郭守敬在家鄉(xiāng)邢州修橋治水、初露頭角之后，并沒有自得自滿。他清楚地知道，自己年紀(jì)還輕，但學(xué)無止境，正像古人說的那樣：“吾生有涯而學(xué)無涯”。（意思是說，人的生命是有限的，但對知識的學(xué)習(xí)卻是永無止境的。）所以在隨后近十年的時間里，他沒有進(jìn)入仕途，而是潛心學(xué)術(shù)，積累知識，為今后的科學(xué)研究工作打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

而在這段時間里，當(dāng)年同郭守敬在紫金山相為師友的一班人，如劉秉忠、張文謙、王恂等，都先后擔(dān)任官職，得到忽必烈的賞識和重用。1260年，忽必烈任命張文謙為“左丞”。（中央政府機(jī)關(guān)的最高負(fù)責(zé)官員），后又兼任大名路與彰德路（今河北大名地區(qū)西部至河南安陽地區(qū)東部）的地方官，從京都調(diào)轉(zhuǎn)到地方，古時外放的京官，總要帶上幾個親信隨從，作為自己的左膀右臂，以便行事得心應(yīng)手。張文謙一得到調(diào)令，就立刻想起了老朋友劉秉忠的學(xué)生郭守敬來了，于是，郭守敬打點(diǎn)起行裝，辭別親朋好友，跟隨張文謙上任去了。

規(guī)劃整治水利

當(dāng)時，忽必烈正在漠北排兵布陣，同與他爭奪汗位的蒙古貴族打戰(zhàn)，因此需鞏固他的漠南后方。他在張文謙調(diào)離京都之時，就授意張文謙要重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，穩(wěn)定人們的生活。

郭守敬到了大名、彰德地區(qū)，發(fā)現(xiàn)那里的人民生活雖然逐漸安定，但由于連年干旱，農(nóng)作物產(chǎn)量很低，生活十分貧困。郭守敬深知水利興建是恢復(fù)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵所在，他認(rèn)真察看了當(dāng)?shù)睾恿魉姆植迹屑?xì)估量了地形地貌，結(jié)合他在家鄉(xiāng)修橋治水的經(jīng)驗(yàn)，周密地考慮了該引哪條水，該修哪條渠。在頭腦中形成了一整套整治水利的地區(qū)規(guī)劃方案。

公務(wù)之余，郭守敬沒有放棄他所擅長的天文儀器的研制工作。他在早年間就已經(jīng)弄明白了蓮花漏的計時原理，只是苦于沒有力量正式仿制。現(xiàn)在，自己在地方上擔(dān)任重要官職，有了人力和物力的保證，頂頭上司又是深諳天文歷法的舊日師友，于是他親自動手，指揮匠人，開爐熔銅，按照早年所見的圖樣，澆鑄了一套正規(guī)的銅漏壺。這套銅漏壺名“寶山漏”，后來隨郭守敬北上燕京時運(yùn)至京都，獻(xiàn)給政府使用，因?yàn)檫@套計時儀器構(gòu)造精巧、水流均勻、計時準(zhǔn)確，后來元代的司天臺（即國立的天文臺）上也采用了這種漏壺作為計時的工具。

忽必烈召見

1262年春，張文謙向忽必烈推薦郭守敬，說他“習(xí)知水利，巧思絕人”。意思是說郭守敬熟知水利方面的事情，十分聰明能干。而當(dāng)時忽必烈剛剛登上汗位兩年，為鞏固政權(quán)統(tǒng)治，安定人民生活，保證對軍隊的治養(yǎng)，采取了一系列鼓勵農(nóng)桑、發(fā)展經(jīng)濟(jì)的政策措施，因此求賢若渴，廣為網(wǎng)羅各種專門的技術(shù)人才。他一聽到張文謙的大力推薦，便很快將郭守敬召到開平府（今內(nèi)蒙古多倫附近）接見。

郭守敬感到實(shí)現(xiàn)抱負(fù)、大展宏圖的機(jī)會到了，心中又高興又激動。在開平府被召見的那天，結(jié)合自己往日實(shí)地勘查的積累，針對當(dāng)時農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況和國民經(jīng)濟(jì)的需要，向忽必烈呈報了六項治理華北水利的建議，并系統(tǒng)而詳細(xì)地闡述了每項工程的效用及具體實(shí)施方案，郭守敬從容不迫，娓娓道來，聽得忽必烈不時地點(diǎn)頭稱許。郭守敬講完后，他不無感慨地對左右官員說：“任事者如此，人不為素餐矣！”意思是說，擔(dān)任職務(wù)辦事的人，像郭守敬這樣，才不是擺擺樣子吃閑飯的啊！并當(dāng)即任命郭守敬為提舉諸路河渠，即管理地方河道水利事宜的官員，著手實(shí)施這些建議。

開引玉泉水

這年八月，郭守敬正式提出“開玉泉以通漕運(yùn)”的具體方案，提請修復(fù)廢棄的漕運(yùn)河道，并導(dǎo)引入玉泉山水，使從大運(yùn)河運(yùn)到通州的糧食，能夠全由水路運(yùn)抵京城，忽必烈批準(zhǔn)了他的方案，并派寧玉“充河道官，疏浚玉泉河渠”。寧玉是元初負(fù)責(zé)漕運(yùn)并很有成績的官員，在此前后也多次治理過漕河。這次他來到燕京，按照郭守敬的規(guī)劃，開鑿玉泉山水，將其引入舊漕河。但因畢竟只有一泉之水，流量有限，對恢復(fù)大規(guī)模的航運(yùn)，似乎幫助不是很大。

