Abflussmuster

Durch die Anpassung an die geologische Struktur erhalten Fließgewässernetze ausgeprägte Muster. In der Frühgeschichte eines Netzes und auch dann, wenn die Erosion durch Erdbewegungen oder ein Absinken des Meeresspiegels reaktiviert wird, sind der Einschnitt durch die Hauptströme und die Ausdehnung der Nebenströme am schnellsten auf schwachem Gestein, besonders wenn dieses undurchlässig ist, und entlang von Hauptfugen und Verwerfungen. Die Zuflüsse derjenigen Bäche, die am schnellsten einschneiden und wachsen, dringen in benachbarte Becken ein und nehmen schließlich Teile der dortigen konkurrierenden Netzwerke auf. Auf diese Weise spiegeln die Haupttäler mit ihren Hauptentwässerungslinien das strukturelle Muster wider.

Flach liegende Sedimentgesteine ohne Verwerfungen und starke Fugen und die flachen Gletscherablagerungen des Pleistozäns (vor ca. 2.600.000 bis 11.700 Jahren) üben keinerlei strukturelle Kontrolle aus: Dies spiegelt sich in verzweigten Netzwerken wider. Ein abweichendes Muster, bei dem die Stammströme subparallel verlaufen, kann auf gekippten Schichten auftreten. Rechteckige Muster bilden sich dort, wo Entwässerungslinien an Störungsgruppen und markierte Fugen angepasst sind, die sich etwa im rechten Winkel schneiden, wie in einigen Teilen alter Krustenblöcke. Das Muster wird dort variiert, wo sich der regionale Winkel der Strukturüberschneidung ändert. Radiale Entwässerung ist typisch für Vulkankegel, solange sie mehr oder weniger intakt bleiben. Die Erosion bis zum Skelettzustand lässt den Kegel oft in hohem Relief stehen, umringt von konzentrischen Tälern, die sich in dicken Ascheschichten entwickeln.

Auch auf strukturellen Domen, wo die Gesteine des Kerns in ihrer Festigkeit variieren, lokalisieren sich Täler und Hauptströme auf schwachen Aufschlüssen in ringförmigen Mustern. Zentripetale Muster entstehen dort, wo die Entwässerung auf einen einzigen Abfluss oder eine Senke zuläuft, wie in einigen Kratern, erodierten strukturellen Domen mit schwachen Kernen, Teilen einiger Kalksteinlandschaften und eingeschlossenen Wüstendepressionen. Spalierförmige Entwässerungsmuster resultieren aus der Anpassung an enge regionale Faltungen, in denen die Falten einfallen. Die Denudation erzeugt ein Zickzack-Muster von Aufschlüssen, und die Anpassung an dieses Muster erzeugt ein Bachnetz, in dem die Stämme auf schwachen, entlang der Faltenachsen exponierten Gesteinen ausgerichtet sind und kleine Zubringerbäche an den Seiten der auf den stärkeren Formationen eingeschnittenen Grate hinunterlaufen. Abgeänderte Muster, bei denen die Kanäle durch Seen und Sümpfe unterbrochen werden, kennzeichnen Gebiete mit mäßigem Relief, aus denen das Kontinentaleis vor kurzem verschwunden ist. Diese Muster können sich entweder auf der unregelmäßigen Oberfläche eines Till-Sheet (heterogene glaziale Ablagerung) oder auf der eisgeformten Fläche eines planierten kristallinen Blocks entwickeln. Wo eine Geschiebelehmschicht zu Drumlins (umgedrehte, löffelförmige Formen, die durch sich bewegendes Eis geformt wurden) geformt wurde, kann die postglaziale Entwässerung einem rechteckigen Muster nahe kommen. Im vergletscherten Hochland können postglaziale Ströme anomal durch Lücken fließen, wenn die Wasserscheiden vom Eis durchbrochen wurden, und die Blattvergletscherung des Tieflandes bringt notwendigerweise eine große Störung der Flussnetzwerke in der Nähe der Eisfront mit sich. Im anderen klimatischen Extrem können organisierte Netzwerke in trockenen Klimazonen durch Austrocknung gestört werden, wodurch die bestehende Kontinuität eines Netzes unterbrochen wird. Die weitgehend linearen Systeme ephemerer Seen im Binnenland von Westaustralien werden auf diesen Prozess zurückgeführt.

