2012 report potter lake campus, douglas county, kansas water quality evaluation 2011 january 13,...

39
Potter Lake University of Kansas Lawrence Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety University of Kansas, Lawrence Campus

Upload: lykien

Post on 23-Jun-2018

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

 

Potter Lake University of Kansas                                

Lawrence Campus, Douglas County, Kansas  

           Water Quality Evaluation 

2011 

 

 

January 13, 2012 

Prepared by the Department of Environment, Health & Safety 

University of Kansas, Lawrence Campus

Page 2: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cover Photograph 

 A view of Potter Lake (looking north) taken in 1911, the year it was constructed.  

Modified From: KU Oread web page  April 11, 2011. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

TableofContents 

1.           Introduction ....................................................................................................................... 1 

2.          Description of the Potter Lake and its Watershed ............................................................. 1 

3.          Remediation Measures Taken to Improve the Water Quality of Potter Lake .................... 6 

4.          Water Quality Monitoring Program for Potter Lake .......................................................... 7 

5.          Results of the Monitoring Program .................................................................................... 7 

  A.   Water Temperature ....................................................................................................... 7 

  B.   Secchi Disc Transparency ............................................................................................. 11 

  C.   Turbidity ....................................................................................................................... 11 

  D.   Chlorophyll a ................................................................................................................ 12 

  E.   Phosphorus ................................................................................................................... 12 

  F.   Nitrogen ........................................................................................................................ 18 

  G.   pH ................................................................................................................................. 18 

  H.   Alkalinity ...................................................................................................................... 22 

  I.   Dissolved Oxygen .......................................................................................................... 22 

6.          Trophic State Index ........................................................................................................... 25 

7.          Conclusions ....................................................................................................................... 28 

8.           References ....................................................................................................................... 30 

Appendix A.  Complete Data Set Collected During the 2011 Water Quality Monitoring Program 

of Potter Lake. ......................................................................................................... 31 

A.1.  Temperature ..................................................................................................................... 32 

A.2.  Secchi disc transparency ................................................................................................... 32 

A.3.  Turbidity ............................................................................................................................ 32 

Page 4: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

ii 

 

A.4.  Water Chemistry ............................................................................................................... 33 

A.5.  pH ...................................................................................................................................... 33 

A.6.  Dissolved Oxygen ............................................................................................................... 34 

A.7.  Trophic State Indices .......................................................................................................... 34 

 

ListofTables 

Table 1.  Possible outcome predicted based on R. E. Carlson’s Trophic State Indices (from 

Carlson and Simpson, 1996). .......................................................................................... 26 

Table 2.  Potter Lake Trophic State Indices based on samples collected at 0.5 m during March 

through October, 2011.  The summer period includes data collected during June, July, 

August and September. .................................................................................................. 28 

 

ListofFigures 

Figure 1.  Bathymetric map of Potter Lake, Douglas County, Lawrence, Kansas (38.96° N 

Latitude; 95.24° W Longitude).  This map was created by the Kansas Biological Survey 

(2010). ............................................................................................................................ 2 

Figure 2.  Watershed area (ca. 0.029 square mile or 19 acres) for Potter Lake (black‐outlined 

area). .............................................................................................................................. 3 

Figure 3.  Aerial view of the Potter Lake watershed (from Google Earth) ..................................... 4 

Figure 4.  Stormwater conveyance system that provides the majority of the water input to 

Potter Lake. .................................................................................................................... 5 

Figure 5.  Water temperature profiles from Potter Lake during March through October, 2011. . 8 

Figure 6.  Regression analysis between the weekly mean air temperature and the surface water 

(0.5 m) temperature of Potter Lake during March through October, 2011. ................. 9 

Page 5: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

iii 

 

Figure 7.  Water density profiles for Potter Lake during March through October, 2011. ............ 10 

Figure 8.  Secchi disc depth (centimeters) from Potter Lake during March trhrough October, 

2011. ............................................................................................................................. 13 

Figure 9.  Seasonal water column profiles of turbidity in Potter Lake during March through 

October, 2011. ............................................................................................................. 14 

Figure 10.  Non‐algal turbidity values for Potter Lake collected during March through October, 

2011.  Note that the zero (0) values for the June, July and August 3.0 m samples 

were calculated as negative numbers and given zero values. .................................. 15 

Figure 11.  Linear regression relationship between the chlorophyll a concentration (0.5 m) and 

the Secchi disc depth (i.e., transparency).................................................................. 16 

Figure 12.  Concentrations of chlorophyll a in Potter Lake at 0.5 m during March through 

October, 2011. ........................................................................................................... 17 

Figure 13.  Concentrations of Total Nitrogen in Potter Lake at 0.5 m and 3.0 m during March 

trhough October, 2011. ............................................................................................. 19 

Figure 14.  Mean pH (± 1 Standard Deviation) for Potter Lake during the monitoring program 

during March, June through October, 2011. ............................................................. 20 

Figure 15.  Summertime pH (Mean ± 1 Standard Deviation) in Potter Lake, during June through 

September, 2011. ...................................................................................................... 21 

Figure 16.  Dissolved oxygen profiles for Potter Lake during March through October 2011. ..... 23 

Figure 17.  Oxygen saturation profiles for Potter Lake during March through October 2011. .... 24 

Figure 18.  Seasonal variations in the Trophic State Indices for Potter Lake, March – October, 

2011. .......................................................................................................................... 27 

 

Page 6: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

1. Introduction  Potter  Lake  [referred  to  as  “Potter’s  Lake”  by  the  Kansas Department  of Health  and 

Environment  (KDHE)  and  the  U.S.  Environmental  Protection  Agency  (EPA);  U.S.  Geological 

Survey Hydrologic Unit Code (HUC) 8: 10270104, HUC 11: 020; Station:  LM073401] is located in 

northwestern Kansas in Lawrence, Kansas, and lies within the Lower Kansas River Basin.  The 1‐

acre  lake was constructed  in 1911 on  the campus of  the University of Kansas  (KU), Lawrence 

Campus, in Douglas County, to provide fire protection for the campus.  KDHE added the lake to 

the state’s Clean Water Act, Section 303(d) list in 1996 because of aquatic life use impairment.  

