De Gelderse Vallei is omsloten door de stuwwallen van de Utrechtse Heuvelrug en de Veluwe. Het is een vlak dekzandlandschap, gedeeltelijk bedekt met veen en doorsneden door ondiepe beekdalen.

Stuwwallen
De stuwwallen zijn in de voorlaatste ijstijd gevormd door schuivend landijs. Oude rivierafzettingen werden weggedrukt en zijdelings tot heuvelruggen van circa 50 meter hoog opgestuwd. Stromend smeltwater veroorzaakte dat zich in de stuwwalhellingen dalen insneden. Aan de voet van de stuwwal werden zand en grind in spoelzandwaaiers afgezet.

Dekzand en beekdalen
De vallei bestaat uit een dekzandvlakte met lage, langgerekte dekzandruggen. Delen hiervan zijn met plaggen opgehoogd, waardoor essen zijn gevormd. In de dekzandvlakte stroomt een stelsel van beken die samenvloeien in het rivierdal van de Eem. Het maaiveld in de beekdalen ligt circa 1 meter lager dan de omgeving.

Stuifzand
In de Middeleeuwen zijn de dekzandruggen intensief gebruikt voor de landbouw. Door bodemdegeneratie is het zand is opnieuw verstoven. Hierdoor zijn in het oostelijke deel van de Gelderse Vallei, op de flank van de stuwwal, celvormige stuifzandgebieden ontstaan.

Veen
Vanaf de laatste ijstijd heeft zich door zeespiegelstijging in natte delen van het gebied veen gevormd, vooral in het noordwestelijke deel van het gebied. Door overstromingen vanuit de Zuiderzee zijn delen van het veen met een dunne laag zeeklei bedekt.

Oeverwal
Door overstroming van de rivier en opstuwing  vanuit de Zuiderzee bij storm heeft zich langs de Eem een oeverwal gevormd.

In de ondergrond ligt ongestuwd rivierzand, keileem en een dik pakket smeltwaterzand.
Het centrale deel van de vallei is daarna opgevuld met Eemklei en dekzand. In het noordwesten ligt veen.

Ongestuwde lagen
De lagen van voor de vorming van de stuwwallen bestaan uit grove en grindrijke witte en bruine zanden, onder meer afkomstig van Rijn en Maas.

Stuwwal
Deze ondergrond is door schuivend landijs opgestuwd tot heuvels. In de stuwwallen is de grond scheefgesteld. Anders dan in andere stuwwallen komen kleischotten hier slechts beperkt voor.

Keileem
Onder druk van het landijs is keileem gevormd: een mengsel van keien, grind, zand, klei en leem.

Smeltwaterzand
Smeltwater heeft tussen de stuwwallen een laag van 10 tot 15 meter grof spoelzand en grind afgezet.

Eemklei
In een warme periode tussen de ijstijden steeg de zeespiegel. In de vallei vormde zich een laag klei en zand. Maximaal 30 meter dik en erg kleiig in het centrum; naar de randen dunner en zandiger.

Dekzand en stuifzand
In de laatste ijstijd is zand verstoven en afgezet als fijn dekzand in een laag tot 15 meter dik. In de oostelijke vallei is het zand later opnieuw verstoven en zijn stuifzandcellen gevormd.

Veen en zeeklei
In de noordelijke Eempolder ligt veen. Het is een laag die naar het noorden in dikte toeneemt tot 4,5 meter. Langs de Eem en de vroegere Zuiderzee is het veen bedekt door zeeklei.

De stuwwal en het spoelzandterras maken deel uit van het watersysteem van de Veluwe.

Grondwaterstromen
Regenwater dat op de zandige stuwwal valt, stroomt als grondwater naar de vallei. Het kwelt op in beekdalen en laagten in de dekzandvlakte. Op de stuwwalflanken treedt
geen grondwater uit. Dat komt doordat in de stuwwallen slechts beperkt kleischotten aanwezig zijn.

Watervoerende en stagnerende lagen
De Eemlaag verdeelt de ondergrond in twee watervoerende pakketten. Vanuit het eerste pakket kwelt grondwater op. Grondwater in het tweede watervoerende pakket zit ingesloten. Het waterreservoir onder de stuwwal zorgt voor opwaartse druk. Waar de kleilaag onderbroken is, ontstaan daardoor natuurlijke bronnen.

