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北江支流的南水水电站，虽只是一座装机７．５万千瓦的中型水电站，但设计方案和施工办法特殊。１９６０年１２月１４日下午，周恩来召集李葆华等开会，专门讨论和研究了南水水电站的建设问题。
由东江引水到深圳解决香港供水困难的石马河供水工程，周恩来给予了极大的支持与关怀。
１９６３年１２月８日下午，周恩来在广州陶铸家中，听取广东省水电厅厅长刘兆伦关于石马河供水工程方案的汇报。参加人员有中南局书记陶铸、广东省省长陈郁、广东省委第二书记赵紫阳、广东省副省长曾生、广州市建设局副局长戴机等。
石马河供水工程，取水于东莞县境内的桥头，通过拦河筑坝和建立一系列大型抽水机站，逐步提升水位，改东江支流石马河由北向南倒流，使沿程水位逐级提升后流入深圳水库。深圳水库由此获得充足和可靠水源，最后通过坝下多条输水管道供水给香港地区。
周恩来听完汇报，作了一系列具体指示。他指出，向香港供水问题，与政治谈判要分开，不要连在一起。供水谈判由广东省负责，请港英当局派人进来谈。他赞成石马河供水方案，“采取石马河分级提水方案较好，时间较快，工程费用较少，并且可以结合农田灌溉，群众有积极性。”供水工程由港英当局举办还是由我们国家举办？对此，周恩来说：“供水工程，由我们国家举办，应当列入国家计划，作为援外专项项目，因为香港百分之九十五以上是自己的同胞。”他还就工程的设计、施工及工程费用的落实作了安排，“工程由广东省负责设计和施工，工程费用由广东省按基建程序上报国家计委，由国家计委审查批准”。周恩来认为工程应该实行经济核算，“工程建好后，采取收水费的办法，逐步收回工程建设投资费用”。
在周恩来支持下，在广东省委和省政府负责下，广东省水利部门以极高的工作效率完成了石马河供水工程的设计。１９６４年２月２０日，石马河供水工程全线开工，１９６５年春胜利竣工。该工程自１９６５年投入运行后，年年都按照协议完成了对港供水计划，对深圳和工程沿线的城市用水、农业灌溉所发挥的效益也十分显著。
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南水北调与水土保持
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中国大陆受季风影响，降水量夏多冬少、南多北少。为解决北方缺水问题，毛泽东提出了南水北调的设想。１９５２年１０月底，毛泽东视察黄河时曾说：“南方水多，北方水少，如有可能，借一点来是可以的。”１９５８年３月，中央成都会议上，毛泽东提出了“打开通开河、白龙江与洮河，借长江济黄。丹江口引汉济黄，引黄济卫，同北京连起来”的南水北调方案。
周恩来具体过问南水北调工程。他十分重视把务虚与务实、理想与现实、目标与步骤、远景与近期、战略与战术结合起来。
１９５８年８月３１日，周恩来在北戴河长江会议上指出：“江水北调有四条引水线路，长江的上中下游都可以设想，要搞一个全面的规划。”９月下旬至１０月中旬，黄河水利委员会、长江流域规划办公室会同有关部门，对引汉济黄郑州至丹江口段的引水路线进行查勘。确定引水枢纽选在陈岗，经方城缺口，至燕山水库经调节后沿线经鲁山、宝丰、郏县、禹县、新郑、郑州，在桃花峪或岗李入黄。不久，黄河水利委员会又组织查勘了郑州至北京段引水线路。
１９５９年春，周恩来在北京主持召开了讨论南水北调问题的会议，讨论了好几天，充分听取到会者的意见。水电部有个叫萧秉钧的工作人员有一套南水北调的方案，他知道召开这次会议的情况后也跑了去。警卫人员不让他进会议室，他就写了一张条子送到周恩来那里。尽管多数人认为萧秉钧的方案离现实太远，并称之为“萧方案”，但周恩来非常重视不同意见，当即请萧秉钧进去讲了一个多小时。
我国在５０年代与６０年代的经济、技术条件下，全面实施宏伟的南水北调工程是不现实的。但是，在毛泽东、周恩来关怀下，５０年代与６０年代，水利工作者为南水北调做了大量的规划、研究与有关线路的查勘工作，付出了艰巨的劳动，积累了宝贵的资料，为南水北调工程的全面实施打下了良好的基础。
治水必须治山，森林植被的破坏是水土流失和沙漠化的根源。周恩来把水土保持工作作为江河治理长期性、根本性的工作之一。他说，在水利工作方面，除一般水利工程外，还需要注意到植林，我们的祖先把许多山上的树木砍伐过多，以致形成严重的水土流失。
