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古往今来，徐州运河的变化与沂沭泗水系的变迁密切相关。一方面，在徐州境内，运河借助天然河流——汴河与泗河，作为航运河道；另一方面，黄河夺汴夺泗、运河的改道以及建国后的整治，使沂沭泗水系发生了历史性变化，把原本淮河流域的淮河水系划分为沂沭泗独立水系。
一、黄河夺汴夺泗前徐州运河及沂沭泗水系
公元1194年，黄河夺汴夺泗之前，沂、沭、泗水系是以泗河为干流注入淮河的水系。
泗河，发源于今山东省泗水县东陪尾山区，向西流经曲阜、济宁、鱼台，折向东南，流至今江苏省沛县境内。在山东省境内，有洙水、洸水和菏水等支流汇入泗河。在沛县境内，有发源于今山东省滕县东北的南梁水和漷水，平行向西南流大致在鱼台县东南约六十里处汇入。泗河向南流至沛县东南，右岸有上接汴河，自西南向东北经丰县至沛县故城东的泡水汇入；再向东南经古留县（在今沛县东南），折向南流经铜山县北垞城至徐州市区东北有汴河汇入。
汴河，古称汳水。《水经》载“汳水出阴沟于浚仪县（今开封城西北）北”。郦道元《水经注》说“阴沟即蒗荡渠也”。汴河大致从今河南省开封城西北，向东南流经陈留、杞县东、宁陵县北、商丘、虞城县西南、安徽省砀山县、萧县，至今徐州市区东北汇入泗河。王国维《水经注校》提到留获渠和获水，实际与汴（汳）河是一条河流。因为，汴水经考城县称留获渠。
汴、泗合流，穿过徐州市区继续东南有沂、沭两河在其北侧相继汇入。沂河发源于今山东省沂源鲁山一带山区，大体南流，经今江苏省邳州市，至睢宁县古邳镇汇入泗河。沭河发源于今山东省沂水县北部山区，与沂河平行南流，至江苏省宿迁市西北处汇入泗河。泗河继续东南，在下相县故城东（今宿迁市城西南约七华里）接纳濉河至淮阴县汇入淮河。
作为天然河流的沂沭泗水系，被历代开发利用为运河，始于春秋末年（公元前486年）。当时，吴王夫差战败越国，欲北伐齐、晋两国，称霸中原。军队决战千里，必须有足够的军用物资和粮草先行，地处水乡泽国的吴国，欲发挥“以船为车，以楫为马”的作战优势，必然选择水路，即开挖邗沟，作为南接长江，北入淮河的运河。三年后，吴国又在今山东省定陶和鱼台之间，开挖了一条沟通济水与泗河的运河——荷水。同治《徐州府志》：“自桃源（今泗阳）入宿迁至沛县，溯泗水西北行，过沛而西入荷水，涉鱼台界，此三代以前之运道也”。
战国时期，魏国由今山西省西南部的安邑迁都大梁（今开封市）后，把开辟水路交通，加强东部和东南部地区的联系，作为向东扩展的目标。公元前361年，魏惠王开挖了一条人工运河，北接黄河，南与淮河以北的几条支流相联。司马迁曾概括其作用：“荥阳下引河东南为鸿沟，以通宋、郑、陈、蔡、曹、卫、与济、汝、淮、泗会”。所谓与泗会，亦即汳水（汴河）自西向东沟通了鸿沟与泗水的联系。鸿沟，把黄河与济、荷、汴、睢、泗等河流连接起来。使地处汴、泗交汇处的彭城（今徐州市），不管由商业都会陶（曹国都城，今山东省定陶）通往江、淮，还是由大梁（今开封市）、睢阳（今河南省商丘）通往江、淮，都成为必经之路。此时的汴、泗两条河流，已经成为经由彭城通向东西南北的重要运河。由于水路运输的重要地位，宋国首都亦从睢阳迁至彭城。
