Aprovechamiento de agua pluvial en proyectos mineros

Por: Dr. Fernando Huerta Ancheta

Resumen
En el contexto de carencia de agua en algunas zonas del país y las nuevas disposiciones legales para la obtención del recurso, es relevante la búsqueda de alternativas para no frenar el desarrollo de proyectos mineros.

Con la finalidad, este ejercicio académico de aprovechamiento de agua a partir del entorno de microcuencas hidrográficas cercanas a las instalaciones de la Mina Santa Elena en Banámichi, Sonora. Se reconocen las corrientes de agua pluvial que se escurren aguas abajo hacia la mina, se estima el gasto total esperado en eventos de lluvia y el volumen de embalse en un tiempo determinado. Se plantea la posibilidad que el volumen del embalse sea suficiente para cubrir los requerimientos del proceso de beneficio minero.

Los resultados obtenidos a partir de la metodología de la fórmula racional, factores de escurrimiento según NOM-011, cartas de INEGI, Isoyetas de CONAGUA y la utilización de herramientas de software libres como Google Earth, Global Mapper, permiten estimar un embalse conservador de 2.19 Mm³ durante el año.

Información publicada por la empresa operadora de la Mina Santa Elena permite estimar el consumo de agua en el orden de 0.82 Mm³ por año.     

El ejercicio académico y la metodología es empleada por estudiantes de Diseño de minas a cielo abierto, para dimensionamiento de obras de control de aguas superficiales. La asignatura procura motivar al alumno en la búsqueda de soluciones ante la escasez de recursos hídricos, bajo los principios de sustentabilidad y respeto a los ecosistemas. 

Palabras clave: Cuencas hidrográficas. Escurrimiento pluvial. Proyecto minero. Diseño de minas.

Introducción
En el plan de estudio de ingeniería en minería del sistema de Universidades Tecnológicas se imparte la asignatura Diseño de minas a cielo abierto, la cual inicia con el control de aguas superficiales; en esta se estudia la metodología para estimar flujos de agua en los eventos de lluvia, originados en el relieve topográfico del entorno del proyecto minero. La estimación del gasto y volumen de agua acumulada, permiten dimensionar las obras para desviación, canalización, control o embalse de las aguas evitando afectar las operaciones de explotación, beneficio e instalaciones en general.

En clase, el estudiante desarrolla un proyecto virtual en un sitio de interés desde la exploración, modelamiento geológico, modelo de reservas de mineral, hasta el diseño del tajo operativo. Se detiene en analizar el entorno para detectar y evaluar las posibles afectaciones al medio ambiente y ecosistema social. El estudio de las cuencas próximas al sitio, le permite reconocer la posibilidad de afectaciones tanto al interior como al exterior de las futuras instalaciones. El diseño de obras adecuadas y su construcción permiten evitar daños de los escurrimientos de agua, que pueden ocasionar erosión y transporte de residuos peligrosos de zonas mineralizadas hacía cuerpos de agua, mantos acuíferos o áreas pobladas.

Sin embargo, en el contexto actual de carencia de agua en algunas zonas del país y de la nueva reglamentación para el aprovechamiento del recurso, lo cual equivale a la imposibilidad de desarrollar proyectos mineros, surgen las siguientes preguntas:

1. ¿Qué flujo de agua podrían generar eventos de lluvia en el entorno de un proyecto minero?
2. ¿Sería suficiente el volumen de agua para sostener las operaciones productivas?

Responderemos a las preguntas con un ejercicio académico en el entorno de microcuencas en las instalaciones de la Mina Santa Elena, en el municipio de Banámichi, en el estado de Sonora. 

Sitio de estudio
Las operaciones de la empresa First Majestic Silver Corp, comprenden las minas subterráneas Santa Elena y Ermitaño. En el año de 2025 obtuvo una producción de 9.1 Millones de onzas de Plata equivalente (1.4M AG OZ + 88K AU OZ). 

