这年四月，沈括还朝。不久，辽国不断在边境挑衅，北方局势吃紧。为 加强边境防御，朝廷任命沈括为河北西路察访使，任务是视察和整顿边防。 进入太行山区后，他突然发现远处山崖上横着一层怪怪的石壁，就象一条长 带，走近一看，原来是许许多多的螺蚌壳和卵形砾石。
“山上怎么会有海边才有的东西？真是奇怪！”又走了一段路，沈括发 现前面岩层中又有这样的东西。他取了一些样品，仔细观察了一番，一点不 错，真是只有海里才有的东西，那为什么到这里了？沈括思索着。
“沧海桑田”，沈括想到了这句习语。大海可以变为桑田、桑田也可以 归于大海，这就是说海陆可以相互变迁。这里东离大海虽有千里之遥，但在 上古时代可能就在海边，所以才会有这些东西。这一大片陆地都应是后来水 流携带的泥沙沉积，并靠水流冲积而形成的。”
关于水流冲积可以形成陆地的观点，沈括是第一个提出来并做出解释 的。西方提出这个观点的英国学者赫顿，是生活在六百年之后的人了。
沈括到处视察边防后，发现薄弱环节就立即采取措施。他在半年时间内， 经批准采取了三十多项防务措施，这些对于保障边境人民的生命财产安全起 到了积极的作用。
其中一项重要措施是挖掘陂塘。早在宋辽交战之初，两国接壤的河北平 原上，为了阻挡辽军尤其是骑兵的前进，宋修筑大面积塘泊阻挡，这种措施 起到一定的作用。但许多陂塘因年久失修，失去了防御价值。为了对付辽国 新的进犯，沈括利用原来修建的陂塘，加以重修和扩建。例如徐村淀的修复。 此淀原是深州（今河北深县）北部的门户，防御作用很重要，因长期废弃已 干涸，此时的深州城就直接暴露在辽国骑兵的铁蹄之下。经沈括设计，奏请 朝廷批准后，花了两年时间引来河水注入淀内，形成了五十里水上防线。
沈括还积极在边境推行新法中的保甲制度。具体地说，就是每十户编成 一保，有保长；十保为一大保，有大保长；十大保为一都保，有正副部保长。 保户中的男子为保丁，政府允许他们使用兵器，练习武器。这种制度的推行， 可以作到寓兵于民，加强政府的军事力量。
此外，他还在边防线上的重要位置修筑城防，在交通枢纽处架设浮桥， 在许多前沿阵地安置营寨等等。总之，沈括这次北方之行采取了许多措施， 加强了北部边防。这是王安石变法重要目的——富国强兵的一个主要内容。
沈括作为一名精通科学的政治家，十分注意在变法中为加强国家军事实 力而研究军事学。由于他博学多才，又处事干练，所以倍受器重，北方之行 尚未结束，朝廷又委派了他新的职务——兼制军器监。这是王安石变法中为 增强军事实力，进行军事改革、加强兵器生产所设的新机构。沈括在任此职 一年之中，结合自己很早就研究过的军事理论，在实际应用中进行更深一层 的军事学研究取得了可观的成绩。
一是修订完善了《九军阵法》。古代作战讲究排兵布阵，即阵法。阵法 能否与作战时的客观形势相结合，使其利于发挥战斗力，是取胜的一个重要 因素。当时的作战阵法是由郭固等人制定的，他的方案是让九军共为一营阵
（行为阵，住为营），外面环绕一个驻队，这样就把十万军队集中在方圆十 里的范围之内。各路帅府的将领和宋神宗对于此阵法均不满意，神宗就令沈 括重新制定。沈括经过仔细研究，发现这种阵法不利于实战，列阵方法有很 大缺陷，在实战中是难以找到方圆十里而无山丘、河流、树林等障碍可供按 图布阵的地方，这样的阵法也不利于士兵发挥个人战斗力。因此，他提出新 的《九军阵法》方案：九军各自为阵，占据有利地形；前后左右分列，根据 地形自成营阵。这样，作战时各军分合自如，敌人攻击一点则全军合力围攻。 沈括提出的新阵法，配合默契、运动自如，宋神宗下令颁行。后来，沈括把 自己对于阵法的研究编著成《边州阵法》，被作为军事资料存于军事部门。
二是制造精制武器。首先他制造了新式兵车。兵车是我国古代一种很有 威慑力的武器，它进攻时威力巨大，退时又能参预防守。沈括参考了古典文 献，根据当时作战的实际需要，制造了新式兵车，挑选军士演习新的车战阵 法，得到了宋神宗的赞许。沈括还对制造精良兵器的技术进行了科学研究。 他亲入兵器作坊，通过仔细观察研究了熟铁和钢的区别，同时他也掌握了冷 锻和热锻两种不同的锻造方法。锻造成的钢都非常坚韧，用它制甲，在五十 步外用强弩射它，箭不能入；偶尔射中甲片上用来缝缀的钻眼，箭头的铁竟 被钻眼边缘的钢反卷过来。掌握高超的制造技术，目的是提高武器的质量， 是最终达到“富国强兵”的变法目的的重要方面。
