郝寶平，郭昭昭

(1.江蘇科技大學 科技史研究所，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.江蘇科技大學 馬克思主義學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

① 具體參見：鄒逸麟《山東運河歷史地理問題初探》，《歷史地理》，1981年第1期；王元林、孟昭鋒《元明時期引汶濟運及其影響》，《人民黃河》，2009年第4期；肖華斌、王夢穎《京杭大運河“運河之脊”南旺分水樞紐生態(tài)智慧探析》，《風景園林》，2019年第6期；李寧《明代會通河漕泉研究》，曲阜師范大學碩士論文，2011年；朱年志《明代山東運河與沿運水柜的形成》，《前沿》，2014年第4期等。

中國大運河是中華文明的標志性工程，它的貫通是一個歷史過程，也是一個工程技術不斷創(chuàng)新的過程。隋朝一統(tǒng)天下后，為實現(xiàn)南方財富北運順暢等目的，從隋文帝開皇四年(584)到隋煬帝大業(yè)六年(610)的26年里，先后開鑿了通濟渠、永濟渠，重修了江南運河，開通了以國都洛陽為中心，北抵河北涿郡、南達浙江余杭的大運河。這一路線歷經唐、宋，基本保持穩(wěn)定，直到元代才有了重大轉折。元代在山東地區(qū)開挖了濟州河和會通河，大運河中段西折“走弓背”的格局轉變?yōu)橹卸卫薄白吖摇钡穆窂?。這一改變全面凸顯了大運河山東段的重要性。雖然這一重大創(chuàng)新解決了一些舊問題，但也帶來了新問題。因為山東段處于京杭大運河全線的制高段，水源工程的設置和維護稍不合理，就會使本就存在重大隱患的水源問題頻繁出現(xiàn)。元代統(tǒng)治者認識到了這一問題，遂采取海陸聯(lián)運的方式緩解水源和運力的內在緊張。到了明代，由于海禁和海運的巨大風險等原因，海運在明開國后不久就被放棄，南方漕糧遂全靠大運河運輸至都城北京，山東段的運力常常捉襟見肘，因此明代對山東段運河的水源問題格外關注。目前已有的關于明代大運河山東段水源問題的研究主要涉及該段運河的開鑿與變遷、水柜設置、引水和閘壩工程，格外聚焦于引汶濟運和南旺分水問題①。已有相關研究觀點鮮明，但缺乏整體性視角，從科技角度進行闡述的研究相對不足?；诖?，筆者將對大運河山東段水源管控工程與技術領域的創(chuàng)新進行系統(tǒng)性闡釋與分析，以求教于學界。

一、 水源問題頻繁出現(xiàn)

元代在隋朝大運河基礎上，利用山東汶、泗水道，開挖濟州河和會通河，完成了經由山東的裁彎取直工程。但由于該段處于京杭大運河的最高處，水源常常供應不足，進而導致“岸狹水淺，不任重載，故終元之世海運為多”[1]2795。由于明代最初定都南京，因而對江北漕運關注有限。但明成祖朱棣遷都北京后，南方經濟中心需全力支持北方政治中心，加之屢次對蒙古用兵耗費巨大，漕糧需要大量北運，漕運壓力越來越大，因此整治大運河山東段不僅必要而且緊迫。于是在永樂年間，宋禮等人領旨全面疏浚會通河，廢棄袁家口至壽張沙灣一段舊河道，東移運道20里開挖新河。但重修后的山東段水源依然未得到保障，漕運壓力大的局面基本沒有改變，成為南方漕糧北運的“卡脖子”河段，主要原因有以下幾點：

第一，自然地理和水文資源的天然局限。水是保障運河通暢的基礎，由于先天原因，大運河山東段的水源從一開始就面臨短缺的局面。首先是降水少。山東位于亞歐大陸東部，降水主要受季風影響，且主要為鋒面雨，年降水量為600毫米～700毫米，降水量僅是江南地區(qū)的一半。其次是降水分配不均勻。山東段主要為溫帶大陸性季風氣候，有明顯的雨季和旱季之分，該地區(qū)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%，季節(jié)性分配極不均勻。尤其每年春季是漕船起運季節(jié)，也是運河最需水之時，這時水源不足的問題就更加凸顯。最后是運河縱坡降比大(指運河河底順水流方向的坡降)。大運河山東段縱貫黃河中下游沖積扇和山東中南部山地丘陵地帶，地勢以山東濟寧南旺為最高，分別向南、向北傾斜，其中南旺至臨清落差近30米，南旺至徐州落差近40米，所以大運河山東段整體呈現(xiàn)出中間高、南北兩側低的地形特征。這使得運河縱坡降比較大，珍貴的水資源沿地勢傾瀉而下，直接加劇了運河水源的短缺。

