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The generation of tidal asymmetries in estuaries is analyzed by examining the differences in celerity at high and low tide. An analytical expression for the difference between ebb and flood durations is introduced and applied to a cross-section composed by a channel flanked by tidal flats. The expression depends on the cross-sectional average of the celerity, for which two approximations are proposed and verified with a numerical model. Results confirm that tidal flats enhance ebb dominance, while large tidal amplitudes promote flood dominance. Maximum ebb dominance occurs for tidal flats at, or above, mean water level, depending on tidal amplitude and the extent of the tidal flats. Finally, qualitative arguments indicate that friction also enhances flood dominance.

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A modeling system to simulate tidally driven morphodynamics is developed and assessed. The system couples an existing shallow water model with a new morphological updating model. Four innovative features to improve the accuracy and efficiency of the system are implemented and tested. First, two alternatives are proposed to update the velocity field without running the hydrodynamic model. Both alternatives, based on an assumption on the behavior of friction, are more accurate than the traditional "continuity correction". Second, hydrodynamic results are provided in the frequency domain. The harmonic synthesis of the velocity time series simplifies interpolation and extrapolation of the hydrodynamic model results and the use of different time steps for the various components of the modeling system. Third, the time-integration of the sediment fluxes is performed with a Runge-Kutta method so the time step adapts in space and time to the flow characteristics. Finally, a criterion to determine the need for a new hydrodynamic simulation is derived, based on the importance of the errors introduced by the outdated flow field relative to those introduced by the sand-transport formulae.

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Descreve-se um modelo de transporte para sistemas costeiros, particularmente apropriado em situações de fortes gradientes de concentração. Este modelo baseia-se numa formulação Euleriana-Lagrangiana para malhas não-estruturadas e apresenta as seguintes características: 1) discretização por volumes finitos e tracking de elevada precisão; 2) malhas distintas para o escoamento e transporte; 3) use da técnica de flux-corrected transporte ou de filtro não-linear para remoção de oscilações. Analisam-se as propriedades numéricas através da análise do erro de truncatura e de um teste numérico. A combinação de várias técnicas numéricas permite obter estabilidade incondicional, conservação de massa e elevada precisão, evitando simultaneamente oscilações numéricas.Palavras-Chave: Volumes finitos; métodos Eulerianos-Lagrangianos; oscilações numéricas.

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The hydrodynamics and sediment dynamics of a low energy estuarine beach was analysed. The beach is subjected to local wind waves generated in an area of restricted fetch, wake waves generated by catamarans and a semi diurnal meso-tidal regime. Only storm events of short duration modify the beach profile, which, once the normal hydrodynamic conditions are restored, naturally recovers its initial shape. The beach is characterised by having a steep upper slope until mean sea level, followed, seaward, by a low gradient terrace, and a bimodal sediment distribution. To investigate the hydro sedimentologic beach behaviour, wind, topo-hydrographic and sedimentologic data were used as input and validation of process based numerical modelling. Wave generation and transformation in an area of restricted fetch, nearshore circulation, sediment transport and morphological evolution were simulated for average annual conditions and storm conditions. The statistical analysis of a six-year wind data series allowed to derive the average wind regime, based on which, the average annual wave regime and the average annual longshore sediment budget, 14.5x103 m3year-1, were calculated. The contribution of the individual components of the representative wave regime, discretised by directional sector and height class of incidence, was evaluated as well as the spatial distribution of the longshore sediment transport in the active part of the beach profile. The characteristics of the wave groups generated by the passage of catamarans at different speeds were estimated and their action on the beach morphology was simulated. Although when the catamarans travel at 20 knots speed the average annual wake wave energy dissipated at the beach is 2.5 times higher than the average annual wind wave energy, the erosion effect on the beach profile is still not relevant for the present traffic. In opposition, short duration storm events generate the formation of an erosion scarp at the upper part of the beach face. The numerical modelling of this phenomenon allowed to acknowledge on the protective effect that the low gradient terrace has on the beach face.