在此之前，宋朝的武器大多由各地制造，往往粗制滥造，质量低劣。许 多刀枪经过剥蚀，锈结成团、没有锋芒；有的盔甲甚至用纸麻缝就，稍一用 力就会破烂。有人形容说：别看国家的武器成千上万，可真能派上用场却少 之又少。然而在沈括等人的努力下，军器监成立仅一年多，各种军器生产增 加少则一两倍，多则数十倍，而且质量也有了极大的提高。据史书记载：此 时各种武器国家准备充足，质量有了保证。真要打仗，可以供应几十年。
三是沈括还研究了作战防御技术。他在进行上两项研究的同时，也研究 了城防战术，编著成《修城法式条约》一书。此书记载了当时城防用的敌楼、 马面及团敌等防御战术，并总结了防敌筑城的经验。
综观沈括参预王安石变法的这一历史时期，我们可以看出沈括不仅是一 位积极推行实践新法的政治家，同时也是一位杰出的自然科学家。他参与王 安石变法运动态度坚决而明确，为国为民办了不少实事。尽管他从河北回京 后，王安石曾一度听信大臣吕惠卿的谗言，对沈括产生了怀疑。但沈括始终 对王安石表示出尊敬与钦佩，从未说过半句怨言；就是在新法失败后，王安 石被罢相还乡，沈括在自己的著作中提到王安石还称之为丞相、荆公，并歌 颂他清正的人格和革新的精神。
四、出使辽国 主持三司
熙宁七年（1074年），宋辽边境形势紧张。辽国派使者到开封向宋神宗 递交了国书，上面指责宋军越过北方边界，增修防卫工事，破坏宋辽和约。 这实际上是辽已不满足于小规模的武力掠夺，而企图通过外交途径来占取宋 朝土地。不久，两国在边界举行了谈判。由于辽国本身只想占领土地，对于 是否和谈则不感兴趣，甚至派兵武力威胁。结果谈判从夏到冬，毫无结果， 陷入了僵局。
为了尽快解决边界问题，宋神宗就想派使者直接与辽统治者交涉，可是 派谁去合适呢？他很快想到了精明博学的沈括。于是准备让沈括在熙宁八年
（1075年）三月使辽。就在这时，辽方增派的使臣萧禧带着国书来到开封。 他一来就摆出一副蛮横态度，不肯以礼朝见宋神宗；辽国的国书也措词强硬， 不仅指控宋军越境挑动事端，而且将上次谈判出现僵局归咎于宋使，并再次 要求重新划分蔚州、应州、朔州三州边界。宋神宗同时得知辽国已在边境集 结军队，由于畏惧辽国，他同意作些退让。但萧禧得寸进尺，要求对于三州 土地以分水岭为界划分，这样辽是大占便宜的。按照惯例，使者在对方都城 停留时间不超过十天，但萧禧却赖在使馆不走，扬言不按辽国的要求办就决 不回去。这样，事情拖了一个月。
这时，沈括通过了解情况、查阅档案、研究地图，弄明白了边界的实际 情况。他对神宗说：“根据我国和辽国以往的条约和我国这次的让步，已经 符合辽国所谓的分水岭界线，可以同意辽国的要求，以阻止萧禧进一步提出 要求。为了摆脱萧禧的无理纠缠，并把两方以前签订的有关条约整理后通告 辽国，宋神宗决定撇开萧禧，立即派沈括使辽。萧禧闻讯，怕到手的功劳跑 掉，更何况以分水岭为界的要求已达到，所以他与宋朝代表交换了划界文书。 这样，两国边界谈判有了最终结果，这是建立在宋朝作了让步的情况下达成 的。为了把这个事实肯定下来，以免辽国再生事端，宋政府再派沈括使辽， 名义是赴辽答礼回谢。
沈括估计辽国不会就此罢休，此行必然困难重重。为了不辱使命，保卫 国家的领土主权，胜利完成使命，他作了充分周密的准备。沈括更加仔细地 查阅了档案文献资料，研读了有关文件几十篇。他不仅自己研究，同时要求 随员也都作到了如指掌。四月中旬，沈括率随行人员由京城出发了。早在出 发之前，沈括已经把个人安危置之度外，作了以死报国的决心。当到宋辽边 界雄州时，他写下了一封遗书，请哥哥沈披（时任雄州安抚副使）转呈朝廷， 信中大意是：
“假如臣不能生还，辽军必然倾国入犯，他们的军器武艺，都不及我方， 不过依靠军士能吃苦耐劳，行军不带粮草而已。制敌的方法，应该会合西山 的人马来守卫磁州、赵州。黎阳一带河道窄狭，容易被敌跨渡，所以应分澶 州、大名驻兵，去扼守黎阳白马津；同时怀州、卫州坚壁自守，以阻塞通路。 辽军难以西进，必从中路出兵长趋河桥，此时我军就可以决在齐贾河堤，引 水淹灌敌人，辽军即使有百万之众，也难免全军覆没。唐河发源于西山，可 以用沙袋将它壅塞，等到敌人北归，就决放河水断其后路，镇州、定州的守 军再火速出击，就会以迅雷不及掩耳之势，痛歼入侵之敌。”
这封遗书写得何等雄壮！在千钧一发的重大关头，沈括考虑的不是个人 的生命，而是国家的安危，这是一种多么强烈的爱国之心！
