沈括，字存中，钱塘人，因为父荫得官为沭阳主簿。沭阳县靠着沭水，是职方氏所写的“水泽叫沂水、沭水”的地方。早先的河道漫衍为停滞不流的污泽，沈括重新修筑二堤，疏浚水流为一百条水渠九个水坝，用来分导和节制沭水的主流和支流，得到上等好田七千顷。
考中进士后，沈括被派去编集校对昭文馆的书籍，担任馆阁校勘，删定三司条例。按照惯例，皇帝每三年一次往圜丘祭祀天地的礼仪，是由有关机构按照典籍记载安排进行，他们把副本收藏起来，吏员往往借着举行祭祀仪式而谋取私利。祭坛下张设帐幕，在距离皇城数里的地方修建园林，竖立起五彩的木头，把雕刻好的飞鸟走兽绵延不断地放置在林木之间。将要举行祭祀的前夕，皇帝亲自前来观赏，登上端门，陈列仪仗卫队以检阅他们的威严警戒，游览赏玩，这些都不是斋戒祭祀时所应有的现象、皇帝使用的一个器物，就需要六七十名工匠制作。沈括考察了南郊大礼的历史沿革，撰写了一本书叫《南郊式》，于是皇帝降诏命令他掌管郊祀的事务，按照新礼仪办事，所节省的费用数以万计，神宗十分满意。
升任太子中允、检正中书刑房、提举司天监，当时的日官都是庸庸碌碌的人，对于天文现象、天体图象及天文仪器，几乎全然不知。沈括开始设置浑仪、景表、五壶浮漏，召请卫朴修造新的历法，向全国各地征集太史用的观测天象的书籍，在司天监里参杂使用读书人，把方技科分为五项，这些办法后来都被采用施行。加官为史馆检讨。
淮南发生饥荒，朝廷派遣沈括前去巡察。他发放常平仓的钱和粮食，疏通河渠，修治荒废的农田，以此来消除水灾造成的破坏。升任集贤校理，巡察两浙地区的农田水利情况，升任太常丞、同修起居注。当时朝廷大规模地登记民间车辆，人们不了解朝廷的用意，都引以为忧；市易司又担忧四川禁止不了私贩井盐，打算把四川的私井全部填实封住而运解池的盐去供应。上书议论这两件事的奏疏多得像织机上的纱线，但神宗都不予理睬。沈括侍立在神宗身边，神宗回头看看他说：“你知道征集车辆的事吗？”沈括回答说“：我知道这件事。”神宗说“：这事怎么样？”沈括回答说“：请问征集车辆打算做什么用？”神宗说“：北方的辽军用马来取胜，没有车是不足以抵挡他们的。”沈括说：“车战的好处，在历代都可以看到。但是古人所说的兵车是轻车，五匹马拉车折冲旋转，有利于快速行军。如今民间的载重车笨重庞大，每天走不了三十里路，因此人们把它叫作太平车，只能够在太平的日子用用罢了。”神宗高兴地说：“别人都没有说到这些话，我要好好考虑。”于是又问他川盐的事，沈括回答说：“把所有的私井都填塞封掉而运去解池的盐，使盐全部都由官府发售，固然好。但是忠州、万州、戎州、泸州一带少数民族地区的小盐井很多，不可能一下子禁绝，势必要在这个地区加强警戒，这样的话我怕所得不足以偿所费。”神宗点头同意。第二天，这二件事都停止实施了。提升为知制诰，兼管通进、银台司，沈括从任太子中允到知制诰才三个月的时间。
任河北西路察访使。以前的惯例，凡有银冶之处，转运使就设置官员收取银冶的息钱。沈括说“：靠近宝藏就会使国家贫穷，这是必然的事；靠近宝藏的人多了，那么窝藏的奸伪之徒怎样检查出来呢？朝廷每年送给契丹数十万两银子，因为它不是北方所有的东西，所以他们看重它而认为获得它是有利的。过去的银城县、银坊城都已被他们侵占，假如使他们知道开凿矿山的好处，那么中国的岁币更加要被他们看轻了，还有什么东西可以每年送给他们，边境争端将要从这里开始了。”
当时朝廷要京城附近地区的百姓每户出马充作赋税以保卫边境，百姓把这当作灾难。沈括说“：北方地区马多而且人们熟悉骑马作战，好比是中国擅长强弩。如今舍弃我们擅长的技艺，勉强去做不擅长的事，怎么能够取得胜利。”另外边境地区的人练习打仗，只以拉开弓的强度来确定高下，但未必能射穿皮革，沈括说应该以射出远近的距离和射入硬物的程度作为考核的标准。沈括提出类似的意见三十一件，皇帝降诏都同意实行。
辽国的萧禧来处理河东黄嵬一带地界分划的问题，留在馆舍不肯辞去，说：“我一定要达到目的才能返回。”神宗派遣沈括出使辽国。沈括到枢密院查阅以前的档案文件，查找到当年商定边境的文件，文件指定以古代的长城作为边界，而现在所争的地方与长城相距三十里远，于是上表阐明了这件事。神宗在休假日打开天章阁召见沈括答对，高兴地说“：大臣们根本不去探究事情的原委，差一点误了国家大事。”神宗命令把地图拿给萧禧看，萧禧这才感到理屈。神宗赐给沈括白金一千两，让他出使辽国。他到了契丹宫廷，契丹宰相杨益戒来同他面议。沈括找到争论地界的各种书信档案数十件，预先让幕僚和吏员背熟它，杨益戒有问题提出，沈括就回头让吏员列举所得档案回答。另一天再问，还是同样回答。杨益戒无言可对，傲慢地说：“几里土地都不忍心，难道忍心轻率地断绝友好关系吗？”沈括回答说“：军队以正义为强大，以理屈为衰弱。现在你
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