明渠紊流广泛存在于自然界及水利、水电、交通、环境等工程领域,前人已经从流动特性分析、流动机制研究以及模拟方法构建等多个方面对明渠紊流进行了大量的研究,取得了丰富的成果。然而对明渠实验研究多集中在明渠恒定流的研究,对明渠非恒定紊流的研究,尤其是对自由表面的变形特性了解还不够;虽然构建了能量损失方程,但是缺少对分类能量损失的研究,也没有对能量损失密度函数进行探讨;所构建的总流微分模型中运动方程是将流体作为刚体,无法考虑自由表面变形引起的动量变化,对粘性流体运动框架下的明渠非恒定渐变紊流总体描述的微分模型研究不深入。本文在前人研究的基础上,通过理论分析、水槽实验以及数模计算对上述问题进行了探讨,得到了如下成果:（1）通过理论分析对明渠恒定紊流的能量损失进行了研究:从生成机制来看,明渠恒定紊流的能量损失来源于平均流的粘性耗散与维持紊动这两种效应。对于宽浅明渠中的均匀流紊流,平均流的粘性耗散效应随着雷诺数的增加不断减小,而维持紊动效应则随着雷诺数的增加而不断加强,当雷诺数接近9000时,这两种机制对能量损失的贡献大致相等。从来源的空间区域来看,明渠恒定均匀流紊流的能量损失主要集中在渠底附近,且能量损失生成区域向渠底的集中程度随着雷诺数的增加而不断加强。（2）通过明渠非恒定紊流实验对自由面的时空变化特性进行了研究,结果表明:生成的明渠非恒定流具有非恒定缓变流的特点,但在同一时刻,水位的纵向变化则平缓得多;各测点的水面比降随时间近似呈现周期性变化的趋势,其周期与水位变化的周期相同;但水面比降到达峰值的时间要超前于水位到达峰值的时间;各测点的水位流量关系呈现绳套曲线的特点,且在时间上具有流量先到达最大值,继而水位到达最大值的特点。（3）通过理论分析,从粘性流体运动理论出发可以得到明渠非恒定渐变紊流总流微分模型的控制方程,该控制方程由连续方程与运动方程组成,其中连续方程与目前水力学中已有的连续方程完全一致,但运动方程多出了一个由自由表面变形所引起的表面变形项;且运动方程中的能坡项也有显式表达式,可以实现流动的总体描述与全场描述的一致性。（4）通过理论分析和数模计算,对明渠非恒定渐变紊流总流微分模型的控制方程中的模型参数进行了研究,结果表明:对于明渠非恒定渐变紊流,在忽略动静表面力势能差对能坡项的贡献后,可以采用糙率系数作为参数来模拟能坡项;对感潮河段的明渠非恒定流,其糙率系数具有随水位变化而变化的非恒定特点,且在一个潮波周期内糙率系数的相对变幅可达40%;对处于高雷诺数条件下的宽浅明渠紊流,将动量修正系数与动能修正系数取值为1是合适的。在表面变形项中,表面变形系数随着雷诺数的增加而减小,对于高雷诺数紊流,其值可近似取为0.61;表面变形项的大小与水位变幅和平衡水深之比有关,该比值越小,表面变形项的影响也越小。（5）在新的总流微分模型基础上构建了统一描述干流洪水与湖泊流的数学模型来模拟河湖连接段的水流运动,结果表明:河湖连接段的水流运动具有非恒定渐变流的特点,其中干流以径流效应为主,湖泊流以调蓄效应为主。虽然两者运动特性相异,但都可以从明渠紊流总体描述的理念出发建立总体描述的数学模型,典型实例的应用验证了此类数学模型的可行性,并表明湖泊对干流洪水的顶托效应仅仅局限在一定纵向范围的入湖段内;要降低干流段洪水的峰值水位,采用加大出湖流流量的方法比单纯提高湖泊调蓄能力的方法效果更好。