作为一位科学家，沈括也念念不忘科学研究。进入辽国后的一天黄昏， 雨过天晴，一道彩虹出现在前面的山涧之中。沈括不顾草深路滑到涧前观望， 又派人过涧与彩虹对立，进行实验观察，发现彩虹就变得有些模糊了。因此 他认为：彩虹是雨后折射阳光所形成的。并且发现彩虹的位置与太阳位置是 相对的。他还发现辽国境内有一种新奇的动物，它们前足很短后足很长，走 路时用后腿向前跳，这实际应该是归属于现代沙漠地区的跳鼠一类的生物。 沈括特地捉了几只，准备带回国研究。对于异国的风土人情，服饰习惯等情 况，他更是处处留意观察、记录，作为资料保存。这些不仅表现了沈括作为 一位科学家有着执着的探索精神，而且也反映了他作为一位政治家面对艰险 却镇定自如的无畏气概和必胜信心。
五月二十三日，沈括一行到达永安山，辽朝皇帝辽道宗正在此打猎，两 天后接见了他们。二十九日，辽方枢密副使杨遵勖（xù）与右谏议大夫梁颖 等设宴招待宋使，双方开始谈判交锋。辽方首先把沈括等人赴辽回谢的身份 抛在一边，不谈两国谈判后的通好事宜，而把话题再次引入到边界领土问题。 焦点集中在鸿和尔大山 （今山西崞县西南）、天池子（今山西宁武西南管涔 山上）两处的分界问题上。辽方坚持说鸿和尔大山应以分水岭为界，南属宋、 北属辽；而天池子地方当归辽界。沈括则在紧张的气氛中沉着冷静，用辽朝 以往发出的公文与两国的各种条约为依据，指出：辽兴宗重熙十一年（1042 年）辽使者王守源、张永等同宋使翟殿真、吴巴共同商定的疆界，即以鸿和 尔北山脚下而不是以分水岭为界；同时他出示了当时辽政府机构的公文为凭 证来驳斥辽方的无理要求。关于天池子问题，沈括则出示了当时辽驻军的军 事通告，上面注明天池子“地理属宁化军（宋朝的边境驻军）”，也就是承 认天池子地方的主权归宋朝所有。就这样，沈括据理力争，使得辽方代表无 言以对，只得暂时放弃对两地的领土要求。经过十几天的紧张谈判，沈括维 护了国家的主权，六月初胜利返回京城。
沈括凭着自己的博学与精明，挫败了辽方的无理纠缠，取得了外交上的 成功，赢得了边界上的暂时安宁，为国为民立了一功。
沈括不仅精通自然科学，也研究过社会科学，他有丰富的经济理论知识。 从辽国返回后不久，他就得到了朝廷的新任命：代理三司使。三司是盐铁、 户部、度支三司的总称，是北宋管理财政的最高机关，地位十分重要。沈括 担任此重要职务后，在实践中运用自己的理论和智慧，在国家财政方面积极 革除弊政，为解决北宋政府的财政危机作出了很大的贡献，尤其是他主持改 革盐钞法、论说货币流通理论。
盐钞法是北宋政府对食盐进行专卖的制度。其规定是由商人向政府交纳 现金，换取盐钞 （贩盐的凭证），拿到食盐产地支取食盐再运到各地出售。 国家财政收入的很大部分来源于此。到了北宋中期，由于国家财政日益困难， 入不敷出，政府便滥发盐钞以图多从商人手里收得现金。但由于人们食用盐 的需求量在短时间内不会有多大变化，所以就出现了许多虚钞。例如，陕西 每年政府发盐钞三百五十万贯，而人们实际需要的食盐数换成盐钞不过二百 一十万贯，虚钞达一百四十万贯。商人领了盐销售不完，当然也就不再向政 府纳钱换盐钞了，盐钞法也就随之逐渐被破坏了。代之而起的是官卖食盐。 许多官吏只求多卖盐而得利，就利用行政职权强行配给，使广大百姓多了一 项新的负担。比如有一个盐官不仅随意抬高盐价，还将民众按贫富划分等级， 每天分等强配食盐，尤为可恶的是：他规定当天买的盐必须吃完，如果没吃 完第二天就当贩私盐置论处。盐政就这样成为百姓的一大害。同时也影响了 国家的财政收入和政治威信。
沈括经过考察，认识到了盐政之弊对于国家的巨大危害，于是向宋神宗 进了 《盐蠹（dù）四说》的奏章。在奏章中，他从四个方面论述了盐政的弊 病所在和解决问题的办法。
一是针对虚钞泛滥，盐钞法无法执行的现状，建议由政府出钱，将以前 发行的旧盐钞全部回收，为盐政改革奠定基础。
二是针对盐价不稳、私盐买卖盛行的状况，合理调整盐价；限制盐钞发 行额，以市场所需盐量为依据；有效的控制公私盐务。
三是针对官卖食盐的严重危害，采取扩大商人销盐范围的办法来减少官 卖，并采取一定的保护措施使商人能从销盐中获利。商盐销售正常了，官卖 食盐的危害就会减轻，盐钞的价值也就得到了相对的稳定。
四是恢复盐钞法实行之初的国家调整措施。也就是在京城设立都盐院， 由三司拨款，负责调节盐价。当京城盐价低时，商人贩盐进京就会亏本，这 时都盐院就出钱平价购买商人的盐，以免商人吃亏；等到盐价上涨时，再将 收购的盐平价售出，以降低市面盐价。这样就发挥了国家的经济指导职能， 起到了稳定市场的作用。
