1. ábra. Cawston Creek Keremeos közelében, B.C. A kék vonal mutatja a vízgyűjtő medence kiterjedését. A szaggatott piros vonal az egyik mellékfolyó vízgyűjtő területe.
A patak bármilyen méretű, áramló felszíni víztest, az apró csobogástól a hatalmas folyóig. Azt a területet, ahonnan a víz lefolyik, hogy patakot alkosson, vízgyűjtő területnek nevezzük. Néha vízgyűjtőnek vagy vízgyűjtő medencének is nevezik. A vízgyűjtőn belül lehulló összes csapadék (eső vagy hó) végül a patakba ömlik, kivéve, ha a víz egy része a talajvíz áramlása révén átjut egy szomszédos vízgyűjtőbe. Egy vízgyűjtő medence példáját az 1. ábra mutatja.Egy adott vízgyűjtő medencén belüli patakhálózatot vízgyűjtő hálózatnak nevezzük.
Egy patak vízgyűjtő területe magában foglalja az összes olyan területet, ahonnan a felszíni lefolyás az adott patakba ömlik. A patakok vízgyűjtő területei közötti határokat lefolyási határvonalaknak nevezzük. Az alábbiakban a digitális domborzati modell (sötétbarna színek – magasan fekvő területek, világoszöld – alacsonyan fekvő területek) és a vízgyűjtő medence (zölddel) számítógépes ábrázolása látható.
Lásd a példát a Champlain-tó medencéjének atlaszából Vízgyűjtőterületek és mellékfolyók:
Vízgyűjtőterületi minták
A mellékfolyók mintázata egy vízgyűjtőn belül nagyban függ az alatta lévő kőzet típusától és a kőzetben lévő szerkezetektől (redők, törések, törések stb.). A vízgyűjtő minták három fő típusát a 3. ábra szemlélteti. A dendritikus mintázatok, amelyek messze a leggyakoribbak, olyan területeken alakulnak ki, ahol a patak alatti kőzet (vagy szilárdulatlan anyag) nem rendelkezik különleges szerkezettel vagy struktúrával, és minden irányban egyformán könnyen erodálható. Ilyen például a gránit, a gneisz, a vulkanikus kőzet és a nem hajtogatott üledékes kőzet. Brit Columbia legtöbb területe dendritikus mintázatú, akárcsak a prérik és a Kanadai Pajzs legtöbb területe. A rácsos lefolyási minták jellemzően ott alakulnak ki, ahol az üledékes kőzeteket összehajtották vagy megdöntötték, majd erősségüktől függően különböző mértékben erodálták. A Sziklás-hegység (B.C. és Alberta) jó példa erre, és a Sziklás-hegységen belül számos vízelvezető rendszer rácsos mintázatú. A téglalap alakú minták olyan területeken alakulnak ki, ahol nagyon kevés a domborzat, és az ágyazati síkok, törések vagy törések rendszere téglalap alakú hálózatot alkot. A téglalap alakú lefolyási minták Kanadában ritkák.
3. ábra. Tipikus dendritikus, rácsos és négyszögletes pataklefolyási minták.
Kanada számos részén, különösen a viszonylag sík, vastag gleccserüledékkel borított területeken, valamint a Kanadai Pajzs nagy részén, Kelet- és Közép-Kanadában a lefolyási mintázatok kaotikusak, vagy úgynevezett zavartak (4. ábra, balra). Az ilyen típusú környezetben gyakoriak a tavak és a vizes élőhelyek. A lefolyási mintázat negyedik típusát, amely nem jellemző egy vízgyűjtő medencére, sugárirányúnak nevezik (4. ábra, jobbra). A radiális mintázatok elszigetelt hegyek (például vulkánok) vagy dombok körül alakulnak ki, és az egyes patakok jellemzően dendritikus lefolyási mintázatúak.
4. ábra. Balra: egy tipikus derangált mintázat; jobbra: egy hegy vagy domb körül kialakult tipikus radiális lefolyási mintázat.
Patak hosszanti profilok
A hosszanti profilok a vízgyűjtő medencén belül a patak torkolatától a felső szakaszokig terjedő magasság és a távolság függvényében készült ábrák. Segítenek a lejtő meredeksége és a felső és alsó szakaszok közötti távolság közötti kapcsolat megállapításában. A lejtés vagy meredekség mérhető fokban vagy százalékban (emelkedés-futás). Az alábbiakban egy példa a Cawston Creek patak hosszanti profiljára.
A Cawston Creek egy tipikus kis vízgyűjtő medence (kb. 25 km2 ) egy nagyon meredek gleccseres völgyben. Amint a 2. ábrán látható, a patak felső és középső része meredek lejtésű (átlagosan kb. 200 m/km, de 100 és 350 m/km között változik), míg a Similkameen folyó völgyében lévő alsó rész viszonylag sík (<5 m/km). A völgy alakját először a tektonikus kiemelkedés (a lemezek konvergenciájához kapcsolódóan), majd a jégkorszak előtti folyóerózió és tömegpusztulás, majd a jégkorszaki erózió több epizódja, végül a jégkorszak utáni folyóerózió irányította. A Cawston Creek legalacsonyabb tengerszint feletti magassága (275 m a Similkameen folyónál) az alapszintje. A Cawston Creek nem erodálódhat e szint alá, hacsak a Similkameen folyó nem erodálódik mélyebbre az árterébe (az áradáskor elöntött terület).
