Drainage patterns
Distinctive patterns are acquired by stream networks in consequence of adaptation to geologic structure. In de vroege geschiedenis van een netwerk, en ook wanneer erosie opnieuw wordt geactiveerd door aardverschuivingen of een daling van het zeeniveau, gaan het afsnijden door stamstromen en het uitbreiden van zijrivieren het snelst op zwakke rotsen, vooral als deze ondoorlatend zijn, en langs hoofdverbindingen en breuken. De zijrivieren van de stromen die het snelst insnijden en groeien, dringen aan in de aangrenzende bekkens en nemen uiteindelijk delen van de concurrerende netwerken daar in. Op deze wijze gaan de hoofdvalleien met hun hoofdafvoerlijnen het structurele patroon weerspiegelen.
Vlakke sedimentaire gesteenten zonder breuken en sterke verbindingen en de vlakke glaciale afzettingen van het Pleistoceen Tijdperk (van ongeveer 2.600.000 tot 11.700 jaar geleden) oefenen in het geheel geen structurele controle uit: dit wordt weerspiegeld in vertakkende netwerken. Een ander patroon, waarbij de hoofdstromen subparallel lopen, kan voorkomen op gekantelde aardlagen. Rechthoekige patronen ontstaan waar afwateringslijnen zijn aangepast aan sets van breuken en gemarkeerde verbindingen die elkaar onder ongeveer rechte hoeken snijden, zoals in sommige delen van oude korstblokken. Het patroon wordt gevarieerd waar de regionale hoek van structurele doorsnijding verandert. Radiale afwatering is typisch voor vulkanische kegels, zolang deze min of meer intact blijven. Erosie tot het skelet laat de plug vaak in hoog reliëf staan, omringd door concentrische valleien ontwikkeld in dikke aslagen.
Op vergelijkbare wijze, op structurele koepels waar het gesteente van de kern in sterkte varieert, lokaliseren valleien en hoofdstromen zich op zwakke ontsluitingen in ringvormige patronen. Centripetale patronen ontstaan waar drainage convergeert op een enkele uitlaat of gootsteen, zoals in sommige kraters, geërodeerde structurele koepels met zwakke kernen, delen van sommige kalksteenlanden, en ingesloten woestijn depressies. Trellis (of espalier) drainage patronen zijn het resultaat van aanpassing aan strakke regionale plooiing waarin de plooien naar beneden buigen. Denudatie produceert een zigzag patroon van ontsluitingen, en aanpassing aan dit patroon produceert een stroomnet waarin de stammen zijn uitgelijnd op zwakke rotsen blootgelegd langs plooi assen en kleine feeder stromen lopen langs de zijkanten van ruggen uitgesneden op de sterkere formaties. Afwijkende patronen, waarin kanalen worden onderbroken door meren en moerassen, kenmerken gebieden met een bescheiden reliëf waaruit het continentale ijs onlangs is verdwenen. Deze patronen kunnen zich ontwikkelen op het onregelmatige oppervlak van een till sheet (heterogene glaciale afzetting) of op de met ijs bedekte vlakte van een geschaafd kristallijn blok. Wanneer een grondlaag is omgevormd tot drumlins (omgekeerde lepelvormen die zijn gevormd door bewegend ijs), kan de postglaciale afwatering een rechthoekig patroon benaderen. In vergletsjerd hoogland kunnen postglaciale stromen op abnormale wijze door kloven stromen als de scheidslijnen door het ijs zijn doorbroken, en bladvergletsjering van laagland gaat noodzakelijkerwijs gepaard met grote verstoringen van de riviernetwerken in de buurt van het ijsfront. Aan het andere klimatologische uiterste kunnen georganiseerde netwerken in droge klimaten ontregeld raken door uitdroging, waardoor de bestaande continuïteit van een net wordt verbroken. De grotendeels lineaire systemen van efemere meren in het binnenland van West-Australië zijn naar dit proces verwezen.
