Patrones de drenaje
Los patrones distintivos son adquiridos por las redes de arroyos como consecuencia del ajuste a la estructura geológica. En la historia temprana de una red, y también cuando la erosión se reactiva por un movimiento de tierra o un descenso del nivel del mar, el corte de los arroyos troncales y la extensión de los afluentes son más rápidos en las rocas débiles, especialmente si éstas son impermeables, y a lo largo de las juntas maestras y las fallas. Los afluentes de los arroyos que cortan y crecen más rápidamente invaden las cuencas adyacentes, capturando finalmente partes de las redes competidoras de las mismas. De este modo, los valles principales con sus líneas de drenaje principales llegan a reflejar el patrón estructural.
Las rocas sedimentarias planas desprovistas de fallas y juntas fuertes y los depósitos glaciares planos de la época del Pleistoceno (desde hace aproximadamente 2.600.000 a 11.700 años) no ejercen ningún control estructural: esto se refleja en las redes ramificadas. En los estratos inclinados puede darse una variante en la que los arroyos troncales discurren de forma subparalela. Se forman patrones rectangulares donde las líneas de drenaje se ajustan a conjuntos de fallas y juntas marcadas que se cruzan en ángulos aproximadamente rectos, como en algunas partes de antiguos bloques de corteza. El patrón varía cuando cambia el ángulo regional de intersección estructural. El drenaje radial es típico de los conos volcánicos, siempre que permanezcan más o menos intactos. La erosión hasta el estado esquelético suele dejar el tapón en pie en alto relieve, anillado por valles concéntricos desarrollados en gruesas capas de ceniza.
De forma similar, en los domos estructurales donde las rocas del núcleo varían en resistencia, los valles y las corrientes maestras se localizan en afloramientos débiles en patrones anulares. Los patrones centrípetos se producen donde el drenaje converge en una única salida o sumidero, como en algunos cráteres, cúpulas estructurales erosionadas con núcleos débiles, partes de algunos países calcáreos y depresiones desérticas cerradas. Los patrones de drenaje en espaldera son el resultado de la adaptación al plegamiento regional apretado en el que los pliegues se hunden. La denudación produce un patrón de afloramientos en zigzag, y el ajuste a este patrón produce una red de arroyos en la que los troncos se alinean en las rocas débiles expuestas a lo largo de los ejes de los pliegues y pequeños arroyos alimentadores bajan por los lados de las crestas cortadas en las formaciones más fuertes. Los patrones alterados, en los que los canales se ven interrumpidos por lagos y pantanos, caracterizan las zonas de relieve modesto de las que el hielo continental ha desaparecido recientemente. Estos patrones pueden desarrollarse tanto en la superficie irregular de una lámina de till (depósito glaciar heterogéneo) como en la extensión de un bloque cristalino planificado y erosionado por el hielo. En los casos en los que una capa de till ha sido moldeada en drumlins (formas en forma de cuchara invertida que han sido moldeadas por el hielo en movimiento), el drenaje postglacial puede aproximarse a un patrón rectangular. En las tierras altas glaciadas, los arroyos postglaciares pueden pasar de forma anómala a través de las brechas si las divisiones han sido rotas por el hielo, y la glaciación en lámina de las tierras bajas implica necesariamente una importante desorganización de las redes fluviales cerca del frente de hielo. En el otro extremo climático, las redes organizadas en climas secos pueden verse alteradas por la desecación, que rompe la continuidad existente de una red. Los sistemas de lagos efímeros del interior de Australia Occidental, en gran parte lineales, se han referido a este proceso.
El ajuste a la estructura del lecho rocoso puede perderse si el movimiento de la tierra eleva los pliegues o desplaza las fallas a través de las líneas de drenaje sin llegar a desviarlas; los arroyos que mantienen sus cursos a través de las nuevas estructuras se denominan antecedentes. El ajuste se pierde a escala regional cuando el drenaje atraviesa una disconformidad en un subsuelo con estructuras muy diferentes a las de la cubierta: el drenaje se superpone entonces. Cuando la cubierta tiene una estructura simple y proporciona una pendiente regional para el drenaje del tronco, los restos del patrón original pueden persistir mucho tiempo después de la superposición y la destrucción total de la cubierta, proporcionando los medios para reconstruir la red anterior.
Las leyes de Horton sobre la composición del drenaje
Los grandes avances en el análisis de las redes de drenaje fueron realizados por Robert E. Horton, un ingeniero hidráulico estadounidense que desarrolló el concepto fundamental del orden de las corrientes: Una corriente de cabecera no ramificada se designa como una corriente de primer orden. Dos cabeceras no ramificadas se unen para formar una corriente de segundo orden; dos corrientes de segundo orden se unen para formar una corriente de tercer orden, y así sucesivamente. Independientemente de la entrada de afluentes de primer y segundo orden, un arroyo de tercer orden no pasará al cuarto orden hasta que se le una otro confluente de tercer orden. El número de arroyos es el número total de arroyos de un orden dado para una cuenca de drenaje determinada. La relación de bifurcación es la relación entre el número de arroyos de un orden determinado y el número del orden inmediatamente superior. Por definición, el valor de esta relación no puede ser inferior a 2,0, pero puede ser superior, ya que los arroyos de orden superior al primero pueden recibir afluentes de orden inferior sin ser promovidos hacia arriba en la jerarquía. Algunas estimaciones para grandes extensiones continentales dan ratios de bifurcación de 4,0 o más (véase más adelante Rendimiento de sedimentos y carga de sedimentos).
Aunque el sistema numérico dado aquí, y hoy en día de uso común, difiere del original de Horton en el tratamiento de los arroyos troncales, las leyes de composición de drenaje de Horton siguen siendo válidas, a saber:
1. Ley del número de arroyos: el número de arroyos de diferentes órdenes en una cuenca de drenaje dada tiende a aproximarse a una serie geométrica inversa en la que el primer término es la unidad y el cociente es el cociente de bifurcación.
2. Ley de las longitudes de los arroyos: las longitudes medias de los arroyos de cada uno de los diferentes órdenes de una cuenca de drenaje tienden a aproximarse estrechamente a una serie geométrica directa en la que el primer término es la longitud media de los arroyos del primer orden.
Estas leyes se ilustran fácilmente mediante gráficos del número y la longitud media (en escalas logarítmicas) frente al orden (en una escala aritmética). Los puntos trazados se sitúan en líneas rectas o cerca de ellas. Las relaciones de orden indicadas de este modo son independientes del patrón de la red. Demuestran relaciones exponenciales. Horton también llegó a la conclusión de que las pendientes de los arroyos, expresadas como tangentes, disminuyen exponencialmente con el aumento del orden de los arroyos. Las relaciones sistemáticas identificadas por Horton son independientes del patrón de la red: facilitan enormemente los estudios comparativos, como los de las influencias de la litología y el clima. Los sucesores de Horton han ampliado el análisis a una amplia gama de geometrías de cuenca, mostrando que la anchura de la corriente, la descarga media y la longitud del tronco principal también pueden expresarse como funciones exponenciales del orden, y el área de drenaje y la pendiente del canal como funciones de potencia. La pendiente y el caudal pueden expresarse a su vez como funciones de potencia de la anchura y el área de drenaje, respectivamente. Las relaciones exponenciales expresadas por la morfometría de la red son ejemplos particulares del funcionamiento de las leyes fundamentales del crecimiento. En este sentido, relacionan el análisis de redes de drenaje con el análisis de redes y la topología en general.