In  2000,  KDHE  developed  a  Total Maximum Daily  Loads  (TMDL)  to  address  the  phosphorus 

loading and associated eutrophication, high pH, and secondary contact recreation impairments. 

  The  eutrophication  impairment  of  Potter  Lake  was  believed  to  be  associated  with 

fertilizer usage within  the watershed  (KDHE TMDL, 2000).   Background  inputs of phosphorus 

were  suspected  to  come  from nutrient  recycling  from  the  sediments, geological  sources and 

wildlife  waste.    There  were  no  identified  point  sources  of  phosphorus  input  within  the 

watershed.   The  lake has a small watershed  (ratio of watershed area:  lake surface area ≈ 19) 

and the  lake has no natural stream  inflow; rather, most of the  inflow waters are derived from 

the stormwater conveyance system in the areas to the south and west of the lake. 

  Ongoing efforts by the University of Kansas have been undertaken to improve the water 

quality of Potter Lake.   These efforts have significantly  improved  the  lake’s water quality and 

the results of an eight‐month monitoring program are presented  in this report.   Based on the 

findings  of  the water  quality monitoring  program,  it  is  believed  that  Potter  Lake  should  be 

delisted from the Kansas list of impaired waters 303(d) list. 

 

2. DescriptionofthePotterLakeanditsWatershed  Situated on the campus of the University of Kansas, Lawrence Campus, Potter Lake has a 

surface area of approximately (ca.) 1.0 acre, a maximum depth of 12.0 feet (3.66 meters) and a 

mean depth of 5.4 feet (1.65 m) (Figure 1).  The lake holds ca. 1,783,690 gallons of water (6,752 

m3 or 5.4 acre feet). The land use within the ca. 0.029 square mile (ca. 19 acre) watershed has 

been  described  as  “100%  urban  (campus)”  (KDHE  TMDL,  2000);  however,  over  50%  of  the 

drainage area directly surrounding the lake is covered with grass and trees (Figure 2, 3).  There 

are no natural stream  inflows to the  lake.   The primary source of water to Potter Lake  is from 

stormwater runoff via its conveyance system in the area (Figure 4).  There is a small amount of 

water  input  from direct precipitation onto  the  lake surface, sheet  runoff and  there may be a 

Page 7: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

   

Figure 1.  Bathymetric map of Potter Lake, Douglas County, Lawrence, Kansas (38.96° N Latitude; 95.24° W Longitude).  This map 

was created by the Kansas Biological Survey (2010). 

Page 8: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

 

Figure 2.  Watershed area (ca. 0.029 square mile or 19 acres) for Potter Lake (black‐outlined area). 

Page 9: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

 

Figure 3.  Aerial view of the Potter Lake watershed (from Google Earth).

Page 10: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

 

 

Figure 4.   Stormwater conveyance system  that provides  the majority of  the water  input  to 

Potter Lake. 

Page 11: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

small amount of groundwater  inflow.   Surface water outflow from the  lake  is not continuous.  

Two water  outflow  pathways  are  present,  both  of which  flow  into  the  regional  stormwater 

drainage system which eventually flows  into the Kansas River.   One outflow pathway  is via an 

overflow  standpipe  within  the  lake.    The  second  is  an  overflow  spillway  located  on  the 

northwestern end of the lake. 

  The  soils  of  the  Potter  Lake  watershed  have  been mapped  as Martin‐Sogn‐Vinland 

association, although the Vinland‐Martin complex makes up the major part of the drainage area 

(7  –  15%  slopes)  (U.S.  Department  of  Agriculture,  Soil  Conservation  Service,  1977).    This 

complex  is on  the  slide  slopes below  limestone and  sandstone  formations.   The presence of 

limestone within the watershed has an  influence on the chemical characteristics (e.g., pH and 

alkalinity) of Potter Lake. 

 

3. Remediation Measures Taken to Improve the Water Quality ofPotterLake

  The watershed area directly  surrounding Potter Lake  is  totally covered with  sod grass 

and  trees  (see  Figure  3).    Since  at  least  2000,  that  area  has  received  limited  fertilizer 

application, an activity which was identified in the TMDL as a potential source of phosphorus to 

the lake.  In the spring of 2008, the Potter Lake Project, a student lead effort, was established to 

coordinate  with  efforts  being  made  by  the  KU  Departments  of  Design  and  Construction 

Management and Facilities and Operations, Landscaping Division, to improve and enhance the 

lake’s water quality.   In March 2009, Asian Grass Carp were added to the lake to help control 

the growth of aquatic weeds.   Also  in 2009, student volunteers were organized by the Potter 

Lake Project to manually remove some of the aquatic vegetation from the lake.  In September, 

2010, a $125,000 dredging project was completed to remove approximately 5,000 cubic yards 

(3,823  cubic  meters)  of  sediments  containing  decaying  vegetation  from  the  lake  bottom.   