这些问题和解决办法的提出，是沈括作了大量调查研究而后提出的。它 们符合经济规律，切中盐政时弊，所建议的解决办法又切实可行，宋神宗批 准后，就令沈括具体办理。为此，沈括做了大量的准备工作，直到晚年回忆 起来，沈括还认为改革盐政，是他平生为国为民做的最大贡献之一。正当盐 政改革措施准备正式实行时，由于妒嫉沈括才能和反对改革的大臣在宋神宗 面前多次进谗言，宋神宗相信了他们的话，罢免了沈括的三司使职务，把沈 括贬到宣州 （今安徽宣城）去当知州了。
另外，在三司任职期间，沈括还提出了完整的货币流通理论。三司中的 度支司，是负责国家财政收支的机构。沈括在处理度支司事物时，感到了国 家币制混乱，存在很多问题：货币种类有金、银、铜、铁等各种金属钱币和 大量纸币；货币流通中，铜钱、铁钱并行，大钱、小钱混用；民间大量私贮 铜钱，甚至私铸钱币而影响了国家的经济财政……。对职责认真负责的沈括 因而对货币问题作了专门的研究，并提出了一整套理论。例如，对于当时国 家的钱币枯竭，不够使用的情况，他作了《论钱荒八因说》一文。
他认为，钱币枯竭的原因是多方面的，总共有八个因素。一、人口自然 增长，钱币需求量自然增加；二、由于有着水火灾害和自然磨损消耗，钱币 数量会有所减少；这两个原因是不可避免的。三、由于用钱改铸铜器获利很 大，故民间有大量的铜钱被销熔后制成铜器，对此政府应严格控制，实行铜 禁；四、盐钞失去信用，原来储藏盐钞的人家改为储藏钱币，流通的钱币量 自然减少，对此政府应该定盐钞价值；五、金银等贵金属大多用来铸器皿， 造成币材选用狭窄，应增加金银铸币的数量来辅助流通；六、官府库存钱币 数量大，而不用于流通，如果有一部分库存进入流通，则会在一定程度上解 决钱荒问题；七、边境各族都流通宋朝的铜钱，引起钱币外流，对此应加强 对边境地区的货币控制；八、西部偏僻地区百姓用铁钱私易辽国的马、羊等 牲畜，对此官府可放宽限制，因为当地铁钱过剩，不如换回些有用的物资。
从这些内容可以看出，沈括认识到了货币流通量与人口、与国家贸易政 策的密切关系，并从这些方面着眼考察形成钱币枯竭的原因和解决办法。同 时，他认识到了货币流通率的重要性，认为货币流通频率高，就等于有无数 钱币在使用。他的理论核心所在就是阐明调节货币流通量的必要，使市面上 的钱币流通量与社会对货币的需求量想适应。调节的具体办法如上述的恢复 铜禁、整顿盐钞、增加货币种类、奖励货币流通等都是为此核心而服务的。 他的货币经济理论在中国经济思想史上达到了前所未有的系统和完整；尤其 是关于货币流通率的见解在世界上遥遥领先，在欧洲直到十七世纪才有人提 出类似科学的见解，比沈括晚了六百年。
五、戌守鄜延 边塞立功
沈括被罢免三司使职务后，在宣州呆了近三年，直到宋神宗元丰三年
（1080年）六月，才奉诏调任鄜（fū）延路经略安抚使。鄜延路管辖范围大 体上是今天的陕西北部地区，紧邻党项族建立的国家——西夏，是当时陕西 四路中最为重要的一路；经略安抚使是总掌一方军政大权的要职，被称为“帅 司”，职权重大。宋神宗委任沈括如此要职，说明他还是很欣赏和相信沈括 的才干的；而沈括也因此得以再次运用自己的军事才干来为国效力。
北宋与西夏，长期以来一直处于时和时战的对峙状态，西夏经常入境骚 扰、掠夺，边境不得安宁。沈括一到任后就加强战备，同时与新上任的经略 安抚副使种谔，商量各项军机大事，准备先发制人，出兵西夏。此时，中央 调到鄜州路的人马已先后到达，这样就大大增强了鄜州路的军事实力；各种 军用物资也已准备充足。为了进一步加强军队实力，沈括组织当地的人民， 挑选身强体壮的年青人，教他们练习武艺。看到有武艺出众的青年，沈括就 亲自向他劝酒并给予奖赏，以资鼓励。当地人民由于长期受西夏入侵骚扰而 深受其害，因为沈括顺应了当时广大边塞人民希望保卫自己家园这一愿望， 所以大家都把练武习艺、挽弓射箭看成一种荣耀，积极参加训练，练兵场上 刀光闪闪，喊声震天，一片热烈的景象。一年中，沈括共选拔出精骑善射、 武艺不凡的壮士一千多人，把他们充实到军队中去。
元丰四年（1081年）夏，西夏发生政变，梁太后掌握了政权，她一向敌 视宋朝，不断派兵挑战，战争爆发在即。宋神宗采纳了沈括、种谔的先发制 人之策，决定主动出击。从七月开始宋军兵分五路，分道出兵，其中鄜延路 军由种谔任统帅，沈括留守负责接应。
