Năm 1980, chương trình điều tra tổng hợp Tây Bắc về khí hậu, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp…được thành lập. Chương trình này gồm nhiều đề tài nhánh, trong đó đề tài “Địa chất thủy văn Tây Bắc” được phân công cho PTS Nguyễn Kim Ngọc chủ nhiệm. Năm đó, ông Nguyễn Kim Ngọc cùng ba đồng nghiệp trong bộ môn Địa chất thủy văn (Cao Thế Dũng, Hoàng Văn Hưng, Lê Thiếu Sơn) chủ yếu tập hợp các số liệu, chỉ đi một chuyến thực địa để khảo sát, đánh giá bước đầu điều kiện tự nhiên các tỉnh Tây Bắc, kết hợp với khảo sát và kiểm tra một số mạch nước. Ông Nguyễn Kim Ngọc viết trong nhật ký: “Hồi đó đường mới mở, đi lại rất khó khăn. Nhớ nhất là đi qua đèo Khau Phạ – Yên Bái khi mới bắt đầu hành trình đi thực địa từ Hà Nội – Phổ Yên – Yên Bái, ngồi trên xe không dám nhìn xung quanh vì một bên là núi, một bên là vực sâu thẳm. Hay khi đến Mường Tè thì gặp sạt lở, xe không tiến lên phía trước để đi tiếp được, chỉ có thể đi lùi, trong khi phía trước là xe quay đầu, đường thì hẹp. Qua Trạm Tấu, cạnh đường vực sâu thăm thẳm, đến nỗi thầy Hưng còn nói: Rơi xuống chắc phải lăn cỡ hàng trăm vòng mới rơi xuống đáy được”.
Tại mỗi điểm thực địa, đoàn lấy mẫu và mang về để gửi đi phân tích ở phòng thí nghiệm của trường, hoặc của Viện Địa chất khoáng sản, Viện Hóa học công nghiệp, Viện Vệ sinh dịch tễ. Sau khi có được các kết quả phân tích mẫu, nhóm nghiên cứu sẽ kết hợp với các số liệu thu thập do Liên đoàn Bản đồ và các đoàn địa chất thực hiện, nhập vào các phiếu tổng hợp thông tin. Sau đó, các số liệu thu thập về địa chất sẽ được định vị bằng các điểm trên bản đồ, nhưng vì mỗi đoàn lại sử dụng một loại ký hiệu nên ông cùng nhóm của mình phải thống nhất lại toàn bộ các số hiệu nghiên cứu về thủy văn (khoan, nước ngầm, nước trên mặt đất). Ông kể: Phải chấm tất cả số hiệu lên bản đồ theo ký hiệu của họ, sau đó ghi chép lại toàn bộ để tiện cho việc tìm kiếm theo bảng, sau đó mới chuyển sang số hiệu theo quy chuẩn. Vì vậy mới có tình trạng mỗi phiếu thông tin sẽ có hai số hiệu: số hiệu gốc và số hiệu do đoàn quy định. Sau đó, ông và các thành viên trong nhóm sẽ tính toán số liệu sang nền địa chất để căn cứ theo từng địa tầng, nhằm tìm đặc điểm địa chất để theo dõi và tổng hợp theo thành phần hóa học nhằm đánh giá loại nước và lượng nước theo tầng địa chất theo từng thang đánh giá Bước cuối cùng là vẽ bản đồ và làm báo cáo tổng hợp đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm của ông gặp phải những khó khăn nhất định: Thứ nhất là khi đi thực địa, vì di chuyển liên tục nên đoàn chủ yếu dựa vào giấy giới thiệu của trường để ở nhờ nhà khách tại địa phương, điều kiện ăn uống hạn chế. Khi đến nhà khách ở huyện Than Uyên, bữa cơm của cả đoàn chỉ có mấy miếng mỳ luộc, đĩa muối trắng và một ít rau dền luộc làm canh. Nếu không nghỉ ở nhà khách, mọi người sẽ đi ngủ nhờ dân, thuê phòng nghỉ tạm, đồ ăn là mỳ sợi với ít bột súp mang theo xe và tự nấu. Thứ hai là trong quá trình xử lý số liệu, vì cấu trúc địa chất ở Tây Bắc có rất nhiều tầng, việc vẽ các mặt cắt và tính toán số liệu để đánh giá trữ lượng nước trong vùng cần rất nhiều công sức và thời gian thực hiện.
Bên cạnh đó, ông và các cộng sự cũng gặp những thuận lợi: Một là trang thiết bị cho chuyến đi như địa bàn, búa, chai lọ đựng mẫu được trường chuẩn bị đủ, kinh phí thực hiện đề tài được nhà nước cung cấp. Hai là nhờ mối quan hệ của các thành viên trong đoàn với các đồng nghiệp nên số liệu phục vụ cho đề tài rất phong phú. Ba là những số liệu xin được từ Liên đoàn Bản đồ về khảo sát mạch nước được thực hiện rất chi tiết, rất nhiều số liệu đã được tính toán vào phiếu thông tin. Bốn là nhóm nghiên cứu được hai sinh viên chuyên tu (Khánh, Thụ) của Liên đoàn Bản đồ chia sẻ các số liệu về địa chất, họ đang làm đồ án tốt nghiệp do ông Nguyễn Kim Ngọc hướng dẫn.
Cuối năm 1981, ông Ngọc báo cáo kết quả nghiên cứu với hội đồng khoa học của trường và được điểm khá. Sau đó, để báo cáo với hội đồng cấp nhà nước, ông phải viết lại báo cáo, thêm nữa, vì hội đồng cho rằng đề tài thực hiện chưa phân theo địa lý các tỉnh Tây Bắc mà mới theo cấu trúc địa lý, nên phải biên tập và vẽ lại gần như toàn bộ các sơ đồ, biểu đồ theo đúng địa lý tại ba tỉnh ba tỉnh Lào Cai, Yên Bái, Sơn La. Báo cáo của đề tài được ông đánh máy làm ba bản và nộp cho Ủy ban Khoa học kỹ thuật nhà nước.
