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无定河多年平均流量15.3亿立米，占黄河流域多年平均流量628亿立米的2.4%，流域面积占黄河流域面积的4.2%，因此该河的径流量是比较贫乏的。
无定河水以降水和地下水补给为主。在沙漠区由于地面渗漏强烈，地下水补给占比重较大，一般达80%～90%以上，海流兔河可占到77.6%。黄土丘陵沟壑区，以降水补给为主，地下水补给只占年径流的30%左右。
无定河径流的区域差异明显，从东向西减小。榆林以东年径流深大于80毫米，横山以东大于60毫米，靖边以东大于40毫米，西部边缘只有20毫米。从径流模数看，也反映出东南部大于西北部的特点，原因在于东南部距窟野河暴雨中心较近，降水由东南向西北减少、东南部为黄土区等。 无定河受季风影响，降水的年际变化较大，使径流的年际变化也较大，年径流变差系数介于0.16～0.40之间，最大年与最小年平均流量之比值为1.8～3.4。由于受下垫面的影响，径流多年变化的程度有所差异。沙漠区变化较大，年径流变差系数0.16～0.27，最大年与最小年的比值为1.8～2.1。黄土丘陵沟壑区变化较小，年径流变差系数为0.30～0.40，最大年与最小年的比值为2.4～3.4。
径流的年内分配各地不同。沙漠区相当均匀，海流兔河的年径流分配是夏占26%、秋占26.2%、冬占24.4%、春占23.4%，一年四季差别不大。最大月径流只占12.1%，最小月径流也有6.1%。
黄土丘陵沟壑区的河流，径流年内分配很不均匀，夏季径流最多，约占年径流的46.2～53.4%，冬季最少，只占8～10.7%，春秋径流比较接近。最大月径流可占到全年总径流的25%，最小月径流还不到3%。最大月径流一般出现在8月；最小月径流沙漠区在6月，黄土区在1月。 无定河川口站多年平均输沙量为1.71亿吨（另说为2.098亿吨），其中风沙区占6%，黄土区占94%。含沙量以芦河上游最大，靖边站可达380公斤/立方米，海流兔河最小，韩家峁站仅为4.12公斤/立方米。输沙模数以大理河最大，绥德站为12600吨/平方公里·年，海流兔河最小，韩家峁站为167吨/平方公里·年。河流泥沙以黄土区最大，沙漠区最小。
无定河从上游到下游，由沙漠流经黄土区，水土流失由轻到重，河流含沙量由小到大。赵石窑站多年平均含沙量为52.4公斤/立方米，丁家沟站为62.9公斤/立方米，川口站为122公斤/立方米。而支流芦河的情况相反，由上游到下游从黄土区到沙漠区，河流含沙量是减小的，如靖边站含沙量为380公斤/立方米，横山站减为136公斤/立方米。
河流泥沙的动态与径流变化相一致，具有水大沙大、水小沙小的特点，泥沙的年内分配主要集中在汛期，尤其高度集中于1～2个月内，如大理河青阳岔，最大月输沙量占年输沙量的51.2%，最大2个月(7～8月)占83%，最大4个月(6～9)占93.7%，最小月等于零。沙漠区泥沙年内变化较黄土区均匀，如榆溪河榆林站，夏季输沙量占全年的32.8%，而冬季也占到15.7%，最小月也有4.4%。
无定河泥沙的年际变化较大，川口站最大年输沙量为4.4亿吨（1959年），最小年输沙量只有0.316亿吨（1976年），两者相差13.9倍。支流芦河横山站，最大年输沙量为5320万吨，最小年输少量为34.1万吨，两者相差156倍。 无定河绥德历史调查洪水最大流量9500立米/秒，发生在1919年8月6日。据丁家沟水文站实测资料，最大流量发生在1966年7月17日，为3630立米/秒。本世纪以来，无定河洪水在绥德漫川两次。
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