明代京杭大运河山东段水源管控的工程技术创新

郝宝平，郭昭昭

(1.江苏科技大学 科技史研究所，江苏 镇江 212003； 2.江苏科技大学 马克思主义学院，江苏 镇江 212003)

① 具体参见：邹逸麟《山东运河历史地理问题初探》，《历史地理》，1981年第1期；王元林、孟昭锋《元明时期引汶济运及其影响》，《人民黄河》，2009年第4期；肖华斌、王梦颖《京杭大运河“运河之脊”南旺分水枢纽生态智慧探析》，《风景园林》，2019年第6期；李宁《明代会通河漕泉研究》，曲阜师范大学硕士论文，2011年；朱年志《明代山东运河与沿运水柜的形成》，《前沿》，2014年第4期等。

中国大运河是中华文明的标志性工程，它的贯通是一个历史过程，也是一个工程技术不断创新的过程。隋朝一统天下后，为实现南方财富北运顺畅等目的，从隋文帝开皇四年(584)到隋炀帝大业六年(610)的26年里，先后开凿了通济渠、永济渠，重修了江南运河，开通了以国都洛阳为中心，北抵河北涿郡、南达浙江余杭的大运河。这一路线历经唐、宋，基本保持稳定，直到元代才有了重大转折。元代在山东地区开挖了济州河和会通河，大运河中段西折“走弓背”的格局转变为中段拉直“走弓弦”的路径。这一改变全面凸显了大运河山东段的重要性。虽然这一重大创新解决了一些旧问题，但也带来了新问题。因为山东段处于京杭大运河全线的制高段，水源工程的设置和维护稍不合理，就会使本就存在重大隐患的水源问题频繁出现。元代统治者认识到了这一问题，遂采取海陆联运的方式缓解水源和运力的内在紧张。到了明代，由于海禁和海运的巨大风险等原因，海运在明开国后不久就被放弃，南方漕粮遂全靠大运河运输至都城北京，山东段的运力常常捉襟见肘，因此明代对山东段运河的水源问题格外关注。目前已有的关于明代大运河山东段水源问题的研究主要涉及该段运河的开凿与变迁、水柜设置、引水和闸坝工程，格外聚焦于引汶济运和南旺分水问题①。已有相关研究观点鲜明，但缺乏整体性视角，从科技角度进行阐述的研究相对不足。基于此，笔者将对大运河山东段水源管控工程与技术领域的创新进行系统性阐释与分析，以求教于学界。

一、 水源问题频繁出现

元代在隋朝大运河基础上，利用山东汶、泗水道，开挖济州河和会通河，完成了经由山东的裁弯取直工程。但由于该段处于京杭大运河的最高处，水源常常供应不足，进而导致“岸狭水浅，不任重载，故终元之世海运为多”[1]2795。由于明代最初定都南京，因而对江北漕运关注有限。但明成祖朱棣迁都北京后，南方经济中心需全力支持北方政治中心，加之屡次对蒙古用兵耗费巨大，漕粮需要大量北运，漕运压力越来越大，因此整治大运河山东段不仅必要而且紧迫。于是在永乐年间，宋礼等人领旨全面疏浚会通河，废弃袁家口至寿张沙湾一段旧河道，东移运道20里开挖新河。但重修后的山东段水源依然未得到保障，漕运压力大的局面基本没有改变，成为南方漕粮北运的“卡脖子”河段，主要原因有以下几点：

第一，自然地理和水文资源的天然局限。水是保障运河通畅的基础，由于先天原因，大运河山东段的水源从一开始就面临短缺的局面。首先是降水少。山东位于亚欧大陆东部，降水主要受季风影响，且主要为锋面雨，年降水量为600毫米～700毫米，降水量仅是江南地区的一半。其次是降水分配不均匀。山东段主要为温带大陆性季风气候，有明显的雨季和旱季之分，该地区每年6-9月降水量占全年降水量的一半左右，而12月到次年2月的降水量不足全年的10%，季节性分配极不均匀。尤其每年春季是漕船起运季节，也是运河最需水之时，这时水源不足的问题就更加凸显。最后是运河纵坡降比大(指运河河底顺水流方向的坡降)。大运河山东段纵贯黄河中下游冲积扇和山东中南部山地丘陵地带，地势以山东济宁南旺为最高，分别向南、向北倾斜，其中南旺至临清落差近30米，南旺至徐州落差近40米，所以大运河山东段整体呈现出中间高、南北两侧低的地形特征。这使得运河纵坡降比较大，珍贵的水资源沿地势倾泻而下，直接加剧了运河水源的短缺。

