En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa por determinado elemento en la unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

Dada una sección de área A atravesada por un fluido con velocidad uniforme v, si esta velocidad forma con la perpendicular a la superficie A un ángulo θ, entonces el flujo se calcula como

$\backslash phi\; =\; A\; \backslash cdot\; v\; \backslash cdot\; \backslash cos\; \backslash theta.$

En el caso particular que el flujo sea perpendicular al área A (por tanto θ = 0 y $\backslash cos\; \backslash theta\; =\; 1$) entonces el flujo vale

$\backslash phi\; =\; A\; \backslash cdot\; v.$

Si la velocidad del fluido no es uniforme o si el área no es plana, el flujo debe calcularse por medio de una integral:

$\backslash phi\; =\; \backslash iint\_\{S\}\; \backslash mathbf\{v\}\; \backslash cdot\; d\; \backslash mathbf\{S\}$

donde dS es el vector superficie, que se define como

$d\backslash mathbf\{S\}\; =\; \backslash mathbf\{n\}\; \backslash ,\; dA,$

donde n es el vector unitario normal a la superficie y dA un elemento diferencial de área.

Si se tiene una superficie S que encierra un volumen V, el teorema de la divergencia establece que el flujo a través de la superficie es la integral de la divergencia de la velocidad v en ese volumen:

$\backslash iint\_S\backslash mathbf\{v\}\backslash cdot\; d\backslash mathbf\{S\}=\backslash iiint\_V\backslash left(\backslash nabla\backslash cdot\backslash mathbf\{v\}\backslash right)dV.$

En física e ingeniería, caudal es la cantidad de fluido que circula por unidad de tiempo en determinado sistema o elemento. Se expresa en la unidad de volumen dividida por la unidad de tiempo (e.g.: m³/s).

En el caso de cuencas de ríos o arroyos, los caudales generalmente se expresan en metros cúbicos por segundo o miles de metros cúbicos por segundo. Son variables en tiempo y en el espacio y esta evolución se puede representar con los denominados hidrogramas.

El caudal en la ingeniería civil

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El caudal de un río es fundamental en el dimensionamiento de:

• Presa (hidráulica);
• Obras de control de avenidas

Dependiendo del tipo de obra, se emplea los caudales medios diários, con un determinado tiempo de recurrencia o tiempo de retorno, o los caudales máximos instantaneos.

La forma de obtención de uno y otro es diferente, y mientras para los primeros se puede tomar como base los valores registrados en una estación de medición, durante un número considerable de años, para los segundos, es decir lara los máximos instantaneos, muy frecuentemente se deben calcular a través de modelos matemáticos.

La medición práctica del caudal líquido en las diversas obras hidráulicas, tiene una importancia muy grande, ya que de estas mediciones depende muchas veces el buen funcionamiento del sistema hidráulico como un todo, y en muchos casos es fundamental para garantizar la seguridad de la estructura. Existen difersos procedimientos para la determinación del caudal instantaneo, en el artículo medición del caudal se presentan algunas.

Los caudales de los ríos y arroyos

Caudal instantáneo

Como su nombre lo dice es el caudal que se determina en un instante determinado. Su determinación se hace en forma indirecta, determinado el nivel del agua en el río (N₀), e interpolando el caudal en la curva calibrada de la sección determinada precedentemente. Se expresa en m^3/s.

$\backslash \; Q\_0\; =\; F\_q(N\_0)$

Sección de aforo

Caudal medio diario

Es la media de los caudales instantaneos medidos a lo largo del día.

Si la sección de control es del tipo limnimétrico, normalmente se hacen dos lecturas diárias de nivel, cada 12 horas.

$\backslash \; Q\_\{md\}\; =\; \backslash frac\; \{F\_q(N\_1)\; +\; F\_q(N\_1)\}\; \{2\}$

Si la sección es del tipo limnigráfico convencional, es decir que está equipada con un registrador sobre cinta de papel, el hidrólogo decide, en base a la velocidad de variación del nivel del agua, el número de observaciones que considerará en el día. Siendo M, el número de puntos considerado, la fórmula anterior se transformará en la siguiente:

$\backslash \; Q\_\{md\}\; =\; \backslash sum\_\{j=1\}^\{M\}\; \backslash frac\; \{F\_q(N\_j)\}\; \{M\}$

Si la sección es del tipo telemétrico, donde el registro del nivel del agua se hace a intervalos de tiempo determinado dt (en segundos), el número diario de registros será de

$\backslash \; M\; =\; \backslash frac\; \{86,400\}\; \{dt\}$ , aplicándose la formula anterior.

Se expresa en m^3/s.

Caudal medio mensual

El caudal medio mensual es la media de los caudales medios diarios del mes en examen (M = número de días del mes, 28; 30; o, 31, según corresponda):

$\backslash \; Q\_\{mm\}\; =\; \backslash frac\; \{\; \backslash sum\_\{i=1\}^\{M\}\; Q\_\{md\}\; \}\; \{M\}$

Se expresa en m^3/s.

Caudal medio anual

El caudal medio anual es la media de los caudales medios mensuales.

$\backslash \; Q\_\{ma\}\; =\; \backslash frac\; \{\; \backslash sum\_\{i=1\}^\{12\}\; Q\_\{mm\}\; \}\; \{12\}$

Se expresa en m^3/s.

Relación caudal pico/caudal diario

Generalmente, se admite un valor promedio de 1.6 para esta relación, sabiendo que los resultados de numerosos estudios de crecidas extremas en el mundo dan valores de dicho coeficiente variando entre 1,2 y 2,2 (con valor promedio 1,6) con una probabilidad de 90%. Sin embargo, los valores pueden alcanzar valores mucho más elevados para cuencas pequeñas. A título de ejemplo, en la costa norte del Perú, la relación entre caudales medios diarios y caudal máximo instantáneo varía en función del tamaño de la cuenca hidrográfica. Se pueden considerar los siguientes valores:

Relación caudal pico/caudal diario, en la vertiente del Pacífico, en el norte del Perú

Superficie mayor a 3000 km2	1,2
Superficie comprendida entre 1000 y 3000 km2	1,3
Superficie comprendida entre 800 y 1000 km2	1,4
Superficie comprendida entre 600 y 800 km2	1,6
Superficie comprendida entre 400 y 600 km2	2,0
Superficie comprendida entre 200 y 400 km2	2,5
Superficie menor a 200 km2	de 3,0 hasta 5,0 ó 6,0

Véase también

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• Río
• Sección de aforo
• Caudal sólido
• Flujo de agua en tubería

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