El yacimiento minero de Santa Elena y su vecina Ermitaño se encuentran a 167 km al noreste de Hermosillo, capital del estado de Sonora, México, en las coordenadas 30º 01′ de latitud norte y 110º 09′ de longitud oeste.  Se accede por un camino de 6.6 kilómetros desde la carretera 89 hacia el NE de Banámichi, cabecera municipal. Se llega a Banámichi partiendo desde Hermosillo por la carretera 14 hasta la comunidad de Mazocahui, de allí se sigue al norte por la carretera 89 en recorrido de 2.5 horas.  El acceso a mina está poco menos del kilómetro antes de llegar a Banámichi. (Imagen 1).

La principal zona mineralizada de la mina es una estructura transversal con orientación aproximada este-oeste y buzamiento de 45° hacia el sur. La alteración es generalizada y penetrante, con silicificación, caolinización y cloritización significativas. Los minerales de ganga consisten en cuarzo, calcita, clorita y fluorita.

El yacimiento de Santa Elena se considera de tipo alto en calcio y baja sulfuración, con reemplazos, stockworks y brechas hidrotermales. 

La explotación subterránea se realiza utilizando barrenación larga longitudinal y voladura de bloques de mineral desde diversos subniveles, permitiendo una alta productividad en zonas más estables y anchas del yacimiento. 

Una variante avanzada de barrenación larga, integra el relleno secuencial de los espacios abiertos utilizando material estéril o tepetate a medida que avanza el frente de minado. Esto optimiza la estabilidad de la roca y minimiza la dilución del mineral.

El método de corte y relleno mecanizado, se aplica de manera selectiva en las estructuras mineralizadas más estrechas o en zonas que presentan condiciones de roca más suaves o complejas. El mineral se extrae en rebanadas horizontales y el espacio vacío se rellena de inmediato con material estéril para servir como piso para el siguiente ciclo.

Por otra parte, el método de beneficio del mineral extraído, inicia con la trituración en tres etapas (primaria, secundaria, terciaria), reduciendo la partícula a ¼ pulgada, de allí pasa a molinos de bolas reduciendo y clasificando su descarga hasta 90 micras. Sigue el proceso en tanques de lixiviación dinámica con cianuro de sodio. La solución rica que contiene los metales disueltos se separa del material estéril a través de espesadores CCD y sistemas avanzados de prensas de filtro. Una vez clarificada, pasa por un proceso de precipitación por método Merrill-Crowe para posteriormente secarse. Finalmente, el precipitado pasa a fundición, separar mineral de la escoria y obtener el producto de valor en barras de metal doré de alta pureza. 

La capacidad de diseño de la planta metalúrgica es de 3,000 ton por día de mineral procesado.

Planteamiento del problema
A partir del entorno de microcuencas hidrográficas en la zona serrana cercana a las instalaciones de la Mina Santa Elena, reconocer las corrientes de agua pluvial que se escurren aguas abajo hacia la mina, estimar el gasto total esperado en eventos de lluvia y el volumen de embalse en un tiempo definido. Determinar si el volumen de embalse es suficiente para cubrir los requerimientos del proceso de beneficio minero. (Imagen 2).

Marco Teórico
La estimación del volumen de agua generado por la lluvia al caer sobre las laderas de una superficie montañosa formando corrientes que descargan en niveles inferiores se realiza a partir de la llamada Fórmula Racional. La expresión matemática se ha usado desde 1889 cuando Emil Kuichling la definió para el cálculo de escurrimientos picos para el diseño de alcantarillas en la ciudad de New York. Desde entonces se ha generalizado para el diseño de obras hidráulicas urbanas como la estimación del flujo de agua de cuencas pequeñas en obras rurales. La utilización de la expresión permite estimar el impacto del gasto de agua en un punto determinado de una corriente para el diseño adecuado de obras de contención, canalización o embalse del volumen generado aguas arriba. La expresión (1) se define como:

Q=0.278 *Ce* i* A ……(1)

Donde

Q= gasto de diseño (m³/seg)
Ce=coeficiente de escurrimiento 
i =intensidad de lluvia de diseño(mm/hora)
A= área de la cuenca (km²)
0.278=factor de conversión de unidades