第二，大运河山东段开通初期水源工程设计不合理。自然条件决定了水源短缺是大运河山东段与生俱来的问题，除此之外，由于认识不到位，起初在水源工程设计与布局上也不尽合理和完善。首先，引水工程不合理。元代“遏汶入洸”的办法使洸水成为汶水的主河道，所以运河的水源是洸河，洸河的水源是汶河，但此举忽视了济宁地势比南旺低的现实，导致了“自左而南，距济宁九十里，合沂、泗以济；自右而北，距临清三百余里，无他水，独赖汶”[1]1387的结果。因此，该段断流、停运现象时有发生，山东段的全线通航也就难以实现。其次，分水位置不合理。该段运河以济宁以北40千米处南旺的地势为最高，与济宁高程相差约8米[2]243，所以该段地势为上坡倾斜，因此在会源闸分水显然是“北高而南下，故水往南也易，而往北也难”[3]488。引入之水不能南北分流，济宁以北的水源得不到保障，因而造成该段运河浅阻，无法通船，进而严重制约了运河山东段的漕运效率。最后，调蓄工程不完善。大运河山东段由于降水少且季节性分配不均匀，所以需要水柜蓄水，以调节运河水的枯旺，保证运河在枯水期有足够的水量通航。同时，考虑到该段地形起伏大，控制运河水量及深度需要依靠多个闸门启闭以平衡水位，且两闸之间的距离也要设置合理。但在运河开通初期，这些调蓄工程在设计和管理上缺少细致考量，导致设置不尽完善。

第三，黄河影响运河通行。京杭大运河横跨黄河水系，这使得河道不可避免地受到与之横切的黄河的影响，运河山东段与黄河的交汇总是难以协调。首先，黄河决口会频繁冲毁河道及水利设施。黄河水量季节性强，当水量小的时候，泥沙堆积情况严重，河道经常淤塞；当猛然来水的时候，因为旧道不通，水势一大就会造成决口，冲溃运河河道，损坏闸座。尤其是济宁至徐州段利用泗水上游水道，因而受黄河干扰最大。其次，黄河倒灌导致南运河口淤塞。徐州南茶城与黄河交汇处是运河山东段的南运河口，由于黄河河床高于运河，所以每逢涨水季节，河水就猛烈倒灌入运河，运河口因自身调节能力有限而常会出现淤塞。为此，每年只能待北上漕船一过，随即关闭运河口闸门禁行，等秋季黄河水退，方可启闸，放空船南下。这段时间运河口不通，该段运河也就不能使用。最后，引黄入运无法避免大量泥沙。撇开冲毁河道及倒灌入运这两个极端情况不谈，在正常情况下，明代希望能从会通河西边的黄河中获得水源补给，但黄河含沙量太高，不可避免带来大量泥沙，进而导致运河淤积，泥沙过多会影响船只通行，给漕运带来很大不便。

综合上述原因，重修后的大运河山东段在运行中依然存在水源不足、分水不合理、洪水调蓄和宣泄不及时等一系列重大问题。因此，如何对水源进行有效管控，这既是正确认识客观规律的问题，也是充分发挥主观能动性的技术问题。明代对该段水源问题的重视程度超过任何一个朝代，且不断在水源管控工程与技术方面进行完善和创新，改善并修建了引水、分水、调蓄等领先于世界上同时期其他水利工程的水源管控工程。

二、 戴村坝引水工程保障水源

开凿运河，首先要确保水源充足，所以在开凿时应尽量利用与运河大致同向的天然河流，以保障运河有充足的水源补给。大运河山东段水源主要来自区域内东西流向的汶、泗水系，由于其流向与运河走向不一，运河不能自然利用这些水源，因此利用水利工程进行引水是必然举措。元代修建了堽城坝引汶济运工程和金口堰引泗济运工程，但由于工程设计不合理，工程运行不到十年，“反崇汶三尺许，山水涨后，其流涓涓，几不接会通。汶岁筑沙堰遏水入洸，堰寻决而洸自若，所在浅涩，漕事不湍”[4]。治理大运河山东段，首先要考虑的是如何充分利用汶水和泗水的流向以求济运，因此，修建一个合理的引水工程和改建原有的堽城坝引水工程是解决山东段水源问题的优先选择。