第二，大運河山東段開通初期水源工程設計不合理。自然條件決定了水源短缺是大運河山東段與生俱來的問題，除此之外，由于認識不到位，起初在水源工程設計與布局上也不盡合理和完善。首先，引水工程不合理。元代“遏汶入洸”的辦法使洸水成為汶水的主河道，所以運河的水源是洸河，洸河的水源是汶河，但此舉忽視了濟寧地勢比南旺低的現(xiàn)實，導致了“自左而南，距濟寧九十里，合沂、泗以濟；自右而北，距臨清三百余里，無他水，獨賴汶”[1]1387的結果。因此，該段斷流、停運現(xiàn)象時有發(fā)生，山東段的全線通航也就難以實現(xiàn)。其次，分水位置不合理。該段運河以濟寧以北40千米處南旺的地勢為最高，與濟寧高程相差約8米[2]243，所以該段地勢為上坡傾斜，因此在會源閘分水顯然是“北高而南下，故水往南也易，而往北也難”[3]488。引入之水不能南北分流，濟寧以北的水源得不到保障，因而造成該段運河淺阻，無法通船，進而嚴重制約了運河山東段的漕運效率。最后，調蓄工程不完善。大運河山東段由于降水少且季節(jié)性分配不均勻，所以需要水柜蓄水，以調節(jié)運河水的枯旺，保證運河在枯水期有足夠的水量通航。同時，考慮到該段地形起伏大，控制運河水量及深度需要依靠多個閘門啟閉以平衡水位，且兩閘之間的距離也要設置合理。但在運河開通初期，這些調蓄工程在設計和管理上缺少細致考量，導致設置不盡完善。

第三，黃河影響運河通行。京杭大運河橫跨黃河水系，這使得河道不可避免地受到與之橫切的黃河的影響，運河山東段與黃河的交匯總是難以協(xié)調。首先，黃河決口會頻繁沖毀河道及水利設施。黃河水量季節(jié)性強，當水量小的時候，泥沙堆積情況嚴重，河道經常淤塞；當猛然來水的時候，因為舊道不通，水勢一大就會造成決口，沖潰運河河道，損壞閘座。尤其是濟寧至徐州段利用泗水上游水道，因而受黃河干擾最大。其次，黃河倒灌導致南運河口淤塞。徐州南茶城與黃河交匯處是運河山東段的南運河口，由于黃河河床高于運河，所以每逢漲水季節(jié)，河水就猛烈倒灌入運河，運河口因自身調節(jié)能力有限而常會出現(xiàn)淤塞。為此，每年只能待北上漕船一過，隨即關閉運河口閘門禁行，等秋季黃河水退，方可啟閘，放空船南下。這段時間運河口不通，該段運河也就不能使用。最后，引黃入運無法避免大量泥沙。撇開沖毀河道及倒灌入運這兩個極端情況不談，在正常情況下，明代希望能從會通河西邊的黃河中獲得水源補給，但黃河含沙量太高，不可避免帶來大量泥沙，進而導致運河淤積，泥沙過多會影響船只通行，給漕運帶來很大不便。

綜合上述原因，重修后的大運河山東段在運行中依然存在水源不足、分水不合理、洪水調蓄和宣泄不及時等一系列重大問題。因此，如何對水源進行有效管控，這既是正確認識客觀規(guī)律的問題，也是充分發(fā)揮主觀能動性的技術問題。明代對該段水源問題的重視程度超過任何一個朝代，且不斷在水源管控工程與技術方面進行完善和創(chuàng)新，改善并修建了引水、分水、調蓄等領先于世界上同時期其他水利工程的水源管控工程。

二、 戴村壩引水工程保障水源

開鑿運河，首先要確保水源充足，所以在開鑿時應盡量利用與運河大致同向的天然河流，以保障運河有充足的水源補給。大運河山東段水源主要來自區(qū)域內東西流向的汶、泗水系，由于其流向與運河走向不一，運河不能自然利用這些水源，因此利用水利工程進行引水是必然舉措。元代修建了堽城壩引汶濟運工程和金口堰引泗濟運工程，但由于工程設計不合理，工程運行不到十年，“反崇汶三尺許，山水漲后，其流涓涓，幾不接會通。汶歲筑沙堰遏水入洸，堰尋決而洸自若，所在淺澀，漕事不湍”[4]。治理大運河山東段，首先要考慮的是如何充分利用汶水和泗水的流向以求濟運，因此，修建一個合理的引水工程和改建原有的堽城壩引水工程是解決山東段水源問題的優(yōu)先選擇。