周恩来多次主持政务或国务会议研究水土保持工作。为解决地广人稀地区的水土保持问题，他还亲自批准有关省配备安２型飞机，用以飞播造林、种草。黄河流域是水土流失最严重的地区，周恩来特别重视黄河流域的水土保持工作。
黄土高原在四千年前是林茂草丰之地。湟水、清水河、陕北皇甫川等地，在宋末还有原始森林。由于代代砍多于造，这块我们祖宗的摇篮地、民族文化的发源地森林被破坏了，带来了严重的水土流失，恶化了生态环境。怎样改造黄土高原，根治黄河水患，变西北为江南？这是挂在周恩来心上并竭尽全力为之解决的一大问题。１９５８年４月，三门峡现场会上，周恩来说，黄河流域与欧洲的德国、法国、意大利处于大抵相同的纬度；历史上汉唐长安柳暗花明，有许多像江南样子。不管是从同一纬度的西方国家看，还是从我们历史上看，黄河流域都是可以改变面貌的。周恩来认为治理黄河、改变黄河流域水土流失的面貌，“中心基础就是水土保持”。１９５８年８月３０日在北戴河，１９５９年１０月１３日在三门峡，周恩来又一再强调根治黄河要做好水土保持工作。１９６６年２月，他提出：“西北局要搞一个领导小组，管农垦、水土保持。农林互相支援有好处。植树造林是百年大计。总得坚持到二十一世纪。”《周恩来选集》下卷，第４４７页。
周恩来较早指出了长江流域的水土流失问题，并提出了重视长江流域的水土保持工作。１９６０年５月，他视察贵州，对当地树木砍伐得多了一点深表不安，主张通过蓄水、造林，改变气候，减少旱象。１９６３年１１月２１日，他说，长江上游地区由于开垦荒地多，砍伐的森林也多，因此泥沙更易流失。三届人大一次会议期间，他指示江西省负责人刘俊秀，解决兴国的淤沙，根本的办法是“严禁上游的森林滥砍乱伐，大力开展植树造林，搞好水土保持，固住泥沙不下流”。“江西山区多，我们不能光采伐不造林育林，光吃祖宗饭，造子孙孽。”参见《怀念周恩来》第６８页。人民出版社１９８６年版。
周恩来视察大庆、大寨、延边、西双版纳和海南，每到一处都反复嘱咐：一定要植树绿化，保护森林，保护植被，搞好水土保持，可不要做历史的罪人。
新中国成立之初，周恩来说：“从新民主主义开步走，为我们自己和我们的子孙打下万年根基，‘其功不在禹下’。大禹治水，为中华民族取得了福利，中国科学家的努力，一定会比大禹创造出更大的功绩。”《周恩来选集》下卷，第３０页。人民永远不会忘记，周恩来要求科学家所做的，也正是他自己所努力去做的。
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蘑菇云升起的时候
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1964年4月，中央专委批准首次核试验采取塔爆方式实施，并要求在9月10日前做好试验的一切准备工作。全体参试人员努力奋斗，按时完成了各项准备工作。
9月16日、17日，周恩来主持中央专委会，听取了张爱萍、刘西尧关于首次原子弹爆炸试验的准备情况和正式试验安排的汇报，对选择爆炸试验的时机进行了慎重研究。当时有迹象表明，有个超级大国企图阻止中国掌握原子弹，有破坏中国核设施的动向。为此，中央专委提出了两个方案：一个方案是早试；另一个方案是晚试，先抓紧三线研制基地的建设，择机再试。
9月21日，周恩来致信毛泽东：“中央十五人专门委员会于本月十六、十七两日开了两次会，讨论了关于核爆炸及其有关问题，急需待主席回后，当面报告，以便中央早作决定，时间以不迟于二十四日为好。因如决定今年爆炸，以十月中旬到十一月上旬为最好，而事前准备时间至少需二十天；如决定明年四五月与空投航弹连续试炸，也需要在十月作过冬准备；如需从战略上进行考虑，推迟爆炸，使之与第二套新的基地的建设和导弹及核弹头生产相衔接，也需有方针上的决定。”当天，毛泽东在信上批示：“已阅，拟即办。”《党的文献》1994年第3期。
9月22日，周恩来向毛泽东、刘少奇面报了首次核试验的准备情况和中央专委对正式试验的方案。毛泽东听后，从战略上进行了分析，并说，原子弹是吓人的，不一定用。既然是吓人的，就早响。毛、刘、周果断决定按早试的方案进行。
9月23日，周恩来召集贺龙、陈毅、张爱萍、刘杰等传达了他与毛泽