西漢定都長安，關中是京師官吏、軍隊、百姓等以糧食為主的生活必需品的主要供給地。西漢重視開拓西北邊疆，關中又是拓邊的基地，肩負著提供糧秣的重任。因此，西漢一代，特別是漢武帝在位期間(公元前140—前87年)，為了滿足各方面對糧秣等的需求，除鑿漕渠，從東方運糧入關外，更主要的是在關中增建灌溉工程，以擴大水澆地面積，增加當地的糧食產量。這就在關中形成了一個史無前例的興建水利的高潮，在短短的幾十年中，穿鑿了龍首渠、六輔渠、白渠、成國渠等大批農田水利工程。
西漢關中灌渠的穿鑿，以龍首渠為較早，約在漢武帝元狩到元鼎年間(公元前122-前111年)。當時有一位名叫庄熊羆的人，向皇帝上書，反映臨晉(今大荔一帶)人民的要求，希望開一條渠道，引洛水灌溉重泉(今蒲城東南)以東10000多頃鹽鹼地。武帝採納這一意見，發兵卒萬餘人擔任鑿渠任務。他們自征縣(治所在今澄城縣西南)向南開渠，到商顏山(今鐵鐮山)麓，由於土質疏鬆，穿鑿的明渠渠岸極易崩塌，改用井渠結構。井渠由地下渠道和豎井兩部分組成。前者為行水路線，後者便於挖渠時人員上下、出土和採光。最深的豎井達40多丈。由於鑿渠時挖出許多骨骼化石，當作龍骨，所以稱為龍首渠。渠道挖通後，由於解決不了塌方問題，溉田效果並不顯著。但卻創造了先進的井渠技術。
六輔渠是武帝元鼎六年(公元前111年)由左內史倪寬主持興建。規模不大，為六條輔助性渠道的總稱。後人認為它是引冶峪、清峪、濁峪等小水，灌溉鄭國渠上游北面的農田。這些農田地勢較高，鄭國渠灌溉不到。六輔渠建成後，為了更好地發揮這一工程的作用，據《漢書·倪寬傳》載，他又規定了「水令」。這是見於記載的我國最早的用水制度。
六輔渠建成後第16年，即武帝太始二年(公元前95年)，動工穿鑿白渠。這一工程由趙中大夫白公建議和主持。渠首也在谷口，渠道在鄭國渠南面，向東南流，經池陽(治所在今涇陽縣西北)、高陵、櫟陽(治所在今臨潼縣東北)，注入渭水。長200里，灌溉鄭國渠所不及的4500餘頃農田。白渠建成以後，谷口、池陽等縣因為有鄭、白兩渠的灌溉，便成為不知旱澇的高產區。當時當地，曾流行著這樣一首民歌，歌頌兩渠的作用：
白渠的溉田面積雖然遠比鄭國渠小，但是由於它的比降較大，遠比鄭國渠合理，因而不像鄭國渠那樣易被泥沙堵塞，在歷史上白渠長期發揮作用，並在唐、宋時還有所發展，而鄭渠的下游很快就報廢了。「涇水一石，其泥數斗。」含泥量高，可以壓鹼肥田，在短期內確實效果顯著。但不能只見優點不見缺點，從長遠看，年長月久後，容易淤高渠道和農田，導至田高於渠，渠高於涇，勢必破壞整個灌溉系統。
西漢時新建的關中地區另一重要農田水利工程是成國渠。它建於何年，何人主持這一工程，史書沒有明文記載，只說建於武帝在位期間。這是一條以渭水為水源的大型灌渠，位於渭水北面，渠首在郿縣境內，傍渭水向東，經斄〔li離〕(治所在今扶風縣東南)、槐里(治所在今興平縣東南)等縣，渠尾接上林苑的蒙蘢渠。成國渠的長度略小於白渠，溉田面積約萬頃左右，是白渠的一倍以上。後來還一度發展成關中最主要的灌溉渠道。上林苑在咸陽西面，周300里，跨渭水南北，是秦漢時帝王射獵遊樂之所。蒙蘢渠屬皇家園林中水道，供澆園、蕩舟等用途。
在漫長的歷史長河中，關中水利一直由三大渠系組成，即以涇水為水源的引涇渠系，以渭水為水源的引渭渠系，以洛水為水源的引洛渠系。可以說西漢時期這三大渠系已經基本形成了。
除上面所舉一批著名的灌溉工程外，武帝時，還在渭水南面建成一批小型的灌渠，如靈軹〔zhi紙〕渠、(氵韋)〔wei違〕渠 等。它們以發源於南山的山溪水為水源，灌溉渭南的農田 。