经过三个星期的海上航行，张光斗一行抵达香港。实际上，当时国内的时局远比他想象的复杂——在战火纷飞的年代要实现工业救国的理想，谈何容易!
 回国后，张光斗既放弃了到云南大学任教的机会，也婉拒了江西省公路养路总队长的职务，一心只想投身工程建设，为抗战出力。几经周折，他找到了时任国防委员会副主任委员的钱昌照先生。钱先生与他是同乡近邻，得知张光斗学成归国，非常高兴。因为，当时像张光斗这样在美国获得两个硕士学位，又在垦务局实习过的水利人才非常稀少。于是，张光斗很快就被派遣到四川省长寿县龙溪河水利发电工程处工作。
 没想到，从南京出发赴四川工作，张光斗费尽周折——
 1937年的南京，日本侵略军已经逼得很近了。战前的恐怖与肃杀让这座古都被阴霾笼罩，到处是行色匆匆的市民。有权有势的都已举家内迁，无权无势的也在想尽办法逃亡，汽车票、轮船票一票难求。张光斗初来乍到，人生地不熟，自然买不到票。
 于是，他只好暂时住在金陵大学教务长、他的加州大学同学倪清源家里。金陵大学要内迁，有轮船去内地，但船票也有限，倪清源无法带张光斗一同前往。张光斗非常理解倪的难处。当时，好友宋家治也在南京，他正要随机关车队去内地，无法带张光斗同行。看到张光斗连一件行李都没有，宋家治就把自己的皮箱和铺盖留给了他。
 张光斗走投无路，只好去找当时尚未离开南京的汪胡桢先生。看到张光斗匆匆回国，汪先生很不理解。汪老一直很看好这个聪明勤奋的学生，一直与他保持紧密的联系，给予他帮助，希望他能在美国完成学业，将来为国家作大贡献。而张光斗提前回国，在胡先生看来等于半途而废，怎不叫他失望?爱之心切，他狠狠责备张光斗不该放弃在哈佛大学继续求学的机会。不过，他仍然对张光斗伸出了援助之手，让他去找须恺总工程师帮忙买票。
 须恺早年就读于加州大学，算来也是张光斗的老学长。他对于张光斗爱国心切，弃学参战的举动表示理解，让张光斗随他一同内迁——万幸! 否则，等待张光斗就是那场骇人听闻的“南京大屠杀”。
 于是，张光斗上了须恺工程师乘坐的导淮委员会的小轮船，离开南京去内地。不料，导淮委的人对他颇有意见，因为他不是本单位职工，却占了他们一个位置。船到九江，张光斗独自离船上岸，决定另外想办法去四川。幸运的是，在九江他买到了去汉口的轮船票，很快就到了湖北的汉口城。不过，去四川就没那么顺利了。一天清晨，有位票贩走过来问他是否需要去重庆的票?张光斗立即向他订了一张票价30元的船票。有了票，张光斗就放心地到汉口城里游览一番，不想居然巧遇交大校友李清华夫妇——他们到汉口已一月有余，未能买到去重庆的船票，只好准备乘火车去香港。张光斗告诉他们，自己刚到汉口就买到了船票，夫妇俩简直不敢相信，说他运气真好。三人稍作游览，便回到上船的地方。可是，张光斗上船后却被票贩带到了菜仓里，张光斗理直气壮地和票贩评起理来。狡猾的票贩蛮不讲理，张光斗只好上楼去找船长理论。看着西装革履的张光斗，票贩怕惹麻烦，最终给了他一张三等船舱的卧铺票。
 船从汉口沿着长江向西行驶，不久便到了三峡。
 时逢战乱，满目疮痍，但三峡的奇特地貌、旖旎风光和雄奇气势还是深深地打动了羁旅辗转中的张光斗。只见峡中碧水奔流，奇峰耸立，树木葱茏，猿声阵阵，野趣横生。有山皆翠，有峰皆奇，有泉皆飞，云雾缭绕，河险滩绝，群鸟翻飞，是一条美妙动人的自然山水画廊。三峡美丽奇特的风光，令他豪情万丈，不禁想起孙中山先生曾在《建国大纲》中提出的兴建三峡工程的宏愿，想到眼前日寇侵华的紧张时局，梦与痛一起涌上了心头^①，暗暗下决心要好好干，为国效力——他此行就是要去四川龙溪河为抗战兵工厂开发水电资源，为中国建造一批自主设计、施工的水电站。
