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河流流量作为最重要的水文资料，一直以来都是水文工作者最关心也是最难以掌握的水文信息之一。流量是一个无法直接通过仪器测量的量，往往需要利用测速仪器测量流体流速进而计算得到。至今为止，国内外应用最广泛的流量计算方法当属流速面积法。流速面积法要求在河道上选取一个断面，然后在断面上测量单点或者多点流速，最后通过流速与面积相乘得到流量。因此，河流流量监测必须完成两个重要的工作，一是断面流速测量，二是流速流量反演。流体力学经过一个多世纪的发展，测流仪器以及流量反演算法均取得了较大的发展。这些发展在河流流量测量和水资源有效利用中得到了充分的应用。虽然如今的流量测量已经形成了相对完善的体系，但是依然存在诸多限制施测便利以及测量精度的问题。这些问题主要体现在两个大的方面：
第一是测流仪器的问题，测流仪器存在的问题主要包括以下两点：
1)传统的接触式测流仪器具有一些比较显著的缺陷：与水接触；水流较大的时候难以保持仪器稳定；对仪器的安装以及选址均具有比较明确的要求；容易受到水位升降的影响等。
2)与传统的接触式测流仪器相比，非接触式仪器为流速测量带来了诸多便利。但是，现有的非接触式方法也存在一定的缺陷：粒子图像测速法测量范围有限，主要适用于较小的河流。微波遥感法时空分辨率比较粗糙，难以满足当下实时、连续的流量测量需求。手持式雷达对于安装位置要求较高，且容易因为流况的变化对流量计算造成较大影响。
第二是流量反演算法的问题。流量算法问题主要包括以下三点：
1)指标流速法在接触式测流方法中应用比较成熟。但是由于受到接触式测流仪器的影响，往往难以获得最佳指标流速。这为指标流速法计算流量带来了额外的误差。
2)指数法、对数法等半理论半经验公式主要适用于宽浅河流中，只需要知道河流表面流速便可计算断面流速分布。但是当应用于窄深河道时，往往需要借助水下流速或者相关参数方可得到完整的流速分布。
3)基于流体力学原理推导的方法虽然理论基础充分，但是形式复杂。目前大多数研究皆是针对于规则形状的河道(例如矩形河道，半圆形河道)。对于形状多变的天然河道，现有的方法很难得到实际应用。
本文在充分了解现有方法的基础上，对以下几个方面进行了相关的研究：
1)首先以超高频雷达作为河流流速测量仪器，实时自动获取河流表面流场。然后从流场中提取河流断面表面流速。针对单站的情况下，本文提出了几种从径向流场提取断面表面流速的方法。这些方法在实际应用中得到了较好的结果。同双站矢量合成结果一起与转子式流速仪测量的流速进行了比较，整体上误差较小，大部分集中在±10%以内。同时对误差来源做了分析，得出了误差两边大中间小主要是因为两种测流方法不同所导致的。两者之间的比对误差并非雷达测速的真实误差。长期的流量比对结果也充分验证了这一点。断面表面流速的有效提取为后续的流量算法研究提供了坚实的基础。
2)考虑到指标流速法已经在接触式测流方法中得到了较好的应用，提出了基于断面表面流速的指标流速法流量探测。本文利用断面表面最大流速作为指标流速分析了当前应用较广的几种指标流速法模型，表明了同时考虑流速和水位的模型相较于其它模型具有更好的性能。以断面表面各个距离上的流速、断面表面最大流速、断面表面中间区域的平均流速分别作为指标流速综合考量，得出了最大流速作为指标流速最优的结论。同时验证了基于断面表面流速的指标流速法在流量探测中的可行性与可靠性。最终模型计算的流量误差极小，主要集中在±5%以内。该研究使得指标流速法在超高频雷达流量探测中得到了很好的应用。并且比之在接触式测流仪器中的应用更具优势。
