至元二十九年（1292年），新河工程正式开工。郭守敬通过实地勘察，见大都西北山麓一带山溪和泉水很多，便将它们汇集起来，基本解决了新河的水源问题。他从昌平县白浮村开始沿山麓和地势向南穿渠，大致与今天的京密水渠并行，沿途拦截神山泉（白浮泉）、双塔河、榆河、一亩泉、玉泉等水，汇集于瓮山泊（今颐和园昆明湖）。瓮山泊以下，利用玉河（南长河）河道，从和义门（今西直门）北面入城，注于积水潭中。以上这两段水道是新河的集水和引水渠道，瓮山泊和积水潭是新河的水柜，为新河提供了比较稳定的水量。积水潭以下为新运河的航道，它从潭东曲折斜行到皇城东北角，再折而向南沿皇城根直出南城，沿金代的闸河故道向东，到高丽庄（通县张家湾西北）附近与白河汇合。从大都到通县一段，因河床比降太大，也为了防止河水流失，特地修建了11 组复闸，共有坝闸24座。为了保证航运畅通，这24座坝闸都要派遣闸夫、军户管理。这些坝闸，开始时都是用木料制作的，因运行良好，后来都改成永久性的砖石结构了。
由引水段和航运段组成的这条新运河有320多里。经过一年多的施工，主体工程建成后，忽必烈赐名“通惠河”。通惠河建成通航后，大都的粮运问题终于解决了。积水潭成为大都城内的重要港口，舳舻蔽水，帆樯如林，盛况空前。
明朝时，对大运河的关键河段会通河进行了治理。
当初，会通河仅指临清——须城（东平）间的一段运道。明朝时，将临清会通镇以南到徐州茶城（或夏镇）以北的一段运河都称会通河了。会通河是南北大运河的关键河段。
明洪武二十四年（1391年），黄河在原武（河南原阳西北）决口，洪水夹带泥沙北上，会通河三分之一的河段被毁。于是，大运河中断，不能运粮北上进京了。
永乐元年（1403年），朱元璋四子朱棣定都北平，易名为北京，准备将都城北迁。永乐皇帝鉴于海难频发，海运安全毫无保证，为解决迁都后的北京用粮问题，决定重开会通河。
永乐九年（1411年），永乐皇帝命工部尚书宋礼负责施工，征发山东、徐州、应天（今南京）、镇江等地30 万民夫改进分水枢纽，疏浚航道，整修坝闸，增建水柜。
元朝的济州河以山东省的汶水和泗水为水源，先将两水引到任城，然后进行南北分流。由于任城不是济州河的最高点，真正的最高点是其北面的南旺，因此，用任城分水时，南流的水偏多，北流的水偏少，以致济州河北段河道浅狭，只能通小舟，不能通大船。宋礼治理运河时，仍维持原来的分水工程，又采纳熟悉当地水文的汶上老人白英的建议，在戴村附近的汶水河床上筑了一条新坝，将汶水余水拦引到南旺，注入济州河。这样，济州河北段随着水量的增多，通航能力也就大幅度地提高了。几十年后，人们完全放弃了元朝的分水设施，将较为丰富的汶水全部引到南旺分流，并建了南北两坝闸，以便更有效地控制水量。大体上说为三七开，三分南流汇合泗水，七分北流注入御河。人们戏谑地称之为“七分朝天子，三分下江南”。
接着，将被黄河洪水冲毁的一段运道改地重新开凿。旧道由安山湖西面北注卫河，新道改从安山湖东面北注卫河。这样，黄河泛滥时，有湖泊容纳洪水，可以提高运河水道的安全保障。另外，这里的地势西高东低，便于引湖水补充运河水量。
为了让载重量稍大的粮船也可以顺利通过，宋礼展宽并浚深了会通河的其他河道：拓宽到32尺，挖深到13尺。
南旺湖北至临清300里，地降90尺。南至镇口（徐州对岸）290里，地降116尺。会通河南北的比降都很大。为了克服河道比降过大给航运造成的困难，元朝曾在河道上建成31座坝闸。这次明朝除修复元朝的旧坝闸外，又建成7座新坝闸，使坝闸的配置更为完善，进一步改进了通航条件。由于会通河上坝闸林立，因此，明人又称这段运粮河为“闸漕”。
除上述工程外，为了更好地调剂会通河的水量，宋礼等人“又于汶上、东平、济宁、沛县并湖地”，设置了新的水柜。
经过明朝初年的全面治理，会通河的通航能力大大提高，年平均运粮至京的数量，由以前的几十万石，猛增到几百万石。这也加强了永乐皇帝迁都北京的决心。不久，他宣布停止取道海上运输南粮北上京城。
