沈括所处的北宋王朝，建立已满百年。 初期因社会稳定、经济增长而达到了顶峰以后，就开始转入了下坡路。 这主要表现在：土地越来越集中到少数大地主手中，农民租种他们的土地，收获的一点粮食，除了交租完税，就所剩无几了。 簸糠麸，食秕稗，掘菜根，采橡实，这就是冬春两季农民贫困生活的写照。 朝廷养兵数目庞大，官僚只知横征暴敛。 特别是逢到三年两载遭灾荒的情况，最底层的农民更是苦不堪言。 沈括跟随父亲南来北往，读书游历。 锦绣山川令他才思日增，社会见闻引他思索探寻。 在沈括的心目中，父亲是个亲民官，他接近民众，廉洁奉公，只是稳健少露锋芒，未有惊人之举。 沈括眼见当时的社会，贫富悬殊，豪强称霸，危机四伏，冤案如麻，不免忧心忡忡。

王安石在诗笺《河北民》中，就表达过他的感慨：“今年大旱千里赤，州县仍催给河役。 老小相依来就南，南人丰年自无食。 悲愁天地白日昏，路旁过者无颜色。 ”沈括读过此诗后，深深敬佩王安石的忧国忧民之心。 王安石后来向仁宗皇帝上万言书，主张改革政治，被朝廷重用，当上宰相，成为变法革新的主帅。

青年沈括受父亲的言传身教，游历四方的耳闻目睹，再加上王安石的影响，心田里播下了改革的种子。 他立志要在这动荡不安的年代里力求上进，有所作为。 父亲沈周去世后，按当时的传统，沈括守孝三年。 由于父亲的官职，死后荫子的制度，朝廷任用沈括为沭阳（今江苏沭阳）主簿。 至和元年（1054年）正月，二十四岁的沈括服丧期满，走马上任。

主簿是个低级的官吏，相当于县令的助手。 沈括来到沭阳上任后，他不嫌官微职小，完成公务兢兢业业，更不做狐假虎威、欺压百姓的事。 他给朋友写信说：“做官最低微而劳苦的，莫过于主簿。 沭阳方圆几百里，凡是兽蹄鸟迹所到之处，都有主簿的职责，十件事里我要做八九件。 忽上忽下，忽南忽北，忙得晕头转向，以至于连风霜雨雪、明暗冷暖，也全然不知了。 ”

沭阳境内有条河，叫沭水，因长期失修，下游淤塞，以致河水漫溢，水灾连年不断，两岸的田地熟不长粮，荒不长草，百姓生活困苦不堪。 沭阳县令名为全县的父母官，不但不体恤民情，放赈救灾，反而变本加厉，搜括民脂民膏。 百姓被逼得走投无路，奋起反抗官府，眼看一场农民起义即将在沭阳全境蔓延开来。

这个情况非同小可，把沭阳县的上司吓得手忙脚乱。 为平息民愤，掩人耳目，他们慌忙调走县令，空出县衙门，让沈括出来应付局面。 沈括早已熟悉当地民情，对这场斗争的起因也了如指掌，既然在危急关头派他来代理县令，他就决定立刻执行安定民心的政策，一方面进行减租，一方面延长交税的时间。 这个政策大快人心，老百姓这才松了一口气，一场风波渐渐平息了下来。

但是，沈括清楚地了解到，只有彻底整治沭水，发展沭阳农业，才能从根本上缓和农民与官府的对抗局面。 于是，修浚沭水的工程在沈括的主持下，迅速开展起来了。 民众认识到工程与自己的切身利益紧密相关，都积极参加治水工程。 堤坝上，数万民工浩浩荡荡，一片热火朝天的景象。 沭水的整治工程进行得十分顺利，河道拓宽加深，翻起的泥土筑成两道大堤，沭水流域新添百渠九堰，新开垦良田七千顷。 全部工程只用了原计划的四分之一的时间，提前竣工。 沭阳面貌由此改观，农民无不称颂沈括的德政。

由于整治沭水获得成功，沈括的才能引起了朝廷的关注。 第二年，他便被调到东海（今江苏东海）代理县令。 到东海后，他继续坚持兴修水利、发展农业的利民之策。 当时他哥哥沈披在宣州宁国（今安徽宁国）任县令。 在家信中，沈披常向沈括提及治理秦家圩的设想。 沈括对此事十分关心，他还特意去哥哥那儿亲自考察了一番。

