De Geul vreet met zijn snelstromende water een geul door de Zuid-Limburgse ondergrond.

Als regen op een helling valt, glijdt het water door de zwaartekracht als een dunne film naar beneden. Je kunt dat goed zien op een hellende weg tijdens een hevige regenbui. Het water oefent voldoende kracht uit om kleine bodemdeeltjes mee te nemen. De ondergrond slijt daardoor langzaam af, een proces dat erosie wordt genoemd. Hoe snel en diep de bodem erodeert, hangt af van de snelheid van het water en de weerstand van het oppervlak. Die weerstand wordt bepaald door de samenstelling van de ondergrond. Zo heeft klei een hogere weerstand dan zand, zandsteen een hogere weerstand dan het asfalt waaruit onze wegen zijn gemaakt, en hard gesteente zoals basalt een hogere weerstand dan het relatief zachtere zandsteen. In een niet al te harde, uit losse deeltjes opgebouwde, of goed oplosbare ondergrond kan stromend water een geul graven. Zo'n geul is lager dan het omliggende terrein, waardoor er nog meer water doorheen zal stromen met als gevolg dat de geul steeds dieper en breder wordt. Het begin van een rivier is ontstaan.

Bij voldoende regenval zullen in de buurt ook andere geulen ontstaan. In het begin zijn dit nog kleine beekjes, maar omdat water altijd naar het laagste punt stroomt, zullen ze zich steeds meer verenigen in grotere stroomgeulen. Uiteindelijk zal al het water in het afwateringsgebied (stroomgebied) samenkomen in één grote stroom: de rivier. Het stroomgebied beslaat het gebied van de bron, hoog in de bergen, tot het eindpunt van de rivier: de zee of een meer.

Het water dat de eerste beekjes vormt, kan van regen afkomstig zijn. Er ontstaat dan een regenrivier - zoals de Maas - die een afvoerpiek heeft na een periode van veel regen. Bij de Maas is dat de winter. Een rivier kan ook gevoed worden door smeltende sneeuw en ontdooiend gletsjerijs. Zo'n smeltwatergevoede rivier - zoals de Rijn - heeft een hogere waterstand in de lente. Dan begint immers de sneeuw in de bergen te smelten. Doordat de Rijn ook door regen wordt gevoed (met name in de herfst) heeft deze rivier een veel constantere watervoering dan de Maas, die het uitsluitend moet hebben van regenwater.

Bij de bron in de bergen is de hellingshoek van de rivier groot. Het water zal er snel stromen en kan dus groter en zwaarder materiaal meenemen. Stroomafwaarts neemt de hellingshoek (het verval) steeds verder af. In het laagland van Nederland hebben rivieren nog weinig kracht om zich in de ondergrond in te graven. Om toch hun water kwijt te raken, zullen ze in een bredere bedding gaan stromen. Dit stroomgedrag is goed te zien aan een rivier als de Rijn. Het stroomgebied van deze rivier beslaat een groot gebied in Zwitserland (bron en bovenloop), Duitsland (middenloop) en Nederland (benedenloop en monding). De Rijn begint als een klein bergstroompje in het Zwitserse kanton Graubünden. Al snel komen er meer stroompjes bij en ontstaat er een grote, snelstromende rivier die veel sediment verplaatst en zich diep in de ondergrond insnijdt. Bij Basel is de stroomsnelheid nog gemiddeld zo'n 2,2 m/s. Naarmate de rivier dichter bij de zee komt en de helling overgaat in een vlak verloop, loopt ook de stroomsnelheid snel terug. In Nederland is die gemiddeld nog maar ongeveer 1 m/s. De Rijn voert bij ons nog slechts klei en (grof) zand aan. Hij snijdt zich slechts enkele meters in de zandige ondergrond in en heeft een trage, brede loop die uit lange bochten (meanders) bestaat.

Vlechtende rivier (Yukon in Canada).

Afhankelijk van het klimaat, het sediment in het water, de samenstelling van de ondergrond en de stroomsnelheid van het water, kunnen zich twee soorten rivieren vormen: meanderende en vlechtende rivieren. Meanderende rivieren hebben een vaste bedding en stromen rustig en in wijde bochten (meanders) door het landschap. Vlechtende rivieren daarentegen, zijn stelsels van vele geultjes die steeds van bedding veranderen. De beddingen doorsnijden elkaar, met als gevolg dat er een geheel van kriskras doorelkaar lopende stroomgeulen, een zogenaamd 'vlechtend riviersysteem,' ontstaat.

