牛头河为树枝状水系，流域内共有大小支流137条。其中一级支流75条，主要支流有柳林河、汤浴河、樊河、后川河、白驼河、稠泥河、箭杆河、车道河、太石河、南道河10条。

后川河，东源古称阿水，后改称清水；西源古名秦水（今张家川镇南北二水汇合后之统称）。《水经注》记载：“（清水）又西与秦水合水出东北大陇山秦谷，二源双导，历三泉合成一水而历秦川。秦水西径降陇县故城南。又西南自亥松多水出陇山，合而西南流径降陇城北，又西南注秦水。秦水又西南历陇川径六盘口，过清水城西南注清水……”此河发源地有二：一支自张家川县东北境沙柳坡西北平安乡猫娃山下；一自张棉驿乡卧虎山石庙梁之西。此二支水向南流至张家川，分别称为南河和北河，流至张家川西南三四里许，南北两河水合而为一，流经胡川、仓下村出境，由清水县红堡乡出峡谷，流经后川村故名后川河，汇入牛头河。

全长61公里，流域面积371平方公里。张家川县境内长37.83公里，流域面积317.76平方公里，占全县总面积的24.22％。清水境内长22.3公里，流域面积164平方公里，占全县总面积的8.15％。落差292米，平均坡降0.77％。年降水量600毫米，年径流深100毫米，年径流模数3.20公升／秒*平方千米，多年平均流量1.008立方米/秒，占总流量的16.44％。多年平均径流量3177.6万立方米，占总径流量的18.9％。最大洪水流量166立方米/秒。共有支流86条，其主要支流有牛曲河、对渠河、堡子河、上成河、左家沟水、代家沟水、冶坊沟水、窑河沟水、孙家峡沟水、甘草河水和党家沟水。

樊河，古名清水。《水经注》载：“（清）水导源东北陇山，二源俱发西南出陇口，合成一水西南流历细野峡，径清池谷，又径清水县城东，俟其水西南合东亭川自下亦通渭之清水矣。”源出沙柳坡大河口西北羊肚子滩（《清水县志》称张家川县恭门乡大壑口），向南流至小河峪、马家沟、老庵寺峡、傅川、恭门、毛家磨。由天河村出境，清水县北部新城乡黄梁村，至上邦乡李崖村出樊家峡注入牛头河。流经清水县樊家峡，故名樊河，汇入牛头河。

樊河全长49.5公里，流域面积298平方公里。在张家川县境内长31.3公里，流域面积168.06平方公里。占全县总面积的12.3％。县境内长18.5公里，流域面积81.28平方公里。落差350米，平均坡降1.11％。年降水量640毫米，年径流深125毫米，年径流模数3.80公升*平方千米。多年平均流量0.666立方米形，占总流量的10.9％；多年平均径流量2100.8立方米，占总径流量的12.5％。主要支流有河峪水、马家沟水、古土沟水、高家沟水、张良水、梁山河、黄家沟水、傅家沟水、邓家沟水、赵家沟水、米家沟水、陈家沟水、李沟水和大河。

汤峪河，古名温谷水。《水经注》载：“东亭水右侧温谷水，西南注东亭川水，源出张家川县境沙柳坡南麓磨子沟梁（《清水县志》称张家川县阎家乡的陇阳坡），经车古峪、张家峡、阎家店、热冶沟、傅堡等地出境。经清水县新城乡张河村石牛峡口流入汤峪河，经白沙乡部分地区，至上邦乡暖和湾村汇入牛头河。属常年河。多年平均流量0.436立方米/秒，年径流量1374.97万立方米。全长35.5公里，流域面积190平方公里。清水县县境内长18.5公里，流域面积110平方公里。张家川县境内长17.06公里，流域面积75.29平方公里，占全县总面积的5.74％。

汤峪河落差175米，平均坡降1.02％，年降水量650毫米，年径流深145毫米，年径流模数4.30公升／秒*平方千米，多年平均流量0.346立方米彬，占总流量的.5.64％；多年平均径流量1091.7万立方米，占总径流量的6.5％，主要支流有鞍嘴沟水、神树水、车古沟水、任家沟水、黑沟水、王家沟水、石牛沟水、温泉沟水、董家沟水、窑院沟水、杨家沟水。