La aplicación de la fórmula racional supone las siguientes condiciones ideales:

1. La Intensidad de precipitación es uniforme en el espacio y no varía en el tiempo.
2. La duración de la precipitación que produce el caudal máximo dada una Intensidad (I) es equivalente al tiempo de concentración de la cuenca (Tc) 
3. El Tc, se considera como el tiempo que tarda toda el área drenante en contribuir al escurrimiento en la sección de salida, así como el instante en que se produce el caudal máximo en dicha sección.
4. El tiempo que transcurre entre el cese de la lluvia y el final del escurrimiento coincide con el Tc.
5. El período de retorno del caudal máximo calculado es el mismo que el de la intensidad media máxima de cálculo.
6. El almacenamiento de agua en la cuenca es insignificante. 
7. Asume que el escurrimiento es directamente proporcional a la precipitación.
8. El Coeficiente de escurrimiento se mantiene uniforme en el tiempo y en el área drenante considerada.

Definición de los componentes de la expresión racional.

Gasto de diseño (Q). El gasto de agua en escurrimientos (también llamado caudal) es el volumen de agua de lluvia que pasa por la sección transversal de un cauce, río o canal por unidad de tiempo. Es originado por el agua de lluvia excedente que no se infiltró en el suelo y corre por gravedad desde las cuencas o microcuencas del relieve orográfico desde niveles topográficos altos hacia las zonas más bajas. Se le llama de diseño porque supone el suceso de lluvia de mayor impacto en cierto punto del cauce de la corriente formada.

Coeficiente de escurrimiento (Ce). Es la relación del caudal que fluye sobre el terreno, al caudal llovido. Es decir, la parte del agua de lluvia que cae sobre un terreno que no se absorbe y corre por la superficie. Este parámetro no debe confundirse con el coeficiente de infiltración. Para su determinación deben caracterizarse: 

Tipo de suelo. Influye el grado de permeabilidad del terreno, rocosos o con arcilla absorben poca agua y suben el coeficiente. Suelos arenosos absorben mucho y lo bajan.

Vegetación. Las plantas y árboles retienen el agua y reducen el escurrimiento.

Pendiente. Los cerros o zonas muy inclinadas hacen que el agua corra más rápido sin infiltrarse.

Intensidad de lluvia de diseño ( i ). Es la cantidad o altura de agua de lluvia por unidad de tiempo, generalmente expresada en milímetros por hora (mm/h). Los valores son obtenidos a partir de volúmenes de lluvia, para tiempos de cero a una hora, en intervalos de cinco minutos. Los valores de intensidad son diferentes al volumen de lluvia total (mm de lluvia promedio anual). En la determinación de la intensidad de lluvia de diseño debe considerarse el periodo de retorno o intervalo de recurrencia de un evento de lluvia máximo. Es decir, reconocer la información histórica de 5,10,20,50 o más años atrás considerando las características o duración de las obras a diseñar.

Area de la cuenca ( A ). Es la superficie definida a partir de curvas topográficas del relieve considerando las cotas máximas (parte aguas) que limitan el área de drenaje pluvial generando el escurrimiento hacia cotas más bajas.

Tiempo de descarga o escurrimiento (Tc). Se refiere al lapso de tiempo estimado que transcurre para que el agua de lluvia, transite desde el punto de origen de la corriente en su mayor cota de nivel hasta el punto de descarga o cota más baja de la zona. Se utiliza la expresión (2):

Tc= Ce * L^0.33 / P^0.50  ….. (2)
Tc = Tiempo de escurrimiento (minutos)
Ce= Coeficiente de escurrimiento
L= longitud del cauce principal (metros)
P= pendiente absoluta promedio del cauce

1. Metodología
   Empleando el programa Google Earth Pro se localiza el sitio de interés y se dibuja polígono de instalaciones del proyecto minero. Se capturan formatos tipo PNG y KMZ.
2. Con el uso del programa Global Mapper, a partir del formato KMZ se aplican herramientas para generar contornos topográficos (vector/lidar) y generar drenajes (raster/image) en formatos tipo DXF y JPG.  Con esto se obtienen, cotas de nivel del sitio, superficies de microcuencas, longitud de corrientes de drenaje formadas.
3. Se consulta información de fuentes confiables sobre el sitio de interés tales como registro histórico de precipitaciones, cartas tipo de suelo, tipo vegetación, tablas de valores aplicables al caso.
4. Aplicación de las expresiones de cálculo y su interpretación.