2. ábra. A Cawston Creek főtörzsének profilja Keremeos közelében, B.C. A vízgyűjtő medence legnagyobb magassága körülbelül 1840 m, a Kobau-hegy közelében. Az alapszint 275 m, a Similkameen folyónál. Mint látható, a patak lejtése úgy határozható meg, hogy a két pont közötti magassági változást (emelkedés) elosztjuk a két pont közötti távolsággal (futás).
A Cawston Creek profilja a profilja mentén sokféle lejtésszintet mutat. Például a 8,4 és 10 km, a 3 és 5 km között különböző meredekségűek. Ez azt jelenti, hogy a felszíni erózió még nem szintezte vagy gradálta a Cawston Creek-et; ezért nevezik gradálatlan pataknak.
A geológiai idő múlásával egy patak a vízgyűjtőjét az 5. ábrán láthatóhoz hasonló sima profillá erodálja. Ha ezt összehasonlítjuk egy olyan gradálatlan patakkal, mint a Cawston Creek (1. ábra), láthatjuk, hogy a gradált patakok a forrásvidékükön a legmeredekebbek, és a torkolatuk felé fokozatosan csökken a lejtésük. A nem osztályozott patakok különböző pontokon meredek szakaszokkal rendelkeznek, és jellemzően számos helyen találhatók rajtuk zuhatagok és vízesések a hosszuk mentén.
5. ábra. Egy tipikus osztályozott patak topográfiai profilja.
A tektonikus mozgások hatása a patakokra
6. ábra. Példa a Similkameen folyóba ömlő kis patak alapszintjének változására Keremeos közelében. A korábbi alapszint a homokos part tetejének közelében volt. A jelenlegi alapszint a folyó.
Egy osztályozott patak osztályozatlanná válhat, ha újbóli tektonikus kiemelkedés következik be, vagy ha az alapszint megváltozik, akár tektonikus kiemelkedés, akár más ok miatt. Mint korábban említettük, a Cawston Creek alapszintjét a Similkameen folyó szintje határozza meg, de ez változhat, és a múltban is változott. A 6. ábra a Similkameen folyó völgyét mutatja Keremeos területén. A folyócsatorna éppen a fák során túl van. A távolabbi zöld mezőt a mögötte lévő hegyekből erodált anyag borítja, amelyet egy kis patak (nem a Cawston Creek) rakott le a Similkameen folyó mellett, amikor a folyó szintje magasabb volt, mint most. Valamikor az elmúlt évszázadok során a Similkameen folyó lefelé erodálta ezeket a lerakódásokat (kialakítva a meredek partot a folyó túloldalán), és a kis patak alapszintje körülbelül 10 m-rel csökkent. A következő évszázadok során ez a patak a saját alluviális legyezőjén keresztül lefelé erodálódva igyekszik majd újra szintbe kerülni.
Az alapszint változásának egy másik példája a Juan de Fuca Trail mentén látható Vancouver Island délnyugati részén. Amint az a 7. ábrán látható, a partnak ezen a részén számos kis patak vízesésként ömlik az óceánba. Nyilvánvaló, hogy ezen a területen a szárazföld az elmúlt néhány ezer évben mintegy 5 méterrel emelkedett, valószínűleg a deglaciáció hatására. Azoknak a patakoknak, amelyek korábban közvetlenül az óceánba ömlöttek, most sok lejtésen kell átesniük, hogy visszaduzzadjanak.
7. ábra. Két lecsökkent alapszintű patak a Juan de Fuca-ösvényen, Vancouver-sziget délnyugati részén.
Az óceán a végső alapszint, de a tavak és más folyók sok kisebb patak alapszintjeként működnek.
9. ábra. Teraszok a Fraser folyónál High Barnál.
A patak árterében felhalmozódnak az üledékek, majd ha az alapszint megváltozik, vagy ha kevesebb üledék rakódik le, a patak átvághatja magát a meglévő üledékeken, és teraszokat alakíthat ki. A Similkameen folyón egy terasz a 6. ábrán, a Fraser folyón pedig néhány terasz a 9. ábrán látható. A Fraser folyón készült képen legalább két szintnyi terasz látható.
A XIX. század végén William Davis amerikai geológus azt javasolta, hogy a patakok és a környező terep az erózió körforgásában alakulnak ki (10. ábra). A tektonikus kiemelkedést követően a patakok gyorsan erodálódnak, és mély, V alakú völgyeket alakítanak ki, amelyek általában viszonylag egyenes pályát követnek. A lejtők meredeksége nagy, és a profilok tagolatlanok. Gyakoriak a zuhatagok és a vízesések. Az érett szakaszban a patakok szélesebb völgyeket erodálnak, és vastag üledékrétegeket raknak le. A lejtések lassan csökkennek, és a gradáció növekszik. Öregkorban a patakokat dombok veszik körül, és széles, üledékkel teli völgyeket foglalnak el. Gyakoriak a meanderező minták.
10. ábra. Az erózió Davis-ciklusának ábrázolása: a: kezdeti szakasz, b: ifjúsági szakasz, c: érett szakasz és d: öregkor.
Davis munkája jóval a lemeztektonika eszméje előtt készült, és nem volt tisztában a gleccsereróziónak a patakokra és környezetükre gyakorolt hatásaival. Bár elméletének egyes részei elavultak, még mindig hasznos módszer a patakok és fejlődésük megértéséhez.