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門頭溝區(qū)位于北京城區(qū)正西偏南，東經(jīng)115°25ˊ00〞～116°10ˊ07〞，北緯39°48ˊ34〞～40°10ˊ37〞之間。東西長約62公里，南北寬約34公里，總面積1447.85平方公里。其東部與海淀區(qū)、石景山區(qū)為鄰，南部與房山區(qū)、豐臺區(qū)相連，西部與河北省涿鹿縣、淶水縣交界，北部與昌平區(qū)、河北省懷來縣接壤。屬太行山余脈，地勢險要，“東望都邑，西走塞上而通大漠”，自古為兵家必爭之地。

門頭溝區(qū)地處華北平原向蒙古高原過渡地帶，地勢西北高，東南低。地形骨架形成于中生代的燕山運(yùn)動。西部山地是北京西山的核心部分，山體高大，層巒疊嶂，海拔1500米左右的山峰160余座。西北部的靈山海拔2303米，有“京都第一峰”之稱，另有百花山、髽髻山、妙峰山等山峰。東部山地位于北京西山，山體較小，山勢漸緩，其東南部的兔兒莊海拔僅73米，為境內(nèi)最低點。區(qū)內(nèi)3條主要嶺脊均呈東北向平行排列，自西北至東南依次為：東靈山一黃草梁一棋盤山復(fù)背斜；百花山一清水尖一妙峰山復(fù)向斜；鐵坨山一九龍山一香峪梁復(fù)向斜。由于山地切割嚴(yán)重，各嶺脊之間形成大小溝谷300余條。平緩的山地與陡峭的山坡交替出現(xiàn)，地形呈鋸齒狀、階梯狀上升。

門頭溝區(qū)屬中緯度大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷干燥。西部山區(qū)與東部平原氣候呈明顯差異。年平均氣溫東部平原11.7℃，西部齋堂一帶10.2℃。極端最高氣溫東部40.2℃，西部37.6℃。極端最低氣溫西部-22.9℃，東部-19.5℃。春季60天，夏季76天，秋季60天，冬季169天，冬季漫長是境內(nèi)氣候的一大特征。春秋季節(jié)，境內(nèi)風(fēng)、霜頻繁，年平均風(fēng)速為2.7米/秒，8級以上大風(fēng)21次，年平均無霜期200天左右，江水河村一帶無霜期僅100天。日照時數(shù)較多，年平均日照2470小時。降水量自東向西逐漸減少，受中緯度大氣環(huán)流的不穩(wěn)定和季風(fēng)影響，降水量年際變化大，最多為970.1毫米（1977年），最少為377.4毫米（1997年），年平均降水量約600毫米。

流經(jīng)境內(nèi)的河流分屬3個水系，其中屬海河水系的永定河流域面積最大，為1368.03平方公里；屬大清河水系的白溝河流域的面積次之，為73.2平方公里；屬北運(yùn)河水系的流域面積最小，僅為13.82平方公里。永定河是全區(qū)最大的過境河流，河道長100余公里，主要支流有劉家峪溝、湫河、清水河、下馬嶺溝、清水澗、葦?shù)闇稀烟覝稀㈤T頭溝等，大小支流共300余條。由于受上游降水不均勻的影響，其流量極不穩(wěn)定。境內(nèi)流域范圍坡度陡，河道坡降大，入境處海拔373米，出境處為73米，河道坡降為2.99％，故水流湍急。加之上游流經(jīng)黃土地區(qū)，河水含沙量較多，平原地區(qū)的河道不斷發(fā)生淤積，遷徙不定，故史有“洋河”、“小黃河”、“無定河”之稱。直至20世紀(jì)50年代修筑了官廳水庫后，才改變永定河的水文特征。清水河是永定河官廳山峽最大支流，為境內(nèi)第二大河。上游有兩支，北支發(fā)源于靈山，南支發(fā)源于百花山，兩支于塔河口匯合。其流向自西而東，河道全長28公里。大清河水系的白溝河境內(nèi)流程較短，出境后入房山區(qū)界。北運(yùn)河水系，境內(nèi)有兩部分，一在雁翅鎮(zhèn)泗家水、白瀑寺一帶，出境入昌平區(qū)界；一在軍莊鎮(zhèn)北四村，出境入海淀區(qū)界。

境內(nèi)地下水可分為4個區(qū)：一是田莊——雁翅——青白口——石河村一線以北地區(qū)，以灰?guī)r巖溶裂隙水溶洞水為主，總出水量3.63萬噸/日；二是髽髻山——妙峰山地區(qū)，均為火山巖、砂巖裂隙水，總出水量2.908萬噸/日；三是千軍臺——清水澗——黃嶺村一線以東地區(qū)，水文地質(zhì)情況復(fù)雜；四是清水河流域，水資源較豐富，因流域內(nèi)水文地質(zhì)情況復(fù)雜，地下水的補(bǔ)給、埋藏和流動規(guī)律也多種多樣，水資源的分布極不均勻。門頭溝區(qū)的土壤屬地帶性褐土，分為山地草甸、山地棕壤、褐土等3大類，8個亞類，93個土種。其中分布面積較廣的有山地棕壤、山地淋溶褐土、碳酸鹽褐土。境內(nèi)植被屬于暖溫帶落葉、闊葉林類型，僅在深山區(qū)有殘存的次生樺、楊林，一般林地均為灌木林或雜木混交林，森林覆蓋率在40%-60％之間。靈山、黃草梁等山頂?shù)貐^(qū)，因氣候寒冷，多為草坡，以白草為主。村莊附近植被破壞嚴(yán)重，一般覆蓋率約20%-40％。門頭溝區(qū)地層主要由震旦亞界的薊縣系和青白口系，下古生界的寒武系、石炭系、二迭系，上古生界的侏羅系和第四紀(jì)的馬欄組、百花山冰期堆積所構(gòu)成。經(jīng)過漫長的地質(zhì)變遷，境內(nèi)形成了多種類型的礦床，現(xiàn)已探明的有：煤炭、石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖、陶粒頁巖、耐水粘土、大理石、花崗石、葉臘石、白云巖、硅石、白花玉、紫頁巖、石棉、冰洲石、天然石板、銅、鋅、鋁、鐵、金、銀等等。其中以煤、石灰石儲量大，分布廣。