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A two-dimensional model of wind-driven circulation in a closed basin was developed using a finite-volume technique for generalized curvilinear grids and applying some of the recent developments in hydrodynamic modeling. The terms in the Navier¬Stokes equations were treated separately according to the fractional step method and the propagation step, including the continuity equation and the pressure and stress terms in the momentum equations, was solved using a conjugate gradient method.The model was then applied to a number of test cases to examine the feasibility of the approach used by comparing with results obtained with the two-dimensional version of the three-dimensional model CH3D. These included a square basin with constant slope and with a V-shaped bottom and Lake Okeechobee, in South Florida. To evaluate the long-term numerical stability of the model, a ten-day model simu¬lation with varying wind was also run for Lake Okeechobee.

An examination of the causes for generation and dynamics of turbidity maxima in estuaries reveals the critical role of sediment tidal pumping phenomenon and, to a lesser extent, of the well-known effect of residual gravitational circulation due to salt water penetration. Both phenomena depend on the vertical sediment concentration profile and, consequently, on the magnitude of the vertical mass transport fluxes. Where high concentration suspensions occur regularly, the erosion/deposition fluxes can be drastically modified by sediment stratification, consequently influencing sus¬pended sediment response to currents and wave action. This influence is inherent in flow-sediment hysteresis, which therefore reflects the role of vertical mass transport in the estuarine and coastal suspended fine sediment regime.A vertical transport numerical model was used to investigate the influence of several key parameters describing sediment settling, bed properties and stabilized diffusion on the concentration profile. The model was also applied to simulate the influence of the same parameters on the time-lagged sediment response to flow variations, reflected in the characteristics of flow-sediment hysteresis loops.Field data obtained in Hangzhou Bay (People´s Republic of China), a high concentration environment, showed typical features of flow-sediment hysteresis and confirmed the importance of the vertical mass fluxes in contributing to sediment transport in the bay. A qualitative simulation provided by the numerical model, using settling parameters corresponding to local sediment, while confirming the importance of the hysteresis phenomenon, also revealed the critical need to use algorithms describing adequately stabilized diffusion and bed fluxes.Additional evidence of hysteresis was obtained through analysis of microscale variables, such as the Reynolds stresses and the variances of the velocity components resulting from combined effects of wave action and turbulence. Spectral analysis of the measured random variations did not support the commonly accepted hypothesis of similarity between the responses to turbulent flow of sediment concentration and temperature. The normalized turbulent intensities for all the measured veloc¬ity components showed their highest values during the period of lowest sediment concentration; this result is consistent with the hypothesis of turbulent intensity damping by suspended sediment.

A contribution to increased use and development of the method of artificial nourishment of beaches is the main objective of this thesis. It also aims at being a guide for the design of the reconsctrution or outright creation of beaches.In the first chapter, the subject is introduced and the objectives of the thesis are outlined. The second chapter cover´s some general considerations on littoral dynamics, beach equilibrium and sediment budget.Since the theoretical foundations of the artificial nourishment of beaches still leave much to be desired, a description of this method and its principles are presented in the third chapter. Important technical and economic aspects are included, such as: sampling, analysis and characterization of native and borrow material; selection Of nourishment sources; extraction and transport of borrow sand; and characteristics of the theoretical final beach profile. Such problems as the integration of ecological aspects, and cost-benefit analysis are also treated.in the fourth chapter, the Portuguese experience in this domain is described. The experience of such countries as France and the U.S., where this method has frequently been used is also mentioned. In this way a considerable amount of hitherto scattered information is presented in a unified way.The fifth chapter, treats briefly the problem of coastal model similitude, both as a support for the experimental work: which was carried out and to help engineers in the design of a coastal physical model or in merely assessing the possibilities of such a model.In the sixth chapter, an experimental study is described of the influence of both the grain size of borrow material and the nourishment method on the redistribution of sediments after the nourishment. The obtained results are compared with existing theoretical methods and some prototype results.Finally, in the last chapter the main conclusions and recomendations of the thesis are presented.