九月，种谔领兵五万四千，由绥德城 （今陕西绥德）出塞，向北围攻米 脂寨 （今陕西术脂）。这路宋军先是大败西夏所派救兵，接着在无定河战役 中大获全胜：歼敌八千，得马、牛、羊过万，兵器物资等无数。十月，米脂 寨守将被迫投降。这时，敌人打探到宋军主力出征，留守兵少，就想趁机偷 袭宋军后方，切断种谔的退路。沈括早已预料到敌人有这种图谋，严阵以待， 以逸待劳将偷袭德靖寨（今陕西志丹西北）的夏兵击败。
然而，兵力占优的西夏兵随即又合围了顺宁寨（今陕西志丹北），兵力 数万之多，情况十分危急。根据敌强我弱的实际情况，沈括决定采取疑兵之 计。他派先锋李达带领一千人，押运十万人的粮食出城，并扬言沈经略的大 军随后就到，敌人见此，只好就地布防以待宋军主力。与此同时，沈括又派 骁将景思谊率领精兵三千，从岔道袭击夏军，只作了正面防守的夏军猝不及 防，阵脚大乱，纷纷惊惧溃散。这一仗宋军士气大振，不但解了顺宁寨之围， 乘势又攻下了敌人的磨崖寨，俘敌一万、牛羊三万头。闻得此讯后，敌浮图、 吴堡、义合三寨大受震动，成了惊弓之鸟。十一月间，河东路宋军从前线撤 退后路过鄜延，沈括利用这个兵多势大的时机，一面在绥德城大张旗鼓、耀 武扬威；另外让人虚张声势，假称他兼任河东路军统帅，即将会合两路军马 共同出击。由于顺宁大捷后，沈括名震边镇，浮图、吴堡、义合三寨守敌闻 风丧胆，撤出三寨星夜北遁。沈括兵不血刃占领三寨，随即加固城防、储备 物资，使之成为宋军的前哨基地。
沈括在后方牵制西夏军队，有力地配合了种谔在前方作战。种谔率军连 连告捷，先后攻克石州（今陕西横山北）、夏州（今陕西横山西）、银州（今 陕西榆林南）随后进兵到了盐州（今宁夏盐池西北）。这时，由于孤军深入， 给养已经供应不足了，加上天气寒冷、大雨封路，军兵饥寒交迫无力再战， 种谔只得下令撤兵。这时，军中的一个将领名叫刘归仁，他不听撤兵布置而 率己部抢先南逃，引起军心大乱，最后全军溃散。为了严肃军纪，等刘归仁 赶回，沈括质问他原因，他说取粮，这无疑是抵赖。沈括当即拍案责问：“即 是回来取粮，为何没有军符？”刘归仁无言以对，只喊饶命。“贪生怕死， 为大将者当马革裹尸，如你这般饶你何用，给我推出斩首！”说完，沈括掷 下令箭。对于溃散回归的士兵，则不加处罚。事后，宋神宗派人到军中查问 处斩刘归仁和士兵溃逃之事，沈括具实报告，并解释了为什么不能按军法处 分溃卒的原因，他说：“士兵离开家人远在几千里之外，当走入九死一生的 境地后，偏偏将领失策，而且无衣无食，这时又有长官带头逃跑，所以才跟 着逃命，这是人之常情，当然应该原谅他们。”
最后，五路宋军由于缺乏统一指挥，各军不能互相协调，再加上自然条 件的限制，进攻西夏没能取得大的战果，各军陆续回撤。
西夏经过修整后，重新组织兵力，准备反攻。他们把兵力集结在金汤堡
（今陕西志丹西北），作为南进的前哨。为了解除敌人的威胁，沈括决定夺 取金汤。他采用声东击西的作战方针，派大将曲珍领兵二万，故意“泄露” 出要进攻西夏的葭芦寨。西夏果然中计，把兵力调向葭芦寨方向以图拦截宋 军。曲珍率军突然折行，直指敌人守备空虚的金汤寨，金汤守将措手不及， 慌忙迎战，被杀得大败，宋军随后占领了金汤寨。
金汤寨得胜后，沈括决意扩大战果，“真正”夺取葭芦寨。这次他用了
“暗渡陈仓”之计，他派曲珍带兵虚张声势，佯装正面进攻；另派李议率精 兵采取迂围包抄战术，连夜渡河从侧面袭击敌寨。寨中夏军还在睡梦中，被 四面喊杀声惊醒，随即溃散；负责正面防守的部队急忙来救援，与宋军混战。 这时曲珍从正面合力进攻，很快击溃了敌军，占领了葭芦寨。
鄜延路宋军在沈括的指挥下，连战连捷，多次夺寨斩将，收复了大片土 地，在已占领的地方筑垒派兵，并招募流亡的农民耕种荒芜已久的田地，增 强了西北的边防力量。因此，沈括多次受到朝廷的嘉奖。
为了朝廷以后能顺利出兵，知己知彼，元丰五年（1082年）五月，沈括 根据自己的实际侦察和对双方作战形势的估计，编写成《边略》一文，记述 了西夏边界上的防卫布署情况及地形，并且分析了未来的边地形势，上呈宋 神宗作为决策参考。在绘制 《边略》中的地图时，沈括作了大量地理地貌考 察，并研究了宋夏之间以往的战争，发现西夏之所以能常常进犯而且进退自 如，在于他们占据了有利地形，而宋军则处在一种防卫不利的局面，能否改 变这一局面是能否解决边患的一个重要因素。同时他发现，夏州西南的乌延 地势险要，而且土地肥沃、物产丰富，下瞰平原、背倚山界，是要冲之地， 所以他和种谔联名写了一道请筑乌延城的奏章。因为事关重大，种谔为此特 地进京向宋神宗当面陈述他们的看法，建议先筑银州城、再筑乌延城、然后 修筑夏州城，这样在整个边界地区就形成鼎足之势，进可以攻，退可以守。
