海勃湾区位于自治区西南部、乌海市东北部，东倚雄伟壮观的卓子山（乌仁都喜乌拉）与鄂尔多斯市鄂托克旗为邻；西隔滔滔奔流的黄河与乌达区相望；南至四眼井与海南区相连；北与鄂托克旗碱柜乡交界。地理坐标东经106°46′至107°05′，北纬39°31′至39°52′之间，总面积529平方公里。
海勃湾区地处鄂尔多斯高原西北部，乌兰布和沙漠南缘的中山丘陵、河谷及部分平缓起伏区内。整个地势是东南高，西北低。东南部以丘陵山地为主，西北部较为开阔平坦，平均海拔1100米。
海勃湾境内名胜古迹、遗址和景观也比较丰富。主要有桌子山岩画：位于海勃湾区桌子山山脚沿线，迄今共发现五处，其中以召烧沟岩画最为著称。召烧沟岩画距城区15公里处，系青铜器时代我国北方游牧民族的文化遗迹，1986年9月被自治区人民政府列为重点文物保护单位。现已发掘出可辩认图形118幅，整个画面完整地磨刻在较为平缓的石灰岩坡面上，总面积650平方米，大多为神态各异的人面像，其中一些图形被有关专家鉴定为太阳神的象征。古文化遗迹：主要有古汉城遗址，俗称“兰城子”，该古文化遗迹，位于海勃湾区城北11公里处。尚存古城遗址东西长307米，南北宽294米。并已发现有相当数量的汉“五铢”钱，“半两”钱，各种文饰的陶片和残损的陶器及建筑陶器等。城西北约百米处，还有一片汉代墓群，具有汉代一般墓室的建筑特点。古文化遗址：发现有古文化遗址九处，包括一处秦古长城遗址，两处烽火台遗址，一处汉代古城遗址，两处汉代古墓群，还有拉僧庙、迪延庙和卡布其庙三处喇嘛庙遗址。此外，境内还有乌伦木山六字真言、黄河沿岸风光、胡杨岛等旅游景观。
改革开放以来，海勃湾区不断加大城市基础设施建设力度，城区内涌现出了座座颇具现代气魄和民族特色的建筑群，加之城市道路的大力兴建，给排水工程设施的扩展完善，邮电通讯条件的改善，城市绿化面积的扩大，花园式城市建设的深入发展，注重对环境污染的治理，实行集中供热等，城区面貌发生了根本性的变化，城市功能日臻完善。
海勃湾区属典型的极端大陆性气候。特点是降水少，气温高，大风多，日照长，干旱严重，四季分明，冬长寒冷，夏短炎热。
海勃湾地区晴天多，日照极为丰富，是我国日照丰富地区之一，平均日照为3047.3小时，日照百分率在69%—73%之间。年均降水量只有154.8毫米，主要集中在夏季，是内蒙古自治区降水量最少的地区之一。年平均气温为10.3℃（1961—1980年），是内蒙古自治区气温最高的地区。年绝对湿度一般为6毫巴左右，年蒸发量为3500毫米左右，蒸发量大大超过降水量，差值在20倍以上。年均地温不足20℃，最大冻土深度在163—178厘米。海勃湾西北是乌兰布和沙漠，东边是桌子山，地处冷空气入侵门户，年平均风速较大，可达3.14米/秒，风向多为偏西北风或西北风，并且沙暴日数多，全年约为22—26天。
海勃湾地区土壤类型主要有灰漠土、棕钙土、栗钙土、风沙土、草甸土、盐土等，其中灰漠土是发展农业生产的重要土壤。
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