We provide a systematic analysis of the consistency, stability, convergence and accuracy of the numerical solution of the transport equation by a general Eulerian-Lagrangian Method (ELM). The method involvesthree basic steps: the backwards tracking of characteristic lines following the flow, the interpolation of concentrations at the feet of these lines, and the solution of dispersion taking such concentrations as initial conditions. The first two steps constitute the Backwards Method of Characteristics (BMC); the third step involves a time-discretization along the characteristic lines, and a spatial discretization of the dispersion operator, both based on conventional techniques (e.g.. Euler or Crank¬Nicholson for time; finite-elements or finite-differences for space).The choice of the spatial interpolator is shown to impact the consistency, stability and convergence, as well as the accuracy of the BMC. Most interpolators ensure consistency, but only a few ensure stability, hence convergence; stability criteria are derived from a newly developed generalized Fourier analysis, which can account for non-linearities introduced by quadratic grids. The comparison of formally derived propagation and truncation errors, complemented by numerical experimentation, provides a reference for the choice of the interpolator, given a specific transport problem characterized by prevailing concentration gradients.The BMC potentiates the use of large time-steps, well above Courant number of order one. In the limiting case of pure advection, optimal accuracy would be obtained for a At close to the total time of interest; the presence of dispersion constrains, however, the size of At, especially in the case of non-uniform flows. The comparison of the truncation errors for the three basic steps of ELM provides a reference to select At. as a function of Ax, of the spatial interpolators and time-discretization schemes, and of the gradients of flow and concentrations.

Apresenta-se um estudo sistemático, baseado simultaneamente em análises formais e em experimentação numérica, da precisão e estabilidade da solução da equação de transporte por um método Euleriana-Lagrangeana (MEL). 0 método decompõe a equação de transporte em equações separadas de advecção e de difusão, resolvendo a primeira pelo método das características regressivas no tempo (MCR), e a segundo por um método de elementos finitos, do tipo Galerkin.Mostra-se que as interpolações no espaço requeridas pelo MCR são um factor limitativo da precisão global do MEL, e comparam-se diversas técnicas alternativas de interpolação, algumas das quais originais. A combinação de esquemas compactos e não-compactos de interpolação, baseados em polinómios de Lagrange, é apontada como uma potencial solução óptima.Demonstra-se que, para uma adequada escolha do esquema de interpolação, o MCR é consistente, estável e convergente e tem boas características de precisão. Escolhas inadequadas do esquema de interpolação podem, no entanto, causar instabilidade e inconsistência.Estabelece-se a dependência da precisão do MCR no passo de cálculo, mostrando-se que essa precisão aumenta, em geral (para um tempo total fixo), quando se reduz o número de passos de cálculo, isto é, quando se aumenta o passo de cálculo (uma propriedade simultaneamente pouco habitual e muito conveniente). No entanto, na gama de valores muito pequenos do Número de Courant, a precisão é praticamente independente do passo de cálculo, o que evita que o método se torne divergente.Analisa-se brevemente o efeito de malhas irregulares e pluridimensionais sobre a aplicabilidade e precisão do MCR. Apesar de sensível à irregularidade da malha, o método mantém boas características de precisão desde que as distorções geométricas não sejam excessivas. Malhas pluri-dimensionais, quando simultaneamente irregulares, levantam problemas específicos de aplicabilidade de esquemas não-compactos de interpolação; esses problemas poderão se resolvidos através da utilização conjugada de esquemas compactos e não-compactos, para um mesmo problema. Investigação adicional a ainda requerida nestas áreas.Mostra-se ainda que a presença de mecanismos físicos de difusão beneficia tanta a precisão da solução da equação de advecção como a precisão global do MEL.Finalmente, demonstra-se a eficácia da aplicação do MEL (numa forma particular, restricta a esquemas de interpolação compactos) à simulação do transporte de poluentes em águas costeiras. 0 método permite, em particular, realizar simulações longas (várias marés) a custos moderados, mesma para malhas irregulares com elevado número de nós, e, também, evitar a necessidade do uso de difusividades artificiais como garante de estabilidade; em geral, e nestes dois aspectos em particular, o método revela-se superior a métodos Eulerianos, mais convencionais (por exemplo, métodos de elementos finitos, do tipo Galrkin ou Petrov-Galerkin, aplicados à equação de transporte indivisa).