宋神宗看了奏章，又听了种谔的陈述，认为很有道理，于是派大臣徐禧 和李舜举前往鄜延审议。徐禧为人向来自大，这回奉圣旨赴边更是目中无人， 为了把功劳揽在自己的身上，他抢在种谔之前赶到了鄜延，并匆匆成立了一 个计议边事所，主管修筑城堡之事。经过了一番浮光掠影般的观察，徐禧否 定了沈括、种谔关于建立银州—一乌延城——夏州的防卫措施，主张修筑城 防于永乐。然而实际上，永乐地方在米脂寨西一百五十里，距银州城二十五 里，北倚高山，南临无定河，三面都是悬崖峭壁，虽然地势险要，但属于绝 境，战时易被围困，败则无路可退，无论战守两个方面都没有大的军事价值。
沈括不同意这种方案，无奈徐禧处处摆着“钦差大臣”的架子，揽大权 于一身，根本不听沈括的意见。三个月后，沈括只得附和了徐禧的主张，徐 禧上奏神宗，说“已经和沈括商定了，先筑永乐城。”同意筑永乐城，是沈 括的一个严重错误，后来永乐惨败的祸根，就是在这时埋下的。
种谔从京师回到鄜延，听说不在乌延筑城而改筑永乐城，立即向徐禧提 出异议，说到：“如果在永乐筑城，战则必败。”徐禧本来就对种谔的刚正 不阿不满，见到他又来阻止自己“立功”，就威胁道：“你敢对钦差胡言乱 语，说不吉利的话，就不怕死吗？”“如果兵败，我自当以死报国；反对你 的主张，也不过一死，死又有何惧！”徐禧威胁不成，也就没有办法，于是 向宋神宗上奏，说种谔自做主张，不听调遣。宋神宗听信了他的一面之辞， 就下诏令种谔留守延州；徐禧、李舜举主持修筑永乐城；沈括将经略府移至 边界，负责接济军用。
永乐城自元丰五年八月十五日动土，至九月六日正式筑成。徐禧洋洋得 意，准备邀功请赏。不料刚过了四天，西夏就以三十万兵力围攻永乐城，以 图拔掉这根钉子。由于事先没能料到敌人会出兵这么多，故宋军没有做好充 分地准备；沈括带兵试图解围，也没能成功；种谔则在延州带领四千军兵， 抵抗着另一路敌兵的进攻。前面我们说过，永乐城地势险要，但城内没有水 源，全靠无定河提供。西夏军在攻城未果的情况下，夺取了无定河水寨，切 断了宋军的水源，士兵干渴难忍，甚至绞马粪以求能挤出一丁点水来润喉。 九月二十日夜间，天降大雨，守城将士急忙承接甘霖，不料西夏军也乘此时 加紧攻城。这时，宋军已经过了十二天的血战苦守，战斗力大大减弱，到了 半夜永乐城失陷了。
后来据宋朝官方公布，这一仗官兵阵亡达一万二千多人，丧失军马一万 匹，军用物资损失无数。徐禧、李舜举也在乱军中被杀。宋神宗闻此消息， 心中悲伤以至流泪，几天不进饮食。永乐之败的原因，主要是钦差徐禧主观 自大，争功心切；而永乐城又是孤寨前伸，水源缺乏，离给养基地也相当远， 这两个因素是永乐惨败的主要原因。但是，沈括作为鄜延路的“帅司”，从 定议筑城到城陷兵败，他都是要负一定责任的，况且徐禧已死，故永兵之败 的第十天，宋神宗就下诏贬谪沈括，让沈括到均州（今湖北十堰东）任团练 副使。
就这样，沈括含泪告别了曾经一起浴血奋战、同甘共苦的鄜延路将士； 离开了那些凝聚了他无数血汗的边寨；怀着惆怅的心情踏上了南下的漫漫长 路。
六、科学史上的巨著—— 《梦溪笔谈》
团练副使只不过是一种兼衔空名，从此之后，沈括所挂的也都是空职虚 衔，只能得到少许俸禄聊以度日。所以宋神宗贬谪沈括的诏书，实际上是宣 告了沈括政治生涯的终结，这对沈括可以说是一“祸”，但正是此祸，使得 沈括有了精力抛开繁杂的政务，深入到科学研究中去，留下了不朽的科学巨 著《梦溪笔谈》，这对于我国文明史来说，是一大“福”。
沈括被贬谪后，名义上是均州团练副使，实际被软禁在随州（今湖北随 县），失去了人身自由。他借住在一个寺庙内，举目无亲、孤独寂寞，朝夕 只能与纸笔为伴。直到三年后的元丰八年（1085年）宋神宗死后，新即位的 宋哲宋大赦天下，沈括才得以离开谪居地随州，来到了离家乡很近的秀州（今 浙江嘉兴）。这里的乡土亲情使得沈括从深深的孤寂和苦闷之中解脱出来， 专心投入到一项既利国、又利民的工作之中，这就是编制了一套《天下州县 图》。