盡管如此，引來的玉泉水增加了當(dāng)時中都（即北京）城內(nèi)湖池川流的水量，便利了人民的生活；其后又為大都至迪州北線運(yùn)河的開鑿奠定了基礎(chǔ)。因此，開玉泉水通舊漕河是郭守敬對北京水利興修所建的第一功，也是歷史上大規(guī)模開發(fā)玉泉水源的最早記錄，郭守敬這一歷史功績是不可磨滅的。

修復(fù)西夏渠

1263年，郭守敬被提拔為佩帶銀符的副河渠使。1264年初夏，郭守敬同河渠使唆脫顏一道奉命到西夏（今甘肅、寧夏一帶）視察河渠水道。沿黃河上游的河套平原西北部一帶，原屬西夏，歷來是西北重要的農(nóng)耕地區(qū)，早在漢唐各代就開鑿了許多河渠，引黃河灌溉農(nóng)田。大大小小的干渠和支渠總共有80多條，最長的唐來渠，長達(dá)200千米，其次是漢延渠，也有125千米；還有十來條干渠，各長100千米。這些渠道在河套西部，構(gòu)成了一片水利網(wǎng)，灌溉著九萬多頃良田。但由于連年戰(zhàn)亂，渠道失修，河床淤淺，壩閘傾廢，以致土地荒蕪，收成日減，百姓們紛紛外出逃荒。

當(dāng)時按元朝政府的規(guī)定，官員的正職都派蒙古人充任，漢人只任副職，所以，盡管是唆脫顏與郭守敬兩人受命來到西夏，實(shí)際上是郭守敬擔(dān)當(dāng)了主要的考察工作。這年八月，元朝政府頒布了陜西、四川、西夏中興等處設(shè)立政府機(jī)構(gòu)、治理人民生活的有關(guān)條例規(guī)則，同時，張文謙又出任西夏的行政長官。在張文謙的支持下，郭守敬更是如虎添翼，開始大規(guī)模地整治西夏古渠。他采用“因舊謀新”的方針，主要在古渠河道的基礎(chǔ)上設(shè)計規(guī)劃，加以修整；同時“更立閘堰”，修復(fù)和重新調(diào)協(xié)用以控制和調(diào)節(jié)水位與流量的水壩水閘。他還設(shè)計了河渠入口附近的滾水壩和兩三個退水閘。水小時閉閘，水大時則酌量開閘，以調(diào)節(jié)水量，過了退水閘，才是渠道的正閘，這種設(shè)計具有很高的技術(shù)水平和實(shí)用價值。這項工程得到了當(dāng)?shù)匕傩諅兊膿碜o(hù)與支持，工程進(jìn)展得十分順利。沒過多少時間，幾十條河渠都暢通無阻。不僅有利于航運(yùn)，還擴(kuò)大了灌溉面積。逃荒的農(nóng)民紛紛返回家鄉(xiāng)，重建家園，不到一年光景，這兒又恢復(fù)成為西北重要的產(chǎn)糧基地，呈現(xiàn)出一片渠水四達(dá)、稻麥豐收的景象。西夏人民衷心感謝郭守敬，特意在渠上為他建立了一座廟祠，來紀(jì)念他的功績。能得到老百姓們?nèi)绱说膼鄞鳎嵌嗝创蟮囊环N榮譽(yù)啊！但在郭守敬的心目中，能夠?yàn)槿嗣袢罕娹k實(shí)事，使父老百姓安居樂業(yè)，遠(yuǎn)比這些榮譽(yù)重要得多！

探溯黃河源

郭守敬在西夏修復(fù)河渠古道期間，日日面對滾滾而來的黃河洪流。不禁產(chǎn)生了一個疑問：黃河的源頭在哪里？古人云：“黃河出自昆侖”“黃河之水天上來”。但這種未經(jīng)實(shí)地勘察的假說和詩句，都不能解決這位勤于思考、善于鉆研的科學(xué)家的疑問，他決定“挽舟溯流而上”，去探索黃河之源。他從孟門（今河南孟津）往西，沿黃河舊道，逆流而上數(shù)百里，終因風(fēng)濤險惡，只得中途折回。郭守敬雖沒能探溯到黃河之源，卻是以科學(xué)考察為目的，有意識地探尋黃河之源的第一人！

這一壯舉，雖“前無古人”，卻是后有來者。到了1280年，有一位名為都實(shí)的后繼者奉忽必烈之命專程前去考察黃河河源。這次探索的經(jīng)過都記錄在一部《河源記》的專著中，雖然同樣沒能得到確切的結(jié)果，但也獲得了不少頗有價值的資料。毫無疑問，作為先驅(qū)者的郭守敬的考察，對都實(shí)是有相當(dāng)?shù)挠绊懙摹Ａ甙倌旰蟮?952年8月，黃河水利委員會等單位組織黃河河源查勘隊，經(jīng)過四個多月的考察，行程萬里，終于查勘出黃河發(fā)源于青海雅合拉達(dá)合澤以東的約古宗列。郭守敬若在天之靈有知，亦會十分欣慰。