保護區地處黃土高原向青藏高原的過渡地帶,地質構造屬阿沁卡金——當蕊五臺隆起帶。地貌為黃土丘陵,切割破碎,多陡坡,懸崖峭壁,溝谷狹窄,呈“V”字型。由于保護區四周群峰突起,削弱了干冷氣流的侵襲,又迎著東南氣流,區內氣候溫和,多雨。年均溫5.4℃。地形相對高差大,致使氣候有暖溫性、溫性和寒性各種特征。年降水量622.7毫米,5~9月降水量占年降水量的89%。
區內有五條河溝,由南向北流入黃河。在木場溝中部有天然湖泊——孟達天池,面積近20公頃,平均水深10米,蓄水200~300萬立方米。天池東部有一條南北走向的“天然大壩”,長200多米,高出水面50~70米,壩體為冰川退縮后形成的終磧堤,天池東南部有10米多高,7~8米寬的扇形瀑布,夏日水量充沛,冬季則成冰瀑。
孟達的天池比長白山天池和天山山腰的天池小得多。但它有自己的特點。長白山天池周圍是水山筑成的幾乎是寸草不生的幾座山峰,天山的天池外面較遠的地方才有茂盛的雪嶺云杉林,而孟達的天池卻被十分稠密的森林團團的包圍起來,從池邊到山頂,全被森林覆蓋。池水也與眾不同,長白山天池的水最美,有各種各樣的藍色,而且圖案隨著天空中云塊的移動而不斷變化;天山的天池則是一種藍色;孟達天池的水卻是綠色的,幾乎和四周森林的顏色相同。
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