早在十年前，他还在三司使任上时，就奉旨编绘一部新的全国地图，但 繁冗的政务使他无法全力以赴进行这项工作，因此一直没能完成，不过沈括 一直没有放弃这项工作，即使在被谪随州的日子里，他也随身带着以往收集 的图稿，不时加以研究。这时，他可以集中精力来实现自己的夙愿了。经过 广征博引，参考大量的资料，又用了两年时间，他终于绘成《天下州县图》。
这套地图包括大图一幅、京城图一幅、诸路图十八幅，包括了当时北宋 所管辖的全部地区。在制图技术上，沈括所采用的方法是很科学的。他继承 了我国传统的“制图六体”，即六项制图原则：分率（比例尺）、准望（地 理位置）、道里 （实际距离）、高下（地势高低）、方斜（地形状况）、迂 直 （道路曲直），并有一定的发展。比如：在他之前，地图绘制都是用八个 方向来定位，而沈括则采取了二十四个方向。这样就使地图的精确度大大提 高，提高了古代制图学的水平。
沈括编绘完成《天下州县图》后，在元祐三年（1088年），将地图献给 朝廷，得到了嘉奖，宋哲宗解除了以前对他的人身限制，允许他可以自己选 择居住地点。沈括便以秀州迁到了润州 （今江苏镇江）的梦溪园，此时沈括 已经五十八岁了。
梦溪园座落在润州的东郊，它是一处风景秀丽的田园。园内翠竹成林、 郁郁葱葱；梦溪泉水，碧绿澄彻，叮叮咚咚向前奔去。沈括闭门谢客、潜心 著述，在书房中摆满了各种书籍资料。在这里，沈括将自己的一生见闻，科 学研究所得汇集成一部著名的科学巨著——《梦溪笔谈》。此外，他的《长 兴集》、《良方》、《忘怀录》等几十部著作也是在此完成的，可惜的是大 多已经佚亡。
《梦溪笔谈》是一部内容极为丰富的著作。它是沈括毕生科学研究的结 晶，它有着广博的内容、独到的见解，反映了我国古代、特别是北宋时期在 自然科学方面的辉煌成就，也反映了沈括的经世之才和博学多知。《梦溪笔 谈》共三十卷，其中包括《补笔谈》三卷、《续笔谈》一卷。全书分为故事、 辩证、乐律、象数、官政、人事、权智、艺文、书画、技艺、器用、神奇、 异事、谬误、讥诈、杂志、药议共十七目，六百零九条。书中内容涉及到自 然科学和社会科学的各个方面，是一部百科全书式的著作。
《梦溪笔谈》记载了许多宝贵的自然科学资料，包括了天文、地学、物 理、化学、生物医药、工程技术等各方面内容。
在天文学方面，其中有一条关于常州陨石的记载，内容是这样的：
“治平元年（公元1064年），常州日落的时候，忽然从天空中传来一阵 雷鸣之声，一颗几乎和天空中月亮大小相似的星星，在天空的东南出现了。 很快，人们听见“轰”的一声，这颗星坠落了，地点是宜兴县一个姓许人家 的花园中，远近的人都看见这里亮光照天，并着了火，把许家园子的篱笆都 烧坏了。等到火焰熄灭后，发现地面有个杯子大小的洞，入地很深，往下望 时，发现星就在里面，火光荧荧，许久才逐渐暗淡，但还热得不可挨近。又 过了很长时间，等星不热了才把地洞掘开，在深三尺多的地方，发现一块圆 石，大小和拳头差不多，一头略微尖锐，颜色黝黑似铁，重量也如铁一般。”
一条不长的记录，把陨石坠落时间、地点、过程和陨石的形状、比重作 了完整而科学的描述，这在世界天文史上也是罕见的优秀纪录。
在气象学方面，《梦溪笔谈》中的一条，记载了海市蜃楼这一奇异的自 然景观，文中记述到：
“登州（今山东烟台）海中，在天空中不时出现如同宫殿、城墙、人物、 车马、市集等情观的云气，十分清楚，当地人称之为 ‘海市’。有的人说这 是海中蛟龙吐气而形成的，我认为这不是 ‘海市’形成的原因。欧阳修当年 路过山东高唐县的时候，也发现过类似的现象，并详细地记载下来，他也看 见了人物、车马等景观，与我所见的大致相同。”
现代研究证明，海市蜃楼现象的形成，是因为光线经过不同密度的空气 层时，发生了显著的折射现象，从而把远处景物显示在空中而形成各种奇异 景象，它常发生在海上和沙漠地区。对于海市蜃楼这种复杂的大气光学现象， 沈括当时虽然还无法加以科学的说明，但他不相信这是由蛟龙吐气所成的无 稽之谈，这种态度是积极的。
在地质学方面，书中对于海陆变迁、流水侵蚀、地震等现象均有记述， 有一篇关于古生物化石的条文对现在的科研也有启发：
