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1937年黄万里学成回国，在途中横滨停泊时结识了同盟会元老丁维汾之女丁玉隽，一见钟情，同船返国，是年在庐山结为伉俪，从此一生风雨同舟，相爱不渝。回国后浙江大学校长竺可桢曾亲自登门邀其到浙大任水利系主任，但黄先生以年轻为由谢辞。他想考察中国的河川，出任了全国经济委员会水利技正。当时中国学水利获博士学位的四人除黄万里外都在大学任教或做官。半年后，抗战爆发，赴四川水利局道滩委员会，任工程师、测量队长、涪江航道工程处处长等职，曾用四个月的时间在长江支流上修建了小水利灌溉工程，仅花了四万元，节约预算5/6，灌溉农田1。5万亩，步行六次勘察岷江、乌江、涪江、嘉陵江，行程3000公里，期间训练了40多名工程师。当时水利勘察艰难与危险不亚于战场，为此三个留学回来的硕士殉职淹殁于江，其中有黄万里康乃尔大学的学友。1947年，任甘肃水利局长。获此职位是因当时甘肃无水利人才，只有黄万里任此职可自带一支水利专业人才队伍。黄万里在美留学时，地貌学尚未建立，通过所学的知识和回国后十年的的经历，他在头脑里建立了水文地貌学的观念，开始对治河问题有了初步的认识。1949年，任东北水利总局顾问。1950年，到母校唐山交大任教，1952年转清华大学水利系，任教授至今。
1957年6月，苏联专家已设计好三门峡水库，当时在一半豪情一半无知的情况下，除受淹的陕西省，举国上下一片喝彩。当时毛正让百家争鸣，中央召集了全国专家70人讨论三门峡水库。会上只有黄万里一人坚决反对在三门峡建坝，正象62年黄万里在《念黄河》诗中所说“樗散书生不晓机，竟然抗疏犯龙鳞”。在会上与主张建坝的人争辩了七天，会上大部分人不说话，私下有人向黄万里说，我同意你的意见，但不敢说，因为是苏联专家定的。随之就开始了对黄万里的批判，但黄万里说：一定要修将来要闯祸的，历史将要证明我说的观点，要求记录发言。
黄万里反对建三门峡水库的理论依据是什么呢？积多年所学和实际经验他认为：（1）黄河的泥沙主要来自中游山陕黄土高原，水土保持不可能解决自然冲刷下来的泥沙，正是这些泥沙冲积成了世界上仅次于亚马逊平原的黄河三角洲平原。因挟带泥沙而认为黄河是害河，前提是错误的。黄河在郑州以下是黄河淤积段，淤积段泥沙沉降是不可避免的，指望建三门峡水库拦住泥沙，解决下游河道淤积问题，指导思想就是错误的。（2）凡在河流淤积段上建坝都会使坡降更减速，加甚淤积，决不可行。郑州以上黄河原为冲刷段，由于地质史上三门峡的抬升和潼关一带沉降为地堑区，故峡县至龙门及渭河全改为淤积段。三门峡水库恰建在这一特殊淤积段上，大坝如建成，黄河潼关以上将大淤，并不断向上游发展，特别是渭河河床抬高将淹没关中平原的大片良田，不过是把下游的灾情移到中游，于整个治河之事无补。这坝修不得。（3）一定要修，请勿将河底的施工排水洞堵死，“以免他年觉悟到需要刷沙时重新在这里开洞。”最后这一条与会者全都同意了，也得到了国务院的批准，但现场主持施工的“水利专家”仍按苏联专家原设计将6个施工泄水洞全部堵死。
1960年9月，三门峡水库开始关闸蓄水。同年潼关以上渭河大淤，淹毁良田80万亩，一个县城被迫撤离，一年半的时间里，15亿吨泥沙都淤积在从三门峡到潼关的河道里，把潼关河床抬高了4。5米。随后渭河两岸，地下水无法排泄，田地浸没，土地盐碱化，泥沙占了水库大量库容，淤积不断向上游延伸，64年咸阳河段已淤积3米，威胁到以西安为中心的工业基地。以后为了保西安又不得不降低水库水位，从1965年大坝改建，在大坝上多处穿孔，以泄泥沙，1967年后被堵施工排水洞每个以人民币一千万元的代价将它重新打通。还拆掉了刚装上的15万千瓦的高水头发电机代之以5万千瓦的低水头小机组。