Solución del problema
Coeficiente de escurrimiento (Ce). Se utiliza los valores de K en función del tipo y uso del suelo del apéndice normativo A de la NORMA Oficial Mexicana NOM-011-CONAGUA-2015, Conservación del recurso agua que establece las especificaciones y el método para determinar la disponibilidad media anual de las aguas nacionales. (Imagen 3,4).

Considerando la carta INEGI. Banámichi,Sonora. 2010 “Suelos dominantes”, en la zona de captación pluvial predomina el tipo LEPTOSOL. (Imagen 5). Este tipo de suelo, suele ser muy delgado y muy pedregoso. Su permeabilidad es alta pero limitada, el agua pasa muy rápido por las piedras y la poca tierra fina, pero se detiene de golpe al chocar con la roca dura que está abajo. Durante los escurrimientos con lluvias fuertes, el agua corre rápido por la pendiente y arrastra la poca tierra que hay. Se clasifica como tipo C, suelos casi impermeables.

Uso del suelo de la zona de estudio, considerando la carta INEGI. Banamichi, Sonora. 2010. “Uso del suelo y vegetación”, se comparte BOSQUE con SELVA (Imagen 6). Se clasifica como BOSQUE (cubierto del 25 al 50%).

Considerando la NOM-011-CONAGUA-2015 el valor de K=0.28.

luego K mayor a 0.15, 
Ce= K (P-250)/2000 + (K -0.15)/1.5 donde P es la precipitación anual en mm de la zona en cuestión.

Considerando la carta INEGI. Banamichi, Sonora. 2010 “Climas”, (Imagen 7), la isoyeta precipitación media anual es de P=459 mm. 

Entonces: Coeficiente de escurrimiento Ce= 0.116

Intensidad de lluvia de diseño ( i ). En un evento de lluvia, en los primeros cinco minutos se desprende la mayor precipitación y disminuye al paso de los siguientes minutos. En este ejercicio asumiremos intensidad de 10 minutos (Tc) con periodo de retorno de 10 años. 

En la dirección https://micrs.sct.gob.mx/infraestructura/direccion-general-de-servicios-tecnicos/isoyetas/sonora/ se localizan Isoyetas para diferentes duración y periodos de retorno (Imagen 8). La zona de captación pluvial se encuentra entre las isoyetas 140 y 120 mm/hora.

Se aplicará Intensidad de lluvia i= 130 mm/hora (promedio).

Area de la cuenca ( A ). A partir del Google earth (Imagen 9) de la zona del ejercicio, utilizando aplicaciones del software Global Mapper v16.0, es posible obtener la topografía de la zona (Imagen 10), la conformación de las microcuencas en diversos colores (Imagen 11) y las corrientes afluentes a las instalaciones de la mina (Imagen12). De las herramientas (ejemplos Imagen 13,14) se obtiene la siguiente información: 

Cota de origen de las corrientes: 1200 msnm

Cota descarga corrientes: 850 msnm

Longitud del cauce principal: 6,400 metros

Pendiente del cauce= (1200-850)/6400 = 0.054 (5.4%)

Corriente drenaje	Área microcuenca Km2	Longitud caudal km
C1	3.28	2.25
C2	1.62	1.58
C3	4.27	3.50
C4	6.41	2.60
C5	13.65	2.99
C6	1.91	1.41
	Total= 31.14 km2	Total =14.33 km

En esta zona, las corrientes generadas se unen, sumando sus caudales y descargando en las instalaciones de la mina.