Grondwaterpeil
In de vallei staat het grondwater gemiddeld 30 tot 130 cm onder maaiveld. In de veenpolders wordt een flexibel peilbeheer gevoerd. Volgens een peilbesluit van het waterschap mag het verschil tussen de hoogste en laagste waterstand maximaal 20 cm zijn.

Beken en rivieren
Een stelsel van oost-west georiënteerde beken vormt het drainagesysteem van het gebied. De meeste beken zijn gegraven of vergraven. Op sommige punten treden beeklopen in natte perioden buiten hun oevers. De beken vloeien samen in de Eem die uitmondt in het Randmeer.

Dijken en kolken
Een lage dijk langs de Eem beschermde de achterliggende veenpolders tegen overstroming. De dijk is tijdens stormvloeden op veel plaatsen doorgebroken. Daarbij zijn diepe kolken ontstaan.

De ondergrond van de Veluwe vormt het grootste zoetwaterreservoir van Nederland. Het bestaat uit drie grote watervoerende pakketten. Als het peil in het eerste pakket hoog genoeg is, treedt grondwater aan de flanken van de stuwwal uit.

Grondwaterpeil en -stroming
De ondergrond van de stuwwal en de spoelzandwaaier bestaat uit een of meer watervoerende pakketten die van elkaar zijn gescheiden door lagen klei of leem. Het grondwaterpeil is, afhankelijk van hoogte van het terrein, tussen de 10 en 70 meter onder maaiveld. Regenwater infiltreert en vult het grondwater aan. Via de ondergrond stroomt het naar lagere delen. Dat gaat langzaam, waardoor het grondwaterpeil traag met de seizoenen fluctueert.

Kleischotten
De scheve ligging van de kleischotten leidt ertoe dat grondwater op verschillende niveaus op de stuwwalhelling uittreedt. Bovendien hebben de kleischotten verschillende oriëntaties die de richting van de grondwaterstroming bepalen. Op sommige plekken leiden kleischotten (of andere bodemlagen) tot stagnatie van water in vennen.

Bronnen, beken en sprengen
Op de stuwwallen treedt grondwater uit. Dat gebeurt op verschillende hoogtes in natuurlijke bronnen of in uitgegraven sprengkoppen diep in de helling. Aan de voet van de stuwwal kan grondwater uittreden in kwelvensters. De meeste bronnen en sprengen liggen aan de oost- en zuidzijde van de Veluwe. De Heelsumse, Renkumse en Leuvenumse Beek ontvangen hun water voornamelijk

De Gelderse vallei kent een mozaïek van natuurtypen: droge en vochtige zandlandschappen, beekdalen en zandverstuivingen. Het is een uniek leefgebied voor veel diersoorten.

Dekzand en beekdalen
In het dekzandlandschap heersen zowel droge als vochtige omstandigheden. Dat is gunstig voor een afwisseling van droge en vochtige schraallanden en heide met gagel en zure of zwakgebufferde vennen. Essen op de dekzandruggen zijn geschikt voor kruiden- en faunarijke graslanden en akkers. Bossen bestaan onder droge omstandigheden uit eik, (ruwe) berk en beuk. Op vochtige groeiplaatsen staan zwarte els en zachte berk. Beekdalen met grondwater zijn gunstig voor beekbegeleidende bossen en vochtige hooilanden.

Veenpolder
De veenpolders zijn gunstig voor natte schraallanden en, op plekken met een kleidek, vochtige hooilanden en bloemrijke graslanden die ook van belang zijn voor weidevogels. Het laagveen met kwel is gunstig voor bossen met zwarte els en wilg. Bij veel invloed van regenwater ontstaan bossen van zachte berk.

Oeverwal Eem
De oeverwal van de Eem is aantrekkelijk voor rivierbegeleidende bossen en rijke vogelgraslanden. Doorbraakkolken zijn zoete plassen. Langs de oevers is begroeiing met moerasplanten en biezen.

Stuifzand
Stuifduinen zijn droog en arm. In kleine uitblazingslaagten komen lokaal vochtige omstandigheden voor. Kenmerkend voor dit milieu zijn
heischrale graslanden en begroeiing van droge en zeer lokaal vochtige heide. Veel stuifzanden zijn met dennen bebost.