Nutrients from these sediments and decaying vegetation were being recycled back into the lake 

water  feeding  the growth of a green surface “scum.” That green material, which covered  the 

lake surface  in 2010, was actually made up of a very small  (ca. 1 millimeter across), rootless, 

seed‐bearing flowing plant called watermeal (Wolffia sp.).     The growth of this plant  is usually 

indicative of an abundant availability of nutrients  (e.g., phosphorus and nitrogen)  in  the  lake 

water.  Also in the fall of 2010, a $200,000 stormwater runoff project was undertaken to reduce 

the amount of runoff from Jayhawk Boulevard.   

 

Page 12: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

4. WaterQualityMonitoringProgramforPotterLake  The  water  quality  monitoring  program  was  begun  in  March,  2011,  and  continued 

through October, 2011.   Sampling  time was usually midday  (between 1100 and 1300 hours).  

Sampling was conducted over the deepest part of the lake (Latitude: 38.96 N; Longitude: 95.25 

W).    The  monitoring  program  involved  monthly  sampling  of  physical  and  chemical 

characteristics  of  the water  quality.    The  following  parameters were measured:    Secchi  disc 

transparency, depth profiles of temperature, pH, turbidity and dissolved oxygen concentration 

using an Horiba U‐10 Water Quality Meter, and water chemical analyses for concentrations of 

total phosphorus, total nitrogen, Kjeldahl nitrogen, nitrate, nitrite (conducted by Pace Analytical 

Services,  Inc.,  Lenexa,  Kansas)  and  chlorophyll  a  (conducted  by  the  Kansas  Department  of 

Health  &  Environment,  Bureau  of  Environmental  Field  Services,  Topeka,  Kansas).    On  one 

occasion  (June, 2011), water samples were analyzed  for alkalinity  (as CaC03 mg/liter; by Pace 

Analytical Services, Inc.).  Water samples for chemical analyses were collected from two depths, 

one near the lake surface (0.5 meters or 1.64 feet) and one near the lake bottom (3.0 meters or 

9.84 feet).  These water samples were kept cold and in the dark and delivered to the analytical 

laboratories within 24 hours of collection. (Complete data set in Appendix A.) 

 

5. ResultsoftheMonitoringProgram

A. WaterTemperature  The depth and seasonal changes in water temperature observed in the water column of 

Potter  Lake was  similar  to  other  aquatic water  bodies  in  the Midwest.    Following  ice  cover 

during the winter months, the surface water temperatures began to warm up (Figure 5) as the 

air temperatures began to increase the week of February 13, 2011, when the mean average air 

temperature first remained above freezing (mean average air temperature that week was 47° F; 

maximum  air  temperature  75°  F  )  (weather  station  KLWC  data  from  Lawrence  Municipal 

Airport; Weather Underground web page).   At  the beginning of  this monitoring program on 

March 16, 2011, the surface waters (0 – 0.5 meters) were already above 50° F (10° C) and the 

bottom waters  (1.5  –  3 meters)  ranged  from  44  –  46  °  F  (6.7  –  7.7  °  C).    The  lake waters 

continued  to  increase  in  temperature  through  the  spring  and  summer,  reaching a maximum 

surface water temperature in July (86° F, 30.3 ° C).  After that time, the lake water temperature 

began  to  first gradually decline and  then more rapidly declined between August and October 

when the rate of the lake water temperature decline greatly increased in sync with the rapidly 

decreasing air temperatures.  There was a strong positive dependent relationship (r2 = 0.8794)  

Page 13: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

 

Figure 5.  Water temperature profiles from Potter Lake during March through October, 2011. 

Page 14: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

 

                              

Figure 6.   Regression analysis between the weekly mean air temperature and the surface water  (0.5 m) temperature of Potter 

Lake during March through October, 2011. 

Page 15: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

10 

 

 

Figure 7.  Water density profiles for Potter Lake during March through October, 2011.

Page 16: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

11 

 

between the weekly mean air temperature and the surface water (0.5 m) temperature (Figure 

6).   

Another characteristic of lakes in relation to the solar heating of their waters is thermal 

stratification.  As the water temperature increases, the density of water decreases.  Depending 

on a  lake’s morphology (e.g., depth and surface area), orientation to prevailing winds and the 

direction  and  velocity  of  the  prevailing winds,  a  lake  can become  thermally  stratified  into  a 

warm surface layer (epilimnion) and a colder bottom layer (hypolimnion) with a transition zone 

(metalimnion) where  the water  temperature  changes  very  rapidly  (at  least  1° C  per meter).  

Converting  the  temperature  profiles  from  Potter  Lake  into water  density  profiles  (based  on 

water temperature only) revealed that the lake was thermally stratified in June and July, 2011 

(Figure 7).   Therefore, Potter  Lake  appears  to be  a dimictic  aquatic  system,  that  is,  the  lake 

waters mix completely from top to bottom twice a year (in the spring and late summer/fall).  

B. SecchiDiscTransparency  The Secchi disc depth is a measure of the transparency of the lake water.  In Potter Lake, 

the Secchi depth ranged from 95 ‐ 237 cm during March through October 2011 (Figure 8).  The 

mean  (x)̄ Secchi disc depth  for  this eight‐month period was 179±46 cm.   During  the  summer 

months (June – September), the range was 114 – 195 cm  (x ̄ summer = 180 ±39 cm).   Except for 

March and August, the Secchi disc depth was fairly stable, averaging 204 ±17 cm. 