稠泥河，又名林家河。发源于县北白驼乡卢家窑自然村南，经远门、土门、贾川3乡，入丰望乡境后注入牛头河。全长22.7公里，流域面积151.35平方公里。因含沙量大而得今名。多年平均流量0.394立方米/秒，年径流量1242.52立方米。主要支流有李沟水、铁炉沟水、韩沟水、自家沟水、后沟水、高庙沟水、林湾沟水、土门沟水、苍下沟水、董湾沟水。

白驼河，发源于清水县北玉屏乡玉屏梁北麓，流经白驼乡至红堡乡西城村南入牛头河，支流有化岭沟水、桐林湾水、东沟水、崔刘沟水、曹家沟水、麻池沟水、二寨沟水、唐城沟水8条。全长21.2公里，流域面积135平方公里。水量悬殊，含沙量大，汛期短，有结冰期。多年平均流量0.364立方米/秒，年径流量1147.5万立方米。

早在新石器时代，牛头河流域及其支流两岸台阶地就有人类繁衍生息，属于马家窑和齐家文化遗存很多。有永清堡遗址、泰山庙遗址、小原遗址、蔡湾遗址、诸葛垒塬遗址、李崖遗址、白土崖遗址等人类文化遗址，多属新石器时代仰韶文化、马家窑文化遗存。其上层有周代文化遗存。另外，清水古城遗址、现代清水县城、张家川县城都分布在牛头河沿岸。天水著名景点小华山也位于清水县牛头河畔。

清水县中部牛头河谷阶地粮、果、烟、菜区，包括永清、上邦、红堡等乡（镇）大部分村和小泉、白沙、太坪3乡的部分村，面积27.73万亩，占全县总面积的9.2％。其中耕地16.74万亩，占全县总耕地面积的9.6％。区内气候温暖，光、热、水适中，牛头河横贯全区，水资源较丰富。地势平缓，土地肥沃，质地良好。人口密度大，宜林、宜牧面积小。是全县交通、文化、教育和农业科技的中心，县城地处本区，产、供、销结合紧密，有利于农、工、商综合经营，发展商品生产，开展技术服务，提高生产水平。最适宜种植小麦、玉米、大麻、烤烟、洋芋、胡麻。应发展以猪、鸡、鱼为主的家庭饲养业和以加工为主的工副业生产，并可大力开展交通运输、旅游、饮食服务等商贸活动。

牛头河下游天水市麦积区内，渭河、牛头河、永川河交汇处有晒经台，传说唐僧师徒西天取经行至三江口，见波涛汹涌，大浪滚滚，正踌躇间，突然河中冒出一只大乌龟，直冲向唐僧。唐僧惊倒在地，悟空举棒要打。乌龟高叫“且慢动手”，并表示愿驮唐僧一行过河，但要唐僧到西天后问如来佛，他什么时候能修成正果。唐僧许诺后，师徒们便坐在龟背上过江西去。10多年后，唐僧取经回长安，途中又到三江口。乌龟游到岸边，唐僧师徒再上龟背。行至河心，乌龟问起相托之事。此时唐僧才想起乌龟之托，便愧疚地说：“我因取经事忙，忘了问你所托之话。”乌龟听了，气怒之下游走了。唐僧一行连同所取经卷跌入江中，幸亏猪八戒会水，尽力抢救，但好多经卷被水打湿。师徒们忙在江北岸（现今社棠镇向阳村）一个平台上，展开经卷，晒干后才继续上路。

清水县城西牛头河畔，也是传说一代天骄成吉思汗病逝的地方。成吉思汗完成蒙古族各部的统一，在建立地跨欧亚的元帝国中出兵西夏攻秦州途经清水时，卒于萨里川，即清水县城西牛头河畔。哀宗正大四年（1227）六月，元太祖铁木真（成吉思汗）率部驻扎清水县西江（今牛头河）畔，秋七月病逝于萨里川（今红堡川）黄色蒙古包行宫帐幕内。

1976年开始红崖观至白土崖牛头河改道工程，至1978年底，开挖樊河口至白土崖河道950米，衬砌河堤护坡320米，修筑河堤1270米（占设计总长度5050米的25％），开挖土方22.35万立方米，石方7800立方米。工程投资141万元，投工14.8万个工日。