在西汉，由于关中人口大量增加，粮食和其他生活物资严重不足，而山东、淮河流域农业和手工业发展较快；因此，京师和关中地区所需粮食及其他生活物资，愈来愈依赖于山东和淮河流域。这在当时，汴、泗两河是最重要的运输航道。仅以粮食运输数量计：西汉初期数十万石；汉武帝时期增加到四百万石，最多时达六百万石。由于受黄河决口影响，鸿沟水系的其他河流均已淤塞而废弃，唯独汴河，虽也受影响但还能维持通航。因此，东汉非常注重治理汴河。明帝永平十二年（公元69年），由王景和王吴组织治理被黄河冲毁的汴河：筑堤、理渠、绝水、立门，调节黄河入汴水量。顺帝阳嘉年间，沿汴河口至淮河口，积石为堤，加固薄弱堤防。灵帝建宁年间在汴河口增修石门，以控制进入汴河的黄河水量。曹魏时期，献帝建安二十四年（公元219年），引洛水接汴、泗两河，并进一步整修汴河，以保持与淮河流域的水路畅通。
两晋南北朝时期，晋武帝太康元年（公元280年），王浚以舟师攻吴，振旅还都的路线，即从长江入淮河，由泗、汴两河入黄河。永和十二年（公元365年），晋将荀羡开洸河，引汶水通泗水。太和四年（公元369年），桓温北伐前燕，主力沿泗河北上，“至金乡，时亢旱，水道不通，乃凿钜野百余里，疏通了济水。此时，泗、汶、济诸河流的相互畅通，形成了淮河与黄河两大水系的交通网。徐州境内的汴、泗两河，更成为沟通淮河水系与中原黄河水系的重要通道。东晋太元九年（公元384年），晋将谢玄率师北上，攻伐前秦兖州，军至彭城。由于泗河北高南低，汛期，众水汇入，川流湍急；枯水季节，河道浅涩，船只难以航行。尤其，徐州洪和吕梁洪，是泗河航道上的两大险滩。徐州洪位于徐州故城东南约2里，又称百步洪。吕梁洪位于徐州故城东南约50里，分上下二洪，绵亘七里，碍航礁石森立如齿，舟行易覆。《水经注》形象描写道：“悬水三十仞，流沫九十里”。为此，谢玄调谴九万人于吕梁洪“堰吕梁水，树栅，立七埭”，以确保航道畅通。晋末，刘裕伐秦之役，先“遣将军沈林子自汴入河攻仑垣”，自领大军，由淮、泗经桓公沟入黄河，过洛阳攻克长安。义熙十三年（公元417年），刘裕班师南还，“自洛入河，开汴渠以归”，并“次于彭城”。
当时，徐州境内的汴、泗两河，不仅以运河为己任，由山东和江淮流域向关中运送粮食及其他物资，在战争时期，运送兵源和军用物资；而且，为农业灌溉和在战争中“以水带兵”提供了水源。
东汉末，献帝初平四年（公元193年），陈登任徐州典农校尉时，汴河“尽凿溉之利，粳稻丰饶，遂成沃土”。北魏孝文帝太和五年（481年），薛虎子任徐州刺史，曽上书魏主：“徐州沃野，清（泗）汴通流，足盈灌溉，若市牛分卒，兴办公田，必当大获粟稻，魏主纳之”。南朝陈宣帝大建十年（公元578年），吴明彻北伐围彭城，久攻不下，而堰泗水灌之。
隋统一中国，结束了东汉以来四百年的分裂局面。隋炀帝将都城由长安迁至洛阳，开挖了通济渠和永济渠，西通关中，南至江淮。
通济渠，建于隋炀帝大业元年（公元605年），为了避开徐州、吕梁二洪之险，采取走宿州直接入淮的线路，即在今杞县以西与汴河分出一支折向东南，经商丘、永城、宿县、灵壁，至盱眙北入淮河。这支撇开徐州间的汴、泗运河径直入淮的河道，就是唐、宋时期的新汴河，亦称南汴河。但在此时成为汴河故道的汴、泗运河并未完全中断，因为，鲁、徐、淮、海一带，“水陆肥沃”，是漕粮主要筹集地。仍有舟楫通行要求。唐高宗武德七年（624年），即令尉迟敬德导汶、泗至任城（济宁）分水，建会源闸，治徐州、吕梁二洪，以通饷道。韩愈：“汴泗交流郡城角”和白居易：“汴水流，泗水流；流到瓜州古渡头”，就是对当时汴、泗两河在徐州汇流的真实写照。