Welk type rivier ontstaat, wordt vooral bepaald door de hoeveelheid sediment die het water meevoert. De hoeveelheid sediment op zijn beurt, is afhankelijk van de erosie in de bovenloop, en de erosie op zijn beurt weer van het klimaat (warm of koud). In een koud klimaat is er weinig plantengroei om rotsen vast te houden en dus vindt er in de bergen veel afbraak plaats. In een warm klimaat houden planten veel materiaal vast en is er minder erosie. In een koude tijd zullen rivieren dus veel (en grof) sediment aanvoeren, in een warme tijd alleen fijn sediment. In Nederland komen vlechtende rivieren nu niet voor, maar tijdens de ijstijden (koud klimaat) waren ze bij ons het overheersende riviertype. Toen was de hoeveelheid sediment in het water veel hoger en was het ook veel grover. De extreme sedimentaanvoer werd veroorzaakt door een verhoogde erosie in de bergen als gevolg van uitbreidende gletsjers. Erosie werd versterkt door het ontbreken van voldoende vegetatie om materiaal vast te houden en door intensievere vorstwerking: stenen braken doordat ijs in kleine scheurtjes en spleten uitzette. Het grove sediment dat de rivieren aanvoerden, werd in ons land afgezet en vormde overal zand- en grindbanken. Na verloop van tijd werden ze zo hoog dat ze de rivierloop verstopten. De rivier werd gedwongen om langs de banken te stromen en een nieuwe bedding te zoeken. Vervolgens raakte de nieuwe bedding ook weer verstopt met sediment, waardoor het proces van voren af aan begon. Door deze constante verplaatsing van de rivierbeddingen, ontstond er een zeer breed en uitgestrekt stelsel van vlechtende rivierlopen. Ze besloegen een groot deel van ons land en zetten in een breed gebied van Nederland grof grind en zand af, dat we nog steeds op veel plaatsen aan het oppervlak en in de ondergrond aantreffen.

Meanderende Overijsselse Vecht bij Hardenberg. Rechtsbovenin is een afgesneden meander te zien.

In warmere periodes werd er minder en fijner sediment meegevoerd door de rivieren. Het sediment bleef lang in suspensie (in het water zweven) en werd pas in het mondingsgebied afgezet: een deel stroomde zelfs met het rivierwater de zee in. Er ontstonden geen ophopingen die de rivierloop verstopten. Als gevolg hiervan kon het water steeds in dezelfde bedding blijven stromen, en was er dus sprake van een relatief vaste rivierloop. Het water stroomde niet - zoals bij een snelstromende rivier - rechtdoor, maar van laagste punt naar laagste punt in het landschap. Zo ontstond een lang lint van meanders, die niets anders zijn dan de verbindingen tussen de laaggelegen punten. De meanders lagen niet vast maar verplaatsten zich langzaam. In de buitenbocht stroomde het water namelijk sneller dan in de binnenbocht - als een schaatser in een buitenbocht moest het water daar immers in dezelfde tijd een grotere afstand afleggen. Door de versnelling kreeg het water meer kracht, met als gevolg dat in de buitenbocht erosie plaatsvond. Geleidelijk slepen de buitenbochten uit, waardoor de meanders zich - zij het langzaam - verlegden. In de binnenbocht vond geen erosie plaats, maar juist sedimentatie. Het water stroomde er zo rustig, dat zand en klei konden bezinken. Verlies van de oever in de buitenbocht werd dus gecompenseerd door oeveraanwas in de binnenbocht. Door het evenwicht tussen erosie en sedimentatie bleef de bedding van de rivier even breed, maar de bochtverlegging leidde er wel toe dat de meanders steeds grotere lussen vormden. Uiteindelijk naderden begin en eind van de lus elkaar. Zover zelfs, dat de lus werd afgesneden en de rivier rechtdoor kon gaan stromen. Zo'n afgesneden, hoefijzervormige lus kreeg geen aanvoer meer van water en ontwikkelde zich tot een meertje. Een mooi voorbeeld van zo'n 'hoefijzermeer' is te vinden vlakbij Hardenberg in Overijssel.

Grof grind, door vlechtende rivieren tijdens de ijstijd aangevoerd.