东峡灌区，有张家川、上磨、胡川3乡（镇），区内有耕地面积4.2万亩，其中川地9500亩，水平梯田3.2万亩。灌溉分自流灌溉和提水灌溉，设计灌溉面积1.29万亩，有效灌溉面积1.01万亩，保灌面积1万亩。其中，自流设计面积8040亩，有效灌溉面积6510亩，保灌面积6500亩。灌后单产300公斤，比建库前旱地单产135公斤增产1.2倍。

灌区建设始于1972年至于1978年。共建成支干渠6条30.9公里，各类建筑物190座，衬砌渠道13.56公里，其中，干渠4条、27公里，衬砌渠道11.36公里，建筑物169座；支渠2条、3.9公里，衬砌2.2公里，建筑物21座。灌区内修建小型提灌站9处18级，装机1293.8千瓦，总上水量0.48立方米／秒。1988年利用水库落差建起装机容量55千瓦的小水电站一座，仅供当地村民照明使用。

北川渠，位于后川河北河上游刘堡乡境内，为有坝引水渠道。灌区为刘堡乡的3个村，设计灌溉面积1000亩，有效灌溉面积300亩，保灌面积300亩。1968年县人民政府投资1.55万元动工修建，1969年竣工。渠道枢纽工程由拦河滚水水坝、进水闸、冲沙闸组成，渠道全长6公里，其中已衬砌0.32公里。设计引水流量0.15立方米／秒，建成渠系建筑物22座，完成土石方0.90万立方米。

傅川渠 ，渠之源头，位于樊河上游傅家川峡谷地带，拦引河水，为无坝自流引水渠道。灌区中心点为恭门乡傅川村，渠尾延至半川村，设计灌溉面积1200亩，有效灌溉面积800亩，保灌面积800亩。1968年动工修建，1969年竣工。设计流量0.3立方米／秒，总投工1.25万个，总投资7.5万元，其中国家投资4.09万元。修建渠道5公里，衬砌3公里，架设钢筋混凝土渡槽14米。灌区内修建渠系建筑物26座，配设机井1眼，装机12马力。

河北渠，1956年8月建成。初沿用磨渠，从河北乡樊峡村引入樊河水，干渠全长3.2公里，引水流量为0.3立方米/秒。浇灌城关镇义坊、河北乡李崖、樊峡、韩家庄子等村川地700亩。后因渠道淤塞、渗漏、坍塌，用木桩、秸秆临时堵水入渠，常堵常毁，取水、引水困难。1987年6月，县水利管理站勘测设计，国家投资2.26万元，受益村组投工6560个工日，进行修复改造，疏通干渠2.98公里，建进水闸1座，修筑渠首护岸河堤65米，维修及衬砌干渠3.2公里，新建和维修渠系建筑物34座（处），完成工程量3549立方米。是年8月，竣工后灌溉农田300余亩。上述渠道已名存实亡，均未发挥灌溉效益。

杜川渠，1956年9月建成。从红富乡杜川村引后川河水，临时堵水进行灌溉。由于旱季水量不足，加之干渠均为土渠，支渠不配套，效益差。后由国家投资，在渠首河道修建包括滚水坝在内的渠首引水工程，引水量达0.2立方米／秒，整修干渠2公里（含衬砌1.3公里），修建各类渠系建筑物17座，修筑渠首护岸河堤110米，配套支渠6条长1.2公里。自流灌溉红堡乡嘴头、杜川、安坪等村川地1040亩。为保灌区旱季进行正常灌溉，后在灌区内打机井3眼，建成小提灌站3处。

城北渠，1956年12月建成。从牛头河与东干河交汇处引水，流量1立方米/秒，干渠长5.3公里。自流灌溉城关、红富农田2500亩。1965至1968年，修干渠长3.5公里，在渠末建成西李沟发电站1座，装机1台，容量120千瓦。从1978年开始，国家投资10万元，县水电局3次整修、拓宽渠道，进行清淤、加大过水断面，衬砌渠道长1.3公里，修筑渠道建筑物30座，建成以灌溉为主兼作供水发电的综合渠道。