C. Turbidity  The waters of Potter Lake were  fairly clear throughout the sampling period, especially 

from the surface to 2.0 m (Figure 9).  The overall average turbidity for the 0.0 – 2.0 m portion of 

the lake’s water column was 4±2 NTU.  Some of the turbidity readings from water deeper than 

2.0 m were  very  high  possibly  due  to  disturbance  of  epiphytic  periphyton  (attached  algae) 

growing on benthic macrophytes. 

  The turbidity observed in Potter Lake appeared to be due to algal material based on an 

evaluation  of  the  Non‐Algal  Turbidity  (NAT)  (Walker  1987).    That  analysis  estimates  if  the 

turbidity, as  it affects  the water  clarity  (i.e.,  Secchi disc depth),  is due  to algal material  (i.e., 

chlorophyll a) or is due to non‐algal material (e.g., suspended clay or other inorganic material).  

The relationship is as follows: 

  NAT = 1/Secchi (m) – 0.025*Chl‐a (ug/L)   (resulting units of m‐1). 

The 0.025 term associated with the chlorophyll concentration is a default value of the slope of 

the chlorophyll versus Secchi relationship (units of m2/mg) calibrated from 65 Corps of Engineer 

impoundments data set (Walker 1983).  If the NAT value is less than 0.4, the turbidity is all due 

Page 17: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

12 

 

to algal cells.   Values above 1.0  indicate  increasing  importance of clay or other  inorganic (i.e., 

non‐algal) material.   Values that calculate to negative numbers should be given zero values as 

there is little guidance on that result.  

In  Potter  Lake,  the  NAT  values  for  0.5  m  samples  ranged  from  0.24  –  0.57  (x ̄ = 

0.40±0.10).    For  3.0 m  samples,  the NAT  ranged  from  0.00  –  0.87  (x ̄ =  0.24±0.28)  (the  zero 

values were actually calculated  to negative numbers)  (Figure 10).   These NAT values  indicate 

that the turbidity of Potter Lake is primarily due to algal material. 

A  similar  way  to  look  at  the  cause  of  the  observed  turbidity  is  to  evaluate  the 

relationship between measured chlorophyll a concentrations and Secchi disc transparency.   A 

regression  analysis  of  these  data  from  Potter  Lake  clearly  illustrates  that  there  is  a  strong 

inverse  relationship  between  the  amount  of  chlorophyll  a  (0.5  m)  and  the  Secchi  disc 

transparency  (r2 = 0.74)  (Figure 11).   Therefore, as  the amount of  chlorophyll  increased,  the 

Secchi  disc  transparency  decreased.    This  analysis  supports  the NAT  data  that  the  observed 

turbidity in Potter Lake is primarily due to algal material. 

D. Chlorophylla  The  distribution  of  chlorophyll  a  in  lake water  is  an  indicator  of  the  distribution  of 

phytoplankton (i.e., algal) biomass  in aquatic systems.   During this monitoring program, water 

samples from two depths (0.5 and 3.0 m) were collected during March through October, 2011.   

All samples collected from 3.0 m  in April, May, June, July and August were contaminated with 

material believed to be periphyton, not free floating algae (i.e., phytoplankton).  Chlorophyll a 

concentrations  in  the 0.5 m  samples collected during  the 8 month monitoring period  ranged 

from 1.99 – 18.83 µg/liter with a mean of 8.51±5.83 µg/liter (analytical method: AWWA, APHA, 

WEF  10200‐H)  (Figure  12).    During  the  summer  period  (June  –  September),  the  mean 

chlorophyll a concentration  in the 0.5 m samples was 10.23±3.69 µg/liter.   The relatively high 

concentration of chlorophyll a  in August  (16.34 µg/liter) was believed  to be  the  result of  the 

lake destratifying thermally (see Figure 7) and the lake water mixing from top to bottom.  KDHE 

has set a 12 µg/liter target as the  limit for primary contact recreation and a 20 µg/liter target 

for  secondary contact.   Potter Lake only exceeded  the primary  target  limit  twice  (March and 

August, 2011) and never exceeded the secondary contact target limit. 

E. Phosphorus  Phosphorus concentrations  in  lake water were measured as Total Phosphorus,  that  is, 

the combination of both organic and  inorganic forms of phosphorus.   Samples were collected 

from  two  depths,  0.5  and  3.0  meters.    The  analytical  method  used  to  analyze  for  total 

phosphorus (EPA 365.4: Total Phosphorous, Colorimetric, Automated, Block Digester AA II) has 

Page 18: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

13 

 

 

 

Figure 8.  Secchi disc depth (centimeters) from Potter Lake during March through October, 2011. 

 

 

Page 19: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

14 

 

 

Figure 9.  Seasonal water column profiles of turbidity in Potter Lake during March through October, 2011. 

Page 20: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

15 

 

 

Figure 10.  Non‐algal turbidity values for Potter Lake collected during March through October, 2011.  Note that the zero (0) values 

for the June, July and August 3.0 m samples were calculated as negative numbers and given zero values. 

Page 21: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

16 

 

 

Figure  11.    Linear  regression  relationship  between  the  chlorophyll  a  concentration  (0.5 m)  and  the  Secchi  disc  depth  (i.e., 

transparency). 

Page 22: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

17 

 

 

Figure 12.  Concentrations of chlorophyll a in Potter Lake at 0.5 m during March through October, 2011.