Tegenwoordig leven we ook in een warme tijd (een interglaciaal). In Nederland anno nu hebben we dan ook alleen maar meanderende rivieren. Vlechtende rivieren zijn momenteel alleen in koude gebieden te vinden die dicht bij de poolcirkel liggen, bijvoorbeeld in Alaska. Wel zijn de afzettingen die vlechtende rivieren tijdens de ijstijd hebben neergelegd in de Nederlandse ondergrond volop aanwezig. Het gaat om dikke pakketten grof zand en grind. Aan de samenstelling van het zand en grind is te zien waar het water dat de vlechtende rivieren voedde vandaan kwam - en dus met welke rivier (voorlopers van de Maas of de Rijn) we te maken hebben. Overigens zijn de vlechtende rivierafzettingen ook in de ondergrond van de Noordzee te vinden. Dit toont niet alleen aan dat de vlechtende rivierstelsels tijdens de ijstijden een zeer uitgestrekt stroomgebied hadden, maar ook dat het Noordzeebekken destijds droog lag als gevolg van de uitbreiding van landijskappen. Gletsjers hielden immers enorme hoeveelheden water vast.

Door stromend water opgeloste steile kalksteenwand bij Margraten in Zuid-Limburg. Let op de oplossingsgaten onderaan de wand.

Stromend water kan het aardoppervlak op vier verschillende manieren eroderen: wassen, afbreken, afschuren en oplossen. Wassen is het verwijderen van losse fragmenten. Loszittend vuil wordt door het water meegesleurd en afgevoerd. Van deze vorm van erosie maak je zelf ook gebruik als je onder de douche staat en er schoon weer onder vandaan komt. Stromend water kan ook stukken rots van de geulbodem afbreken, door kleine scheurtjes open te duwen en te vergroten, net zo lang tot er een stuk loslaat. Stukken rots kunnen ook afbreken doordat met de stroom meegesleurde stenen er tegenaan botsen. Water met daarin zanddeeltjes kan werken als schuurpapier. De geulbodem en -wanden worden dan continu bewerkt door ertegenaan botsende zanddeeltjes, die ruwe oppervlakken afschuren en soms zelfs helemaal gladpolijsten. Ook stenen die de rivier meevoert worden op deze manier gladgeschuurd, wat bijvoorbeeld te zien is aan het gladde en ronde grind in de Zuid-Limburgse Maas. Als laatste kan water mineralen uit gesteenten oplossen. Dit gebeurt vooral doordat zuren die in het water zitten, reageren met de kalk in de ondergrond. Een deel van de kalk lost op, waardoor grote gaten (dolines genoemd) in de ondergrond kunnen ontstaan. In Nederland zijn dolines vooral in Zuid-Limburg te vinden, waar de bodem uit gemakkelijk oplosbare kalksteen bestaat.

Het systeem van door water uitgesleten dalen in Zuid-Limburg.

Een rivier snijdt zich in het landschap in door een combinatie van wassen, afbreken, afschuren en oplossen. Tot welk zichtbaar effect dat leidt in het landschap, is afhankelijk van de omstandigheden ter plaatse. Hoe harder de ondergrond, hoe rechter de insnijding en dus hoe verticaler de gevormde dalen. Vooral als de ondergrond ondertussen langzaam omhoogkomt, kunnen diepe dalen ontstaan, die over het algemeen een V-vorm hebben. Eén van de bekendste voorbeelden van een dergelijke rivierinsnijding is de Grand Canyon in de Verenigde Staten, maar ook in Nederland kun je dit effect zien. In Zuid-Limburg (en de zuidelijker gelegen Ardennen) is het land sinds het Laat-Mioceen (ongeveer 6 miljoen jaar geleden) omhoog aan het komen, waardoor de Maas, maar ook kleinere rivieren zoals de Geul, zich in de ondergrond konden insnijden door kalksteen op te lossen en weg te voeren. Zo ontstonden de tientallen meters diepe dalen, die typerend zijn voor het Zuid-Limburgse landschap. Foutief wordt dit reliëfrijke landschap 'heuvellandschap' genoemd. Maar het reliëf bestaat eigenlijk niet uit heuvels maar uit een stelsel van uitgesleten dalen, een soort 'mini-Grand Canyons'. Zuid-Limburg zou je dan ook beter een 'dallandschap' kunnen noemen.