暖湾渠，1957年7月建成（原名青年渠）。从疗养院附近引汤浴河水。干渠长4.66公里。1980至1983年，国家投资4.2万元，受益村组投工3.5万个工日，进行原渠道挖潜改造，加大干渠过水断面，并衬砌渠道4.5公里，修渠系建筑物20座，开挖支、斗渠6条，完成土石方工程量4.3万立方米，渠道引水流量由原来不足0.05立方米/秒提高到0.2立方米/秒。灌溉城关公社暖湾、马沟大队川地1100亩。

嘴头渠，1958年7月建成。从红富乡嘴头村利用磨渠引后川河水，灌溉嘴头村农田100亩。流量为0.3立方米形，干渠长1.97公里。 1971年，水磨改建为水轮泵站，工作水头3米，流量为0.72立方米形，安装觚40—6型水泵和20千瓦发电机各1台，供嘴头生产队灌溉、安装钢磨加工粮油和照明使用。1978年，渠道取水口处河岸坍塌，水泵机组搁置两年后拆除，渠道失修，停止使用。1987年2月，由国家投资2万元，受益村组投工2万个工日，进行渠道挖潜改造，修渠系建筑物19座，筑渠首护岸河堤95米，衬砌干渠1.47公里，修配套支渠4条长1.04公里，完成总工程量2.1万立方米，灌溉面积扩大到300亩。

台子渠，1958年9月建成。从黄门公社峡12I大队处引后川河水，流量0.3立方米/秒，渠道全长2.5公里。因设计和渠道塌陷问题，未能使用。 1983至1984年，县水河北渠1956年8月建成。初沿用磨渠，从河北乡樊峡村引入樊河水，干渠全长3.2公里，引水流量为0.3立方米/秒。浇灌城关镇义坊、河北乡李崖、樊峡、韩家庄子等村川地700亩。后因渠道淤塞、渗漏、坍塌，用木桩、秸秆临时堵水入渠，常堵常毁，取水、引水困难。

1987年6月，县水利管理站勘测设计，国家投资2.26万元，受益村组投工6560个工日，进行修复改造，疏通干渠2.98公里，建进水闸1座，修筑渠首护岸河堤65米，维修及衬砌干渠3.2公里，新建和维电局两次投资5.33万元，由水利管理站对渠道重新设计和整修，疏通干渠长2.5公里，修建渠系建筑物11座，修筑护渠河堤280米，衬砌渠首渠道1公里，投工3.3万个工日，完成土石方工程量6.55万立方米，灌溉峡口、台子、小河村川地825亩。

社棠四清渠，民国时建有社棠镇南渠，引牛头河灌地。1965年“四清”运动中维修配套后改称四清渠。干渠长6公里，引水流量每秒0.2立方米，可灌俊林村川地1000亩。

社棠跃进渠，即古大方渠。民国时有引牛头河灌地的水渠。1965年复修，引水流量每秒0.2立方米，干渠长3公里，可灌社棠、柏林村川地800亩。

东峡水库，位于张家川县城东6公里，上磨乡境内后川河上游之东峡口。坝址上游主流长度10.6公里，控制流域面积64.8平方公里，河槽平均比降3.45％。库区内共有较大支流14条，主流牛曲河长17公里，流域平均宽度3.6公里，多年平均流量0.35立方米／秒，多年平均径流量907.5万立方米。工程于1958年2月25日开工，至9月底填筑坝高13.5米，完成工程量25.6万立方米，占总工程量的40％。

1962年秋，坝体南岸被洪水冲垮，1970年重新设计施工，1972年4月底竣工。其大坝为粘土心墙坝，坝高40.6米，坝长186米。水库最大水面面积32.5万平方米，总库容520.83万立方米，其中，调洪库容159.93万立方米，兴利库容174.9万立方米，死库容186万立方米，属小（一）型水库，是张家川县中部最大的蓄水工程。

桑园峡水库，位于清水县城以东约15公里，牛头河上游桑园峡出口处。1958年动工兴建，1959年由甘肃省水利厅勘测设计院补充设计，确定在桑园峡峡谷出口处筑坝建库。设计坝高48米，总库容1360立方米。按20年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核。兴利库容863万立方米，完成土石方工程量20万立方米，灌溉农田6万亩。由于存在着伴随地震发生而断层剧烈运动，毁坏坝体，造成灾害的严重威胁”，1960年初停工。