No âmbito de um projecto de investigação intitulado caracterizarão de Formações Estuárias e do Meio Marítimo Litoral Por Técnicas de Detecção Remota , insere-se o estu¬do da avaliação de suspensões na água do mar com recurso à aplicação de técnicas de detecção remota como meio de caracterização de parâmetros de qualidade de água. 0 trabalho que se apresenta foi desenvolvido com os seguintes objectivos:1- Desenvolvimento de metodologias de análise e quantificação de suspensões na água do mar a partir de dados de satélite;2- Implementação sob forma de programas para computador de modelos de quantificação de suspensões orgânicas e inorgânicas na água do mar, a aplicar aos dados do radiómetro CZCS do satélite NIMBUS-7;3- Aplicação e verificação do modelo ao litoral português.Corn vista à consecussão destes objectivos, começa-se por apresentar uma extensa análise das formas de abordagem do problema, enumerando-se os diversos métodos actualmente seguidos, nomeadamente o Empírico, o Teórico e, neste, os métodos microscópico e macroscópico.Com base nesta análise, propõe-se um modelo numérico de quantificção das suspensões a partir dos dados do radiómetro CZCS do satélite NIMBUS-7, o qual, embora empírico na sua formulação como a maioria dos actualmente existentes, se apoia no comportamento radiomótrico da água do mar e dos seus constituintes típicos, cujas características se apresentam também.A implementação prática do modelo exige a filtragem da componente atmosférica presente nos dados rediométricos. Com este objectivo, apresenta-se um modelo baseado na metodo¬logia correntemente utilizada. Consiste na consideração da difusão simples, causada pelos constituintes básicos da atmosfera (moléculas gasosas, aerosóis e ozono) na gama de comprimentos de onda considerada (440, 520, 550 e 670nm). Esta metodologia conduz, porém, a um sistema de equações indeterminado e que é resolvido pela consideração de uma equação ´exterior´ ao processo de transferência radiativa que tem lugar na atmasfera. Para este efeito, utilizou-se a equação de Smith e Wilson por ser a mais divulgada, ressalvando-se, contudo, a necessidade de verificação da sua efectiva aplicação às águas do litoral português, o oqe não foi possível concretizar dada a inexistência de dados.

A numerical method for the solution of the two-dimensional, unsteady, transport equation is formulated, and its accuracy is tested.The method uses a Eulerian-Lagrangian approach, in which the transport equation is divided into a diffusion equation (solved by a finite element method) and a convection equation (solved by the method of characteristics). This approach leads to results that are free of spurious oscillations and excessive numerical damping, even in the case where advection strongly dominates diffusion. For pure diffusion problems, optimal accuracy is approached as the time-step, At, goes to zero; conversely, for pure-convection problems, accuracy improves with increasing At; for convection-diffusion problems the At leading to optimal accuracy depends on the characteristics of the spatial discretization and on the relative importance of convection and diffusion.The method is cost-effective in modeling pollutant transport in coastal waters, as demonstrated by an illustrative application to a case study (sludge dumping in Massachusetts Bay). Numerical diffusion is eliminated or greatly reduced, raising the need for realistic estimation of dispersion coefficients. Costs (based on CPU time) should not exceed those of conventional Eulerian methods and, in some cases (e.g., problems involving predictions over several tidal cycles), considerable savings may even be achieved.

0 principal objectivo desta tese é mostrar a habilidade do métodos dos elementos finitos e do método dos elementos de fronteira na modelação das ondas gravíticas de superfície.Na análise linear, as equações reduzidas do movimento ondulatório são resolvidas pelo método dos elementos finitos, levando em linha de conta a reflexão parcial, a radiação e o atrito de fundo. A modelação da radiação é feita com elementos infinitos ou com elementos de radiação, sendo estes encarados como um caso particular dos elementos de reflexão. 0 atrito de fundo é introduzido após a discretização e é levado a efeito através de um coeficiente empírico que se pode relacionar com o coeficiente de Chezy.Quer o modelo determinístico quer o modelo estocástico, obtido do primeiro com base na noção do estimador natural, permitem a realização de ensaios de ressonância ou de agitação. Nos ensaios de ressonância de uma bacia portuária tem particular interesse o conhecimento do espectro de resposta ao ruído bran¬co de banda limitada.A título de exemplo de aplicação mostram-se alguns aspectos do estudo das condições de ressonância do porto de Leixões.Logo que não sejam válidas as hipóteses simplificativas que permitem uma abordagem linear das ondas gravíticas de superfície, são resolvidas as equações não lineares do movimento ondulatório com superfície livre, pelo método dos elementos de fronteira. As suas peculiaridades permitem, sem qualquer dúvida, considerar o método dos elementos de fronteira como o mais vocacionado para este tipo de análise.Os programas de cálculo automático para o estudo da análise não linear estão ainda em fase de teste, pelo que não se apresentam exemplos de aplicação.