Ook de rivierterrassen van de Maas zijn ontstaan door het insnijden van de rivier in een langzaam omhoogkomende ondergrond. De terrasvorming ging in stapjes. Tijdens de ijstijden had de Maas een brede, vlechtende bedding waarin grind werd afgezet. In de tussenliggende warmere periodes stroomde de Maas in een vaste bedding en kon hij zich in het grindpakket insnijden. Omdat de bodem intussen langzaam omhoogkwam, werd tijdens een volgende ijstijd een nieuwe grindvlakte afgezet die lager lag dan de vorige. Afzetting en insnijding herhaalden zich tientallen keren, waardoor de huidige  rivierterrassen ontstonden, die als een soort traptreden zichtbaar zijn in het Zuid-Limburgse landschap.

Het materiaal dat door erosie is losgemaakt, wordt vervolgens meegenomen door de stroom. Dit is mogelijk omdat water door zijn hoge dichtheid een groot dragend vermogen heeft. Water weegt ongeveer duizend kilo per kubieke meter. Zware objecten, zoals keien, ondervinden hierdoor een opwaartse kracht die gelijk is aan het volume van het verplaatste water (Wet van Archimedes). Netto resultaat is, dat ze relatief lichter worden en gemakkelijker door het water zijn mee te voeren. Hoe sneller het water stroomt, hoe meer kinetische energie het heeft. Snelstromend water kan dan ook groter en zwaarder materiaal vervoeren. Geholpen door de zwaartekracht sleurt water hoog in de bergen vrijwel alles mee wat er kapot gaat: klei, zand, grind en zelfs forse keien. Stroomafwaarts neemt de stroomsnelheid en dus het dragend vermogen steeds verder af. Grote keien zullen het eerst blijven liggen. Daarna zinken grind en vervolgens zand naar de bodem. Vlakbij de monding daalt de stroomsnelheid naar bijna nul. Nu is alleen de opwaartse druk van het water als 'kracht' over. Maar deze kracht is uiteindelijk niet voldoende om te voorkomen dat ook lichte kleideeltjes naar de bodem zinken: hoe klein en licht ze ook zijn, hun massa is meestal groter dan eenzelfde volume water.

Het gedrag van sediment in stromend water.

De totale hoeveelheid sediment die een stroom kan transporteren, wordt de sedimentbelasting genoemd. De sedimentbelasting bestaat uit drie onderdelen: het opgeloste deel, het gesuspendeerde deel en het bodem-deel. Het opgeloste deel bestaat uit in het water opgeloste mineralen. Ze zijn afkomstig van opgelost gesteente en zitten als ionen in het water. Het grootste deel van de sedimentbelasting bestaat echter uit het gesuspendeerde volume. Dit zijn kleine korrels klei en silt (grootte tot 63µm) die vrij in het water zweven. Het bodem-deel bestaat uit grof zand en klein grind dat door de stroom over de bodem van de rivier wordt meegenomen. Deze fractie kan tot enkele centimeters groot zijn en beweegt meestal rollend of springend over de bodem. Springen (saltatie) is een proces waarbij korrels voor korte tijd van de bodem in de waterkolom worden geduwd, waarna ze langzaam weer naar de bodem terugzakken. Ze gedragen zich als stuiterballen en kunnen grote afstanden afleggen Als een korrel weer op de bodem terecht komt, duwt hij een andere korrel naar boven, de waterkolom in - of hij wordt zelf weer door het water opgepakt.

De hoeveelheid sediment die een rivier transporteert, en ook de verhouding tussen het opgeloste-, gesuspendeerde- en bodemdeel, is afhankelijk van het landoppervlak dat de rivier bovenstrooms bestrijkt. Zowel de omvang (in aantallen vierkante kilometers) als de samenstelling van het landoppervlak (hard of zacht, resistent of erosiegevoelig) spelen een rol. Bestaat de ondergrond uit gemakkelijk oplosbare gesteenten, zoals kalksteen, dan zal het opgeloste deel in de sedimentbelasting naar verhouding groot zijn. Bestaat het uit hardere gesteenten, die moeilijk klein te krijgen zijn, dan zal het bodemdeel een groter deel van de sedimentbelasting uitmaken. Vanzelfsprekend zal er in een rivier die door een groot gebied stroomt meer sediment belanden dan in een rivier waarvan het stroomgebied beperkt is. Ook de oorsprong van de rivier is van invloed op de sedimentbelasting. Een smeltwatergevoede rivier voert meer en zwaarder sediment aan dan een regenrivier, omdat zijn oorsprong hoog in de bergen ligt, waar veel erosie plaatsvindt. Zo is de gesuspendeerde sedimentbelasting van de Rijn vlak bij de Nederlands-Duitse grens ongeveer 3,25 megaton per jaar, met nog een bodemdeel van 0,9 megaton per jaar. De Maas daarentegen, heeft een veel kleiner achterland en transporteert maar zo'n 0,4 megaton sediment per jaar, waarvan 90% gesuspendeerd is. Omdat de Maas een relatief hoge stroomsnelheid heeft, is er - zeker waar de Maas ons land binnenkomt - sprake van een redelijk bodemdeel in de sedimentbelasting. Over de Zuid-Limburgse Maasbodem springen dus veel zandkorrels rond.

