drainage Line Processing Tool; not surprisingly, 

the results are nearly identical (Figure 21). 

 Figure 21. Comparison of results for Sun Valley Armory 

Of course, it will be entirely up to the Army National Guard to decide which map to use 

for the Camp Fogarty Armory parking lot.  

Page 29: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  29

 Figure 22. Final Camp Fogarty Armory Map 

 

Looking at the big picture, it is clear that ArcHydro is capable of producing 

tangible flow paths for a given area, and that it has a valid place in the world of 

predictive oil spill modeling. While ArcHydro cannot take into account factors such as 

dispersal or dissolution, it can provide managers and scientists with basic information 

about the trajectory an overland chemical spill can take. As with most things, the results 

of a flow path analysis in ArcHydro are only as good as the data used as input. Problems 

within the data will almost certainly cause problems with the model. ArcHydro is a very 

powerful extension, with a tremendous amount of capabilities, and it should be noted 

that this analysis has barely scratched the surface of what ArcHydro can actually do. The 

RI Army National Guard will certainly be able to take advantage of these capabilities in 

the future, and I strongly believe that the process used to create these flow paths can 

be replicated for other National Guard properties. Should this process be replicated in 

Page 30: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  30

the future, I recommend that the Guard strive to obtain the highest spatial resolution 

data possible, and that all raster data should be screened in advance for potential 

artifacts or anything else that could negatively impact the model. Additionally, I would 

recommend that the Guard perform empirical tests in their parking lots to confirm the 

validity of future results. This would entail systematically releasing water at various 

locations and observing flow paths to see if they follow the paths predicted in this 

analysis. Empirical assessment of depression volumes might also be done, however this 

process can be complicated by rapid soil or gravel infiltration of fluids, which can result 

in higher capacities that what was predicted by elevation‐derived volumetric 

estimations. 

Page 31: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  31

Acknowledgements  

  To begin, I’d like to thank Dr. Peter August for suggesting this project to me, and 

for being an invaluable source of advice and encouragement throughout the major 

paper process and my time as a MESM student. Additionally, I would like to thank 

Michael Bradley and Tracey Daley of the RI Army National Guard for allowing me the 

opportunity to work on this project, granting me access to this data, and providing 

technical assistance. I would also like to thank my lab mates in the EDC Lab, Heather 

Grybas and Tiffany‐Lane Davis, for their encouragement and emotional support. I’d also 

like to thank the NRS Department for taking me on as the Department Webmaster, and 

for allowing me the many wonderful opportunities I’ve had during my time in the MESM 

program. Finally, I’d like to thank my husband Keith for supporting me throughout my 

post‐graduate career; I couldn’t have done this without his constant encouragement 

and help. 

Page 32: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  32

 

References 

Adam, G. and H.J. Duncan. (1999) Effect of diesel fuel on growth of selected plant 

species. Environmental Geochemistry and Health. 21: 353‐357.  

Asia‐Pacific Applied Science Associates (APASA) (2003) A review of recent innovations 

and current research in oil and chemical spill technology. Available online at: 

http://www.amsa.gov.au/marine_environment_protection/national_plan/contin

gency_plans_and_management/research_development_and_technology/spill_t

echnology.pdf 

Bolstad, P. (2008) GIS Fundamentals: A First Text on Geographic Information Systems. 

Elder Press: White Lake, Minnesota.  

Czekanski, A.J. and D.C. McKinney. (2006) Introduction to Arc‐Hydro: ACEH basin pilot 

study. Center for Research in Water Resources: Austin, Texas. Available online 

at: http://www.ce.utexas.edu/centers/crwr/reports/online.html. 

Dartiguenave, C. (2010) ArcHydro in ArcGIS 10. [Message 6] Posted to: 

http://forums.arcgis.com/threads/8274‐ArcHydro‐in‐ArcGIS‐10.  

Ivanov, A.Y. and V.V. Zatyagalova. (2008) A GIS approach to mapping oil spills in a 

marine environment. International Journal of Remote Sensing. 29, 21: 6297‐

6313. 

Li, Y., A.J. Brimicombe, and M.P. Ralphs. (2000) Spatial data quality and sensitivity 

analysis in GIS and environmental modelling: the case of coastal oil spills. 

Computers, Environment and Urban Systems. 24: 95‐108.  

Lloyd, A.C. and T.A. Cackette. (2001) Diesel Engines: Environmental Impact and Control. 

Journal of the Air and Waste Management Association. 51: 809‐847.  

Lytle, D.A. and B.L. Peckarsky. (2001) Spatial and temporal impacts of a diesel fuel spill 

on stream invertebrates. Freshwater Biology. 46: 693‐704.  

Mahaney, P.A. (1994) Effects of freshwater petroleum contamination on amphibian 

hatching and metamorphosis. Environmental Toxicology and Chemistry. 13, 2: 

259‐265.  

Page 33: Predictive Modeling of Overland Spill Using ArcGIS M. · Predictive Modeling of Overland Petrochemical Spill Trajectories Using ArcGIS by Kristen M. Mathieu A MAJOR PAPER SUBMITTED

 

  33

Murison, L. (2011) Error in Level DEM: Spatial reference does not have z unit and in Sink 

evaluation. [Message 2] Posted to: http://forums.arcgis.com/threads/34621‐

Error‐in‐quot‐Level‐DEM‐quot‐Spatial‐reference‐does‐not‐have‐z‐unit‐and‐in‐

quot‐Sink‐evaluation‐quot. 

Rhode Island Army National Guard. (2010) East Greenwich Camp Fogarty Training Site 

Spill Prevention and Contingency Plan.  

Sorenson, M. (1995) Arc/INFO Marine Spill GIS. Spill Science & Technology Bulletin. 2, 1: 

81‐85.  

Vandermuelen, J.H. and C.W. Ross. (1995) Oil Spill Response in Freshwater: Assessment 

of the Impact of Cleanup as a Management Tool. Journal of Environmental 

Management. 44: 297‐308.