永樂九年(1411)，工部尚書宋禮采納汶上老人白英的建議，在元代堽城壩下游60里處修建了戴村壩。從此，戴村壩成為明代大運河山東段通航的關鍵，因為“漕河之有戴村，譬人身之咽喉也。咽喉病，則元氣走泄，四肢莫得而運矣”[5]。首先，在戴村筑壩引汶，遏汶水向西南流，由黑馬溝至汶上縣鵝河口入運河，為運河提供了穩(wěn)定的水源補給；其次，堽城以下的汶河還有漕河、匯河(上游即今康王河)等多條支流匯入，“其勢甚大，遏汶于堽城，非其地矣”(1)參見胡瓚《泉河史》卷一《圖紀·東平州泉圖引·郡志》，清順治四年刻本。，所以在戴村壩引水，可以將汶河的支流也引入運河，以增加運河的水量；最后，明代把戴村壩選在壩基好、河道穩(wěn)定、距南旺比較近的分水制高點上，其壩斜插東北，與汶水的中泓河槽大致成35度的夾角[6]，引水角度也較為科學。具體如圖1所示[2]244。

圖1 戴村壩

戴村壩引水工程建成后，仍保留了堽城壩舊址，并在舊址處修筑“堽城新壩跨汶河上，下開涵洞，置閘啟閉，再開新河十余里接洸河，并在新河上筑堽城新閘”(2)參見胡瓚《泉河史》卷四《河渠志·引商輅〈堽城壩記〉》，清順治四年刻本。，以改引泉河南下濟寧作為引汶濟運的輔助工程。這樣一來，汶河上就有兩條路線可以調節(jié)水源，該段運河的水源由此又多了一份保障。到了弘治(1488—1505)時，戴村壩基本取代了堽城壩。此后經過不斷完善，戴村壩逐漸成了由攔河壩、取水口、泄洪和排沙設施組成的引水樞紐，“取水口在汶水的凹岸，便于引取清水；東岸有坎河口，是河的凸岸，作為汛期洪水的通道”[2]243。清人評說：“(宋禮)留坎河口不壩，以備分泄入海。每歲重運過時，只用刮沙板作一沙壩于坎河口，即涓滴盡趨南旺；若水漲，則連沙沖出坎河。”[3]526從取水質量、泄洪、排沙等多重功能角度分析，戴村壩引水工程有效預防了泥沙淤塞運河的風險，在很大程度上保障了運河水量的充足，這說明設計是合理和科學的。

然而，僅靠汶、泗兩河作為水源很難保證運河有足夠的水量通船，所以泰山地區(qū)豐富的地下水也就成為理想的運河水源，且該地區(qū)地下水水位比較穩(wěn)定，可以保障運河流量。永樂十七年(1419)，在漕運總兵陳瑄的建議下，朝延“初浚泉源，以資運河水源”(3)參見胡瓚《泉河史》卷十五《泉河大事記》，清順治四年刻本。。此后每隔數(shù)年疏浚一次，陸續(xù)將汶、泗中上游三府十八縣境內的泉源通過地表明渠導入汶、泗、沂等河流，并最終匯入運河。至此，通過新建引水工程將該段內的河水、泉水等水源引入運河，山東段水源補給問題得到了較好解決。

三、 南旺分水樞紐分配水源

明代筑戴村壩引汶濟運，使山東段運河水源有了保障，但該段運河的地形是中間高、兩端低，運河縱坡降比大，南北水源條件也不同，所以如何將這些引來的水源進行合理的南北分配也是明代統(tǒng)治者不得不面對的一個技術問題。

