8. ΠΟΤΑΜΙΑ ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ

8.6. Ποταμοί
Ποτάμια συστήματα και τα χαρακτηριστικά τους

· Μαίανδροι

Το μοντέλο των πέντε σταδίων (σχήμα 8.11.) δείχνει ότι τα βυθίσματα και τα εξάρματα σχετίζονται με το μαιανδρισμό των ποταμών. Τόσο οι μαιανδρικές καμπές όσο και η διαδοχή βυθισμάτων-εξαρμάτων του πυθμένα επαναλαμβάνονται (σχήμα 8.12.). Το μήκος κύματος και το εύρος του μαιάνδρου όσο και η παραπάνω διαδοχή σχετίζονται με το πλάτος του μαιάνδρου. Σε κοίτες με μαιανδρισμό οι μικρολίμνες βρίσκονται σε καμπές της κοίτης στο εξωτερικό μέρος του κοίλου τμήματος, ενώ οι ρηχοί ύφαλοι ενδιάμεσα στις διασταυρώσεις (σχήμα 8.12.).

Σχήμα 8.11. Μοντέλο των πέντε σταδίων με ανάπτυξη εξαρμάτων και βυθισμάτων του πυθμένα (Keller, 1972).

Σχήμα 8.12. Βυθίσματα και εξάρματα του πυθμένα σε κάτοψη και τομή (Morisawa, 1985).

Αφού οι όχθες των ποταμών είναι σπάνια εντελώς ευθείες, δημιουργείται το ερώτημα πότε ένα ποτάμι μπορεί να ονομαστεί μαίανδρος. Το σχήμα 8.13 δείχνει ένα μαίανδρο και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του, τα οποία είναι η ακτίνα καμπυλότητας R, το πλάτος της μαιανδρικής ζώνης Β, το μήκος ρεύματος της καμπύλης Ζ, η γωνία του τόξου του μαιάνδρου θ, το μήκος κύματος L και ο μαιανδρικός λόγος 2z/L.

Σχήμα 8.13. Γεωμετρικά χαρακτηριστικά του μαιάνδρου

H ευθεία μέγιστου βάθους είναι πιο κοντά στην εξωτερική πλευρά κάθε καμπής και διασταυρώνεται απέναντι, κοντά στην καμπή μεταξύ δύο όχθεων. Όπως η γραμμή μέγιστου βάθους, οι γραμμές της μέγιστης ταχύτητας μετακινούνται κατά το ρεύμα και διασταυρώνονται από τη μία όχθη στην άλλη (σχήμα 8.14). Καθώς το νερό κινείται σ’ αυτό το οφιοειδές μοντέλο, αναπτύσσεται μια έντονη φυγόκεντρη δύναμη που προκαλεί μια υπερανύψωση του επιπέδου του νερού στο εξωτερικό μέρος της καμπύλης. Η πίεση που ασκείται από το επιπλέον βάρος από το νερό που συσσωρεύεται σ’ αυτή τη διαδρομή, εντείνει το στροβιλισμό στην καμπή, δίνοντας μια έντονη προς τα μπρος και προς τα έξω κίνηση, με επακόλουθο τη διάβρωση. Η πλευρική κίνηση των φερτών υλών του νερού γίνεται από κάτω προς το εσωτερικό μέρος της καμπής, όπου γίνεται και η απόθεση.

Στην επιφάνεια ο διαχωρισμός της ροής γίνεται στο εσωτερικό άκρο της καμπής. Σε αυτό το σημείο υπάρχει ένας στροβιλισμός προς τα πίσω, με μία επιβράδυνση της ροής που οδηγεί σε απόθεση. Επίσης ο διαχωρισμός της ροής κάνει τις γραμμές ροής να γίνουν πιο αισθητές στην εξωτερική όχθη προς την κάτω άκρη της καμπύλης. Αυτή η αντιστάθμιση της γραμμής μέγιστης ταχύτητας είναι ο λόγος εξαιτίας του οποίου τα σημειακά φράγματα αναπτύσσονται προς τα κατάντη και ο ίδιος ο μαίανδρος μετακινείται κατά τη διεύθυνση ροής.

Το προφίλ ενός μαιάνδρου δείχνει μια σειρά από βυθίσματα και αβαθείς περιοχές. Το σημείο κλίσης της γραμμής της μέγιστης ταχύτητας συνήθως δείχνει μία ρηχή περιοχή. Τα βυθίσματα είναι παράλληλα στην καμπή προς τη ροή του ρεύματος. Όπως έχει ήδη αναφερθεί τα εσωτερικά μέρη των καμπών είναι περιοχές απόθεσης και τα εξωτερικά περιοχές διάβρωσης. Αυτός ο συνδιασμός διάβρωσης και απόθεσης ιζημάτων στις καμπές δίνει ένα χαρακτηριστικό ασύμμετρο σχήμα στην κοίτη του ποταμού (σχήμα 8.14.). Τα βυθίσματα που υπάρχουν που υπάρχουν στις καμπές της κοίτης του ποταμού αποτελούν κοιλότητες με έντονη διάβρωση όταν η ροή είναι υψηλή και είναι τα κέντρα της ιζηματογένεσης όταν η ροή είναι χαμηλή.