“最近延州（今陕西延安地区）永宁关有一段河堤塌陷，深达几十尺， 在下面发现了一片竹笋林，共有几百根，它们根茎相连，此时已经成为化石 了。这时正好有皇宫内物人员路过，发现这种奇特的东西，就取走了一些准 备献给皇帝。我感到很奇怪，延州这个地方一向不出产竹笋，而此物被深埋 在地下，也不知到底是何物。难道是在上古时代，此地气候温暖潮湿而且地 势低下，条件适宜于竹子的生长？在南方婺 （wù）州金华山有松树、桃核、 芦根、鱼、蟹等物的化石，但是当地原产这些东西，所以发现它们的化石也 就不足为奇了。然而，竹笋在这样深的地中是不可能生存的，当地也不出产 此物，所以我认为这是非常有意思的事。”
沈括通过对延州化石的研究，提出了当时地处高寒，不宜生竹的延州可 能在上古进代，地势低平、气候温湿而适宜竹的生长的见解，虽然沈括所说 的化石并非竹笋化石，而是新芦木化石。但他的这种根据化石来研究古代地 理环境和气候条件的方法，至今仍为科学工作者所广泛运用。
在物理学方面，《梦溪笔谈》也保留了声、光、乐理等许多分枝学科的 资料，比如有一条记载了一次特殊的雷电现象：
“内待（官名）李舜举家曾遭到过暴雷的袭击。当时雷劈到了西屋，有 一火球出现在窗内，跃入屋中，在场的人都认为屋子就要被焚毁，赶快都逃 了出去。等雷声停止后，人们发现屋子好好的，但墙壁和窗户纸都变成了黑 色。屋中有一个木柜是存放各种器具的，其中有带银饰品的漆器，银都化成 熔液流到了地上，而漆器却连一点焦灼的痕迹也没有。还有一把宝刀，用精 钢制成，极为坚硬，然而在刀鞘中化成了钢水，刀鞘却完好无损。人们常说 要着火必定先烧草木，然后才能溶化金属。但这次却相反：金属器物都被烧 化，草木却毫不受损，这真是一件怪事啊！佛书上说 ‘龙火遇上水会烧得更 旺，人间的火遭遇水就会熄灭’，这句话真是有理。人们能够明白许多事， 但有的事要用一般的看问题的方法去推测它，是无法得到正确答案的。”
这段文字所反映的，实际上是一次高频感应放电现象。限于当时的认识， 沈括不可能了解其中的科学道理，故而连博学多知的他也对此现象发出了力 所不能及的感慨。
在化学方面，有关于石油的资料记载可以为其代表：
“鄜延境内有石油，从前说延水东岸有石脂水，指的就是这个。石油产 于水边，与沙石，泉水混杂在一起，缓缓地从地里冒出来。当地人用野鸡的 尾羽把它沾起来，采集后放进瓦罐里，很象纯漆。它燃烧的时候象麻一样， 但烟很浓，把帐篷都熏黑了。我想它的烟也许可以利用，就试着把它燃烧后 附在物体上的烟煤扫起来，集中到一起用来制墨。没想到用它制出的墨又黑 又亮，象漆一样，连松木烟灰制作的墨也赶不上它，于是就用它做了许多墨， 在墨锭上以“延州石液”四个字作为标记。石油制品在今后一定会大大推广 的，现在就从我做起吧。我认为，石油数量非常多，蕴藏在地下没有穷尽， 不会象松木那样有时会枯竭。现在山东一带的松林已经采完，就连太行山、 京西、江南一带有松树的山，现在大都也都光秃秃的了。制墨的人还都不知 道石油燃烧时产生的油烟对制墨有很大好处。石炭 （一种烟煤）燃烧时发出 的烟也很大，会把衣服熏黑。我高兴地开玩笑做了一首《延州》诗：“二郎 山下雪纷纷，旋卓穹庐学塞人；化尽素衣冬未老，石烟多似洛阳尘。”
沈括是我国历史上第一个提出“石油”，并利用石油烟灰制墨的人。早 在九百年以前，他就根据延州一带人民采集、利用石油的情况以及古代文献 的记载，作出了“石油数量非常多，蕴藏在地下没有穷尽”的论断，并且大 胆预言石油会在未来的世界上广泛推广使用。今天，我国丰富的石油资源的 开发和利用以及石油在世界上占有的重要地位，不能不让我们佩服这位大科 学家的远见。
在生物医药学方面，《梦溪笔谈》对动植物的地理分布、形态描述和分 类，生物的生理、后生态现象，药物和药理作用，古生物学等方面做了大量 的忠实记录。比如《采药》一文：
“古法认为：采草药应在二月、八月（此处及下文均指农历），这很不 恰当。二月时草已经开始发芽，八月时草苗还没有枯萎，这仅仅是有利于采 药者辨认，对于药材的质地来说，在二、八月采则未必是好时机。大凡用植 物根部入药的，应该采多年生草木植物的隔年老根，时间应是在它没有茎叶 的时候，因为这时植物的所有养分都集中在根部，所以此时药性最强。要想 验证这种说法，可以用芦菔、地黄等药物为例，如果在没有茎叶的时候采摘， 根就会饱满而分量沉；反过来，根就会空虚而分量轻。那些不用隔年老根的 药用植物，应等到它已经长成但还没开花时采摘，因为此时根已经长足而且 没什么消耗。比如紫草，没开花时采，根色鲜艳；花开过后再采，则根色灰 暗，这便是采药时节不同，药材质地也不同的验证。