Este trabalho é dirigido principalmente para o uso da simulação numérica dos escoamentos em estuários como uma ferramenta pa¬ra estudos de engenharia. Fazem-se algumas considerações gerais sobre a definição e classificação de estuários seguidas por uma descrição sumária da hidrodinâmica dos estuários. Descrevem-se e comparam-se as várias técnicas utilizadas na solução de problemas de hidradinâmica de stuários.Faz-se a dedução formal de um modelo matemático do escoamento em estuários homogéneos e integram-se verticalmente as suas e¬quações, obtendo-se as conhecidas equações do escoamento em águas pouco profundas ("shallow water equations"). Estas equações são discretizadas utilizando os métodos dos elementos finitos e das diferenças finitas, respectivamente no espaço e no tempo.Faz-se a descrição de um sistema de cálculo para determinar a solução do modelo matemático discretizado e tecem-se várias considerações acerca do seu desenvolvimento e uso.Finalmente apresentam-se os resultados de alguns testes utilizados para verificar o funcionamento do sistema de cálculo.

This report presents the methodology and results of a study of the sediment dynamics and potential medium-term coastline evolution induced by hybrid-type coastal protection solutions for the Langue de Barbarie and the city of Saint-Louis, Senegal. The analysed solutions considered four designs of an artificial island, or a peninsula/spit connected to the mainland. The study includes gathering of study site data, preparation of model inputs, set-up and calibration of the shoreline evolution model ShorelineS, simulations of the potential coastal evolution for the proposed interventions, and critical and comparative analysis. The model succeeded in reproducing the main coastline modifications observed during the calibration period (2015 to 2019). It was found that any of the proposed hybrid solutions are likely to trigger substantial instabilities in the delicate sediment dynamics of Langue de Barbarie, eventually breaching this spit not far from the city of Saint-Louis. The analysis of alternative soft solutions led to similar conclusions.

O Programa de Monitorização das Dragagens da Zona Superior da Lagoa de Óbidos, promovidas pelaAgência Portuguesa do Ambiente, destina-se a acompanhar a evolução das condições hidrodinâmicas e da morfologia da lagoa. Apresentam-se neste relatório os resultados relativos à fase de pós-obra. Na zona inferior da lagoa, entre abril de 2022 e outubro de 2023, o canal da embocadura manteve uma posição relativamente estável no terço central do cordão litoral, sem situações de fecho da embocadura. Na zona superior da lagoa, a comparação dos levantamentos hidrográficos de pós-dragagem (março de 2022) e de monitorização após 20 meses (novembro de 2023) indicam que a zona intervencionada de canais (braço da Barrosa, foz do rio Real e braço do Bom Sucesso) e bacias (braço da Barrosa e foz do rio Real) apresentou uma taxa de assoreamento moderada (0,23 m ano-1). Assim, estima-se que os efeitos da intervenção de dragagem na redução da acumulação sedimentar na zona superior da lagoa sejam relativamente duradouros.