Σχήμα 8.14. Μαίανδρος στον οποίο φαίνεται η γραμμή μέγιστης ταχύτητας και ο διαχωρισμός της ροής, που δημιουργεί περιοχές απόθεσης και διάβρωσης. Οι εγκάρσιες τομές δείχνουν την πλευρική κίνηση του νερού στις καμπές.

Αιτίες μαιανδρισμού

Η ελικοειδής ροή, συχνά θεωρείται ως η βασική αιτία του μαιανδρισμού. Έχουν προταθεί όμως και άλλες απόψεις όσον αφορά τις αιτίες αυτού. Μια άποψη είναι ότι όταν ένα ποτάμι δεν μπορεί πια να ακολουθήσει την κανονική του πορεία, διαβρώνει πλευρικά. Με βάση αυτό καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι μόνο ώριμοι ή παλιοί ποταμοί μαιανδρίζουν. Όντως ο μαιανδρισμός ήταν το κριτήριο για αυτά τα παλιότερα στάδια του ποτάμιου κύκλου. Ωστόσο, πολλοί ποταμοί μαιανδρίζουν από την στιγμή που δημιουργούνται, ακόμη και αν διαβρώνουν τις κοίτες τους προς τα κατάντη.

Ο Shulits υιοθέτησε την θεωρία του Sternberg που έλεγε ότι η κλίση είναι η αιτία του μαιανδρισμού. Οι ερευνητές αυτοί πίστεψαν ότι η κλίση ήταν μια συνάρτηση του μεγέθους των κόκκων που αποτελούσαν τον πυθμένα και ότι το ποτάμι προσάρμοζε την κλίση του σύμφωνα με το υλικό που κουβαλούσε. Έτσι αν η κλίση υπερβαίνει την κλίση που απαιτείται για την μεταφορά των κόκκων του στρώματος, το ποτάμι θα μαιανδρίσει για να επιμηκύνει την πορεία του και έτσι θα μειωθεί η κλίση του.

Ο Schumm συσχέτισε την καμπυλότητα των ποταμών με την μορφολογία των κοιτών και με το μέγεθος των υλικών που βρίσκονται μέσα στην κοίτη. Βρήκε ακολούθως ότι οι ποταμοί που μαιανδρίζουν γενικά είχαν ένα υψηλό ποσό άμμου και αργίλλου στις όχθες και στον πυθμένα τους. Επίσης ανακάλυψε ότι αυτοί οι ποταμοί που μαιανδρίζουν έχουν βαθιές και στενές κοίτες. Τα φαρδιά και ρηχά τμήματα των ποταμών που μέτρησε ήταν γενικά πιο ευθεία. Σε φαρδιά, ρηχά και χαμηλά τμήματα ένα μεγάλο μέρος του συνολικού φορτίου ιζημάτων μεταφέρεται σαν πυθμένιο φορτίο για αυτό πρότεινε, ότι ο μαιανδρισμός δημιουργείται όταν ένα μεγάλο μέρος του φορτίου μεταφέρεται σαν αιωρούμενο φορτίο.

Ο Friedkin προσπάθησε να δημιουργήσει μαιανδρισμό σε έναν αριθμό από πειραματικά τεχνητά αυλάκια και συμπέρανε ότι η καμπυλότητα δημιουργήθηκε από την διάβρωση και απόθεση στις όχθες. Ξεκινώντας με ένα αρχικά ευθύγραμμο κανάλι και με μια σταθερή παροχή ύδατος, αλλά χωρίς να προσθέτει καθόλου καινούργιο υλικό, το ποτάμι άρχισε να δημιουργεί μαιάνδρους. Η τοπική διάβρωση των πλευρών της κοίτης δημιούργησε την αρχή του ελικοειδούς μοντέλου. Αυτό παρείχε ένα πυθμένιο φορτίο το οποίο μεταφέρθηκε σε μια μικρή απόσταση και μετά αποτέθηκε. Τα ιζήματα μεταφέρθηκαν προς τα κατάντη του ποταμού με μια σειρά από περιοδικές κινήσεις, από την όχθη στο φράγμα και ξανά στην όχθη. Η ανταλλαγή γινόταν σε πολύ μικρή απόσταση, ενώ οι κόκκοι να μεταφέρονταν κατά μήκος της πλευράς του ποταμού απ ’όπου είχαν ξεκινήσει. Σε ομοιόμορφο υλικό και κλίση, δημιουργήθηκε μια σειρά από ομοιόμορφες κάμψεις. Οι ακτίνες καμπυλότητας αυξήθηκαν όταν η παροχή ύδατος ή η κλίση αυξήθηκαν. Χρησιμοποιώντας μια ποικιλία υλικών για το ποτάμι, βρήκε ότι σε πιο ανθεκτικά, λεπτόκοκκα υλικά η κοίτη ήταν πιο βαθιά και η κλίση πιο ήπια. Σε χονδρόκοκκα υλικά τα πλευρικά τοιχώματα διαβρώνονταν εύκολα και οι κοίτες ήταν πιο φαρδυές και ρηχές με απότομες κλίσεις. Τέτοιες κοίτες με χονδρόκοκκο υλικό, έχουν την τάση να αναπτύσσουν ένα πλεξοειδές, παρά ένα μαιανδρικό μοντέλο ποταμού.