1972年，天水地区水电处派技术人员，对桑园峡水库工程重新勘测、设计，11月，向甘肃省革命委员会生产指挥部上报《桑园峡水库设计任务书》。因地质条件差，工程未能批准。

柳林水库，位于清水县牛头河支流柳林河中游，秦亭乡柳林村，距县城32公里，控制流域面积30平方公里。1969年8月，由下放到柳林公社柳林大队苗家坡生产队的贾宗淮（原甘肃省水利厅河西建设委员会高级工程师）设计并主持施工。库区50年一遇洪峰流量为77.9立方米/秒，100年一遇洪峰流量为124立方米/秒。水库由蓄水、行洪、引灌等工程构成，并有闸塔、输砂闸、输砂洞等设施。

1970年，清水县水电局协同贾宗淮按照安全渡汛要求，进行补充设计及补建。1973年8月，工程全面竣工。总库容82万立方米，其中兴利库容54万立方米，死库容28万立方米。大坝为均质土坝，坝高15米，坝底宽82.5米，坝长112.8米，顶宽6米。灌溉柳林大队及附近土地，有效灌溉面积1500亩，保灌面积1200亩。

小泉电站，位于牛头河下游清水县境内小泉峡上峡口，1972年9月建成，属县办国有电站。引牛头河水，渠水流量3立方米/秒，渠长2.6公里，水头高20米。安装卧式水轮发电机组2台（套），容量400千瓦，主变压器2台480千伏。配装6千伏变压器10台1280千伏，架设高压线路20公里，低压线路10公里，建成后与李沟发电站并网发电6国家投资65万元，社队自筹8000元，投工20万个工日，年发电量13万度。从1976年开始，先后投资15.99万元，3次对机组进行全面系统的检测、维修，保证电站的正常运行。1985年，与35千伏大电网并网运行，至1990年底，累计发电量238万度。

清泉电站，位于牛头河下游清水县境内小泉乡下寺村，引牛头河水。前后两次设计施工，1970年9月11日开始，修建引水渠道，长3公里，设计最大流量为2立方米/秒，装机1台容量160千瓦。国家投资28万元，群众投工5.2万个工日，完成土石方工程量9.5万立方米。1975年，因资金不足，加之是从天水王家磨拆除的旧机组，经天水地区水电处同意暂停施工。直至1987年再次上报此项工程，经天水市电力局批准立项。新建U型浆砌石引水渠道2573米（含暗渠400米，尾水渠270米），装机2台，容量400千瓦，架设10千伏输电线路3公里。1989年12月竣工，电站建成后并入城关变电所115馈路，累计发电量165.12万度。

白沙电站，位于牛头河上游清水县境内白沙乡白沙村南山之侧。1969年4月动工兴建，1970年建成。从桑园峡口引牛头河水，渠道长2240米，水流量0.5立方米／秒，水头高16米，安装水轮发电机组1台，容量40千瓦。1970至1975年，年均发电量3万度，供白沙公社机关单位及附近村庄用电。1975年6月，35千伏大电网占用线路后停止运行。1988年4月，开始将站址移到蛇山脚下。渠长2751米，渠系建筑物17座（处），水流量1.2立方米/秒，水头高20.8米。装机100千瓦水轮发电机组1台，与35千伏大电网并网运行，年发电量57.61万度，渠水灌溉农田500亩。工程于1989年12月竣工，经有关部门通过验收后，投入发电运行。

清水县小华山山脚下及牛头河谷地一带，产庞公石。探明储量15.7亿吨，为火山岩石，质地密致，坚而不脆，硬而不滑。以深绿色为主体，各色翠纹萦绕于石，形态千变万化。其由来在县境内传说悠久。相传三国时诸葛亮曾率军进驻西城（今红堡乡城科村），要与魏军决战，不料大雨倾盆，牛头河水急剧上涨蔓延，逼近西城，正当城内军民处于危急之时，居住小华山的庞公急忙拿出仙人赐予的钻天神斗，对着狂涛迭起的牛头河打开，许多宝物从中飞射而出，河水立时下降，西城安然无恙，其中一些在洪水中没派上用场的宝物便化作五色奇石，遍布于河床及其两岸。当地人为感恩于庞公，便称之为庞公石。此后，人们对庞公石一直敬若神灵，常到河中摸捞。一旦得到上等好石，即焚香化马，以示感谢。