Page 23: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

18 

 

a detection limit of 5 µg/liter.  The total phosphorus concentrations in water samples collected 

at 0.5 m in Potter Lake were all below the level of detection (< 5 µg/liter) throughout the eight‐

month monitoring program.  The total phosphorus concentrations in water samples collected at 

3.0 m were also all below the level of detection except during June and July, 2011, when total 

phosphorus concentrations were 110 and 90 µg/liter respectively.   During these two months, 

the lake was thermally stratified and the dissolved oxygen at 3.0 m was extremely low in June 

and July, 0.06 and 0.04 mg/liter respectively (see Section 5.I.). 

F. Nitrogen  The  amount  of  nitrogen  was  measure  as  dissolved  inorganic  nitrogen  (nitrate  and 

nitrite), Kjeldahl Nitrogen and Total Nitrogen.  Forms of dissolved inorganic nitrogen are related 

to nutrient availability for algal growth.  Kjeldahl nitrogen is a measure of the organic nitrogen 

plus  ammonium  present  in  the water  (it  does  not measure  the  amount  of  nitrate  or  nitrite 

present).  Total nitrogen is a measure of all forms of nitrogen present in the water column, both 

inorganic and organic. 

  For  samples  collected  from  0.5 m  in  Potter  Lake,  concentration  of  nitrite was  never 

above the level of detection (0.10 mg/liter) throughout the study period.  Nitrate at 0.5 m was 

only above the  level of detection  (0.015 mg/liter)  in March and April  (0.33 and 0.22 mg/liter, 

respectively).  Samples from 3.0 m followed a similar pattern throughout the study period with 

nitrite below the level of detection throughout the study period and nitrate only detectable in 

March, April and August (0.45, 0.20, 0.10 mg/liter, respectively).   

  The  trend  in Kjeldahl nitrogen and  total nitrogen were nearly  identical at both depths 

throughout  the  study  period.    The  amount  of  total  nitrogen was  almost  always  equal  to  or 

slightly greater  than  the amount of Kjeldahl nitrogen.   For samples collected  from 0.5 m,  the 

total nitrogen concentration  ranged  from 0.32 – 1.30 mg/liter  (x ̄=0.67±0.34 mg/liter)  (Figure 

13).   During  the summer months  (June  through September),  the  total nitrogen concentration 

ranged from 0.30 – 1.00 mg/liter (x ̄=0.61±0.26).   For those samples collected from 3.0 m, the 

total nitrogen concentration was slightly higher than at 0.5 m ranging from 0.46 – 1.70 mg/liter 

(x ̄ =1.07±0.44 mg/liter).    During  the  summer months,  the  concentrations  of  total  nitrogen 

ranged from 0.46 – 1.70 mg/liter (x ̄=1.27±0.49 mg/liter). 

G. pH

  The  relative  acidity  (low  pH)  or  basicity  (high  pH)  of  lake waters  is  a  function  of  the 

buffering  capacity  or  acid  neutralizing  capacity  (alkalinity)  of  the  water,  the  rate  of 

photosynthesis by algae and macrophytes, and the rate of respiration by plants and bacteria.  

Page 24: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

19 

 

 

 

Figure 13.  Concentrations of Total Nitrogen in Potter Lake at 0.5 m and 3.0 m during March through October, 2011. 

Page 25: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

20 

 

                                           

Figure 14.  Mean pH (± 1 Standard Deviation) for Potter Lake during the monitoring program during March, June through October, 

2011. 

Page 26: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

21 

 

 

Figure 15.  Summertime pH (Mean ± 1 Standard Deviation) in Potter Lake during June through September, 2011.

Page 27: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

22 

 

The range in pH in Potter Lake (0 – 3.2 m) during the study period for all depths (March, June – 

October, 2011) was 6.51 – 8.26  (x ̄= 7.52±0.39).   During April and May,  the pH probe on  the 

Horiba U‐10 was not functioning properly.  Taking each sample depth individually, the mean pH 

during  the monitoring  program  (Figure  14)  ranged  from  7.80±0.28  at  surface  (0.0 m)  and 

decreased to 6.64±0.15 at 3.2 m.  The pH of the waters 2.5 m and above had an overall mean 

pH of 7.66±0.25.  The mean pH of water 3.0 m and deeper was 6.89±0.38.  During the summer 

months (June – September), the mean pH from 0.0 – 3.2 m ranged from 6.64 – 7.75 (overall x ̄= 

7.35±0.37) (Figure 15).  KDHE has set an optimal pH range of 6.5 – 8.5 for aquatic water bodies; 

therefore, Potter Lake is within that range. 

H. Alkalinity  The  buffering  capacity  or  acid  neutralizing  capacity  of  lake  water  is  referred  to  as 

alkalinity.   This parameter  is  a measure of  the  inorganic  carbon equilibrium within  a  system 

imparted by the presence and concentrations of carbon dioxide, bicarbonate and carbonate in 

the water.  In Kansas and within the watershed of Potter Lake, there is a significant amount of 

limestone (i.e., carbonate) present that directly influences the alkalinity of Potter Lake. 

  Water  samples  from  0.5  and  3.0 m were  analyzed  for  alkalinity  in  June,  2011.    The 

alkalinity at both depths was the same, 110 mg/liter as calcium carbonate  (2,196 µeq/liter as 

calcium carbonate).  At this value, Potter Lake is very well buffered and a non‐sensitive aquatic 

system.   EPA has set a value of <25 mg/liter as calcium carbonate as the  level below which a 

lake would be sensitive to acidic inputs. 