大運河山東段以南旺地勢為最高，有“南旺者，南北之脊也”[1]1387的說法，因此白英認為，“南旺地聳，盍分水于南旺，導汶趨之，毋令南注洸，北傾坎。其南九十里使流于天井，其北八十里流于張秋，樓船可濟也”[7]。所以，明代在修筑戴村壩的同時又開挖了北起大汶河南岸開口、南至南旺的小汶河，以將汶水全部引入小汶河，再引至南旺進行南北分水以濟運，這樣南旺自然也就成最佳分水口。但南旺分水口開始只是河口，沒有任何水利設施，汶水東來與運河河道垂直，汶水來水多少，南旺一帶就要消納多少，只是依靠天然地形南北分流，不能做到對南北分水的定量控制。為了解決這一問題，明代對南旺分水口進行了一系列的技術處理。首先，在工程設計上，該分水口的設計同魚嘴相似，即在小汶河入運的“T”字形水口修石頭護坡，并建分水拔刺(魚嘴)，改變拔刺的位置或方向便可使汶水“至南旺中分，分之為二道，南流接徐邳者十之四，北流達臨清十之六。南旺地勢高，決其水，南北皆注”[1]4204。其次，在水工技術上，“相地置閘，以時蓄洪”[1]4204。于是在成化十七年(1481)建南旺南北閘(南閘又稱“柳林閘”，北閘又稱“十里閘”)，分水口正當兩閘中間，“南旺以南，湖水甚多，不虞水少，故柳林閘宜常閉；南旺以北，止恃此一線之水，故十里閘、開河閘宜常開。但恐北既有余，而南或不足，又宜暫閉十里閘，將柳林閘亮版一塊，以接濟南運，然惟北運之水有余乃可。不然，恐南有水而北無水矣”[3]509。南北分流的治水思想以及與之配套的水工技術，使得對南北分水的定量控制得以實現(xiàn)。最后，在對分水口泥沙的處理上，分水口淤沙主要靠挑浚，一般為三年兩次。在挑浚期間，汶河口和上下二閘都筑壩堵塞，挑浚結束后再開放；同時把水柜兼作沙柜，澄淤吐清，有效防止了泥沙淤積分水口。至此，南北分水問題得到解決，濟寧以北的運河水源有了保障，此為該段運河的貫通提供了技術支持。

南旺分水工程作為遏汶濟運較為理想的制高點，符合水往低處流的自然規(guī)律，在水脊分水、疏浚分水口，實現(xiàn)了蓄泄得宜，具有高度的科學性[8]254。正如當時一位英國訪華使團副使斯當東(Staunton)所說：“汶河的水在這里流入運河……當時運河的設計者一定是從這個高度統(tǒng)籌全局的。他站在這塊地勢很高的地方，運用匠心設計出來這條貫穿南北交通的巨大工程。他計算出從這里到南北兩個方向的地勢斜度，沿路河流所供給的水源，設計了許多道水閘，同時還估計到由于開閘放船所損失的水量，可以由地勢比這里更高的汶河的水補充過來，匯流之后分為兩個不同方向的支流?！盵9]25可以說，在沒有現(xiàn)代機械動力的水運時代，南旺分水樞紐代表了中國大運河卓越的科技成就。具體如圖2所示[10]。

圖2 南旺分水樞紐

四、 水柜、水閘調蓄水源

大運河山東段的主要技術難點在于水源供給和地形高差對漕船通航的阻礙，明代通過引汶濟運工程和南旺分水工程，使運河水源有了保障。但在水源問題解決后，對于如何保證這些有限的水源有效發(fā)揮作用，明代主要采取了設水柜、立水閘等方式來調節(jié)水源、節(jié)制水流，以保障漕船的通行。

所謂“水柜”就是指運河沿岸調節(jié)流量的湖泊。汶河屬于季節(jié)性山洪河道，有明顯的汛期和枯水期，因此運道的通暢離不開水柜的設置。該段運河沿線的眾多湖泊為明代采用這一水利方案創(chuàng)造了條件。首先，在對水柜的選擇上，明代在該段運河沿線設立了四大水柜，即汶上南旺湖、東平安山湖、濟寧馬場湖、沛縣昭陽湖，“名為四水柜，水柜即湖也，非湖之外別有水柜也”[11]470，四大水柜秋冬儲蓄、春暖灌輸，有效調節(jié)了河湖水量，彌補了運河水量季節(jié)性分配不均的缺陷。其次，在設置原則上，由于汶水汛期洪水量占全年的70%，因此水柜又發(fā)揮著滯洪的作用，但同一水柜既要蓄水又要滯洪，在實際運行中存在很大困難，所以明代對于水柜有著嚴格的規(guī)定，“夫可柜者，湖高于河，不可柜者，河高于湖故也”[12]85。根據(jù)這一原則，明代將運河沿線的湖泊分為蓄水區(qū)和滯洪區(qū)，其中將運河以東地勢較高的各湖設為水柜以蓄泉，將運河以西地勢較低的各湖設為水壑(滯洪區(qū))以滯洪。最后，在水柜運行上，明代制定了嚴格的管理制度，并規(guī)定了蓄水深度。為滿足這一規(guī)定，在運河與湖堤上設進水閘與減水閘，“漕河水漲，則減水入湖；涸，則放水入河，各建閘壩，以時啟閉”[11]470，以確保運河行船對水量的要求，同時在滯洪區(qū)各設斗門，以泄所漲之水，保證洪水能及時宣泄。大運河山東段沿岸湖泊眾多，由于大汶河三角洲的延展，這些湖泊被分為濟寧以北的北五湖和濟寧以南的南四湖，在運河水源補給方面發(fā)揮了重要作用，“諸閘漕以汶為主，而以諸湖輔之。若蜀山、馬踏、南旺、安山、沙灣諸湖，皆輔汶北流也；獨山、微山、昭陽、呂孟諸湖，皆輔汶南流者也”[12]79。水柜的設置既調節(jié)了運河水量，又增加了運河水源，為引汶濟運工程效益的發(fā)揮起到了重大作用。

