战国至西汉时期农田水利建设蓬勃兴起。农业生产工具得到发展,采用青铜器后生产力得到发展,出现了由地方权贵集中人力建造的较大型的渠系,取代了庄园式的农田沟洫工程,建造技术和能力也得到发展。海河流域方面战国初年魏国邺令西门豹在今河北临漳一带主持兴建了中国最早的大型渠系漳河十二渠。由于漳水含有较多的泥沙带有丰富的有机和无机养分该渠的兴建不仅发展了灌溉而且肥沃了农田改良了土壤。长江流域方面,在秦昭王时代,秦蜀守李冰的亲自规划设计于公元前256~前251,在成都平原修建了都江堰引水灌溉工程。工程建于岷江冲积扇地形上为无坝引水渠系。渠首工程主要由鱼嘴、宝瓶口和飞砂堰3部分组成,鱼嘴是位于江中的分水堤它将岷江水一分为二,宝瓶口是内江进水口门起节制进入灌区水量的作用,飞砂堰则是内江溢洪道,三者组成完整的灌溉引水枢纽工程。都江堰规划布局合理设计构思巧妙,在施工和管理上如以当地竹石等作建筑材料,设立石人水尺以观测入江水量等,也有许多合乎科学的创造。它是古代灌溉渠系中不可多得的优秀典型。除灌溉外,在防洪、航运上也发挥其效益。它有力地促进了川西平原经济的繁荣。
黄河流域方面灌溉渠系的发展,其中以关中平原的郑国渠规模最大。该渠于秦始皇元年公元前246,由水利家郑国主持兴建,它西引泾水,东注洛水,干渠全长300余里,灌溉面积号称4万余顷。西汉时期关中地区渠系建设进一步发展。其中和郑国渠齐名的白渠建于太始二年,公元前95年,灌溉面积约4500余顷。辅助郑国渠灌溉的还有六辅渠。在渭水及其支流上则有成国渠、蒙茏渠、灵轵渠等。引洛水的灌溉工程有以井渠施工技术著称的龙首渠。当时关中经济的繁荣也与发达的水利建设有关。倪宽在六辅渠的管理运用方面还有新的创造,就是他在我国首次制定了灌溉用水制度。“定水令以广溉田”由于制定了灌水制度促进了合理用水,因而扩大了浇地面积。灌溉用水制度的制定是我国农田水利管理技术的重要进步。郑国渠和都江堰让秦朝有了充足的粮草,有了足够强健的兵马,为统一中原,完成中国的统一大业奠定了坚实的物质基础。更难能可贵的是建于2250年以前的都江堰工程至今仍在运行,灌溉着1130多万亩的田园。
此外秦朝兴修灵渠沟通了湘水和离水。灵渠在广西壮族自治区兴安县境内是世界上最古老的运河之一有着“世界古代水利建筑明珠”的美誉。公元前214年凿成通航是跨越湘江水系和珠江水系的古运河与陕西的郑国渠、四川的都江堰并称为“秦的三大水利工程”。这一时期西北地区水利也取得重要成就。除今河套和河西走廊外今新疆地区西汉时广兴屯田也注重灌溉工程。华北地区则有引汶水和巨定泽水的渠系工程。这一时期除大型渠系外陂塘蓄水、陂渠串联、水库蓄水、坎儿井以及凿井等灌溉工程也相继兴起。陂塘蓄水工程仍以东周时建成并屡经修浚的芍陂为代表。 陂渠串联的工程型式在淮河和汉水流域一带较发达,以战国末年在今湖北宜城建成的白起渠为最早。这一带丘陵起伏大小陂塘遍布白起渠利用这一地形从汉水支流蛮河开渠引水将分散的蓄水陂塘与渠系串联起来提高了灌区的灌溉保证率。 汉元帝建昭五年公元前34,南阳太守召信臣在汉水支流唐白河流域修建的六门□又称六门陂也是陂渠串联形式。由于这一带水利发达后人曾将南阳水利与都江堰和漳水十二渠相媲美。颍水下游著名的鸿隙陂也是类似的工程。今山西太原西南晋水上的智伯渠是一座能有效调节河水的灌溉水库。坎儿井则是新疆吐鲁番盆地一带引取渗入地下的雪水进行灌溉的特殊灌溉工程型式,西汉时期已见诸记载。用于农田灌溉的水井在今河南的战国遗址中也有发现。淤灌、放淤和盐碱地改良古代北方有大面积盐碱地存在。
战国时期已知滨河盐碱地的产生是河流侧渗抬高地下水位的结果采取了一些比较有效的改良措施包括开挖窄而深的农田排水沟以降低地下水位放淤压碱,施用动物粪便以改善土质等等。当时人们受河流决口泛滥淤泥肥沃田地事实的启发在兴建灌溉工程时就有意利用淤灌和放淤以改良土壤。如漳水十二渠和郑国渠、白渠在改良盐碱地等方面都取得一定效果。农田水利科学技术成就在水资源方面《管子·地员》则对地下水质埋藏深度以及和地表土壤性质、作物种类、产量高低的关系等都有所说明。《吕氏春秋·圜道》则指出了降水主要受东南季风影响的事实并描述了海洋上空水汽被季风吹向大陆、形成降雨尔后汇为河流、东南入海的循环往复的过程。对于地面水《周礼·职方氏》罗列了全国九州河流和湖泊的分布指明了哪一些是有灌溉利益的水源。 在农田水利工程和灌溉技术方面《管子·度地》的一些论述表明当时对明渠水道坡降的计算、有压管的流水力学现象、水跃以及土壤含水量与施工质量的关系等已有所认识。都江堰除利用石人水尺以测量水位的设计外渠道进水口位置选择与弯道环流现象的应用等也都有重要意义。龙首渠的大型无压隧洞标志了当年测量和施工的较高水平。当时的引水渠首已普遍建有闸门渡槽也已出现凿井开采地下水以及井壁衬砌技术已较成熟并且已知在开采井水灌溉时利用日照提高水温。 西汉中期在六辅渠上还出现了见于记载的中国第一部灌溉管理法规。
西汉末至三国时期还发明了一些灌溉和利用水力驱动的机械如翻车龙骨水车、渴乌虹吸管、水排等。