五代后晋时，迁都汴京，曾“开济州金乡来水，西受汴水，北抵济河，南通徐沛”。周世宗时，形势大体稳定。显德二年（959年），以汴渠日久湮废，“命武宁节度使武行德发民夫，因汴水故堤疏导之，东至泗上”。六年二月，命侍卫都指挥使韩通“发徐、宿、宋、单等州丁夫数万浚汴水”。至此，江、淮、河、汴舟楫复通。同治《徐州府志》载：“由淮入泗，由泗入汴者，此五代末之运道也”。
《淮系年表》记载了北宋仁宗庆历中（公元1045年前后），“浚任城、金乡之大义河，徐、沛之清河（泗水）以通漕”。又同治《徐州府志》载：“自宿、邳西溯泗流，经彭城又西接萧砀入归德（商丘）界，此宋至道前及熙宁间（公元1068至1077年间）之运道也”。北宋哲宗元祐四年（公元1089年），对泗河航道上的徐州洪和吕梁洪，进行了大规模的整治，即开月河、修筑石堤，上下两端置闸，设管理机构，按时启闭通船。公元1127年，宋室南迁，高宗绍兴十二年（公元1142年），韦太后自金归，仍可“自东平舟行由清河（泗水）至楚州（淮安）”。这证明，虽然，从隋、唐、宋时期有了新汴河，但是，在徐州境内的汴河故道和泗河，做为运河的航道中断时间一直延续到南宋时期。
二、南北大运河的开发和黄河夺汴夺泗对沂沭泗水系的影响
从公元1128年开始，黄河由汴、泗河注入淮河，到公元1194年全河正溜夺汴、泗入淮。首先是对汴河的影响。元代，黄河由河南封丘南、开封东至杞县分为三股：一股经杞县、太康由颖河入淮河；一股经鹿邑、亳州由涡河入淮河；一股由汴河经商丘（时为归德）、虞城、徐州汇泗河南下入淮。颖、涡两河严重淤塞，致使整个河流移到商丘至徐州段的汴河故道。
元代建都北京（时为大都），政治中心北移。此时，由于北方地区的长期战乱，经济凋敝，而南方地区的社会经济较为繁荣。因此，“元都于燕，去江南极远，而百司庶府之繁，卫士编民之众，无不仰给于江南”。元代的运河，即京杭大运河，就是在这种形势下开辟出来的。它有三种不同河段：一是开凿新运道，即自任城（今山东济宁市）至安山（今山东梁山北）的济州河、安山到临清的会通河和通州到大都的通惠河；二是利用宋以前临清至直沽的御河、扬州到淮阴的淮扬运河和杭州到镇江的江南运河；三是利用天然河道，即淮阴至济宁的泗河水道。此时，徐州以南的泗河，既成为黄河水道，又兼为运河航道；徐州以北的泗河，被利用为南北沟通黄河与会通河的运河航道。
明代前期，黄河在汴河故道南北迁徙不定。明建国初期定都南京，徐达北征，为运送兵源和军用物资，需要泗河畅通，开鱼台塌场口引黄河水源入泗济运。明成祖迁都北京，尚书宋礼扩浚会通河。虽然，运河全线畅通；但是，运河与黄河交叉，黄河每次决徙都影响运河的安全。明代后期（公元1506年），由于，黄河在河南境内南北岸堤防的形成，河患自河南境内移至山东和江苏，集中在曹县、单县、沛县和徐州等地。潘季驯治河以后，黄河基本归于一流。这时，汴河故道在虞城以上已经全部淤塞，以下便成了黄河，经砀山，萧县至徐州与泗河相会南下汇入淮河。公元1558年，黄河在山东曹县和单县相继决口，分流多达十一股。其中，东北经单县段家口的一股分为大溜沟、小溜沟、秦沟、浊沟、胭脂沟等数股，皆至沛县冲入运河，致使鱼台县至沛县以南四十里之间的泗河运道淤塞。