永乐九年(1411)，工部尚书宋礼采纳汶上老人白英的建议，在元代堽城坝下游60里处修建了戴村坝。从此，戴村坝成为明代大运河山东段通航的关键，因为“漕河之有戴村，譬人身之咽喉也。咽喉病，则元气走泄，四肢莫得而运矣”[5]。首先，在戴村筑坝引汶，遏汶水向西南流，由黑马沟至汶上县鹅河口入运河，为运河提供了稳定的水源补给；其次，堽城以下的汶河还有漕河、汇河(上游即今康王河)等多条支流汇入，“其势甚大，遏汶于堽城，非其地矣”(1)参见胡瓒《泉河史》卷一《图纪·东平州泉图引·郡志》，清顺治四年刻本。，所以在戴村坝引水，可以将汶河的支流也引入运河，以增加运河的水量；最后，明代把戴村坝选在坝基好、河道稳定、距南旺比较近的分水制高点上，其坝斜插东北，与汶水的中泓河槽大致成35度的夹角[6]，引水角度也较为科学。具体如图1所示[2]244。

图1 戴村坝

戴村坝引水工程建成后，仍保留了堽城坝旧址，并在旧址处修筑“堽城新坝跨汶河上，下开涵洞，置闸启闭，再开新河十余里接洸河，并在新河上筑堽城新闸”(2)参见胡瓒《泉河史》卷四《河渠志·引商辂〈堽城坝记〉》，清顺治四年刻本。，以改引泉河南下济宁作为引汶济运的辅助工程。这样一来，汶河上就有两条路线可以调节水源，该段运河的水源由此又多了一份保障。到了弘治(1488—1505)时，戴村坝基本取代了堽城坝。此后经过不断完善，戴村坝逐渐成了由拦河坝、取水口、泄洪和排沙设施组成的引水枢纽，“取水口在汶水的凹岸，便于引取清水；东岸有坎河口，是河的凸岸，作为汛期洪水的通道”[2]243。清人评说：“(宋礼)留坎河口不坝，以备分泄入海。每岁重运过时，只用刮沙板作一沙坝于坎河口，即涓滴尽趋南旺；若水涨，则连沙冲出坎河。”[3]526从取水质量、泄洪、排沙等多重功能角度分析，戴村坝引水工程有效预防了泥沙淤塞运河的风险，在很大程度上保障了运河水量的充足，这说明设计是合理和科学的。

然而，仅靠汶、泗两河作为水源很难保证运河有足够的水量通船，所以泰山地区丰富的地下水也就成为理想的运河水源，且该地区地下水水位比较稳定，可以保障运河流量。永乐十七年(1419)，在漕运总兵陈瑄的建议下，朝延“初浚泉源，以资运河水源”(3)参见胡瓒《泉河史》卷十五《泉河大事记》，清顺治四年刻本。。此后每隔数年疏浚一次，陆续将汶、泗中上游三府十八县境内的泉源通过地表明渠导入汶、泗、沂等河流，并最终汇入运河。至此，通过新建引水工程将该段内的河水、泉水等水源引入运河，山东段水源补给问题得到了较好解决。

三、 南旺分水枢纽分配水源

明代筑戴村坝引汶济运，使山东段运河水源有了保障，但该段运河的地形是中间高、两端低，运河纵坡降比大，南北水源条件也不同，所以如何将这些引来的水源进行合理的南北分配也是明代统治者不得不面对的一个技术问题。