 船到重庆后，张光斗费了好多功夫才找到龙溪河工程处。龙溪工程位于偏远的农村，主要是为兵工厂服务的。在工程所在地袁家祠堂，张光斗受到了工程主任黄育贤的热烈欢迎。
 此时正是1937年11月，距张光斗离开美国已有四个月。从大洋彼岸风光无限的哈佛校园到行色匆忙的香港，又从硝烟弥漫的南京到危机四伏的西南后方，张光斗一路走来既忐忑又艰辛。
 说到这个龙溪河工程的梯级开发，实际包括了狮子滩、上清渊硐、回龙寨和下清渊硐四座水电站。当时的龙头工程就是设计狮子滩水电站。张光斗和同事张昌龄都是副工程师，担负水电站的主要设计任务。张昌龄早年毕业于清华大学，后来获美国马萨诸塞理工学院土木工程硕士学位，比张光斗早一年回国。他俩在美国就有交往，还同在垦务局实习过。负责具体设计工作的大都是清华和交大毕业的青年才俊，比如胡世乐、蔡镇宇、朱宝复、李津身、华钟文等。虽然办公和生活条件十分艰苦，但只要一想起这项工程是支援抗战的，努力工作就是为抗战作贡献，这帮年轻人就有使不完的力气。经过努力，仅半年时间他们就完成了设计任务，在当时，这是非常不容易的。
 1938年3月，国民政府因经费紧缺，决定精简机构。国防委员会改组为资源委员会。资委会因财力关系，不同意修建40000千瓦的狮子滩水电站，而改修1500千瓦的桃花溪水电站。于是，从这年开始，张光斗负责桃花溪水电站的设计工作。
 时值抗战初期，国家经济基本瘫痪，修建水电站的物资奇缺。买不到现成的高压输水管，张光斗就亲自跑到重庆找工厂找人制造铸铁管;国内买不到大功率的水轮发动机，他就想办法从英国进口。
 1939年，桃花溪水电站建成发电。不料，立即发生了一场意想不到的工程事故——高压水管破裂，水流直泄而下冲毁了厂房。作为他人生真正意义上的第一个工程出现这样的事故，向来办事严谨的张光斗无法原谅自己，并引发了他长达一生的自责和反思。
 事故发生后，张光斗认真调查事故的原因。经检查，他发现山坡上存在一个砂岩与页岩的垂直接缝，而施工工程师把接缝的部位画错了，向坡内移动了近10米。张光斗在设计高压铁管与隧洞钢筋混凝土衬砌接头时，把接头放在两种岩石的垂直接缝之间，而实际上那却在接缝之外，以致衬砌漏水，水压给接缝造成很大的压力，最终导致外部砂岩体被推开，钢筋混凝土破裂，漏水顺山而下冲毁厂房的严重后果。幸好及时关闭了进口闸门，才未造成更重大的损失。
 面对事故，张光斗认真吸取教训，并作了深刻的检讨，铭记两条：一是必须注意设计方案不会对山坡内造成很大的承压水;二是设计者必须到现场了解地形地质资料。特别是“到现场了解实际情况，掌握第一手资料”这一原则，他一直坚持到晚年。他始终认为，水利工程师对国家和人民负有重大的责任，即使是工程细节上1%的缺陷，就可能带来100%的失败，而这种失败导致的结果就是巨大的灾难。
 在事故排查后，桃花溪工程正式投入了运营，其发电量可供给26个兵工厂等国防工业单位，为抗战作出了极大的贡献。桃花溪水电站是我国第一个自行设计施工的1000千瓦以上的水电站，它的落成翻开了我国自行建设水电站的历史新篇章。当然，它也是张光斗水利事业上的一块重要的里程碑。