3)以纳维-斯托克斯方程为理论基础，雷达探测的表面流速作为边界条件，推导出了一种适用于非规则天然河道的断面流速分布模型。与现有的方法相比，该模型适用范围更广，同时更适合工程应用。由于考虑了河流边壁的影响，因此该模型不仅在宽浅河道区域应用很好，相对于其它方法，在窄深区域也有着较大的优势。流速误差在±10%左右，与其它现有的模型相比优势显著。最终计算的流量误差主要集中在±5%以内。该模型的推出解决了指标流速法需要依托大量历史数据而无法直接应用于新建站点以及现有流量反演算法对非接触式测流仪器在窄深河道中应用受限的问题。
第一是测流仪器的问题，测流仪器存在的问题主要包括以下两点：
1)传统的接触式测流仪器具有一些比较显著的缺陷：与水接触；水流较大的时候难以保持仪器稳定；对仪器的安装以及选址均具有比较明确的要求；容易受到水位升降的影响等。
2)与传统的接触式测流仪器相比，非接触式仪器为流速测量带来了诸多便利。但是，现有的非接触式方法也存在一定的缺陷：粒子图像测速法测量范围有限，主要适用于较小的河流。微波遥感法时空分辨率比较粗糙，难以满足当下实时、连续的流量测量需求。手持式雷达对于安装位置要求较高，且容易因为流况的变化对流量计算造成较大影响。
第二是流量反演算法的问题。流量算法问题主要包括以下三点：
1)指标流速法在接触式测流方法中应用比较成熟。但是由于受到接触式测流仪器的影响，往往难以获得最佳指标流速。这为指标流速法计算流量带来了额外的误差。
2)指数法、对数法等半理论半经验公式主要适用于宽浅河流中，只需要知道河流表面流速便可计算断面流速分布。但是当应用于窄深河道时，往往需要借助水下流速或者相关参数方可得到完整的流速分布。
3)基于流体力学原理推导的方法虽然理论基础充分，但是形式复杂。目前大多数研究皆是针对于规则形状的河道(例如矩形河道，半圆形河道)。对于形状多变的天然河道，现有的方法很难得到实际应用。
本文在充分了解现有方法的基础上，对以下几个方面进行了相关的研究：
1)首先以超高频雷达作为河流流速测量仪器，实时自动获取河流表面流场。然后从流场中提取河流断面表面流速。针对单站的情况下，本文提出了几种从径向流场提取断面表面流速的方法。这些方法在实际应用中得到了较好的结果。同双站矢量合成结果一起与转子式流速仪测量的流速进行了比较，整体上误差较小，大部分集中在±10%以内。同时对误差来源做了分析，得出了误差两边大中间小主要是因为两种测流方法不同所导致的。两者之间的比对误差并非雷达测速的真实误差。长期的流量比对结果也充分验证了这一点。断面表面流速的有效提取为后续的流量算法研究提供了坚实的基础。
2)考虑到指标流速法已经在接触式测流方法中得到了较好的应用，提出了基于断面表面流速的指标流速法流量探测。本文利用断面表面最大流速作为指标流速分析了当前应用较广的几种指标流速法模型，表明了同时考虑流速和水位的模型相较于其它模型具有更好的性能。以断面表面各个距离上的流速、断面表面最大流速、断面表面中间区域的平均流速分别作为指标流速综合考量，得出了最大流速作为指标流速最优的结论。同时验证了基于断面表面流速的指标流速法在流量探测中的可行性与可靠性。最终模型计算的流量误差极小，主要集中在±5%以内。该研究使得指标流速法在超高频雷达流量探测中得到了很好的应用。并且比之在接触式测流仪器中的应用更具优势。
3)以纳维-斯托克斯方程为理论基础，雷达探测的表面流速作为边界条件，推导出了一种适用于非规则天然河道的断面流速分布模型。与现有的方法相比，该模型适用范围更广，同时更适合工程应用。由于考虑了河流边壁的影响，因此该模型不仅在宽浅河道区域应用很好，相对于其它方法，在窄深区域也有着较大的优势。流速误差在±10%左右，与其它现有的模型相比优势显著。最终计算的流量误差主要集中在±5%以内。该模型的推出解决了指标流速法需要依托大量历史数据而无法直接应用于新建站点以及现有流量反演算法对非接触式测流仪器在窄深河道中应用受限的问题。