大运河山东段以南旺地势为最高，有“南旺者，南北之脊也”[1]1387的说法，因此白英认为，“南旺地耸，盍分水于南旺，导汶趋之，毋令南注洸，北倾坎。其南九十里使流于天井，其北八十里流于张秋，楼船可济也”[7]。所以，明代在修筑戴村坝的同时又开挖了北起大汶河南岸开口、南至南旺的小汶河，以将汶水全部引入小汶河，再引至南旺进行南北分水以济运，这样南旺自然也就成最佳分水口。但南旺分水口开始只是河口，没有任何水利设施，汶水东来与运河河道垂直，汶水来水多少，南旺一带就要消纳多少，只是依靠天然地形南北分流，不能做到对南北分水的定量控制。为了解决这一问题，明代对南旺分水口进行了一系列的技术处理。首先，在工程设计上，该分水口的设计同鱼嘴相似，即在小汶河入运的“T”字形水口修石头护坡，并建分水拔刺(鱼嘴)，改变拔刺的位置或方向便可使汶水“至南旺中分，分之为二道，南流接徐邳者十之四，北流达临清十之六。南旺地势高，决其水，南北皆注”[1]4204。其次，在水工技术上，“相地置闸，以时蓄洪”[1]4204。于是在成化十七年(1481)建南旺南北闸(南闸又称“柳林闸”，北闸又称“十里闸”)，分水口正当两闸中间，“南旺以南，湖水甚多，不虞水少，故柳林闸宜常闭；南旺以北，止恃此一线之水，故十里闸、开河闸宜常开。但恐北既有余，而南或不足，又宜暂闭十里闸，将柳林闸亮版一块，以接济南运，然惟北运之水有余乃可。不然，恐南有水而北无水矣”[3]509。南北分流的治水思想以及与之配套的水工技术，使得对南北分水的定量控制得以实现。最后，在对分水口泥沙的处理上，分水口淤沙主要靠挑浚，一般为三年两次。在挑浚期间，汶河口和上下二闸都筑坝堵塞，挑浚结束后再开放；同时把水柜兼作沙柜，澄淤吐清，有效防止了泥沙淤积分水口。至此，南北分水问题得到解决，济宁以北的运河水源有了保障，此为该段运河的贯通提供了技术支持。

南旺分水工程作为遏汶济运较为理想的制高点，符合水往低处流的自然规律，在水脊分水、疏浚分水口，实现了蓄泄得宜，具有高度的科学性[8]254。正如当时一位英国访华使团副使斯当东(Staunton)所说：“汶河的水在这里流入运河……当时运河的设计者一定是从这个高度统筹全局的。他站在这块地势很高的地方，运用匠心设计出来这条贯穿南北交通的巨大工程。他计算出从这里到南北两个方向的地势斜度，沿路河流所供给的水源，设计了许多道水闸，同时还估计到由于开闸放船所损失的水量，可以由地势比这里更高的汶河的水补充过来，汇流之后分为两个不同方向的支流。”[9]25可以说，在没有现代机械动力的水运时代，南旺分水枢纽代表了中国大运河卓越的科技成就。具体如图2所示[10]。

图2 南旺分水枢纽

四、 水柜、水闸调蓄水源

大运河山东段的主要技术难点在于水源供给和地形高差对漕船通航的阻碍，明代通过引汶济运工程和南旺分水工程，使运河水源有了保障。但在水源问题解决后，对于如何保证这些有限的水源有效发挥作用，明代主要采取了设水柜、立水闸等方式来调节水源、节制水流，以保障漕船的通行。

所谓“水柜”就是指运河沿岸调节流量的湖泊。汶河属于季节性山洪河道，有明显的汛期和枯水期，因此运道的通畅离不开水柜的设置。该段运河沿线的众多湖泊为明代采用这一水利方案创造了条件。首先，在对水柜的选择上，明代在该段运河沿线设立了四大水柜，即汶上南旺湖、东平安山湖、济宁马场湖、沛县昭阳湖，“名为四水柜，水柜即湖也，非湖之外别有水柜也”[11]470，四大水柜秋冬储蓄、春暖灌输，有效调节了河湖水量，弥补了运河水量季节性分配不均的缺陷。其次，在设置原则上，由于汶水汛期洪水量占全年的70%，因此水柜又发挥着滞洪的作用，但同一水柜既要蓄水又要滞洪，在实际运行中存在很大困难，所以明代对于水柜有着严格的规定，“夫可柜者，湖高于河，不可柜者，河高于湖故也”[12]85。根据这一原则，明代将运河沿线的湖泊分为蓄水区和滞洪区，其中将运河以东地势较高的各湖设为水柜以蓄泉，将运河以西地势较低的各湖设为水壑(滞洪区)以滞洪。最后，在水柜运行上，明代制定了严格的管理制度，并规定了蓄水深度。为满足这一规定，在运河与湖堤上设进水闸与减水闸，“漕河水涨，则减水入湖；涸，则放水入河，各建闸坝，以时启闭”[11]470，以确保运河行船对水量的要求，同时在滞洪区各设斗门，以泄所涨之水，保证洪水能及时宣泄。大运河山东段沿岸湖泊众多，由于大汶河三角洲的延展，这些湖泊被分为济宁以北的北五湖和济宁以南的南四湖，在运河水源补给方面发挥了重要作用，“诸闸漕以汶为主，而以诸湖辅之。若蜀山、马踏、南旺、安山、沙湾诸湖，皆辅汶北流也；独山、微山、昭阳、吕孟诸湖，皆辅汶南流者也”[12]79。水柜的设置既调节了运河水量，又增加了运河水源，为引汶济运工程效益的发挥起到了重大作用。