公元1565年，黄河又在丰、沛两县泛滥，分南北两股：一股南流绕沛县栖山杨家集入秦沟至徐州；一股北流绕丰县华山东北，由三教堂出飞云桥，又分为十三股横流入留城（今江苏沛县东南，与铜山县接界）至南阳闸之间的泗河运道，导致其间淤成平陆。为了保证南北漕运畅通，公元1566年，“在现行河道以东三十里开挖了一条长一百四十里的南阳新河。即鱼台南阳闸下引水经夏镇（今山东省微山县），抵沛县留城再与泗河故道相接。公元1603年，黄河在单县和曹县决口，流入昭阳湖横冲运道，漕运进一步遭受到危及。明统治者不得不下决心“避黄开泇”。从1604年开始，在总河李化龙的主持下，上自夏镇李家口开河引水经韩庄湖口、台儿庄至邳州直河口（今宿迁县皂河口西）入黄河（泗河故道）。泇运河全长二百六十里。
公元1623年至1624年，黄河危及直河口。于是，在直河口以北的马颊口改道向东南至宿迁县西的陈家口入黄河。崇祯末年，又改行宿迁县西二十里的董家口入黄河。康熙初年，董家口被黄河淤垫。公元1679年，总河靳辅采纳陈潢建议，在董家口以西二十里的皂河口开河筑堤，南北沟通泇运河与黄河的联系。由于皂河口经常被洪水倒灌，公元1681年于皂河向东开支河二十余里至张庄（亦称支河口），堵闭皂河口，使清水于张庄入黄河。公元1687年，陈潢认为，以黄河张庄运口至清口（今淮阴县西南，古泗河入淮之口）一百八十里为运道，不如在黄河北岸创筑遥堤，就遥、缕二堤之间开挖中河行运。于是，靳辅又自张庄运口经骆马湖口开河，经宿迁、桃源（今泗阳）至清河县（今淮阴）仲家庄入黄河。公元1699年，总河于成龙认为，桃源至清河段中河南岸地势低下，难以筑堤，又自桃源盛家道口至清河，弃中河下段改挖新河六十里，以旧河北堤为南堤，重筑北堤，名为新中河。由于新中河浅狭，盛家道口河头弯曲，行运不畅。公元1700年，在三义坝筑拦河堤，截用旧中河上段、新中河下段合为一河。至此，中河自宿迁张庄运口至清河县西三里许的黄河口门共长约一百五十七里。由于“仲庄闸清水出口，逼溜南趋，致碍运道”，公元1703年，将中河运口改仲庄下游十里的杨家庄。
被黄河侵夺和运河利用的泗河，经过明、清两代的整治，除黄、淮、运交会口外与黄河完全脱离关系，结束了元、明、清三代借黄河与泗河行运的历史。清咸丰年间，黄河改道北徙，山东境内的运河即因缺乏水源接济，濒于断航。清宣统三年（1911年），津浦铁路的通车，加之洪水危害，在徐州境内的运河趋于断航。南来船只，只能季节性通航至今邳州运河镇。
南四湖、骆马湖的形成和沂、沭、濉河的变迁也与南北大运河的开发、黄河夺汴夺泗密切相关。
南四湖是南阳、独山、昭阳和微山四个湖泊的总称。其中，南阳和独山位于山东省境内，昭阳和微山两湖则介于苏、鲁两省之间。南四湖原为泗河沿线的一片洼地。公元前132年黄河在濮阳瓠子堤（今濮阳西南）决口，向东南冲出一道新河注入泗河，黄泗合流了二十余年，致使邹县和滕县一带入泗山水受黄、泗高水位顶托无法入泗，被迫滞蓄在泗河东岸而形成了一片沼泽地。元代运河的开发，泗河遂为运河航道。元末，黄河在曹州白茅和金堤决口，在济宁、鱼台和丰、沛县一带漫坡流入泗河运道，邹、滕两县山水无法入泗，在泗河东岸，济宁之南，鱼台与邹县之间形成了周长七十六里的南阳湖。南阳湖的形成，将鲁桥至南阳镇一段泗水故道淹没在湖中，泗河仅留下从河源至鲁桥的上游一段，即今天的泗河。