Stuwwal
Op de stuwwallen heersen droge, voedselarme en zure omstandigheden. Deze zijn gunstig voor natuurtypen als droge heide en droge bossen met den, berk en eik.

Oorspronkelijk was de relatie tussen landschap en grondgebruik hecht. De kenmerken van het natuurlijke systeem waren bepalend voor landinrichting, bebouwing en infrastructuur. Dat bleef het geval tot 1850 à 1900.

Landgebruik
De flanken van de stuwwal en de koppen van dekzandruggen werden veelal benut als akkerland. Waar het reliëf het toeliet, konden akkers uitgroeien tot grotere akkercomplexen of engen. De lagere delen van de vallei werden gebruikt als weiland of hooiland. Onontgonnen, woeste gronden, zoals uitgestrekte heidevelden op de stuwwal, werden gemeenschappelijk gebruikt als aanvullende weidegrond en voor productie van plaggen. Het veen was niet ontgonnen.

Bebouwing
Dorpen kwamen tot ontwikkeling op hogere delen van het landschap: op de dekzand- en terrasruggen en de daluitspoelingswaaiers op de flank van de stuwwal. De dekzandhoogten boden ruimte aan één of twee boerderijen, inclusief akkerland. Daarmee ontstond een patroon van verspreide bewoning en akkers. Op enkele hoger gelegen plekken zijn landgoederen gerealiseerd. Verbindingen op de zandgronden bestonden in het algemeen uit paden tussen woeste gronden en dorpen. Later werden straatwegen en spoorlijnen aangelegd.

Water
Het stelsel van beken is al vroeg aangepast om drassige gronden geschikt te maken als hooi- of weiland. Om water sneller af te voeren werden greppels en weteringen aangelegd.

Tot circa 1960 werd het natuurlijke systeem in beperkte mate aangepast ten behoeve van bebouwing, infrastructuur en bedrijvigheid. De relatie tussen natuurlijk systeem en landgebruik nam af, maar werd nog niet volledig losgelaten. We spreken daarom van aanhechting.

Landgebruik
Agrarische productie werd opgevoerd door het gebruik van kunstmest. Bedrijven gingen zich specialiseren en het landschap werd grootschaliger ingericht. Sommige hooilanden werden ontwaterd. Op de stuwwal werden heidevelden en stuifzanden beplant met naaldbomen. De bossen dienden voor houtproductie en kregen een recreatieve functie.

Bebouwing
Kernen breidden zich uit binnen de zone van de daluitspoelingswaaiers. Dit ging ten koste van akkerland rond de dorpen. Op het Veluwemassief kwamen nieuwe dorpen tot ontwikkeling. Er werden wegen en spoorlijnen aangelegd om plaatsen met elkaar te verbinden. Hier en daar groeide ook de bedrijvigheid, onder andere papierfabrieken en wasserijen. Daarmee nam het gebruik van grondwater verder toe.

Water
Het Apeldoorns Kanaal is in de 19e eeuw aangelegd. Het is in feite een vroeg voorbeeld van onthechting. Het kanaal loopt langs de voet van de stuwwal en doorsnijdt de daluitspoelingswaaiers, droogdalen en de lage dekzandvlakte. Drie sprengenbeken komen erin uit. Andere beken werden rechtgetrokken. Door deze aanpassingen in de waterstructuur werd water sneller afgevoerd. Natte gebieden werden ontwaterd waardoor het grondwaterpeil daalde en kwel afnam.

Na 1960 is de relatie tussen grondgebruik en het natuurlijke systeem steeds verder losgelaten. Sindsdien worden natuurlijke omstandigheden waar nodig aangepast aan landgebruik, bebouwing en infrastructuur.

Landgebruik
De schaalvergroting in de landbouw zette door. Het gemengde bedrijf verdween vrijwel volledig. Steeds meer boeren specialiseerden zich in de intensieve pluimvee- en veehouderij. De essen zijn omgezet in graslanden of worden gebruikt voor de verbouw van maïs. De stuwwallen werden intensief bebost, vooral met naaldhout.