Se aplicará Area de la cuenca A=31.14 km²

Con la expresión (1), se estima el gasto o caudal que aporta la suma de las corrientes que descargan en las instalaciones de la mina:

Q=0.278 *Ce* i* A   
Q= 0.278 *0.116 *130*31.14
Q= 130.54 m³/seg

Con la expresión (2), se estima el tiempo que tomará a las corrientes desde su origen llegar a la descarga en las instalaciones de la mina:

Tc= Ce * L^0.33 / P^0.50  ….. (2)
Tc= 0.116* (6400)^0.33 / (0.054)^0.50
Tc=0.116*18.03/ 0.232 
Tc= 9.01 minutos

Si se diseñara una obra de captación del agua en la descarga de las corrientes, considerando los resultados anteriores con un evento de lluvia con duración de 10 minutos (600 segundos), el volumen (V) de agua capturada sería de:

V= 130.54 m³/seg * 600 seg
Volumen de captación= 78,324 m³ por evento de lluvia

Resultados del ejercicio
De acuerdo a la información del Atlas  https://www.weather-atlas.com/es/mexico/banamichi-clima, las mayores precipitaciones en la zona de estudio ocurren en el periodo de junio a septiembre (Imagen 15) con un total de 70 días con eventos de lluvia. Suponiendo una probabilidad del 50% que sucedan eventos como el estimado anteriormente, el volumen de agua sería de:

0.50 * 70 eventos * 78,324 m³ por evento = 2,741,340 m³ (2.74 Mm³) de agua. Estimando una pérdida del 20 % de este volumen por evaporación solar, resultan:

0.80 * 2.74 = 2.19 Mm³ de agua embalsada.

Ahora bien, según https://www.firstmajestic.com/sustainability/report-hub/  Informe de Sustentabilidad Corporativos, el Indicador institucional de consumo específico de agua (intensidad de agua) no debe ser mayor a 0.75 m³/ton de mineral procesado, es decir, considerando la capacidad de producción de 3,000 toneladas, el consumo diario de agua debe de estar máximo en 0.75 m³/ ton * 3000 TPD = 2,250 m³ de agua por día, es decir, al año se ocuparían:

365 días * 2,250 m³/día = 821,250 m³ (0.82 Mm³) de agua consumida. 

Conforme a la metodología y fuentes de información, el volumen de agua acumulada en un año sería suficiente para los requerimientos de operación de la Mina Santa Elena. 

Conclusiones
La metodología de la fórmula racional para la estimación de escurrimientos de agua en micro cuencas del relieve orográfico en el entorno de un proyecto minero, permite dimensionar la posible capacidad de almacenamiento de agua pluvial utilizable en el desarrollo de un proyecto minero.

Si bien es cierto, el aprovechamiento del agua pluvial implicaría implementar obras de canalización, embalse, decantación, filtrado, entre otros, se presenta como una alternativa en sitios de interés que lo permitan y lo requieran. 

El caso de estudio presentado, es solo un ejercicio académico con base en datos oficiales e información publicada. El autor no tiene evidencia de la generación de las corrientes y gasto de agua en el sitio de estudio.

 La clase de diseño de minas a cielo abierto, pretende motivar al estudiante en la búsqueda de soluciones ante la carencia de recursos hídricos, bajo los principios de sustentabilidad y respeto a los ecosistemas. 

Bibliografía

• Determinación del escurrimiento en una zona (Método racional). Ing. José Antonio Espinoza Espindola. file:///C:/Users/HP/Desktop/Articulo/472024385-METODO-RACIONAL.pdf
• Manual para diseño de redes de drenaje pluvial. Ing. Raúl Cadena Zepeda. file:///C:/Users/HP/Desktop/Articulo/521359464-Manual-Diseno-Drenaje-Pluvial.pdf
• NORMA Oficial Mexicana NOM-011-CONAGUA-2015. file:///C:/Users/HP/Desktop/Articulo/NOM_011_CONAGUA_2015.pdf

Profesor investigador de la carrera de Minería Universidad Tecnológica de Hermosillo, Sonora. Ingeniero minero. Maestría Administración de Negocios. Doctorado en Educación Superior. Cuerpo Académico Desarrollo Regional en Sonora. fhuerta@uthermosillo.edu.mx