光绪十三年（1887年），黄河在郑州决口，清廷立刻派大员协助河道总督和地方政府治理洪水，可是忙碌了一年多，决口也没合龙。这时，刘鹗已经捐同知衔，提出“筑堤束水，束水攻沙”的建议，因此被委以重任。
　　刘鹗虽然是官宦子弟，可是并无衙内作风，在河工现场，他挽起袖子与杂役一起干。1888年冬，决口合龙。
　　就在这一年，刘鹗带人进入山东，沿黄河一路勘察，直到黄河人海口。他在实地勘察的基础上，结合沿黄各州县县志以及河工资料，于次年三月完成调查测绘工作，制成了（（三省黄河全图》。在此基础上，刘鹗还完成了《历代黄河变迁图考》，历数黄河河道变迁的过程。
　　在山东，刘鹗目睹水灾给人民带来的苦难，心情极为沉重。1889年九月，刘鹗实地勘察利津铁门关、韩家垣两处河门的情形后，回到利津县城，给当时的山东巡抚张曜呈送了一份禀牍，首先对张村、大寨决口合龙表示祝贺，并劝张曜采用王景治河的办法，以建“神禹之伟绩”，还把刚写好的《治河五说》-并附上。
　　刘鹗为什么要呈送《治河五说》给张曜呢？因为他发现张曜在治黄过程中犯了一个大错：废济阳以下民埝（紧靠河道的堤坝），迁移遥堤内居民，放宽河身，这是西汉贾让“不与河争地”的治黄路子。张曜认同刘鹗的意见，随后调他来山东办理河务。
　　1890年三月，刘鹗到济南报到，被委任为黄河下游提调官，在黄河下游的利津县、蒲台县修建斜堤（连接缕堤和遥堤的堤坝）各一道。原来汛期一到，这里沿河的二百多个村庄就浸泡在水中，斜堤修好后，麦、秋二季滩区的庄稼没有受洪水的影响，居然获得了丰收。
　　次年七月，张曜正在黄河上监工时，忽然“疽发于背”，随即回济南就医，未几日医治无效而卒。福润继任山东巡抚后，刘鹗結合在山东办理河务的实践，对原《治河五说》进行补充，增加了《治河续说》两篇。
　　刘鹗来山东办理河务初期，不少同僚坚持“不与河争地”之说，刘鹗则力持《治河五说》，但当时废济阳以下民埝的大错已经铸成。
　　1892年夏天，黄河在鄄城、章丘、济阳等县决口十余处，其中章丘的灾情为重，洪水直冲位于黄河南岸的齐东县城，偌大的齐东县城仅剩东南一角，好像青蛙一样浮在水面上。此时距张曜去世已经一年，福润上奏朝廷自请处分，同时处罚了一部分官吏，可这些都于事无补。
　　1893年下半年，刘鹗的原配夫人和母亲先后去世，他回到淮安守制，随后把家眷也接回了淮安。守制期满，福润保荐他以“奇才异能”到北京总理各国事务衙门考验，以知府任用。这年腊月，刘鹗回到济南，在泉城过了一个春节，次年正月回北京，为在山东办理河务的日子画上了一个句号。