元世祖忽必烈中统元年（公元１２６０年），郭守敬跟随当时任中书左函的同乡张文谦，奉命巡视大名、彰德等路（今河北省西南部和河南省东北部地区）。中统三年（公元１２６２年），郭守敬被任命做提举，负责各路河渠的整修管理事务。以后，郭守敬又被擢升做副河渠使、都水少监、都水监、工部郎中等官职。世祖至元元年（公元１２６４年），还修整了西夏（今甘肃、宁夏一带）沿黄河一带的古灌溉渠道。
至元十二年（公元１２７５年），郭守敬奉命踏勘黄淮平原地形和通航水路，同时建立"水站"（水上交通站）。自孟津（今河南省孟津县东南）以东，沿黄河故道，在方圆几百里内进行了地形测绘和水利规划工作，并且画成地图，一一详细说明。绘图过程中，他以海平面作为标准，初步运用地理学和测量学中重要概念--"海拔"
至元十三年（公元１２７６年），郭守敬被调到太史局，负责制订新历，开始了我国乃至当时世界天文史上规模空前巨大的天文测量和历法研究工作，从此我国天文学又攀登上一个新的高峰。
他提出"功之本，在于测验，而测验之器，莫先于仪表"的主张。为此，郭守敬首先集中精力研制新的天文仪器，他对旧有的仪器做了仔细检查。他和工匠一起，研制了近二十种天文仪器。其中最主要的有简仪、仰仪、正方案、圭表以及和它配合使用的景符等仪表。
这些仪器都有实用、简便、灵巧、精确的特点。可惜原制都早已损毁，没有保存下来。例如，郭守敬所创制的简仪是世界闻名的天文测量仪器，它的功用是测量天体的坐标位置。郭守敬在沈括等前人改革、简化浑仪的基础上，在至元十三年（公元１２７６年）创制了结构简单的新型天文仪器--简仪。简仪的观测精度，西方直到三百年后丹麦人第谷所发明的仪器才能和它媲美。
郭守敬等人根据大量观测资料，并仔细研究了自西汉以来的七十种历法，编制出了新历法――授时历。从至元十八年（公元１２８１年）起，授时历开始在全国颁布实行，使用时间长达三百六十三年（公元１２８１－１６４３年），是我国历史上使用最长的一部历法。
授时历也是我国古代最精密的一部历法，和南宋杨忠辅制的统天历一样，以三六五·二四二五日作为一回归年，如果以小时计算，是三百六十五日五时四十九分十二秒，比地球绕太阳公转一周的实际时间只差二十六秒，经过三千三百二十年后才相差一日，跟目前国际通用的公历（就是格里历）完全相同。但是格里历公元１５８２年才开始使用，比授时历要晚三百年，比统天历更晚了近四百年。
另外，授时历在数学上也有很大的成就。授时历应用招差法推算太阳、月亮以及五星逐日运行的情况，早于欧洲四百年，英国天文学家格列高里最先对招差法作了说明（公元１６７０年），在牛顿的著作中（公元１６７６－１６７８年）才出现招差法的普遍公式。
授时历编成以后，郭守敬集中力从事著述，先后撰成《推步》、《立成》、《历议拟稿》等天文书稿十多种，一百多卷。这些书籍，包括极其珍贵的两个星表，后来都失传了，具体内容已经无从知悉。仅《授时历经》、《授时历议》和简仪、圭表等几种仪器的构造和使用方法，由于载入《元史》，才得以保存下来。至于郭守敬创制的简仪和其他被后人誉?quot;臻于精妙"的天文仪器，曾经完整地保存到清初。但是在康熙五十四年（公元１７１５年），却被西方传教士纪理安当作废铜毁掉了。
郭守敬在水利方面的最大贡献是，开凿从大都到通州的一段运河（大运河当时只通到通州（今北京通县一带））。至元二十八年（公元１２９１年），郭守敬提出了包括兴修大都运粮河在内的十一条水利建议。第二年，他以太史令兼领都水监事，主持了这项工作。这条一百六十里的运河和配套工程，仅用一年半时间就全部完成了，取名叫"通惠河"。南方的运粮船可以一直沿着大运河直达北京。从此，古代沟通中国南北的大动脉--京杭大运河全部完成了。
上述贡献以外，郭守敬还多次主持制造了构造非常精巧复杂的机械计时器。其中陈设在大明殿里的"七宝灯漏"是初步脱离天文仪器范围的机械计时器。
综上所述，郭守敬是我国元朝最著名的科学家。他毕生从事科学技术事业六十多年，不仅在天文学和水利工程方面成绩卓著，而且在地理学、数学和机械工程等方面也做出了重要贡献，是十三世纪世界上杰出的学者之一。
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