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城門河上游為城門水塘，有多條引水道將大帽山、針山及鉛礦坳等地方的山水引到水塘，當水塘滿溢時，山水會經城門峽流至下城門水塘，城門峽附近的草山水源亦會流進下城門水塘，每當下城門水塘滿溢，水塘內的儲水會排進城門河，出口昔日是流往沙田海，約在今日大圍附近。昔日的沙田海又稱潮水灣，是一個形似喇叭的狹長形海灣，連接吐露港，當潮漲時，海水便會湧入沙田海。 

早期的城門河盡頭是在現今獅子橋附近，河口爲兩面環山的沙田海。當時，九廣鐵路路軌以東已經是海岸，而火炭、小瀝源爲沿海的小村落，圓洲角更是在沙田海中間的小島。及後，經過無數次的填海工程，沙田海變成了筆直的城門河，一直伸展至大水坑。