Figuur 1. Cawston Creek nabij Keremeos, B.C. De blauwe lijn geeft de omvang van het afwateringsgebied aan. De gestippelde rode lijn is het afwateringsgebied van een van zijn zijrivieren.
Een beek is een stromend oppervlaktewater van enige omvang, variërend van een klein stroompje tot een machtige rivier. Het gebied van waaruit het water naar beneden stroomt om een stroom te vormen, wordt het afwateringsgebied genoemd. Soms wordt het ook waterscheiding of stroomgebied genoemd. Alle neerslag (regen of sneeuw) die in een afwateringsgebied valt, stroomt uiteindelijk naar de beek, tenzij een deel van dat water via grondwaterstromen naar een aangrenzend afwateringsgebied kan stromen. Een voorbeeld van een afwateringsgebied is te zien in figuur 1.Het stroomnetwerk binnen een bepaald afwateringsgebied wordt een drainagenetwerk genoemd.
Het afwateringsgebied van een stroom omvat al het land van waaruit oppervlaktewaterafvoer naar die stroom stroomt. De grenzen tussen de afwateringsgebieden van een stroom worden afwateringsscheidingen genoemd. Hieronder ziet u een computergestuurde weergave van het digitale hoogtemodel (donkerbruine kleuren – hooggelegen gebieden, lichtgroene – laaggelegen gebieden) en het stroomgebied (in groen).
Zie het voorbeeld van de stroomgebieden en zijrivieren van de Atlas van het stroomgebied van het Champlain-meer:
Patronen van stroomgebieden
Het patroon van de zijrivieren in een stroomgebied hangt grotendeels af van het soort gesteente dat eronder zit, en van de structuren in dat gesteente (plooiingen, breuken, breuken, enz.). De drie hoofdtypen van afwateringspatronen worden in figuur 3 geïllustreerd. Dendritische patronen, die verreweg het meest voorkomen, ontstaan in gebieden waar het gesteente (of ongeconsolideerd materiaal) onder de stroom geen bijzondere structuur of structuur heeft en even gemakkelijk in alle richtingen kan worden geërodeerd. Voorbeelden hiervan zijn graniet, gneis, vulkanisch gesteente en sedimentgesteente dat niet geplooid is. De meeste gebieden van British Columbia hebben dendritische patronen, evenals de meeste gebieden van de prairies en het Canadees Schild. Dendritische drainagepatronen ontstaan meestal waar sedimentgesteenten zijn geplooid of gekanteld en vervolgens geërodeerd in verschillende mate, afhankelijk van hun sterkte. De Rocky Mountains van B.C. en Alberta zijn hier een goed voorbeeld van, en veel van de drainagesystemen binnen de Rockies hebben trellispatronen. Rechthoekige patronen ontstaan in gebieden met een zeer geringe topografie en een systeem van beddingvlakken, breuken of breuklijnen die een rechthoekig netwerk vormen. Rechthoekige drainagepatronen zijn zeldzaam in Canada.
Figuur 3. Typische dendritische, trellis- en rechthoekige stroomafvoerpatronen.
In vele delen van Canada, vooral relatief vlakke gebieden met dikke glaciale sedimenten, en in een groot deel van het Canadees Schild in Oost- en Centraal-Canada, zijn de afwateringspatronen chaotisch, of wat men noemt gestoord (Figuur 4, links). Meren en wetlands komen veel voor in dit soort omgeving. Een vierde type drainagepatroon, dat niet specifiek is voor een afwateringsgebied, staat bekend als radiaal (Figuur 4, rechts). Radiale patronen vormen zich rond geïsoleerde bergen (zoals vulkanen) of heuvels, en de afzonderlijke stromen hebben meestal een dendritisch afwateringspatroon.
Figuur 4. Links: een typisch ontspoord patroon; rechts: een typisch radiaal afwateringspatroon ontwikkeld rond een berg of heuvel.
Longitudinale stroomprofielen
Longitudinale profielen zijn plots van de hoogte t.o.v. de afstand van de monding van de stroom tot de hoger gelegen delen binnen het stroomgebied. Zij helpen bij het vaststellen van het verband tussen de steilheid van de helling en de afstand van de bovenloop tot de benedenloop. De helling of gradiënt kan worden gemeten in graden of percentages (stijging ten opzichte van daling). Hieronder staat een voorbeeld van een stroomprofiel in de lengterichting voor Cawston Creek.
Cawston Creek is een typisch klein afwateringsgebied (ongeveer 25 km2) in een zeer steile vergletsjerde vallei. Zoals figuur 2 laat zien, hebben het bovenste en middelste deel van de kreek steile hellingen (gemiddeld ongeveer 200 m/km, maar variërend van 100 tot 350 m/km), en is het onderste deel, binnen de vallei van de Similkameen-rivier, relatief vlak (<5 m/km). De vorm van de vallei is eerst bepaald door tektonische opheffing (in verband met de convergentie van platen), vervolgens door preglaciale erosie en massa-afstrooiing, vervolgens door verschillende perioden van glaciale erosie, en tenslotte door postglaciale erosie. Het laagste punt van de Cawston Creek (275 m bij de Similkameen River) is het basisniveau. Cawston Creek kan niet lager eroderen dan dat niveau tenzij de Similkameen rivier dieper erodeert in haar overstromingsgebied (het gebied dat overstroomd wordt tijdens een overstroming).