由于改建三门峡水库没有完全采纳黄万里的意见，泥沙在库区貌似达到了冲淤平衡，实际上库区上游黄渭河的淤积问题只是放缓，并未得到彻底解决。此后，筑坝拦沙让“黄河清”的初衷无人再提。整个三门峡工程造成损失有人估算不下百亿，还涉及到29万多农民从渭河谷地被迫向宁夏缺水地区移民，其中15万人来回十几次迁移，给他们造成了人生中难以想象的惨剧，连国务院派去视察的高官都为之落泪，说“国家真对不起你们”。历史虽然证明了黄万里的预言，但付这么沉重的代价令黄万里痛心不已。73年他写下了“凡此事前皆可见，一般律定莫相违，平生积学何所用？愧对苍生老益悲”的诗句。至今，忆及此事黄万里还潸然泪下，说“我一辈子念书想救黄，可他们没有听我的一个字，我白学一场，我真痛心！”
在当时黄万里何来这么大的勇气和一个强大的政治力量唱反调？除了一个学者的学术良知外，应该说父亲的影响是另一个重要精神资源。至今黄万里谈及治黄还说“我父亲有句名言：‘中国有历史以来，中国农民从来没有对不起统治阶级’。让我一辈子为农民服务。我谨记着父亲的教诲，我学水利，学治黄河就是想为农民服务。”所以我不能看着要祸及农民不说话。为此黄万里付出了沉重的代价，经历了挨批、做清扫工、下放务农……
但黄万里始终不忘治河之志。积其一生所学提出的治理黄河的办法。其主旨是：（1）正确认识黄河不是害河而是利河。长江的180万平方公里流域面积是黄河的2。3倍，流量是黄河的16。8倍，仅冲出了12。5万平方公里的三角洲，而黄河却冲出了25万平方公里三角洲，虽北部稍缺水，基本上能收两季。黄河出海口的泥沙至今仍在造陆，而中国最缺的就是平川地。因此黄河是中国的利河。（2）在世界上任何三角洲淤积是不可避免的，任何治河方法不可能改变这一自然规律。上游的水土保持保护植被，只能减少“人为的加速侵蚀”，而不可能解决自然切割。而黄河的泥沙，“自然侵蚀”的居多。全面拦截沟壑泥沙，违背自然界上游切割，下游造陆的地貌演变规律，也是根本做不到的。世界上除黄河外，凡治三角洲没有不分流淤沙的。黄河郑州以下地貌是隆突三角洲，左右无外来水汇入，只有20多条流派辐射出海，不是流域而是派域。应该在大堤上开20多个口子，设闸分流，沿着原存流派淤灌广大黄海平原，恢复三角洲形成时各分流派出海的地貌。唯这样可以走出治黄的老路，变害为利，做到防洪、灌溉、造地、治碱、通航、发电等多重效益。
90年代，当局决定修长江三峡大坝，黄万里又反对。他六次上书中央，建议勿修此坝。他认为流域内治河要受到地质地貌条件限制。长江上游大片岩基是页岩和沙岩组成，风化后，前者为泥，成为江中悬沙，后者为沙，即砾卵石，成为河道床沙。二亿年前，大雨把岩基上的砾石，从大小溪沟冲入长江，成为床沙。由于地质史上二亿年前长江是由东向西流入古地中海，所以上游河道的砾卵石比下游的小（直径约40公分）。积自己在长江和四川各江上游勘察的经验，粗估长江上游河道里的卵石一年冲刷过重庆约1亿吨，这是长江的床沙，而某些人只统计悬沙，拒绝承认砾卵石床沙，是完全错误的。三峡坝建成蓄水后，将使上游金沙江和四川巴蜀盆地中的各江河糟中冲下来的砾卵石和部分悬沙在重庆沉积下来，会自动造成一条水下堆石坝。不出十年将堵塞重庆港，阻断航道，洪水时抬高水位，壅及上游，将淹没合川、江津等低洼之地，那里人口数十万，一但出现洪灾，将惨绝人伦。这就是长江干流永不可修高坝的理由。此外建大坝移民百万，在世界建坝史上闻所未闻。
黄万里多年来悉心研究中国水利问题，他不但有治黄方略，而且对治长江、治海、淮河和南水北调问题都有成熟的意见。特别是他提出在长江下游泰州海安段分流出海，重新导淮入海，和西线调水，经潘松草地引雅砻、金沙、澜沧、怒、雅鲁藏布诸江从上游入黄河的方案，至今还未被世人所知。
黄万里不但精通水利，而且与他们那一代学人一样，研究自然科学者，也都有深厚的中国文化底蕴，特别是在诗词方面他有很深的造诣。195