Όταν η αρχική καμπύλη σχηματίστηκε, μεταφέρθηκε προς τα κατάντη και άρχισε ο σχηματισμός και άλλων καμπυλών. Φαίνεται ότι η ελικοειδής ροή από την αρχική καμπύλη διαδίδεται μόνη της, ενώ οι άλλες καμπύλες αναπτύσσονται καθώς το νερό γίνεται αισθητό στην μια όχθη και παρεκκλίνει προς την άλλη. Σήμερα δεχόμαστε την άποψη του Friedkin ότι η παροχή ύδατος επηρεάζει το μαιανδρισμό και ότι κάθε αλλαγή στην παροχή ύδατος δημιουργεί ένα δικό της μοντέλο μαιανδρισμού. Συγκεκριμένα η σχέση τους είναι τέτοια ώστε όσο μεγαλύτερη είναι η παροχή ύδατος, τόσο μεγαλύτερο είναι και το τόξο καμπυλότητας του μαιάνδρου.

Στην πραγματικότητα όμως καμιά εξήγηση δεν ικανοποιεί πλήρως την αιτία του μαιανδρισμού. Η καμπυλότητα πιθανότατα προκύπτει από έναν αριθμό παραγόντων που αλληλεπιδρούν ή κάποια στιγμή κάτω από ορισμένες συνθήκες οι μαίανδροι προκύπτουν από κάποια αιτία, ενώ σε μια άλλη στιγμή κάτω από διαφορετικές συνθήκες δημιουργούνται από άλλες αιτίες. Ωστόσο σίγουρα αληθεύει ότι η πραγματική αιτία του μαιανδρισμού σχετίζεται με την ικανότητα του ποταμού να προσαρμόζεται στο περιβάλλον του.

Μορφολογία του μαιάνδρου

Υπάρχουν καθοριστικές μαθηματικές σχέσεις μεταξύ των μαιάνδρων και των άλλων όψεων της μορφολογίας των ποταμών. Βρέθηκε ότι το μήκος κύματος του μαιάνδρου και το εμβαδό της λεκάνης απορροής σχετίζονται έτσι ώστε :

        λ=a Α^b 

Όπου λ είναι το μήκος κύματος του μαιάνδρου, Α είναι το εμβαδό της λεκάνης και a, b , είναι εμπειρικές σταθερές. Έτσι εφόσον η παροχή ύδατος ενός ποταμού σχετίζεται με τη λεκάνη απορροής, θα πρέπει παροχή ύδατος και μήκος κύματος να σχετίζονται επίσης. Ο Friedkin το είχε προβλέψει αυτό όταν σημείωσε τη σχέση παροχής ύδατος και μήκους κύματος σε πειράματά του σε τεχνητό αυλάκι.

Άλλες σχέσεις οι οποίες έχουν εδραιωθεί είναι :

        λ=c W^m

        A_m=d Wⁿ

        λ= f R^t

όπου λ είναι το μήκος κύματος, W είναι το πλάτος του καναλιού, R είναι η ακτίνα καμπυλότητας, A_m το πλάτος της μαιανδρικής ζώνης και c, d, f, m, n, t, είναι σταθερές. Οι εκθέτες σε αυτές τις εξισώσεις έχει βρεθεί ότι προσεγγίζουν τη μονάδα, οπότε οι σχέσεις θεωρούνται γραμμικές. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι υπάρχουν και άλλες τέτοιες εμπειρικές σχέσεις οι οποίες παράχθηκαν για να μας δείχνουν την αλληλεξάρτηση των μορφολογικών χαρακτηριστικών των μαιάνδρων.