Figuur 2. Profiel van de hoofdstam van de Cawston Creek nabij Keremeos, B.C. De maximale hoogte van het afwateringsgebied is ongeveer 1.840 m, nabij Mount Kobau. Het basisniveau is 275 m, bij de Similkameen rivier. Zoals blijkt, kan de gradiënt van de stroom worden bepaald door het hoogteverschil tussen twee willekeurige punten (stijging) te delen door de afstand tussen die twee punten (daling).
Het profiel van de Cawston Creek vertoont vele gradiëntniveaus langs het profiel. Er zijn bijvoorbeeld verschillende gradiënten tussen 8,4 en 10 km, 3 en 5 km. Dit betekent dat de oppervlakte-erosie de Cawston Creek nog niet heeft geëgaliseerd of gegradeerd; daarom wordt de Cawston Creek een niet-gegradeerde beek genoemd.
Over geologische tijd zal een beek zijn afwateringsgebied eroderen tot een glad profiel zoals dat in Figuur 5 is te zien. Als we dit vergelijken met een niet-gegradeerde beek zoals Cawston Creek (Figuur 1), dan zien we dat gegradeerde beken het steilst zijn in hun bovenloop en dat hun helling geleidelijk afneemt in de richting van hun monding. Niet-gesorteerde stromen hebben op verschillende plaatsen steile stukken, en hebben meestal stroomversnellingen en watervallen op talrijke plaatsen in hun lengte.
Figuur 5. Het topografische profiel van een typische beek met afschot.
Invloed van tektonische bewegingen op stromen
Figuur 6. Een voorbeeld van een verandering in het basisniveau van een klein stroompje dat uitmondt in de rivier de Similkameen nabij Keremeos. Het vorige basisniveau was dicht bij de bovenkant van de zandige oever. Het huidige basisniveau is de rivier.
Een gegradeerde beek kan ongegradeerd raken als er opnieuw een tektonische opslibbing plaatsvindt, of als er een verandering optreedt in het basisniveau, hetzij door tektonische opslibbing of om een andere reden. Zoals eerder gezegd wordt het basisniveau van Cawston Creek bepaald door het niveau van de Similkameen rivier, maar dit kan veranderen, en is in het verleden ook gebeurd. Figuur 6 toont de vallei van de Similkameen rivier in het Keremeos gebied. De rivierbedding ligt net achter de bomenrij. Het groene veld in de verte is bedekt met materiaal dat van de achterliggende heuvels is geërodeerd en door een kleine kreek (niet Cawston Creek) naast de Similkameen-rivier is afgezet toen het niveau ervan hoger was dan nu. Ergens in de afgelopen eeuwen heeft de Similkameen rivier door deze afzettingen heen naar beneden geërodeerd (en de steile oever aan de andere kant van de rivier gevormd), en het basisniveau van de kleine kreek werd met ongeveer 10 m verlaagd. In de komende eeuwen zal deze kreek opnieuw trachten te graderen door naar beneden te eroderen door haar eigen alluviale waaier.
Een ander voorbeeld van een verandering in basisniveau is te zien langs de Juan de Fuca Trail op het zuidwesten van Vancouver Island. Zoals te zien is in figuur 7, monden veel van de kleine stroompjes langs dit deel van de kust als watervallen uit in de oceaan. Het is duidelijk dat het land in dit gebied in de afgelopen paar duizend jaar ongeveer 5 m is opgehoogd, waarschijnlijk als gevolg van de ontglazing. De beken die vroeger rechtstreeks in de oceaan uitmondden, hebben nu heel wat af te dalen om opnieuw te worden gekarteerd.
Figuur 7. Twee beekjes met een verlaagd basisniveau op de Juan de Fuca Trail, in het zuidwesten van Vancouver Island.
De oceaan is het ultieme basisniveau, maar meren en andere rivieren fungeren als basisniveaus voor veel kleinere stromen.
Figuur 9. Terrassen aan de Fraser-rivier bij High Bar.
Sedimenten hopen zich op in het overstromingsgebied van een stroom, en dan, als het basisniveau verandert, of als er minder sediment is om af te zetten, kan de stroom zich door die bestaande sedimenten heen snijden om terrassen te vormen. Een terras op de Similkameen-rivier is te zien in figuur 6 en enkele op de Fraser-rivier zijn te zien in figuur 9. Op de foto van de Fraser River zijn ten minste twee niveaus van terrassen te zien.
In de late negentiende eeuw stelde de Amerikaanse geoloog William Davis voor dat stromen en het omringende terrein zich ontwikkelen in een erosiecyclus (Figuur 10). Na een tektonische opheffing eroderen de stromen snel en ontwikkelen diepe V-vormige valleien die de neiging hebben om relatief rechte paden te volgen. De hellingen zijn hoog en de profielen zijn niet gegradeerd. Stroomversnellingen en watervallen komen vaak voor. Tijdens de rijpe fase eroderen de stromen bredere valleien en beginnen dikke sedimentlagen af te zetten. De hellingen worden langzaam kleiner en het profiel neemt toe. Op oudere leeftijd worden de beken omringd door glooiende heuvels en nemen ze brede met sediment gevulde valleien in. Meanderende patronen zijn gebruikelijk.
Figuur 10. Een afbeelding van de Davis-erosiecyclus: a: beginstadium, b: jeugdig stadium, c: rijp stadium, en d: ouderdom.
Davis’ werk werd gedaan lang voor het idee van plaattektoniek, en hij was niet bekend met de gevolgen van glaciale erosie op stromen en hun omgeving. Hoewel sommige delen van zijn theorie achterhaald zijn, is het nog steeds een bruikbare manier om stromen en hun evolutie te begrijpen.