Sortering van zwaar materiaal (bij de bron), lichter materiaal (in de middenloop van de rivier) tot heel licht materiaal (bij de monding).

Al het materiaal dat door een rivier wordt meegenomen,wordt uiteindelijk afgezet als het bezinkt. Omdat een rivier meer en groter materiaal mee kan nemen als de stroomsnelheid hoger is, zal op elke plek in de rivier waar de stroomsnelheid daalt, materiaal bezinken en sedimentatie plaatsvinden. Bij het begin van de stroom is het verval, en dus de snelheid, het hoogst. Daar zullen vooral grotere brokken sedimenteren, terwijl de kleinere deeltjes verder door het water meegenomen worden. Naarmate de rivier dichter bij de zee komt neemt de stroomsnelheid steeds meer af en zal steeds meer materiaal naar de bodem zinken: eerst het grove grind, dan het fijne grind, vervolgens grof zand, dan fijn zand, en uiteindelijk - vlakbij de monding - klei en silt. Deze 'sortering' van grof naar fijn van bron tot monding is bij elke rivier te zien. Ook bij de rivieren die door ons land stromen.

De Maas overstroomt zijn uiterwaarden bij hoogwater en zet er klei af.

Zo heeft de Rijn bij binnenkomst in ons land nog een stroomsnelheid van ongeveer 1,5 m/s. Het is net voldoende om nog wat licht grind aan te voeren. Zwaarder grind is al in Duitsland blijven liggen. De bodem van de Rijn bestaat dan ook vooral uit grof zand, dat verderop overgaat in fijn zand. In het kustgebied bestaat de Rijnbodem merendeels uit klei. De Maas heeft in Zuid-Limburg een hogere stroomsnelheid en hier wordt nog wel fijn grind afgezet. Zand slaat neer als de snelheid onder de 3 cm/s komt, terwijl silt pas bij 1mm/s neerslaat. Tot vlak bij de monding in Rotterdam blijft de Maas dus silt en klei transporteren, terwijl grof zand in de buurt van Venlo al neerslaat. Klei blijft heel lang in suspensie en slaat neer waar het water (vrijwel) stilstaat. Dit gebeurt vooral als rivieren tijdens hoogwater buiten hun oevers treden. Ze verdelen hun water dan over een bredere bedding waardoor de stroomsnelheid tot nul kan dalen. In dit rustige of stilstaande water worden kleideeltjes niet meer in beweging gehouden en zinken ze naar de bodem. In de uiterwaarden ontstaan zo dikke afzettingen van vette rivierklei (komgronden).

Enkele meters hoge zandige oeverwal bij de Millingerwaard, opgeworpen door de Waal.

De bedijking van rivieren sinds de middeleeuwen heeft natuurlijke rivierprocessen grotendeels aan banden gelegd. Vroeger kon een rivier bij hoogwater grote gebieden overstromen. Nu blijft de bedding keurig binnen de dijken. Maar rivieren blijven nog steeds sediment aanvoeren. Bij een overstroming bezinkt dit sediment tussen de dijken. De uiterwaarden slibben hierdoor langzaam op en komen steeds hoger te liggen. Overstromingen zorgen niet alleen voor sedimentatie van klei, maar ook van zand. Zand is zwaarder dan klei en wordt bij een overstroming eerder afgezet. Aan weerszijden van de rivier zijn zo oeverwallen gevormd: langgerekte zandruggen die tientallen kilometers parallel aan de rivierbedding lopen en die door jaarlijkse aanwas enkele meters hoog kunnen groeien. Mooie oeverwallen zijn te vinden in de Millingerwaard, een stuk uiterwaard op de zuidelijke oever van de Waal bij Nijmegen waar men natuurlijke rivierprocessen weer hun gang laat gaan.

- Harm van Netten, Naturalis