自然界中普遍存在的明渠紊流包含各种尺度的相干结构，结构及其间的相互作用控制了紊动的生成、传输、耗散等重要过程。传统的明渠紊流相干结构研究继承湍流统计理论的基本假设，认为不同尺度相干结构具有独立的生成和维持机制，但近年来其他壁面湍流的研究成果开始揭示出各尺度间密切而复杂的相互关系。本文研究的主要目的在于促进对明渠紊流相干结构的深入认识，以尺度划分、相互作用等现代观点建立相干结构研究的统一框架。使用自主研发的高频粒子图像测速系统量测了不同雷诺数和弗劳德数的明渠紊流，得到了纵垂面和水平面的独立及连续流场，主要取得了以下创新成果：1、基于预乘谱分析结果，建立了明渠紊流相干结构尺度划分体系，从统计意义上将相干结构划分为小、大、超大三种尺度，小尺度以u*/ν度量，超大尺度结构大于3h，并常能达到10h的量级，大尺度结构则介于二者之间；2、提出基于流场几何特征的结构化涡量方法，从明渠紊流中识别出小尺度横向涡，与其他类型壁面湍流相比，自由水面会增加横向涡的数量，但将抑制其强度和尺度；在瞬时流场中观察到了大量符合发夹涡特征的顺向涡，其条件平均流场表明，发夹涡模型在明渠紊流中仍然有效；3、使用本征正交分解方法分析得出，明渠紊流中的大尺度结构是发夹涡群，超大尺度现象主要表现为全水深范围的大规模Q2Q4事件和外区水平面的高低速流带，并比其他壁面湍流更强；分析结果支持超大尺度流向涡模型；4、基于泰勒冻结假定的连续流场以及横向涡数量与POD模态分量的联合分布，得到了超大尺度流向涡与发夹涡群间的互反馈维持机制；运用希尔伯特变换和滤波技术分析了各种尺度间的相互关系，发现了明渠紊流中的超大尺度流向涡对内区小尺度运动的调制现象，并提出了超大尺度流向涡通过床面剪切对发夹涡的诱发机制；5、基于明渠紊流中相干现象的尺度划分、各尺度相干结构模型及其相互关系，提出明渠紊流相干结构的统一物理模型，模型中的各尺度结构均具有合理的生成与维持机制，能够解释明渠紊流中的主要相干现象。