保护区地处黄土高原向青藏高原的过渡地带,地质构造属阿沁卡金——当蕊五台隆起带。地貌为黄土丘陵,切割破碎,多陡坡,悬崖峭壁,沟谷狭窄,呈“V”字型。由于保护区四周群峰突起,削弱了干冷气流的侵袭,又迎着东南气流,区内气候温和,多雨。年均温5.4℃。地形相对高差大,致使气候有暖温性、温性和寒性各种特征。年降水量622.7毫米,5~9月降水量占年降水量的89%。
区内有五条河沟,由南向北流入黄河。在木场沟中部有天然湖泊——孟达天池,面积近20公顷,平均水深10米,蓄水200~300万立方米。天池东部有一条南北走向的“天然大坝”,长200多米,高出水面50~70米,坝体为冰川退缩后形成的终碛堤,天池东南部有10米多高,7~8米宽的扇形瀑布,夏日水量充沛,冬季则成冰瀑。
孟达的天池比长白山天池和天山山腰的天池小得多。但它有自己的特点。长白山天池周围是水山筑成的几乎是寸草不生的几座山峰,天山的天池外面较远的地方才有茂盛的雪岭云杉林,而孟达的天池却被十分稠密的森林团团的包围起来,从池边到山顶,全被森林覆盖。池水也与众不同,长白山天池的水最美,有各种各样的蓝色,而且图案随着天空中云块的移动而不断变化;天山的天池则是一种蓝色;孟达天池的水却是绿色的,几乎和四周森林的颜色相同。
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