郭守敬从西夏回京的路上，为了调查考察各地的水利灌溉情况，曾特地 率领随从人员，专程坐船，自中兴州沿着河套迂回地顺黄河而下。走了四天 四夜，从中兴州一直航行到大同府所属的东胜（今内蒙古自治区托克托）。 他肯定了这一段水路完全可以通航。这时，忽必烈派遣的调查黄河水程航运 的官员，也到达东胜。听到这消息，他们赶忙派人飞马驰奔中都，向忽必烈 汇报。从此，自富饶的粮仓河套地区运送粮食到中都，有长长一段路程能用 船只运输了，大为省便。考察途中，郭守敬还发现东胜西边的查泊兀郎海（今 内蒙古自治区乌梁素海）附近的许多古渠，均可重新修复，用以灌溉。他回 到中都向忽必烈报告此行的经过时，亦谈到此事。忽必烈当即表示赞同。
郭守敬完成了修渠任务之后，便离开了西夏，在还京之前，他曾经逆流 而上，探寻黄河的发源地，以往史书上虽然也有些河源探险的记载，但都是 些将军、使臣们路过这个地区，顺便探察，写下一些记载，并不是特意考察。 以科学考察为目的，专程探求黄河真源的，要推郭守敬是第一人。很可惜， 郭守敬探察河源的结果没有记载流传下来。后来到了1280年，又有一位探险 家都实奉元世祖之命专程前去考察河源。这次探索的经过记录在一部《河源 记》的专著里，其中有不少有价值的结果。毫无疑问，作为先驱的郭守敬对 都实的考察是有很大影响的。
郭守敬西夏之行归来，除了提出关于河套北端的水利建议外，又提出了 关于增辟中都水源这个问题。他说，金代曾在京西的麻峪村，开引泸沟河（今 永定河，元代称浑河）水穿西山东出，称为金口。这支水流曾经灌溉了金口 以东、中都以西迤北的许多良田，对京郊农业的发展，颇有好处。过去，有 关官员唯恐出事情，就用大石块堵塞了。现在，如果把原来的河道加以开挖， 那末，上游西山的物产就得以运来中都，下游的水流增大，可以便利漕运。 不过，泸沟河的河水是非常难以控制的，它的含沙量大，春冬少雨的时候， 容易沉积泥沙，而到夏季秋季洪水季节，水势汹涌，常会泛滥成灾，所以古 来称为无定河。为此，郭守敬同时指出，应该在金口西岸预先开好一条溢洪 道，先向西南再折而绕回到泸沟河中。并且还要开得深一些和宽一些，以防 涨水时节大水横溢突然冲向中都。忽必烈听了认为很有道理，而且他恰正需 要西山的木材来营造宫殿，于是就批准了。
这条河恢复之后，虽然引水解决漕运问题并无显著效益，但对西郊农田 灌溉却颇起作用。所以几年后，宫殿都城虽已营建完成，建筑材料的运输锐 减，但金口河仍维持不废。然而，永定河水灾的威胁毕竟是严酷的。30多年 后，到忽必烈的儿子铁穆耳大德2年 （1298年）时，山水大发，为害居民， 都水监就将金口以下的闸板闸住，使水不进金口河而向永定河下游泄去。大 德5年 （1301年），郭守敬已70岁了，那年又是洪水暴发。他恐怕河水实 在过大，阻拦不住，冲没金口河两旁的田舍，波及都城，又提请将金口河上 部河身用砂石杂土全部堵塞。这条河一共使用了35年，起了一定的作用，到 后来便废弃了。
郭守敬汇报了西夏之行的经过，接着又解决了河套一带的漕运通航问 题，引起了忽必烈的注意。他对靠近蒙古族发祥地的这块重要地区自然不会 不重视。至元4年（1267年）秋天，便在从中兴路到东胜间数百里长的一段 黄河上，新添设了10所水上驿站，使其接通原有的驿站，专办西夏到上都和 中都的军政通讯事宜。就在这年，忽必烈为了巩固政权建设，命刘秉忠于中 都故城西北郊，在原宫城之外兴工修建起一座规模巨大的新城。城内按照我 国都市建设的传统原则，有计划地划定街区分布。经行工部尚书也迭山设计， 宫室居中，前朝后市，道路横平竖直，犹如棋盘。这工程比营建上都还要浩 大，前后延续了好多年，直至至元11年，忽必烈才正式坐上新完成的宫殿接 受朝贺。而大都的城垣，要到至元20年 （1283年）发动侍卫军10 000人助 修，方始竣工。这就是现今北京的前身。
至元8年（1271年）时，忽必烈采纳刘秉忠的建议，仿前朝正式建立国 号，“大元”。将中统年号改为“至元”。接着把正在建造的新都城改称大 都，以前称中都。从此，中都和大都并称。也就在这年，郭守敬被任命为都 水监，负责掌管全国河渠水利的经营治理工作。
至元11年，这时北方已经稳定。忽必烈在遣兵东征的同时，派太尉同知 枢密院事的大将伯颜自襄樊南下，开始大举伐宋。年底占领鄂州。第二年年 初，水陆并进沿长江东下，陆续攻下黄州（今湖北黄冈）、安庆、太平州（今 安徽当涂）。他一面分兵西攻江陵，一面相继东进建康（今江苏南京）、镇 江，并汇合华北南下人马，接连取得了长江南北各处重镇。7月间，对峙在 镇江、瓜州周遭的宋、元水陆主力大军，各以战舰万艘，围绕长江江心的焦 山进行了一场空前的决战。最后，宋军大败，伯颜回京师述职，忽必烈升任 他为中书右丞相，命他率领诸将继续南征，不使宋室有喘息的机会，直趋南 宋都城临安 （今浙江杭州）。
元朝向来重视驿站。这次伯颜为了便于就扬子江南北的军政大事与大都 方面的联系，并取得华北平原对前方的军需供应，商议在原有陆路驿站之外， 设立水路驿站，相互配合以提高通信和交通效能。他委派郭守敬去考察今河 北、山东、江苏等地区的水道交通情况，确定水路交通路线。至元12年（1275 年），郭守敬经过必要的实地视察，定下了中原地区这样五条河渠干线：
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