孟连县位于云南省西南部，地处东经99°9‘-99°46’、北纬22°35‘-22°32’之间。东与澜沧县、北与西盟县相连，西部、南部与缅甸掸邦第二特区相连，国境线长133.399公里，总面积为1893.42平方公里。孟连县县城距省会昆明645公里，距市政府驻地思茅区230公里。 孟连县地质主要为二叠纪玄武岩、三叠纪多种岩类组成，由第四纪河流冲积构成。二叠纪形成的玄武岩，分布在芒信镇的班顺、岔河、芒信一带。从景信乡的勐英起至孟连坝止的南垒河上游河谷地带，由石灰石组成。勐马镇的贺俄以南、哈布壳山以北，以及南主、南抗、南弥一线，分布着粗粒结晶类的花岗岩。朗勒、孟连、勐马、勐阿等坝子，是第四纪河流冲积静水沉积盆地区，其中以孟连坝最典型。
孟连县地处怒山余脉，地貌以山地为主。南北部多高山峻岭；东西部偏低，多河谷盆地。北部的大黑山，海拔2239米 ；南部的哈布壳山，海拔2196米；东部的孟连坝，海拔960米；西部的勐马坝，海拔920米。境内最高点是位于南部的昂朗山峰顶，海拔2603米；最低点是位于西部的南永河与南卡江交汇处，海拔497米。地形属以山区为主谷坝相间的复合类型。在群山中有一些宽谷盆地，较大的有孟连、勐马、勐阿等坝子，其次是朗勒、景信、景冒、勐白、芒信、芒街等坝子。 孟连县河流分属澜沧江、怒江两大水系，大黑山-哈布壳山为分水岭，把境内河流分成以南垒河、南卡江为干流的东西两个水域。
南垒河发源于澜沧县拉巴乡，在缅甸东部边境汇入澜沧江下游的湄公河，在孟连县境内长70公里。主要支流有南朗河、南各河、南白河、南雅河、南碾河、南咤河、南基河、允元河等，流域面积1293平方公里。
南卡江位于孟连县西部边境，是中缅界河。入境后从北向南经富岩、公信、勐马3个乡镇，在仑吾山脚流至缅甸，境内长58公里。主要支流有格浪爱河、格浪歪河、南信河、南梅河、南马河、南永河等。
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