Die Anpassung an die Struktur des Grundgesteins kann verloren gehen, wenn Erdbewegungen Falten anheben oder Verwerfungen quer zu den Entwässerungslinien verschieben, ohne diese tatsächlich umzuleiten; Bäche, die ihren Lauf quer zu den neuen Strukturen beibehalten, werden als antezedent bezeichnet. Die Anpassung geht auf regionaler Ebene verloren, wenn die Drainage durch eine Diskordanz in eine Untermasse schneidet, deren Strukturen sich stark von denen der Überdeckung unterscheiden: Die Drainage wird dann überlagert. Wo die Überdeckung einfach strukturiert ist und ein regionales Gefälle für die Stammdrainage bietet, können Reste des ursprünglichen Musters noch lange nach der Überlagerung und der völligen Zerstörung der Überdeckung bestehen bleiben und die Möglichkeit bieten, das frühere Netz zu rekonstruieren.

Hortons Gesetze der Drainagezusammensetzung

Große Fortschritte in der Analyse von Drainagenetzen wurden von Robert E. Horton gemacht, einem amerikanischen Wasserbauingenieur, der das grundlegende Konzept der Bachordnung entwickelte: Ein unverzweigter Oberlauf wird als ein Strom erster Ordnung bezeichnet. Zwei unverzweigte Oberströme vereinigen sich zu einem Strom zweiter Ordnung; zwei Ströme zweiter Ordnung vereinigen sich zu einem Strom dritter Ordnung, und so weiter. Unabhängig vom Eintritt von Nebenflüssen erster und zweiter Ordnung geht ein Strom dritter Ordnung erst dann in die vierte Ordnung über, wenn er von einem anderen Nebenfluss dritter Ordnung verbunden wird. Die Bachanzahl ist die Gesamtzahl der Bäche einer bestimmten Ordnung für ein bestimmtes Einzugsgebiet. Das Verzweigungsverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Anzahl der Bäche einer bestimmten Ordnung und der Anzahl der Bäche der nächsthöheren Ordnung. Definitionsgemäß kann der Wert dieses Verhältnisses nicht unter 2,0 fallen, aber er kann höher steigen, da Bäche höherer Ordnung Nebenflüsse niedrigerer Ordnung aufnehmen können, ohne in der Hierarchie nach oben befördert zu werden. Einige Schätzungen für große kontinentale Ausdehnungen ergeben Bifurkationsverhältnisse von 4,0 oder mehr (siehe unten Sedimentausbeute und Sedimentbelastung).

Obwohl das hier angegebene und heute gebräuchliche Zahlensystem bei der Behandlung von Stammflüssen von Hortons Original abweicht, gelten Hortons Gesetze der Abflusszusammensetzung weiterhin, nämlich:

1. Gesetz der Bachzahlen: die Anzahl der Bäche verschiedener Ordnung in einem gegebenen Einzugsgebiet tendiert dazu, sich einer inversen geometrischen Reihe anzunähern, in der der erste Term die Einheit und das Verhältnis das Verzweigungsverhältnis ist.

2. Gesetz der Fließgewässerlängen: Die durchschnittlichen Längen der Fließgewässer jeder der verschiedenen Ordnungen in einem Einzugsgebiet tendieren dazu, sich einer direkten geometrischen Reihe anzunähern, in der der erste Term die durchschnittliche Länge der Fließgewässer der ersten Ordnung ist.

Diese Gesetze lassen sich leicht durch die Darstellung von Anzahl und durchschnittlicher Länge (auf logarithmischen Skalen) gegen die Ordnung (auf einer arithmetischen Skala) veranschaulichen. Die aufgetragenen Punkte liegen auf oder nahe an Geraden. Die so angezeigten Ordnungsbeziehungen sind unabhängig vom Netzwerkmuster. Sie zeigen exponentielle Beziehungen. Horton kam auch zu dem Schluss, dass die Flussgefälle, ausgedrückt als Tangenten, mit zunehmender Flussordnung exponentiell abnehmen. Die von Horton identifizierten systematischen Beziehungen sind unabhängig vom Netzmuster: Sie erleichtern vergleichende Studien, wie z. B. die der Einflüsse von Lithologie und Klima, erheblich. Hortons Nachfolger haben die Analyse auf einen weiten Bereich von Einzugsgebietsgeometrien ausgedehnt und gezeigt, dass die Fließgewässerbreite, der mittlere Abfluss und die Länge des Hauptstammes auch als Exponentialfunktionen der Ordnung ausgedrückt werden können, und die Abflussfläche und das Kanalgefälle als Potenzfunktionen. Gefälle und Abfluss können wiederum als Potenzfunktionen der Breite bzw. der Abflussfläche ausgedrückt werden. Die exponentiellen Beziehungen, die durch die Netzmorphometrie ausgedrückt werden, sind besondere Beispiele für das Wirken der fundamentalen Wachstumsgesetze. In dieser Hinsicht beziehen sie die Abflussnetzanalyse auf die Netzwerkanalyse und die Topologie im Allgemeinen.