原来，秦家圩是位于现今安徽芜湖境内的一大片圩田，原来是属于一秦姓大户人家的。 圩田是积水的低洼地，只要在环绕四周的筑堤岸内设闸门，在圩区内修渠挖沟，纵横交错直通闸门，就能做到涝能排水，旱可浇灌，年年也就能确保好收成。 但是，北宋初年，一次特大的洪水冲毁了秦家圩的圩堤，从此圩田成为了一片汪洋。 很多年过去了，修复圩田的建议虽不时有人提起，却一直遭到反对派的抵制。 反对派提出反对的理由是：圩堤把洪水阻拦在圩田之外，逼得洪水没有归宿，必然冲决圩堤，酿成水灾。

沈括考察过后，他对那些反对派们提出了反驳意见，他说：“圩北大小湖泊绵延三四百里，圩西和大江相连，洪水来袭，自有去处。 圩田拦截洪水份量不大，不会抬高水位。 ”这时候，又有一个反对派站出来说：“秦家圩的东南濒临大湖，堤岸不断受风浪冲刷，时间一长，圩堤难保。 ”沈括则认为只要措施得当，圩堤是可保的，他坚决主张修复秦家圩的圩堤，在大堤百步缓坡之外，修筑附堤，这样能使堤基加厚，然后在堤上栽植柳树，在堤底种植芦苇。 这样一来，再猛再大的风浪经过芦苇的层层阻挡，漫坡的缓缓减势，对大堤也不会构成严重威胁了。

还有人抬出蚊龙来反对修复圩田：“圩水流出闸门，水过之处底下都有蛟龙潜伏，所以圩堤容易崩溃。 ”沈括听后，一针见血地破除了他的封建迷信思想，他说：“圩水流出堤外，在堤岸脚下冲刷出水潭，水潭越冲越大，最终危及圩堤。 这哪里是什么蛟龙潜伏呢？”更有一些因循守旧的人还借口圩田修复后，断了在沼泽里采茭牧养的农户的生路，会引起他们的不满。 其实，采茭牧养的农户乐于恢复祖辈耕种圩田的传统，真正反对修复圩田的不是他们，而是那些养尊处优、迷信守旧的达官富绅。

由于争论的背后有上级官府、同级幕僚以及当地富豪乡绅在推波助澜，秦家圩的天空一时间阴霾密布。 主张修复秦家圩的判官谢景温是沈括的表侄女婿。 他在县令沈披以及沈括支持下，呈报江南转运使张颐，再上奏皇帝，最后终于获得批准。 沈披精通水利，又有沈括修浚沭水的成功经验。 这样，兄弟两人的论证，理由充足，根据可靠，计划也就更加周详。 更重要的是，工程顺乎民心，一经号召，万众响应，八方支持。 秦家圩的修复工程在沈括等人的带动下，进行得轰轰烈烈，如火如荼。

那时正值江南灾荒，难民不断涌入秦家圩，于是圩田工程就采取“以工代赈”的方法，几日间便招募民工一万四千多人。 从宁国、宣城、当涂等八个县通往芜湖地区的路上，赶运粮草沙石的队伍，车轮滚滚；蜿蜒近百里的大堤脚下，民工的工棚星罗棋布。 仅仅八十多天时间，建成一道宽六丈，高一丈二，长达八十四里的圩堤。 新堤上，一排排桑树，数以万计，长得枝繁叶茂。 圩堤内，良田一千二百多顷，沟渠纵横，如一方方棋盘。 每一顷圩田都有名号，如“天”、“地”、“日”、“月”……当年收获的粮食交租三万六千斛，还清朝廷拨给的粟米，还有菇、蒲、桑、麻等收益五十万文铜钱，其中四万文抵付工程投资，其余均为农户收入。 农民收入大增，纷纷称颂圩田修复得好。 朝廷得报，宋仁宗十分欣喜，将新修圩堤赐名“万春圩”。

但是，好景不长。 万春圩修成之后不过三年，长江下游又发生大洪水。 这次水灾情势严重，受淹地域很广。 从长江中游的汉水、沔水流域直到下游的江浙一带，江水泛滥，房舍没入水中，难民流离失所，数以万计。 安徽宣州（今安徽宣城）到池州（今安徽贵池）一带，大小一千多个圩区惨遭淹没。 只有万春圩安然无损，在大水之中依然绿洲一片，生机盎然。 但是，原先一向反对修复方春圩的官绅们却颠倒黑白，自以为报仇的时机到了，他们向继仁宗之后继位的英宗皇帝谎报灾情，说大水灭顶，都是因为修了万春圩造成的。 英宗昏庸，偏听偏信，下诏贬谪了张颐的转运使和谢景温的判官职衔。

沈括对此愤慨难平，挥笔写下了《万春圩图记》，披露事实真相，以正视听，并继续倡导修圩改田一事。 后来在他的积极倡导下，规模宏大的万春圩得到了修筑，并开辟出了能排能灌、旱涝保收的良田一千二百七十顷，同时他还写了《圩田五说》、《万春圩图书》等关于圩田方面的著作。