南阳湖以南，由于泗河以东的沙河、漷河和薛河等河流入泗受阻，在滕（县）、沛（县）之间的洼地，形成了周一百八十里的昭阳湖。明代前期，以高于运河水位的昭阳湖水源济运。嘉靖年间，黄河不仅不断侵淤泗河运道，而且越过运道侵淤其东部湖泊。公元1566年开南阳新河，将运道移至南阳、昭阳两湖之东，滕、邹两县山水被阻隔在新运河以东而无法穿运入湖，滞蓄在新运河东岸的独山脚下洼地，形成了独山湖。在新运河以东，由于三河口受沙、漷、薛三河之水，夏秋水涨，流沙淤垫运河。于是，在皇甫、东邵一带筑坝，沙、漷、薛三河滞蓄在微山一带，形成了几个相通的小湖：郗山南为郗山湖，东南为吕孟湖，又东南为张庄湖，又东南为微山湖。公元1604年自夏镇李家口至韩庄湖口开泇运河，使运道进一步东移，原在旧运河东岸的郗山、吕孟、张庄和微山诸湖改于新运河西，成为上承南阳、昭阳两湖蓄集各河来水的总汇。而排水出路不畅，洪水无法渲泄，水位抬高，致使郗山、吕孟、张庄和微山诸湖连成一片而形成微山湖。
骆马湖位于沂河与中运河交汇处的马陵山南麓，地跨新沂和宿迁。历史上，骆马湖并非湖泊。金代将领挞懒屯兵于此。当时，土地肥沃，称之为马乐湖，亦称落马湖。元、明以后，泗河河床逐渐被黄河泥沙淤垫，骆马湖开始滞蓄沂河来水。泇运河开通，切断了沂河和鲁南诸山水入泗之路，西引南四湖水，北纳鲁南山区群流，使原来的周湖、柳湖、隅头湖等几个小湖泊连成一片。
明末清初，骆马湖渐淤。公元1684年，水涨时湖面约有六七十里宽，八十里长。以后，湖底继续淤垫。公元1821年骆马湖开始放垦，高地有人居住。次年清丈，涸出土地一千八百九十二顷。清同治《宿迁县志》载：“每年汛期，遇蒙沂山水汇归湖内，滩地悉被淹没，及秋冬水势渐消，滩地涸出，播种二麦”。可见骆马湖在汛期仍然起滞蓄洪水的作用。
沂河本在下邳（今睢宁古邳镇）流入泗河，黄河夺泗，沂河入黄。泇运河截断了沂河入黄（泗河）之路。《邳州志》：“自泗夺河徙沂不南注，泇运既开，齐鲁讹挟水东南，营、武、沂一时断。堤墙繁多，而启闭之务，东障西塞而川莫乱”。沂河及鲁南山区诸河流失去了入泗通道。汛期，泇运河无法容纳上述群流，沂河被迫滞蓄在络马湖一带洼地。由于泇运河与骆马湖仅一堤之隔，而且在堤上建有减水坝，每至汛期，骆马湖水位暴涨，泇运河与骆马湖之间的大堤，随时都有溃决危险。为保护运道和宿迁城。明崇祯末年凿马陵山断麓，开拦马河（亦称六塘河）引水东注硕项湖。硕项湖淤垫后，公元1685年在硕项湖南北开挖南、北六塘河，在沭阳钱家集分别出武障河、龙沟河入灌河（亦称大潮河）东至灌河口入海。
沭河在明末清初，为保漕运在宿迁至桃源（今泗阳）之间的黄河北岸兴建徐升、崔镇、古城、刘老涧、温州庙等减水坝，向东北方向分泄黄河洪水。沭河受到压抑和破坏，在沭阳境内分成五股：一股入涟河入海；一股入桑墟湖；其余三段汇入硕项湖。由于黄河北岸在宿迁与泗阳之间大量分黄，致使桑墟、硕项两湖淤垫，沭河无法入湖，同时，涟河归海出路全部淤垫，入涟河的沭河分支也无路可走。沭河只得转向东北经蔷薇河入临洪河至临洪口入海。
濉河原在宿迁小河口（即睢口）注入泗河。明代后期，宿迁小河口被黄河淤垫，濉河又向南改道于白洋河口入黄河。明万历年间，潘季驯治理黄河，在归仁集至白洋河口之间筑东西横堤，以逼濉水入黄河。同时，利用归仁堤与黄河之间的三角地带作为黄河与濉河的滞洪区。天启、崇祯年间，濉河在孟山湖以下全部淤垫，改由孟山前经睢宁县南大李集、找沟集、祠堂湖至白洋河口入黄河。康熙中，在大李集南，自孟山湖东南开出一条新道，经四山集、乌鸦岭沿归仁堤入黄河。乾隆中，黄河河床不断淤垫，濉水无法注入黄河而分为二股：一股由谢家沟入洪泽湖；另一股经乌鸦岭出归仁闸由安河入洪泽湖。到咸丰年间，乌鸦岭出安河一股断流，濉水皆由谢家沟入洪泽湖。
