北京地处华北大平原的北端。在地质上，处于华北大平原沉降带与太行山、燕山山脉隆起带的交接部，东北—西南向和西北—东南向的断层较多。其西部、北部、东北部多山地，分属太行山、军都山、燕山山脉。东南部为平原，人称“北京小平原”。北京小平原本是一个海湾，向西北伸入太行山、军都山与燕山接连处的怀抱，人称“北京湾”。20世纪初，美国地质学家贝利·维理斯将这片三面环山、一面开敞的小平原称为“北平湾”。在第四纪更新世初期，这里的确曾经是一个海湾，海水一度长驱直入达到今天的顺义一带。
在漫长的地质年代里，在古永定河（曾名治水、㶟水、桑乾河、卢沟河、浑河等）、古温榆河（曾名关沟、榆河、㶟馀水、易荆水、富河等）、古潮河（曾名鲍邱水、潮鲤河、东潞水、窝头河、漒漒河等）、古白河（曾名沽水、白溆河、西潞水、笥沟等）、古拒马河（曾名涞水、圣水、涿水等）、古泃河（曾名泃水、洳水、五百沟水等）五大水系的淤积之下，首先在山麓地带形成许多大小不等的洪积冲积扇。这些大小不等的洪积冲积扇在各条水系的长期淤积作用下，不断发育，或面积扩展，或地势增高，或随着河水流量的增减而改变发育速度，或随着河水的改道而改变发育方向。甚至人类耕垦土地、凿渠灌溉、砍伐林木、修路筑坝等生产活动，也会对各河洪积冲积扇的发育产生一定程度的影响。最终这些大小不等的各河的洪积冲积扇联为一体，许多小洪积冲积扇甚至被大的洪积冲积扇吞并、掩埋，结果发育成总体上是西北高、东南低的北京小平原。北京地区的地形特点对该地区的河流流向、泉湖分布都有直接的影响。
北京地区属暖温带半湿润大陆性季风气候。夏季多东南风，炎热多雨；冬季多西北风，寒冷干燥。多年平均年降雨量为500毫米—600毫米，但年际变化很大，最多时达1400多毫米，最少时仅200余毫米；而且地区分配不均，怀柔枣树林、平谷将军关、房山磁家务地区是北京地区的三大多雨中心，年降雨量都在800毫米以上；而山后延庆区年降雨量一般在400毫米以下。北京气候的特点也深刻影响着北京的水文。 (www.xing528.com)
北京西部、北部山区，历史上森林茂密，植被良好。在宋辽人所绘的地图中，在永定河、潮白河上游流域清晰地标有“松林数千里”或“松林广数千里”字样。这对于涵养北京地区几条较大河流上游流域的水源具有重要意义。自金、元以来，随着北京城市建设的发展和需要，北京几条较大河流上游流域的森林植被渐遭破坏，导致水土流失加剧，河水泥沙增多。因此，北京几条大河上游流域森林植被的原生状态与后来的人为破坏，也与北京的水有密切关系。
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