I. DissolvedOxygen  The  amount  of  dissolved  oxygen  in  lakes  reflects  the  balance  between  the  rates  of 

supply of oxygen from the atmosphere and photosynthesis versus the consumption of oxygen 

by organism (e.g., respiration) and nonbiotic chemical reactions.   During the spring months  in 

Potter  Lake,  the  supply  of  oxygen  to  the  surface  waters  was  very  high  in  contrast  to 

consumptive uses of oxygen (Figure 16).   The percent oxygen saturation  in the surface waters 

during April, 2011, was over 100% at 0.0 m and there was an oxygen peak between 2.0 – 2.5 m 

indicating high photosynthetic activity as the water clarity was very high (Secchi disc depth was 

187 cm) (Figure 17).  In May, 2011, the oxygen saturation was exceptionally high between 0.0 – 

2.0 m, ranging from 99 – 112% when, again, the water transparency was very high (Secchi disc 

depth was 197 cm).  During June and July, 2011, the lake had become thermally stratified and 

the bottom waters (below 2.0 m) had become anoxic (the percent saturation of these waters 

ranged  from  0.0  –  5.8 %).    The  lake  appeared  to  have  turned  over  (i.e., mixed  from  top  to 

bottom)  just  before  our  August  sampling  and,  although  the  lake  was  no  longer  thermally

Page 28: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

23 

 

 

 

Figure 16.  Dissolved oxygen profiles for Potter Lake during March through October 2011. 

Page 29: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

24 

 

 

Figure 17.  Oxygen saturation profiles for Potter Lake during March through October 2011.

Page 30: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

25 

 

stratified, the entire water column (0.0 – 3.2 m) had depressed oxygen levels (ranged from 0.0 

– 51.6%) with  the waters between 1.5 – 2.5 m  ranging  from 6.1 – 10.9%  saturation and  the 

waters  3.0 m  and  below were  completely  anoxic  (0.0%  saturation).   During  September  and 

October,  2011,  anoxic  conditions  never  returned.    In  September,  the  oxygen  levels  were 

moderate throughout the water column (ranged from 43.2 – 73.6%).    In October, the percent 

oxygen saturation  trended downwards with  increasing depth ranging  from 43.8% at 0.5 m  to 

14.1%  at  3.0  m.    The  extensive  macrophyte  growth  along  the  shoreline  appeared  to  be 

senescing which would account for the observed lower levels of oxygen in the lake waters.   

 

6. TrophicStateIndex  The  natural  aging  process  of  lakes  is  called  eutrophication.    Generally,  as  inputs  of 

nutrients (e.g., nitrogen and phosphorus)  increase  in  lake water, the more plants and animals 

can  be  sustained  by  the  lake.    Using  the  Secchi  disc  transparency,  chlorophyll  a,  total 

phosphorus and total nitrogen, the degree of eutrophication, or trophic status, of a lake can be 

defined.   Based on three of these parameters, R. E. Carlson (Carlson1977, 1981, 1983; Carlson 

and Simpson 1996) developed the following Trophic Status Indices (TSI) and C. R.  Kratzer and P. 

L. Brezonik (1981) developed a TSI based on the total nitrogen data from lake water. 

TSISD = 60 ‐ 14.41 [ln Secchi disk (meters)] 

TSITP = 14.42 [ln Total phosphorus (µg/L)] + 4.15 

TSICHL = 9.81 [ln Chlorophyll a (µg/L)] + 30.6 

TSITN = 14.43 [ ln Total Nitrogen (mg/L)] + 54.45 

If the TSI value is above 70 the water body is considered Hypereutrophic; between 50 and 70, 

Eutrophic; between 40 and 50, Mesotrophic; less than 40, Oligotrophic (Table 1).   

  Using the data collected from 0.5 m in Potter Lake during March through October, 2011, 

the Trophic State Indices for Secchi disc depth, Chlorophyll and Total Nitrogen were in the high 

Mesotrophic to slightly Eutrophic range (47 – 52) while the TSITP was in the slightly Oligotrophic 

range (37) (Figure 18; Table 2).  The summer average indices (time period of June – September) 

were similar to the overall averages from the eight‐month monitoring period.   

It should be noted that a value of total phosphorus = 10 µg/liter was used to calculate 

the  TSITP  because  the  0.5 m  concentrations  of  total  phosphorus were  all  below  the  level  of 

detection  (5  µg/liter)  throughout  the  sampling  period.    A  value  of  10  µg/liter  for  total

Page 31: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

26 

 

Table 1.  Possible outcome predicted based on R. E. Carlson’s Trophic State Indices (from Carlson and Simpson, 1996).  

Chl SD TP(µ/L) (m) (µg/L)

<30 <0.95 >8 <6Oligotrophy: Clear water, oxygen throughout the year in the hypolimnion

Water may be suitable for an unfiltered water supply.

Salmonid fisheries dominate

30-40 0.95-2.6 8 - 4 6 - 12 Hypolimnia of shallower lakes may become anoxic

Salmonid fisheries in deep lakes only

40-50 2.6-7.3 4 - 2 12 - 24

Mesotrophy: Water moderately clear; increasing probability of hypolimnetic anoxia during summer

Iron, manganese, taste, and odor problems worsen. Raw water turbidity requires filtration.

Hypolimnetic anoxia results in loss of salmonids. Walleye may predominate

50-60 7.3-20 2 - 1 24-48Eutrophy: Anoxic hypolimnia, macrophyte problems possible

Warm-water fisheries only. Bass may dominate.

60-70 20-56 0.5-1 48-96Blue-green algae dominate, algal scums and macrophyte problems

Episodes of severe taste and odor possible.

Nuisance macrophytes, algal scums, and low transparency may discourage swimming and boating.