Bebouwing
Vanuit de Randstand neemt de ruimtelijke druk toe. De kernen breiden zich steeds verder uit, ook op plaatsen die daar van nature minder geschikt voor zijn. Voorbeelden zijn de natte delen van het dekzandgebied. Overal zien we ook verspreide bebouwing. Verder zijn op de stuwwallen veel vakantieparken ontstaan. Om gebieden met elkaar te verbinden zijn meerdere snelwegen, provinciale en lokale wegen aangelegd. Langs de snelwegen zijn de laatste twintig jaar grootschalige bedrijventerreinen tot stand gekomen.

Water
Ten behoeve van intensief agrarisch gebruik zijn landelijke gebieden sterk ontwaterd. Beken zijn rechtgetrokken waarmee de drainage is versterkt.

Het klimaat verandert waardoor weerextremen groter worden. Vooral onthechte landschappen, waar grondgebruik en het natuurlijke systeem niet meer samenhangen, zijn kwetsbaar.

Overstroming
Gevaar voor overstroming vanuit het IJsselmeer is beperkt. Vanuit de Nederrijn is het risico groter omdat de Grebbedijk bij Rhenen kwetsbaar is. Andersom kan daar water worden afgevoerd mits peil op de rivier laag genoeg is.

Droogte
Lagere grondwaterstanden leiden in perioden met neerslagtekort tot droogte in beekdalen en natuurlijke laagten. Als waterinlaat vanuit het Randmeer niet mogelijk is, wordt de droogte in het noordelijke deel van de vallei versterkt. Droogte leidt tot schade aan grondwaterafhankelijke natuur en aan landbouw.

Natuurbrand
Brandrisico’s zijn het grootst in droge bossen en heidegebieden op de stuwwal en de stuifzandgronden. Vooral waar deze grenzen aan woonkernen en vakantieparken.

Hittestress
In stedelijke kernen en op bedrijventerreinen is kans op hittestress.

Opwarming oppervlaktewater
Stilstaand (gestuwd) water zonder beschaduwing door bomen is gevoelig voor opwarming. Dat leidt tot gevaren voor de waterkwaliteit.

Wateroverlast
Bij piekbuien kan stelsel van beken het plotselinge aanbod soms niet meer aan waardoor deze buiten hun oevers treden. Wateroverlast treedt kan vooral optreden in natuurlijke laagtes en op punten waar beken samenkomen.

Degeneratie bodem
Verdichting van de bodem van dekzandgronden door zwaar en intensief landgebruik vergroot de kans op wateroverlast.

Erosie
Bij piekbuien kunnen modderstromen ontstaan als gevolg van bodemerosie van akkers op stuwwalhellingen en in droogdalen.

Het natuurlijke systeem wil zich aanpassen aan klimaatverandering. Ingrepen in het systeem en onthechting van grondgebruik hebben dat proces echter ingeperkt. De natuur neemt daardoor in kwaliteit en kwantiteit af.

Klimaatverandering
Door onthechting van grondgebruik en het natuurlijke systeem zijn natuurlijke landschapsvormende processen (water, wind en vegetatiesuccessie) ingeperkt. De negatieve impact hiervan wordt door klimaatverandering sterker. Het systeem kan zich daar vaak niet meer aan aanpassen.

Kwaliteit
De condities van de natuur zijn verslechterd. De kwaliteit van water, bodem en lucht biedt onvoldoende natuurlijke veerkracht. De stikstofdepositie in de Gelderse Vallei is groot. Hierdoor verzuurt bodem en verminderen de vitaliteit van de bossen en van de diersoorten die er leven. Uitspoeling van meststoffen, gewasbeschermingsmiddelen en medicijnresten naar het grond- en oppervlaktewater vormen een bedreiging voor de waternatuur.

Areaal
Het leefgebied van planten en dieren wordt kleiner. Hierdoor kunnen bij calamiteiten populaties uitsterven. Zoals bij extreme weersomstandigheden als die zich voordoen in het broed- of groeiseizoen.

Landgebruik
Grootschalig en intensief landgebruik leidt tot minder natuurlijke variatie en minder natuurlijke gradiënten tussen gebieden met verschillende habitatkenmerken. Hierdoor neemt de biodiversiteit af en vermindert de veerkracht van het systeem.

Versnippering
Natuurlijke leefgebieden zijn onvoldoende met elkaar verbonden. Bijvoorbeeld door bebouwing tussen de Veluwe en het valleigebied. Planten- en diersoorten raken geïsoleerd en kunnen zich daardoor moeilijker voortplanten.