三、建国后对沂沭泗水系和运河的整治
黄河夺汴夺泗，使徐州境内的汴河和徐州市区以下的泗河成为黄河行水六百余年的地上悬河：平均宽约三公里，高出附近地面三至五米，有些地段达八米；加之，南北大运河的开发，改变了原有的沂沭泗水系，即淮河流域的淮河水系变成淮河与沂沭泗两个水系。濉河被迫独流入洪泽湖。沂、沭、泗河互相侵扰，归海出路淤塞，致使沂、沭、泗河在其区域内泛滥成灾。
新中国建立后，按照“蓄泄兼筹”的治淮方针，对沂、沭、泗水系进行了全面整治，在上游山区修建大型水库；中游利用南四湖、骆马湖和兴建石梁河水库调蓄洪水；下游以泄为主，开辟新沭河和新沂河。
新沭河是自山东省临沭县大官庄向东南开辟的一条人工河道，经临沭县大兴镇、江苏省东海县石梁河，向下接沙河至连云港市临洪口入海。同时，在大官庄老沭河上横筑一条大坝，迫使沭河一部分洪水入新沭河。
新沂河是从今江苏省邳州市华沂村堵闭了老沂河口门，向南开辟的新河道（即新沂河草桥段），使沂河全部流量入骆马湖。在骆马湖以东开辟新河道，自嶂山经新沂市口头村会沭河，向东横穿沭阳、灌云两县至灌河口入海。为了进一步把过量的沂河洪水通过新沭河东调入海，在沂河彭家道口至沭河大官庄，开辟长二十公里的分沂入沭水道。在沂河江风口处建分洪闸，在闸下开辟山东省苍山县至江苏省邳州市间的邳苍分洪道，分泄沂河洪水至邳州市滩上入中运河。
在明代泇运河的基础上，整修扩大了韩庄运河和中运河。随着国民经济的发展，为减轻北煤南运铁路运输的压力，根据交通部开发利用运河和淮河水利委员会规划，从1958年起，在徐州市境内，按照二级航道标准，开挖和局部利用原有不牢河为京杭运河不牢河段。河长73公里，西起蔺家坝连微山湖，东至大王庙接中运河。同时，对大王庙以下中运河的浅窄段进行疏浚。
从二十世纪六十年代到九十年代初，利用沂沭泗水系及其运河，实施长江、淮河水资源北调，以解决徐州工农业生产、生活和航运用水。江水北调，即利用京杭运河，自长江北岸的江都抽水站向北沿途建抽水站，徐州境内，经京杭运河的中运河与不牢河段向徐州地区供水。淮水北调，即开挖徐洪河，从洪泽湖的顾勒河口到睢宁县境内的沙集，拓宽浚深安河与凌沙河；从沙集向北，平地开河，平穿黄河故道（亦泗水故道）继续向北，与自西向东汇入中运河的房亭河相接。徐洪河的开发，不仅把长江与淮河两大流域联系起来；而且，将淮河流域内的沂沭泗与淮河两大水系的水资源调配、防洪除涝以及航运紧紧连在一起。
目前，正在实施沂沭泗洪水东调南下工程和国家南水北调东线工程。前者，在建国后历经整治沂、沭、泗水系的基础上，不仅对洪水量进行科学合理地安排，而且进一步提高工程的防洪标准。后者，通过长江引水，沿着里运河、中运河进入徐州，由不牢河继续向北送水。今天，沂沭泗水系及其运河航道，已经成为防洪、供水、航运以及维护生态环境等综合性的水系网络，它将凭借本流域的优势为经济社会可持续发展做出贡献。
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