>80 >155 <0.25 192-384 Algal scums, few macrophytes Rough fish dominate; summer fish kills possible

TSI Attributes Water Supply Fisheries & Recreation

70-80 56-155 0.25- 0.5 96-192Hypereutrophy: (light limited productivity). Dense algae and macrophytes

 

 

Page 32: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

27 

 

20

30

40

50

60

70

1‐Mar 1‐Apr 2‐May 2‐Jun 3‐Jul 3‐Aug 3‐Sep 4‐Oct 4‐Nov

TSI

Potter Lake Trophic State IndexMarch ‐ October 2011

Secchi TSI

Chl a TSI

TP TSI

TN TSI

Eutrophic

Mesotrophic

Oligotrophic

 

Figure 18.  Seasonal variations in the Trophic State Indices for Potter Lake during March through October, 2011.

Page 33: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

28 

 

Table 2.  Potter Lake Trophic State Indices based on samples collected at 0.5 m during March 

through October, 2011.   The  summer period  includes data  collected during  June, 

July, August and September.  

March - October Average

Std. Dev.

Summer Average

Std. Dev.

TSISD 52 5 52 4

TSITP 37 0 37 0

TSICHL 49 8 53 4

TSITN 47 8 46 7 

 

phosphorus, two times the detection  limit, was deemed the best estimate to use to calculate 

the TSITP.  The TSICHL data are believed to best reflect the trophic status of Potter Lake. 

 

7. Conclusions  In the 2000, the TMDL for Potter Lake  identified two parameters that were associated 

with  the  lake’s  impairment:  pH  and  eutrophication.    The  pH  levels  cited  in  the  TMDL  for 

samples collected during the summer of 1994 ranged from 8.82 – 9.01 (x ̄= 8.92).  Also cited as 

an  impairment  in the TMDL was the TSICHL greater than 70, a value that put the  lake’s trophic 

status in the Hypereutrophic category.   

During  the 8‐month monitoring  (March – October)  in 2011,  the highest pH measured 

was 8.26 in one surface water sample (0.0 m) collected in October.  During the summer months 

(June  –  September),  the  highest  pH measured was  7.95  in  a  surface water  sample  (0.0 m) 

during  June.   The overall  six‐month mean pH  for all depths  in Potter  Lake was 7.52  (± 0.39) 

while the summertime overall mean for all depths was 7.35 (± 0.37).  KDHE has set an optimal 

pH range of 6.5 – 8.5 for aquatic water bodies; therefore, Potter Lake is well within that range. 

  The TSICHL over  the eight month monitoring program  ranged  from 37 – 59  (x ̄= 49±8).  

During  the  summer months,  the  TSICHL  ranged  from  49  –  58  (x ̄ =  53±4).    These  data would 

characterize the lake as either Mesotrophic or slightly Eutrophic.  At no time was the TSICHL near 

the Hypereutrophic category referred to in the 2000 TMDL. 

Page 34: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

29 

 

Those efforts that have been undertaken by the University of Kansas since 2000 appear 

to have remediated the water quality problems referred to in the 2000 TMDL.  Ongoing efforts 

to maintain  and  improve  Potter  Lake  should  further  enhance  the water  quality  of  this  lake.  

Therefore,  based  on  the  data  collected  during  this  eight‐month monitoring  program  (2011), 

Potter  Lake  does  not  appear  to  have  any  impairment.  These  findings  would  support  the 

position  that  Potter  Lake  be  delisted  from  the  Kansas  303(d)  list  of  impaired water  bodies.  

Page 35: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

30 

 

8. References 

Carlson, R.E. 1977. A trophic state index for lakes. Limnology and Oceanography. 22:361‐369. 

Carlson, R.E. 1980. More complications in the chlorophyll‐Secchi disk relationship. Limnology 

and Oceanography. 25:378‐382.  

Carlson, R.E. 1981. Using trophic state indices to examine the dynamics of eutrophication.         

p. 218‐221. In: Proceedings of the International Symposium on Inland Waters and Lake 

Restoration. U.S. Environmental Protection Agency. EPA 440/5‐81‐010.  

Carlson, R.E. 1983. Discussion on “Using differences among Carlson’s trophic state index values 

in regional water quality assessment”, by Richard A. Osgood. Water Resources Bulletin. 

19:307‐309. 

Carlson, R.E. and J. Simpson.  1996.  A Coordinator’s Guide to Volunteer Lake Monitoring 

Methods. North American Lake Management Society.  96 pp. 

Kratzer, C.R. and P.L. Brezonik. 1981. A Carlson‑type trophic state index for nitrogen in Florida 

lakes. Water Res. Bull. 17: 713‐715. 

U.S. Department of Agriculture, Soil Conservation Service, 1977. Soil survey of Douglas County, 

Kansas. 73pp. 

Walker, W. W., Jr. 1984.  Trophic Indices for Reservoirs. Lake and Reservoir Management, North 

American Lake Management Society. U.S. Environmental Protection Agency. EPA 

440/5/84‐001.  pp. 435 – 440. 

Walker, W. W., Jr. , 1985.  Empirical methods for predicting eutrophication in impoundments; 

Report 3, Phase II: Model refinements, Technical Report E‐81‐9, U.S. Army Engineer 

Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS., NTIS No. AD A155 483. 

 

 

Page 36: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

31 

 

 

AppendixA.CompleteDataSetCollectedDuringthe2011WaterQualityMonitoringProgramofPotterLake.

