棗莊段運河在其形成、發展的過程中，由於地理環境及水源條件的相對穩定，不像有的河流那樣變化多端，除其水系支流在不同歷史時期稍有增減外，運河河道的變動並不太大。但是，各個歷史時期對運河不同規模的整治，也使棗莊段運河發生一些變遷，比較大的有三次，即明代、清代和中華人民共和國建國以後。
明代動議開挖泇河的線路，最初並不在嶧縣。翁大立、朱衡、傅希摯等人都主張從徐州城北四十餘里的境山、小浮橋一帶向東經荊山河至泇口開挖一條運道，避開黃河的運道，由於爭議太大未能實現。到了明萬曆二十二年（1594年），舒應龍鑿韓莊中心溝，成功宣洩微山湖積水，泇河的選址才逐漸被認可。於是萬曆三十二年（1604年）李化龍大開泇河，棗莊段運河最初定型。無論是韓莊中心溝、嶧縣境內的泇運河，還是京杭運河棗莊段，都是在明時山東嶧縣的自然河流彭河的基礎上開鑿的。根據《嶧縣誌》記載，彭河發源於嶧縣的白茅山玉華泉，在縣城西南約50裡處，距韓莊數里之遙。這條自然河流匯聚了附近幾條山泉河流後順地勢向南十數里後再向東流去，其下游會氶水、泇河、武河、沂河匯入駱馬湖入黃。萬曆二十九年（1601年）劉東星初步開成的泇河，其在山東境內的河段就是在韓莊中心溝基礎上沿彭河自然河道的軌跡開挖的。萬曆三十二年（1604年）李化龍開通的泇河運道，在山東境內的河段是沿劉東星開挖的泇河河道拓寬加深而成的。到了萬曆三十四年（1606年）曹時聘任總河時，才將泇河運道截彎取直，如削除伸向河道的頓莊土堰，平掉大泛口南岸的淤沙灘堆，使泇河運道在山東境內的這段河道開始平直順暢。
明代泇河運道
清代棗莊段運河河道改變不大，最大的變化是開挖了伊家河。清乾隆二十二年（1757年）開挖的伊家河，最初的目的是配合泇運河宣洩上游微山湖等處的積水。後來伊家河的作用得到了充分的發揮，不僅可以洩洪，而且對濟泇、護泇及小型客、貸水運都提供了極大方便，曾經是蘇魯段運河航線的主要航道。清咸豐五年（1855年）以後河運漸衰，包括伊家河在內的棗莊段運河基本上處於淤塞狀態，而棗莊運河的臺兒莊段卻因地勢低窪，受下游駱馬湖水頂託等原因，一直同江蘇段運河保持著通航。
新中國建立後，棗莊段運河得到全面治理，特別是京杭運河主航道的韓莊運河，在1958年至1970年期間進行過三次大規模擴挖、浚深、河堤外展、河床加寬，原河道周邊的村莊部分搬遷，河道走向發生了一些變化。如1958年4月動工治理的韓莊運河分四段進行：第一段是湖口至八里溝段，保留原泇河舊河道作為洩洪渠道，在舊河以南開挖新河；第二段是八里溝至巨梁橋段，除裁直巨梁橋舊河下一段河灣外，其餘均沿舊泇河故道兩岸擴大；第三段是巨梁橋至頓莊段，該段舊泇河故道全部保留作為運北山水洩洪渠道，在舊河南開挖新河；第四段是頓莊至濤溝橋段，該段沿舊泇河故道兩岸擴大，使嶧城大沙河在舊河以南入新運口。此次韓莊運河的整治使運河河床較前發生了變遷，河底加寬至60～80米，堤距增加到450～1000米。1963年由國家計劃委員會批准的韓莊運河大規模治理工程再次開工，至1965年春竣工，共拓寬加深完成土石方1600萬立方米，工日17500萬個，總投資4000萬元，10個村莊的1481戶5924人完成了遷移。1970年再一次加寬河槽和部分退堤，並對運北、運南各支流同時進行取直加深，使運河洩洪能力提高、攔蓄能力增強。
20世紀七八十年代，棗莊段運河沿岸地區經濟快速發展，滕州市微山湖東岸的向陽、崗頭、辛莊，薛城區的沙溝及微山縣的郗山等地的小型客貨碼頭迅速崛起，運河擴容的形勢迫在眉睫。於2001年、2006年先後沿京杭運河主航道開挖了13.9公里的滕州港支線進港航道和5.2公里的薛微線棗莊港支線進港航道，使棗莊段運河的航道里程由20世紀的80公里增加到99.1公里。（京杭運河棗莊卷）
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