The final technical report of the project Mosaic.pt

Apresenta-se neste relatório os principais resultados dos ensaios em modelo físico reduzido referentes ao “Estudo de caracterização e viabilidade de um quebra-mar destacado multifuncional em frente à Praia da Vagueira”. Os ensaios, realizados à escala 1:65 com fundo móvel, permitiram analisar o efeito do quebra-mar destacado (QMD) na dinâmica sedimentar próxima e na geração de ondas para o surf. No que se refere à dinâmica sedimentar, verificou-se a reprodução de fenómenos de evolução morfológica no modelo físico, com predominância de movimentos sedimentares transversais na ausência do QMD e quase inexistência de transporte longilitoral. A implantação de um QMD paralelo à praia induziu a formação de células de circulação na zona abrigada que conduziram à formação de um saliente de pequenas dimensões, centrado com o eixo transversal do QMD. A implantação de um QMD 45º oblíquo à costa provocou a formação de dois salientes, de dimensões semelhantes aos da configuração anterior. No que se refere à geração de ondas para surf comparam-se os resultados obtidos sem QMD, com QMD paralelo e com QMD oblíquo à costa. Analisam-se os índices de agitação, localização, comprimento e tipo de rebentação para cada situação. Para todas as condições de agitação ensaiadas, a rebentação na situação atual (sem QMD) ocorre a sotamar da posição de implantação prevista para o QMD, próxima da linha de costa. O QMD provoca alteração das condições de rebentação, levando a que esta ocorra na zona próxima ou sobre o QMD. Da observação da posição e comprimento da linha de rebentação, assim como do tipo e forma de rebentação pode concluir-se que, dos casos ensaiados, no caso sem QMD e no caso com QMD oblíquo se obtiveram condições de rebentação adequadas à prática de surf. Apresenta-se a calibração realizada com o modelo numérico COULWAVE para o caso do QMD oblíquo, para uma condição de agitação regular. O modelo numérico permite calcular alguns parâmetros importantes para a verificação das condições de rebentação e da sua adequabilidade para a prática do surf, tais como o comprimento da linha de rebentação, a direção da onda no ponto de rebentação, o ângulo de rebentação e o número de Iribarren. Com base nos resultados obtidos é possível concluir que o QMD oblíquo gera uma onda de boa qualidade para o surf, já que se obtém uma rebentação mergulhante e um ângulo de rebentação adequado para surfistas standard/profissionais. Realizaram-se ensaios de galgamento e, para as condições de agitação ensaiadas, não se verificou galgamento da estrutura de defesa longitudinal aderente nem no caso dos ensaios sem QMD nem com QMD, quer paralelo à costa quer oblíquo.

Apresenta-se neste documento um texto integrador e conclusivo dos trabalhos executados no

O presente estudo é constituído por duas componentes. Na primeira analisa-se, com recurso a modelação numérica, o efeito da morfologia da praia da Vagueira na resposta de um quebra-mar destacado submerso implementado na frente marítima. Para isso, utilizam-se dois levantamentos topo-batimétricos recentes, de verão marítimo, que evidenciam grandes diferenças de elevação do fundo. Concluiu-se que a implementação do quebra-mar favorece a geração de elevados gradientes de fundo, incluindo a geração de novos canais, devidos às correntes divergentes, cuja mobilidade constrange a formação de um saliente estável que permita um aumento permanente da largura de praia. Na segunda componente do estudo, desenvolvida para apoiar o estudo em modelo físico, testou-se em modelo numérico o efeito do quebra-mar destacado submerso nas correntes e morfologia adjacentes, em condições hidro-morfológicas representativas. Concluiu-se que os padrões de erosão-acumulação gerados pelo quebra-mar (canais de erosão divergentes, enraizados nos extremos do quebra-mar, que geram a fuga de sedimentos locais e crescimento de um saliente não simétrico relativamente ao eixo transversal do quebra-mar) são mais regulares do que os previstos em condições de topo-batimetria real, pelo facto da batimetria inicial ser mais uniforme e, por isso, permitir um efeito mais destacado (menos difuso) dos mecanismos de resposta do fundo ao forçamento hidrodinâmico.

Apresenta-se neste relatório o estabelecimento do modelo físico reduzido e as condições de ensaio referentes ao

No âmbito do contrato de prestação de serviços para o

Procede-se à comparação de levantamentos topo-hidrográficos a escalas espaciais e temporais alargadas (desde 1980-1982) com o objetivo de apoiar a interpretação da evolução morfológica do sistema Bugio-Caparica e, em particular, contribuir para: (a) a identificação do destino das areias utilizadas na alimentação das praias da Costa da Caparica; (b) a avaliação da importância dos fluxos sedimentares entre as praias da Caparica e o banco do Bugio; e (c) a apreciação dos efeitos das intervenções estruturais e não-estruturais. Identifica-se uma área de acumulação sedimentar parcialmente no exterior da célula de monitorização, com cotas da ordem de -4 a -2 m ZH, no bordo meridional do banco do Bugio, que poderá estar associada quer às alimentações artificiais realizadas na Caparica, quer a alterações morfológicas ocorridas na envolvente da Cova do Vapor.

The present report describes a fieldwork campaign that took place within the scope of the project MOSAIC.pt. The campaign was performed in March 2020 at Cova-Gala beach. Cova-Gala beach is located south of the entrance to Figueira da Foz harbour, along central Portugal western coast. The campaign aimed to acquire hydrodynamic and topographic data on the subaerial beach cells between the groynes in front of Cova ur anization

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