 当时，张光斗还负责下清渊硐水电站的大坝和引水道的设计工作。清渊硐水电站大坝高3米，引水渠道长3公里，功率达3000千瓦，在当时也算比较大的水利工程。在工作中，他逐渐成熟起来。
 “洞房花烛夜，金榜题名时。”中国人常常喜欢把成家和立业相提并论，认为人生大事莫过于此。随着桃花溪水电站等一批我国自主设计的工程投产，张光斗在国内水利界也算是小有名气了。同时，他与在加拿大通过书信往来认识的上海姑娘钱玫荫小姐飞鸿传情，感情升温，也到了谈婚论嫁的阶段。在工程处营造课长裘燮钧的劝说下，1938年年底，张光斗请假回上海和钱玫荫商量婚事。他先乘飞机到香港拿回一些寄存于朋友处的东西，然后乘船到达上海。在上海的日子里，热恋中的二人不是看电影游公园，就是逛商店下饭馆，情意绵绵，难舍难分。张光斗还拜见了钱母，认识了钱家姐妹，大家一见如故，相处甚欢。钱小姐的父亲钱振亚先生曾任沪江大学教授，他故去后几个子女由母亲抚养成人。钱家子女众多，都受过良好的教育。钱玫荫是家中的长女，毕业后在沪江大学附中当教师，帮母亲照顾几个弟妹。张光斗一五一十地把自己的家庭身世和从小的求学经历向钱母及家人介绍了一番。半月后，张光斗向钱玫荫求婚，钱小姐表示考虑考虑再说。这下可把张光斗急坏了——一方面他急于回四川工作，另一方面他也不太明了玫荫心意如何。情急之下，他找到玫荫的好友张心漪小姐，请她帮忙。不久，钱小姐终于答应了婚事，他俩在上海举行了订婚仪式。
 张光斗自从12岁到上海读书就很少回家，与家里的联系也随着年龄的增长而减少。这次订婚是大事，他就特意写信告知父母，接到信后父母和兄弟都赶来上海与他团聚。这是张光斗回国后第一次见到家人，久别重逢的喜悦也难以抵挡现实生活的困苦。张光斗从父兄的话里得知日寇铁蹄之下的农村生活异常艰难，他二哥为了躲避战乱，只好暂时租房住在上海。父亲年迈，又患了眼疾，几次治疗的效果都不太好。面对此情此景，张光斗内疚而无奈，为自己无法留在二老身边尽孝心而深深自责。他挽留父母在上海暂渡难关，但二老考虑到费用问题，执意仍回老家。
 送别父母，张光斗颠簸辗转，花了一个多月回到工程处，继续为抗战效力。6月，未婚妻钱玫荫携弟钱新亚一起来到四川工程处。10月25日，张光斗和钱玫荫在袁家坪举行了简单的婚礼。张光斗感概千里姻缘一线牵——为了支持丈夫的事业，一个上海大都市的姑娘冒着危险赶到四川乡下工地，真是难能可贵，让他感动。
 不久，张光斗的父亲去世了。或许是怕耽误他的婚事，家里人整整推迟了几个月才来信告之。得此噩耗，他悲痛万分! 错过与父亲见最后一面，张光斗痛悔不已，悲哭不止。家信中还说张光斗的三哥和侄子曾被绑架，赎出后三哥精神失常，自杀身亡。张光斗伤心欲绝，痛定思痛，更加坚定了抗战的意志。
 1940年，张光斗开始负责设计修建四川万县的仙女硐水电站。工作和生活条件依旧十分艰苦，办公在农户的厢房，住就在厢房的阁楼上，门口就是晒牛粪的，臭气难闻。就在这样艰苦的环境里，夫人钱玫荫怀孕了。1941年，张夫人在医疗条件极差的情况下分娩，由于助产师缺乏经验，致使女婴出生后便夭折了——他们的第一个孩子，在兵荒马乱下出生，又因恶劣简陋的医疗条件而夭折，成为夫妻俩心头永远的痛。

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