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Il 40% circa del territorio regionale è montuoso: è formato da un’arcata di montagne che dalle Alpi e dall'Appennino si spinge sino alla Pianura Padana, ed è solcato dai fiumi confluenti nel Po. Ha quindi una morfologia abbastanza semplice e corrisponde approssimativamente alla sezione superiore del bacino idrografico del Po. Fa parte del Piemonte la sezione occidentale dell'arco alpino (Alpi Marittime, Cozie, Graie, Pennine e un tratto delle Lepontine). Sono montagne aspre, cristalline, dalle vette acuminate, che comprendono il Monte Rosa (la seconda cima d'Europa: il suo punto culminante, la punta Dufour, raggiunge i 4.634 m), il massiccio del Gran Paradiso (4.061 m) e molte montagne che sfiorano i 4.000 metri, come il Monviso (3.841 m), dove ha le sue sorgenti il Po; le valli che si aprono verso la pianura sono trasversali e profonde.
Nonostante la notevole altitudine delle Alpi piemontesi, non mancano i valichi, anche di grande transito.
I collegamenti con la Francia si svolgono soprattutto attraverso il colle di Tenda (1.908 m, valico stradale e ferroviario), il colle della Maddalena (1.996 m), il colle del Monginevro (1.850 m, in territorio francese), il colle del Fréjus (2.538 m, valico stradale e ferroviario) e il colle del Moncenisio (2.083 m). Il collegamento con la Svizzera è assicurato dall'importantissimo valico del Sempione (2.005 m), sito però in territorio svizzero, percorso da una delle gallerie ferroviarie più lunghe d'Europa. La sezione piemontese dell'Appennino ligure ha invece altitudini e morfologia di tipo collinare; il crinale montuoso è spostato verso la Liguria, che comprende sia i monti più elevati sia i valichi transappenninici.
L'area collinare del Piemonte è quasi altrettanto estesa di quella montana (37% circa della superficie territoriale). Si possono individuare quattro principali sistemi collinari: il Canavese, formato da depositi di origine morenica, allo sbocco della Dora Baltea in pianura; le colline del Po (o colline di Torino), a sud del fiume; il Monferrato, nei dintorni di Asti; le Langhe, a ridosso dell'Appennino ligure, di cui sono in pratica la prosecuzione e che superano i 600 metri.
Tutte queste aree collinari ebbero origine da formazioni di rocce terziarie, tenere e facilmente erodibili, da cui dipendono le forme addolcite del rilievo.
Le aree pianeggianti della regione occupano solo il 23% del territorio; vi è compresa la sezione occidentale della Pianura Padana, tra la riva sinistra del Po e il Ticino. Questa sezione è divisa (come quasi tutta la Pianura Padana) in alta pianura, dai suoli poco coerenti (ciottoli e ghiaie) e quindi permeabili, e in bassa pianura, dai terreni compatti e impermeabili; al limite tra le due fasce si estende la linea delle risorgive (o fontanili), dove appunto riaffiorano i corsi d'acqua penetrati nel sottosuolo dell'alta pianura.
Chiusa tra monti coperti da ghiacciai e nevai, la regione è tra le più ricche d'Italia di corsi d'acqua. A eccezione del Toce (lungo 83 km, che si immette nel Lago Maggiore dopo aver percorso la Val d'Ossola), tutti i fiumi del Piemonte tributano, direttamente o come subaffluenti, nel Po, il fiume principale della regione, nella quale svolge un quarto del suo corso. Tra i suoi maggiori affluenti di sinistra, che nascono tutti sulle Alpi, oltre al Ticino (che ha una lunghezza di 248 km), si citano la Dora Baltea (160 km, che nasce in Valle d'Aosta), la Dora Riparia (125 km, che confluisce nel Po a Torino) e il Sesia (138 km, che percorre la Valsesia); tra i tributari di destra, provenienti dagli Appennini, il più importante è il Tanaro, che è il più lungo (276 km) e ha il bacino più esteso (8.324 km², il quarto d'Italia), poiché vi confluiscono le acque della Stura di Demonte, della Bormida e di molti altri fiumi.
Una fitta rete di canali, molto importanti per l'irrigazione dei campi soprattutto nell'alta pianura, che è piuttosto arida, completa il sistema idrografico del Piemonte. Il principale è il canale Cavour, di 82 km, che collega il Po con il Ticino.
Se si eccettua la grande quantità di laghetti alpini, pochi sono i laghi della regione: oltre al Lago Maggiore o Verbano (212 km²; nella sezione occidentale, quasi tutta piemontese, sono comprese le isole Borromee, tra le più famose isole lacuali d'Italia, mete turistiche di una certa importanza), si ricordano il lago d'Orta o Cusio (18,2 km²) e il lago di Viverone o d'Azeglio (5,8 km²).
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