南宋初年，为了阻止金兵南下，杜充命令宋军掘开了黄河大堤。从此，黄河下游南迁，循泗水、淮河的水道入海。于是，在元、明两代，南北大运河从徐州茶城到淮安一段，便利用淮河水道作为运粮之道了。人们称这段长约500里大运河为“河运合槽”或“河淮运合槽”。由于黄、淮水量丰富，运道无缺水之患。但黄河多泥沙，汛期又多洪灾，也严重威胁着航运。黄河对于运河既有大利，也有大害，因此人们说“利运道者莫大于黄河，害运道者亦莫大于黄河”。
元、明两朝，黄河下游南迁日久，河床淤积的泥沙与日俱增，经常决口，对于运河已经发展到害大于利的地步了。于是，从明朝中后期到清初，人们在淮北地区开凿了一批运河新道。
嘉靖五年（1526年），黄河在鲁西曹县、单县等地决口，冲毁了昭阳湖以西一段运河。南北漕运被阻，明廷决定开凿新河，于嘉靖四十六年（1567年）完工。这段新河，北起南阳湖南面的南阳镇，经夏镇（今微山县治所）到留城（已陷入微山湖中），长140 里，史称夏镇新河或南阳新河。旧河在昭阳湖西，原属会通河南段，易受黄河泛滥冲击。新河在湖东，有湖泊可容纳黄河溢水，比较安全。
明穆宗隆庆三年（1569年），黄河在沛县决口，徐州以北运道被堵，两千多艘北上的粮船被阻于邳州（治所在今睢宁西北）。几十年后，黄河在山东西南和江苏西北一带再度决口，徐州一带运河断水。于是，在明廷主管工程的官员杨一魁、刘东星、李化龙等人相继主持下，除治理黄河外，又于微山湖的东面和东南面开凿新河，于万历三十二年（1604年）全部完工。它北起夏镇，接夏镇新河，沿途纳彭河、东西泇河等水，南到直河口（江苏宿迁西北）入黄河，长260 里。它比旧河顺直，又无徐州、吕梁二洪之险，再加上位于微山湖东南，黄河洪水的威胁较小，所以它的开凿，进一步改善了南北水运。因为这条新河以东、西两泇河为主要水源，所以称为泇河运河。
最后，在明末清初，又开凿通济新河和中河。泇河运河竣工后，从直河口到清江浦（今清江市）一段运道约180 里，仍然河运合槽，运河并未彻底摆脱黄河洪水和泥沙的威胁。因而河运分离的工程必须继续进行。通济新河凿于明朝天启三年（1623年），西北起直河口附近接泇河运河，东南至宿迁，长57 里。中河是清朝初年在著名治河专家靳辅、陈潢指挥下修建的。康熙二十五年（1686年）动工，两年后基本凿成。它上接通济新河，下到杨庄（在清江市）。杨庄与南河北口隔河相望，舟船穿过黄河，便可进入南河。至此，河运分离工程全部告成。
河运分离工程是明朝后期到清朝前期治理运河的主要工程之一，它的完工，使淮北地区的运河基本上摆脱了黄河的干扰，保证了运河的正常航行。
（四） 海塘工程
元朝时，在杭州湾两岸都进行了规模较大的石塘修建。
在杭州湾北岸修一条长达150里的石塘，南起海盐，北到松江。
在南岸的余姚、上虞一带，地方官吏叶恒、王永等人也修建了4000多丈的石塘。
这些石塘在技术上有许多创新：一是对塘基作了处理，用直径一尺、长八尺的木桩打入土中，使塘基更为坚固，不易被潮汐淘空；二是在用条石砌筑塘身时，采用纵横交错的方法，层层垒砌，使石塘的整体结构更好；三是在石塘的背海面附筑碎石和泥土各一层，加强了石塘的抗潮性能。这种石塘结构已经比较完备，是后来明、清两朝石塘的前身。
元朝时，对苏北“范公堤”、“沈公堤”作了维修和扩展，使两堤的长度延伸到300里以上。
钱塘江口水面宽阔，从南岸到北岸远达几百里。由于中间屹立着一些岛屿，形成三条水道，分别叫作南大门、中小门和北大门。13世纪以前，无论是钱塘江水还是海潮，主溜基本上是走南大门。后来，由于钱塘口沙嘴变化等原因，海潮主溜逐渐移到北大门，而钱塘江口涌潮主溜则走南大门。因为南岸有许多小山，涌潮不致造成严重灾害。而钱塘江下游的北面是一望无际的、地势低平的太湖流域，涌潮主溜走北大门，便会酿成无法估计的损失。如万历三年（1575年），走北大门的涌潮毁农田八万多亩，死了三千多人。当主溜走南大门时，海宁旧城（盐官）南面有大片陆地，它离杭州湾40余里。主溜走北大门后，大片大片的陆地被涌潮吞噬，钱塘江岸步步后撤，旧海宁便成为一座面对大海的危城，只好北迁。杭州湾北岸是当时全国经济最发达的太湖流域的前沿，明政府频繁地组织人力、物力，修建当地的海塘。