熙宁五年（1072年），黄河泛滥，滔滔河水冲垮了汴京东北一百多公里处的商胡大堤（今河南濮阳东北）。 决口宽八百多米，汹涌的黄河水淹没大片良田，冲毁民房数万间，守卫边防用的战备粮草器材也损失了八九成。 决堤的洪水如脱缰野马，掉转方向，径直向北，直逼汴京的门户北京（今河北大名），形势十万火急。

因沈括对水利工程非常精通，于是皇帝下诏派沈括去疏浚汴河。 为了治理汴河，沈括亲自测量了汴河下游从开封到泗州淮河岸共八百四十里河段的地势。 他率领部下从京城东门起，沿河岸直向下游，边走边访问当地居民，探讨疏浚汴河的方案，也顺便了解两岸淤田的情况。

汴河的河床应该挖掘多深才算疏浚好了呢？沈括先进行实地试验。 他堵住一角河道，挖尽沉积的淤泥，一直挖到三丈深，发现底下有石板，那是从前疏浚河床时留下的标记。 沈括大吃一惊，想不到淤泥把河床垫高了三丈多，疏浚汴河是多么艰难的任务啊！

要清除这么多淤泥，用人力挖必定费力耗时，有什么更好的办法呢？这时，沈括想起了王安石提倡过淤田，办法就是在汴河水大流急时，故意掘开一段堤岸，让汴河水把河床的淤泥冲刷到堤外的盐碱荒滩上。 这样反复做几次之后，既可为汴河清淤，又可造地，变荒滩为良田。

不过，这位治河经验丰富的著名科学家在治理汴河工程时却碰到了一些难题。 汴河地理位置重要，是通向东京汴梁的一条命脉，而从开封到泗州一段，则是汴河最紧要的部分，需要格外重视。 疏浚河道，第一步要做的便是进行河道测量。 如果是比较直的河道，就容易一些，按照一步等于五尺的规则计算就可以了。 但是沈括发现，汴河的河道地势高低起伏，而且整条河弯弯曲曲非常不规则，仅靠现有的水平尺或标尺等常规工具肯定不可能准确测量如此复杂的地形。 怎么办呢？这可难坏了沈括等一干大臣。 有人说，大体测量一下就可以了，不用非得那么准确。 但是沈括天生是个认真的人，又长期搞科研，养成了严谨的习惯，虽然目前困难重重，但他坚决反对敷衍应付。 不过，一时半会，他们也没想出好主意，沈括有些着急，没事就出去到工地巡视，他看见几个儿童在河边上嬉戏玩水。 孩子们齐心协力，在小沟里用沙泥建起一道道小型堰塘，虽然泥水溅得满身都是，但孩子们玩得很开心。 沈括凑到跟前，仔细研究孩子们的“杰作”，突然沈括一拍脑袋，道：“有了！”他赶紧跑回去设计方案。

次日，沈括让工人们停下所有手头的工作转而集中力量逐段挖通堤外的小沟，把它挖成一条与汴河大致平行的河道。 河工们有些纳闷，本来汴河就那么难疏通，不抓紧时间干正事，怎么玩起旁门左道了，大家都很莫名其妙，甚至偷偷有些不解和怨气。 但是，沈括一声令下让怎么干就得怎么干，既然让挖小河道就挖吧！过了一段时间，小河道挖通了，沈括又下令向小河道里灌水，好让水都蓄积在靠近泗州一边的地势最低平的测量点上。 渐渐的，水都流向地势低的地方，靠地势较高的小河道便形成了浅涸。 沈括再让河工们在浅涸的地方再筑一道堤堰，再灌水，于是又会出现浅涸，如此这般，一段段地建堤堰。 河工们开始看出门道了：“这不就是孩子们玩水的游戏吗？”小河道里的水是静止、水平的，通过分层筑堤堰，河道形成了一个个阶梯。 只要然后逐级测量各段水面，累计相加各段的高度，它们的总和就是开封和泗州间“地势高下之实”的实际数字了。

这便是沈括发明的“分层筑堰法”。 他运用这种方法，测量了汴河下游从开封到泗州淮河岸共八百四十多里河段的地势，并测出开封比泗州地势高出19丈4尺8寸6分。 沈括取得了汴河这两个最重要的数据，为七年以后的导洛清汴工程打下了基础。 在此后的四五年时间内，又取得引水淤田一万七千多顷的显著成绩。 在对地势高度计算时，其单位竟细到了寸分，可见，沈括的治水态度是极其严肃认真的，而且这在世界水利史上也是一个创举。