忽必烈自登上汗位后，財政困難的問題就一直在困擾他。平定叛亂，攻打南宋，賞賜皇親臣屬，都需要大筆的錢，可朝廷的收入?yún)s很有限，他急需會當(dāng)家理財?shù)娜?。就在這樣的情況下，公元1262年春，中書省左丞(中央政府機關(guān)中的最高負責(zé)長官)張文謙，向忽必烈舉薦了郭守敬。
郭守敬，字若思，順德邢臺(今河北邢臺)人。是我國杰出的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家和水利工程專家。
郭守敬從小是由祖父郭榮撫養(yǎng)長大的。郭榮也是個極有學(xué)問的人，尤其精通數(shù)學(xué)和水利。在祖父的教導(dǎo)下，郭守敬從小勤奮好學(xué)，并且培養(yǎng)了很強的動手能力。北宋的科學(xué)家曾在古代漏壺的基礎(chǔ)上，改制了一種計時比較精確的計時器“蓮花漏”。但到郭守敬時，蓮花漏已經(jīng)失傳，只有從石碑上拓印下來的圖樣，可以知道它的外部形狀。當(dāng)時僅十五六歲的郭守敬，根據(jù)這樣一幅圖就弄清了蓮花漏的工作原理。忽必烈召見郭守敬時，郭守敬剛好把蓮花漏仿制成功。大約因為他把作為裝飾的蓮花作了改動，這個漏壺被改稱為“寶山漏”。獻給朝廷后，元代的司天臺(國家天文臺)將它作為計時器而采用。
忽必烈召見郭守敬之前，郭守敬已在邢臺地區(qū)從事了一段時間的水利整治工作，并且取得了很好的成效。見到忽必烈后，他提出了六項水利工程計劃，其中最重要的就是修復(fù)燕京到通州(今北京通州)的河道，接通大運河，以節(jié)省到京都的漕運費用。
由于郭守敬的計劃資料可靠、籌劃翔實，能為元政府帶來大筆賦稅，因此忽必烈當(dāng)即同意了他的計劃，并任命他為提舉諸路河渠，掌管各地的河渠整修和管理工作。第二年，他又升任銀符副河渠使。
公元1276年，元軍攻下南宋的京城臨安，全國統(tǒng)一已成定局。忽必烈下令設(shè)立太史局(后改稱太史院)，負責(zé)改革歷法，編修元朝自己的歷法。負責(zé)太史院的王恂是郭守敬的老同學(xué)，他聘請當(dāng)時已任工部郎中的郭守敬負責(zé)制造儀器和觀測天文的工作。
儀器和觀測，是編修新歷法的最基本的工作?？墒墙?jīng)郭守敬檢查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時司天臺上的天文儀器，大多是金朝遺留下來的。渾天儀是最重要的天文觀測儀器，可司天臺上的渾天儀還是金兵攻下北宋京都汴梁后搶來的。由于燕京和汴梁的緯度不同，這架儀器無法直接使用。其他儀器也大多破損，不能使用了。為此，郭守敬制作了十二件在司天臺上使用的儀器，四件可搬運到野外使用的儀器。其中，最著名的就是“簡儀”。
簡儀是將傳統(tǒng)的渾天儀簡化、改造而成的。渾天儀是測定星球在天體中位置的儀器，由七八個同心圓環(huán)套疊組成。在這些圓環(huán)中夾著一根細長的“窺管”，把窺管對準哪個星球，就可以推定這個星球在天體中的位置。但由于圓環(huán)有七八個之多，每個都有一兩寸寬，觀測時這些圓環(huán)擠在一起，很不方便，甚至?xí)e失觀測機會;而且讀數(shù)也不太精確，只達到四分之一度。
郭守敬對這些圓環(huán)作了分析，他發(fā)現(xiàn)有些星體的運行位置的度數(shù)，可以用數(shù)學(xué)方法來計算，相應(yīng)的圓環(huán)可以撤消。此外，他又把測讀地平方位角的圓環(huán)分離出來，另外建了一架獨立運用的“立運儀”。經(jīng)他改造后的簡儀，運用起來既方便又清晰，精密度也達到了三十六分之一度。
郭守敬運用簡儀對天體作了觀測。他測定了黃道與赤道的交角，以及二十八宿(星座)的距度，其精確度都大大提高。這為編制一本高精確度的歷法，奠定了科學(xué)的基礎(chǔ)，而簡儀的裝置原理，后來則在現(xiàn)代天文望遠鏡中得到了廣泛的運用。
為了編好新歷法，他還主持了大規(guī)模的天文觀測活動，在全國建立了二十七個觀測點。其中最南端的觀察點在南海(今西沙群島)，最北端的觀察點在北海(今西伯利亞)。公元1280年，新歷法初步編成，被定名為《授時歷》?！妒跁r歷》以365.2425天為一年，與地球繞太陽一周的實際時間相比，僅僅只差了二十六秒鐘?！妒跁r歷》同我們現(xiàn)在使用的公歷周期相同，但比現(xiàn)行公歷要早了三百年。
1291年，六十歲的郭守敬再次主持開通大都到通州的運河工程。
其實，在忽必烈召見郭守敬后不久，開通燕京到通州的運河工程就開工了。當(dāng)時引的是燕京城西北玉泉山的水，但玉泉山的水量有限，對恢復(fù)航行作用不大，第一次開通工程失敗了。第二次，他考慮利用京郊水流量最大的渾河水。但渾河泥沙較多，為了泥沙淤積問題，他沒有在運河上建立閘或壩。可是渾河的河道坡度較大，水流又急，沒有河閘控制，運糧船無法逆流而上。結(jié)果運河只對農(nóng)田灌溉有用，仍解決不了漕運問題。
這次，郭守敬經(jīng)過詳細的勘察，在離大都西北三十公里處的神山(今鳳凰山)腳下，發(fā)現(xiàn)了水流量較大的白浮泉。如果引白浮泉向南流，沿途可攔截其他泉水，使水量增大。山泉清澈，也沒有泥沙淤積問題。忽必烈很高興，立刻批準了這個方案，并重設(shè)都水監(jiān)管理工程。
開工后，郭守敬沒有直接開渠將白浮泉向東南引，而是先把泉水引向西邊的西山，然后再回東南。原來，從神山到大都，當(dāng)中有不少地區(qū)的海拔都比大都低，直接往東引，水就進不了運河了。而迂回到西山，可保持河道始終高于大都，并能攔截更多的泉水。
1293年秋，從神山到通州全長一百六十多華里的運河，全程貫通，忽必烈將它命名為“通惠河”。