由于大运河山东段中间高、两端低，所以漕船行至此段面临着爬坡的困难和下坡的风险，因此需要“分段设置船闸，抬高水位，控制水量，以时启闭”[13]，以提升船只通行效率并降低风险。闸的种类繁多，明代时见诸文献记载的有积水闸、进水闸、平水闸、减水闸等，但对于大运河山东段而言，使用最多、最重要的是节制闸。节制闸主要建在运河主河道上，可分段满足通航水位。该段运河上的节制闸由上下两部分组成，下部包括桩基、底板，上部有闸墙、闸门及绞关设备，闸墩及闸墙均由条石砌筑，闸门为叠梁式木板，闸身上设闸漕。在闸墙上下游，还有呈扇形的八字垟，被称为“雁翅”，雁翅的作用是使闸孔与正河之间从收缩至扩展有一个过渡，使水流线不至于紊乱。雁翅后还有“石防”，它可使整个闸成为一个石砌的整体，以防御洪水的冲击。《元史·河渠志》记载了该段运河上节制闸通行的型式：“闸头长一百尺、阔八十尺，两直身各长四十尺，两雁翅各斜长三十尺，高二丈，闸空阔二丈。”[14]具体见图3[8]293。

图3 山东运河节制闸

这些节制闸的启闭具有节制水量和控制航道水深的功能，因为其直接关系到船只通航，所以在工程管理上有严格的制度要求。首先，是相邻上下闸联合运用和船队编组过闸。闸门启闭的原则是一启一闭，“漕船到闸，须上下会牌俱到，始行启板。如河水充足，相机启闭，以速漕运。不得两闸齐启，过泄水势”[15]。以会牌传达闸门的启闭指令、以船队编组过闸减少开闸次数，都可达到节水运行的目的。其次，是闸坝联合运行。如遇枯水期、岁修期、局部河段下闸堵水，或者筑草坝闭河，船只由月河绕行或盘坝上下，以此抬高水位，使河道维持通航[16]。最后，是控制关键河段的过水断面，重点是闸门段。明朝万恭根据漕船重载入水至少三尺五寸、漕船宽一丈五寸的标准，提出闸门前后段疏浚的规定尺度是深不过四尺、宽不得过四丈(以便两船并列)。闸门段过水断面减少，必然会增加河道水深，藉此达到节水通航的目的。万恭将这一经验总结为：“以少浅治多浅，以下水束上水。”[12]80英国访华使团副使斯当东对会通河上节制闸的构造有详细描述：“和欧洲的水闸一样，运河水闸设有高低水门。它的水门构造非常简单，容易控制，修理起来也不需要很多费用。它只是几块大木板上下相接安在桥砧或石堤的两边沟槽里，当中留出开口来足够大船航行。”[9]25

五、 结语

中国地貌呈西高东低之势，受此影响，河流多是自西向东流向，进而形成了百川归海的分布格局，但这样的自然水系不利于南北经济文化的交流发展。若要突破自然水系的制约，就必须开凿南北走向的人工运河。山东段作为京杭大运河地形和水资源条件最复杂的一段，其工程问题之复杂，投入物力、人力之巨大，是世界其他任何运河都难以比拟的，围绕它的运行而开展的水源管控也是举世无双的。大运河山东段在运行过程中总会因为地势高低悬殊而出现水源不足、水位不平衡、汛期洪水调蓄和宣泄难以调控等一系列重大问题，因此对山东段运河的治理是一个认识不断深入的过程，也是一个实践不断深入的过程。为了保障大运河山东段畅通，明代创造了种类丰富、数量众多、具有鲜明地域特点的运河工程技术，实现了世界上最早的水资源时空调度，有效保障了世界上最长运河的连续水运，反映出17世纪以前中国水利科学技术的卓越水准。