明朝历时276年，在这里修建海塘就多达20多次。在频繁修建浙西海塘的进程中，人们不断总结经验，改进塘工结构，以提高抗潮能力。其中最重要的是浙江水利佥事黄光升创造的五纵五横鱼鳞石塘。他总结以往的经验教训，认为旧塘有两个严重的缺点，一是塘基不结实，二是塘身不严密。因此，他主持建塘时，在基础方面，必须清除地表的浮沙，直到见到实土，然后再在前半部的实土中打桩夯实。这样的塘基承受力大，也不易被潮水淘空。在塘身方面，用长、宽、厚分别为六尺、二尺、二尺的条石纵横交错构筑，共18层，高三丈六尺；底宽四丈，五纵五横，以上层层收缩，呈鱼鳞状，顶宽一丈。石塘背后，加培土塘。这种纵横交错、底宽顶窄、状如鱼鳞的石塘十分坚固，但造价很高，每丈需用白银300 两。
因此，当他改造到全部塘工的十分之一时，筹集的经费便用光了。其他地方只好仍用旧塘。
除浙西海塘外，为防止长江口的涌潮危及南岸产粮区，明朝对嘉定、松江等地海塘的修建也同样重视。
黄河和淮水所携带的泥沙堆积，使苏北沿海淤成了大片新地，范公堤逐渐失去作用。人们又于堤外建新堤。先后建成土塘800 多里。
在清朝的大部分时期里，钱塘江涌潮的主溜在北部，仍然对着海宁、海盐、平湖等浙西沿海。清朝前期，用了半个多世纪的时间，耗费纹银700多万两，将这里的大多数海塘都改建成朱轼创造的最坚固的鱼鳞石塘。
康熙、雍正、乾隆三朝，朱轼曾先后担任浙江巡抚、吏部尚书等重要职务。在他任职期间，多次主持修建苏、沪、浙等地的海塘。
康熙五十九年（1720年），朱轼综合过去各方面的治塘先进技术，在海宁老盐仓修建了500 丈新式鱼鳞石塘。雍正二年（1724年）七月，台风和大潮同时在钱塘江口南北一带登陆，酿成了一次特大潮灾。当时，除朱轼在老盐仓所建的新式鱼鳞石塘外，杭州湾南北绝大部分的海塘都遭到了严重的破坏，生命、财产损失十分惨重。
当初，朱轼改进的新鱼鳞石塘由于造价高，每丈需银300两，所以没有推广，只造了500 丈。经这次大潮考验后，被公认为海塘工程的“样塘”。为了浙西的安全，清政府不惜花费重金，决定将钱塘江北岸受涌潮威胁最大的地区一律改建成新式鱼鳞石塘。
此外，在崇明岛，清朝也着手兴建海塘工程。崇明岛是今天我国的第三大岛，面积一千多平方千米。唐朝时，它还是一个小沙洲，面积只有十几平方千米。由于江水和潮水中的泥沙不断沉积，到明、清时，逐步发展成为一座大岛了。从明末起，为了围垦这块新地，人们开始在岛上修建简单的海堤。乾隆时，筑了一条具有一定规模的土堤，长100 多里。光绪时，两江总督刘坤一又在其上修建了石堤。
清朝为了防止潮灾，做了一些新的探索。一是涌潮的主溜走北大门和南大门都易酿成潮灾，特别是走北大门时，灾害更为严重。因为只有走中小门时潮灾才较小，所以乾隆皇帝在位时曾组织力量疏浚中小门水道，引涌潮主溜由此通过，并取得了一定的效果。二是清末修建海塘时，尝试着在工程中使用了新式建筑材料——水泥。这一试验当时虽因地基沉陷而失败，却为人们提供了经验教训。后来，逐渐以水泥作为塘工材料，并受到了青睐。
千百年来，苏、沪、浙海塘工程的发展，反映了当地人民与潮灾斗争的坚强毅力和聪明才智。
海塘的修建，对广大人民的人身安全，对当地的工农业生产，都是有力的保证。
（五）水利科学
元、明、清三朝，水利规划理论有了很大的进步。
明朝，以潘季训为代表的“束水攻沙”治河思想的完善和系统堤防的修建，使治河堤防工程技术发展到了高峰。
明清以来，大批关于水利工程技术、治河防洪方法的专著陆续问世，现存的古代水利文献大部分是这一时期编纂的。各地的地方志大多设置了水利专业志和漕运志。
在农田水利方面的专著中，最著名的有元朝王祯的《农书》、明朝徐光启的《农政全书》以及清乾隆年间官修的《授时通考》。这些书对于各种类型的农田水利工程，尤其是对灌溉和水力机械方面的记述尤为精详。
地方性农田水利专著越出越多，如明朝姚文灏的《浙西水利书》和沈问的《吴江水考》、清朝吴邦庆的《畿辅河道水利丛书》和徐松的《西域水道记》。前两部书是太湖水利的代表性著作，后两部书分别是研究海河流域和新疆水利的重要著作。
专门记述工程的书也很多，如元朝李好文的《长安志图·泾渠图说》，清朝王太岳的《泾渠志》、王来通的《灌江备考》、王全臣的《大清渠录》、程鸣九的《三江闸务全书》等。