Page 37: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

32 

 

A.1.Temperature(°C)

Depth March April May June July August September October

0.0 10.7 15.2 18.4 27.7 29.8 28.2 20.5 18.400.5 10.5 13.8 17.3 27.5 30.3 27.9 20.5 18.301.0 9.3 13.3 16.5 27.2 30.3 27.6 20.4 18.201.5 7.7 13.0 16.1 25.3 30.2 27.5 20.4 18.202.0 6.9 11.8 15.8 22.5 29.4 27.4 20.6 18.102.5 6.7 10.2 15.5 20.5 27.4 27.3 20.4 18.103.0 6.7 9.6 15.2 17.7 23.4 26.9 20.0 18.003.2 9.5 14.8 17.0 22.6 26.4 20.4  

A.2.Secchidisctransparency(cm)

Month Secchi Depth

16-Mar-11 95.56-Apr-11 1873-May-11 1977-Jun-11 19512-Jul-11 21711-Aug-11 11415-Sep-11 193.513-Oct-11 236.5  

A.3.Turbidity(NTU)

Depth March April May June July August September October

0.0 6 3 2 3 3 7 4 20.5 6 3 2 3 2 10 1 41.0 6 3 3 4 2 7 1 31.5 8 3 3 9 2 6 0 32.0 9 3 3 7 8 6 3 32.5 8 3 4 25 36 6 3 23.0 13 5 7 17 38 94 2 23.2 7 10 31 89 0 141  

 

 

Page 38: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

33 

 

A.4.WaterChemistry

0.5 meters ParameterDate Chl a Nitrate Nitrite N03 + NO2 Kjeldahl N Total N Total P TN/TP  Alkalinity

µg/liter mg/liter mg/liter mg/liter mg/liter mg/liter mg/liter ** mg CaCO3/l

Method Detection Limit 0.03 0.015 0.10 0.0092 0.077 0.10 0.005 0.38

March 16, 2011 18.80 0.33 ND 0.34 1.00 1.30 ND 130

April 6, 2011 3.17 0.22 ND 0.22 0.66 0.88 ND 88

May 3, 2011 1.99 ND ND ND 0.32 0.32 ND 32

June 7, 2011 9.39 ND ND ND 0.36 0.30 ND 30 110

July 12, 2011 8.73 ND ND ND 1.00 1.00 ND 100

August 11, 2011 16.34 ND ND ND 0.64 0.64 ND 64

September 15, 2011 6.47 ND ND ND 0.48 0.48 ND 48

October 13, 2011 3.17 ND ND ND 0.43 0.43 ND 43  

3.0 meters ParameterDate Chl a Nitrate Nitrite N03 + NO2 Kjeldahl N Total N Total P TN/TP  Alkalinity

µg/liter mg/liter mg/liter mg/liter mg/liter mg/liter mg/liter ** mg CaCO3/l

Method Detection Limit 0.03 0.015 0.10 0.0092 0.077 0.10 0.005 0.38

March 16, 2011 7.00 0.45 ND 0.46 0.66 1.10 ND 110

April 6, 2011 14.31 0.20 ND 0.21 0.95 1.20 ND 120

May 3, 2011 14.08 ND ND ND 0.62 0.62 ND 62

June 7, 2011 127.37 ND ND ND 1.20 1.30 0.11 12 110

July 12, 2011 84.50 ND ND ND 1.60 1.60 0.09 18

August 11, 2011 46.18 0.10 ND ND 1.60 1.70 ND 170

September 15, 2011 3.84 ND ND ND 0.46 0.46 ND 46

October 13, 2011 3.26 ND ND ND 0.58 0.58 ND 58  

** TN/TP values calculated using TP = 0.01 mg/liter (2xDL) when TP analyses results were “ND”. 

A.5.pH

Depth March April May June July August September October

0.0 7.50 7.95 7.49 7.65 7.67 8.260.5 7.58 7.87 7.63 7.51 7.17 8.11.0 7.60 7.76 7.63 7.39 7.42 8.011.5 7.64 7.80 7.54 7.29 7.20 7.822.0 7.63 7.81 7.41 7.24 7.35 7.762.5 7.58 7.48 7.16 7.18 7.28 7.743.0 7.50 7.05 6.65 6.93 7.28 7.673.2 6.85 6.57 6.51  

Page 39: 2012 Report Potter Lake Campus, Douglas County, Kansas Water Quality Evaluation 2011 January 13, 2012 Prepared by the Department of Environment, Health & Safety

34 

 

A.6.DissolvedOxygen(mg/liter)

Depth March April May June July August September October

0.0 10.24 10.62 10.8 6.29 7.10 4.02 4.1 4.020.5 9.84 10.10 10.16 6.25 7.10 2.62 3.95 4.111.0 9.67 10.25 10.5 5.33 5.90 1.67 6.74 2.771.5 9.91 10.10 11.22 8.27 3.52 0.86 5.73 2.412.0 9.70 11.75 10.1 4.89 1.02 0.48 5.45 2.052.5 9.21 11.60 8.2 0.52 0.10 0.84 4.6 1.633.0 5.65 10.20 5.33 0.06 0.04 0.01 4.66 1.333.2 10.30 1.8 0.05 0.00 0.00  

A.7.TrophicStateIndices

16-Mar-11 6-Apr-11 3-May-11 7-Jun-11 12-Jul-11 11-Aug-11 15-Sep-11 13-Oct-11

SD 61 51 50 50 49 58 50 48

Chl a - 0.5 59 42 37 53 52 58 49 42

TP - 0.5 37 37 37 37 37 37 37 37

TN - 0.5 58 53 38 37 54 48 44 42