由于大運河山東段中間高、兩端低，所以漕船行至此段面臨著爬坡的困難和下坡的風險，因此需要“分段設置船閘，抬高水位，控制水量，以時啟閉”[13]，以提升船只通行效率并降低風險。閘的種類繁多，明代時見諸文獻記載的有積水閘、進水閘、平水閘、減水閘等，但對于大運河山東段而言，使用最多、最重要的是節(jié)制閘。節(jié)制閘主要建在運河主河道上，可分段滿足通航水位。該段運河上的節(jié)制閘由上下兩部分組成，下部包括樁基、底板，上部有閘墻、閘門及絞關設備，閘墩及閘墻均由條石砌筑，閘門為疊梁式木板，閘身上設閘漕。在閘墻上下游，還有呈扇形的八字垟，被稱為“雁翅”，雁翅的作用是使閘孔與正河之間從收縮至擴展有一個過渡，使水流線不至于紊亂。雁翅后還有“石防”，它可使整個閘成為一個石砌的整體，以防御洪水的沖擊?！对贰ず忧尽酚涊d了該段運河上節(jié)制閘通行的型式：“閘頭長一百尺、闊八十尺，兩直身各長四十尺，兩雁翅各斜長三十尺，高二丈，閘空闊二丈?！盵14]具體見圖3[8]293。

圖3 山東運河節(jié)制閘

這些節(jié)制閘的啟閉具有節(jié)制水量和控制航道水深的功能，因為其直接關系到船只通航，所以在工程管理上有嚴格的制度要求。首先，是相鄰上下閘聯(lián)合運用和船隊編組過閘。閘門啟閉的原則是一啟一閉，“漕船到閘，須上下會牌俱到，始行啟板。如河水充足，相機啟閉，以速漕運。不得兩閘齊啟，過泄水勢”[15]。以會牌傳達閘門的啟閉指令、以船隊編組過閘減少開閘次數(shù)，都可達到節(jié)水運行的目的。其次，是閘壩聯(lián)合運行。如遇枯水期、歲修期、局部河段下閘堵水，或者筑草壩閉河，船只由月河繞行或盤壩上下，以此抬高水位，使河道維持通航[16]。最后，是控制關鍵河段的過水斷面，重點是閘門段。明朝萬恭根據(jù)漕船重載入水至少三尺五寸、漕船寬一丈五寸的標準，提出閘門前后段疏浚的規(guī)定尺度是深不過四尺、寬不得過四丈(以便兩船并列)。閘門段過水斷面減少，必然會增加河道水深，藉此達到節(jié)水通航的目的。萬恭將這一經驗總結為：“以少淺治多淺，以下水束上水?！盵12]80英國訪華使團副使斯當東對會通河上節(jié)制閘的構造有詳細描述：“和歐洲的水閘一樣，運河水閘設有高低水門。它的水門構造非常簡單，容易控制，修理起來也不需要很多費用。它只是幾塊大木板上下相接安在橋砧或石堤的兩邊溝槽里，當中留出開口來足夠大船航行。”[9]25

五、 結語

中國地貌呈西高東低之勢，受此影響，河流多是自西向東流向，進而形成了百川歸海的分布格局，但這樣的自然水系不利于南北經濟文化的交流發(fā)展。若要突破自然水系的制約，就必須開鑿南北走向的人工運河。山東段作為京杭大運河地形和水資源條件最復雜的一段，其工程問題之復雜，投入物力、人力之巨大，是世界其他任何運河都難以比擬的，圍繞它的運行而開展的水源管控也是舉世無雙的。大運河山東段在運行過程中總會因為地勢高低懸殊而出現(xiàn)水源不足、水位不平衡、汛期洪水調蓄和宣泄難以調控等一系列重大問題，因此對山東段運河的治理是一個認識不斷深入的過程，也是一個實踐不斷深入的過程。為了保障大運河山東段暢通，明代創(chuàng)造了種類豐富、數(shù)量眾多、具有鮮明地域特點的運河工程技術，實現(xiàn)了世界上最早的水資源時空調度，有效保障了世界上最長運河的連續(xù)水運，反映出17世紀以前中國水利科學技術的卓越水準。