Aanpassing aan de structuur van het gesteente kan verloren gaan als aardverschuivingen plooien omhoog brengen of breuken verplaatsen over afvoerlijnen zonder deze daadwerkelijk om te leiden; stromen die hun loop over de nieuwe structuren handhaven worden antecedent genoemd. Op regionale schaal gaat de aanpassing verloren wanneer de afwatering door een onregelmatigheid in een onderliggende massa snijdt met een structuur die sterk verschilt van die van de afdekking: de afwatering komt dan bovenop de afdekking te liggen. Wanneer de afdekking een eenvoudige structuur heeft en een regionale helling voor de afwatering van de stam biedt, kunnen overblijfselen van het oorspronkelijke patroon nog lang na de superpositie en de totale vernietiging van de afdekking blijven bestaan, zodat het vroegere netwerk kan worden gereconstrueerd.
Horton’s wetten van afwateringssamenstelling
Grote vooruitgang in de analyse van afwateringsnetten werd geboekt door Robert E. Horton, een Amerikaans waterbouwkundig ingenieur die het fundamentele concept van stroomorde ontwikkelde: Een onvertakte hoofdstroom wordt aangeduid als een eerste-orde stroom. Twee onvertakte hoofdstromen verenigen zich tot een stroom van de tweede orde; twee stromen van de tweede orde verenigen zich tot een stroom van de derde orde, enzovoort. Ongeacht het aantal zijrivieren van de eerste en de tweede orde gaat een stroom van de derde orde pas over in de vierde orde wanneer een andere zijrivier van de derde orde zich bij hem voegt. Het aantal stromen is het totale aantal stromen van een bepaalde orde voor een bepaald afwateringsgebied. De bifurcatieverhouding is de verhouding tussen het aantal stromen in een bepaalde orde en het aantal in de eerstvolgende hogere orde. Per definitie kan de waarde van deze verhouding niet lager zijn dan 2,0, maar hij kan wel hoger worden, aangezien stromen van een hogere orde zijrivieren van een lagere orde kunnen ontvangen zonder in de hiërarchie te worden bevorderd. Sommige schattingen voor grote continentale streken geven bifurcatieverhoudingen van 4,0 of meer (zie onder Sedimentopbrengst en sedimentbelasting).
Hoewel het getalsysteem dat hier gegeven wordt, en tegenwoordig algemeen gebruikt wordt, afwijkt van Horton’s oorspronkelijke systeem wat betreft de behandeling van beken van de eerste orde, gelden Horton’s wetten voor de samenstelling van de afwatering nog steeds, namelijk:
1. Wet van de beekaantallen: de aantallen beken van verschillende orde in een gegeven afwateringsgebied hebben de neiging een inverse meetkundige reeks te benaderen waarin de eerste term een eenheid is en de verhouding de bifurcatieverhouding is.
2. Wet van de stroomlengten: de gemiddelde lengten van de stromen van elk van de verschillende ordes in een afwateringsgebied neigen er sterk toe een directe meetkundige reeks te benaderen waarin de eerste term de gemiddelde lengte is van de stromen van de eerste orde.
Deze wetmatigheden kunnen gemakkelijk worden geïllustreerd door plots van aantal en gemiddelde lengte (op logaritmische schalen) tegen orde (op een rekenkundige schaal). De uitgezette punten liggen op, of dicht bij, rechte lijnen. De aldus aangegeven ordelijke verbanden zijn onafhankelijk van het netwerkpatroon. Zij tonen exponentiële relaties aan. Horton concludeerde ook dat stroomhellingen, uitgedrukt als raaklijnen, exponentieel afnemen met toename in stroomorde. De systematische relaties die door Horton zijn vastgesteld zijn onafhankelijk van het netwerkpatroon: zij vergemakkelijken in hoge mate vergelijkende studies, zoals die naar de invloeden van lithologie en klimaat. De opvolgers van Horton hebben de analyse uitgebreid tot een breed scala van stroomgebiedgeometrie, en hebben laten zien dat stroombreedte, gemiddelde afvoer, en lengte van de hoofdstam ook kunnen worden uitgedrukt als exponentiële functies van de orde, en drainagegebied en helling van het kanaal als machtsfuncties. Helling en afvoer kunnen op hun beurt worden uitgedrukt als machtsfuncties van respectievelijk breedte en afwateringsgebied. De exponentiële relaties die door de netwerkmorfometrie worden uitgedrukt zijn bijzondere voorbeelden van de werking van fundamentele groeiwetten. In dit opzicht brengen zij drainage-net analyse in verband met netwerk-analyse en topologie in het algemeen.