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一九四0年三月十五日，攻城总指挥孙兰峰下达命令，指令各部向各自的攻击目标隐秘前进，务必于二十号二十点前进入预定阵地。零点整以三发红色信号弹为准，同时发起进攻。
各部接令后立即开始行动。为了隐秘皆夜行晓宿，至使日伪军毫无察觉。
在西军三十五师和蒙古保安团的严密守卫下，丰济渠上的天太桥、五份桥和协成桥都安然无事畅通无阻，各路大军得以顺利通过。
在部队行进中，均有当地百姓带路，专拣干燥坚硬和捷径的小路走，避开了水滩泥泞和翻浆的路段，从而节省了时间缩短了行军路线。
各部均于二十日晚上十点到达予定地点，稍事整顿便开始向冲击出发阵地移动，十一点全部就位。官兵们情绪激动，屏住呼吸，睁大双眼，急盼零点的到来。
突击队于十九日夜，秘密潜入五原县城西南的黄合元。这里是傅部一支游击军的活动地域，突击队与其溶合，因此没有引起日伪的警觉。二十日傍黑，突击队开始向县城移动。行至义和渠畔，被满渠流淌的河水阻挡。因予先侦得此情况，所以有应对的措施。周英指令将附近“锦绣堂”的牛犋房拆了，很快用檩椽架起一座简易桥，部队顺利过河。在途经南牛犋时被驻守的蒙古军哨兵发现，并向突击队开了两枪。周英命令部队顺一条斗渠壕继续前进，没有理会。蒙古军以为是游击军骚扰，见对方没有反应，认为已经逃窜，便再没深究。
部队行进至距城墙约三里的地方，周英命令部队由纵队变横队，齐头并进，接近城墙。八个分队很快潜于城墙根下。
此时已近半夜，夜黑风高，周围一片寂静。南城门有四个伪军和两个日本兵在站岗。这时段正是人最困乏的时间，六个哨兵皆半醒半睡，不停地打呵呀。按照予定方案，周英向周二马发出了行动的暗号。
周二马立即向左右挥手，图门等二十名队员分别从城门两边的阴影里悄然向哨兵摸去。图门和另一位队员将两个日本兵用匕首刺杀，四个伪军从半梦中惊醒，见此情景连忙扔掉枪跪下就磕头求饶。周二马立即制止，悄声问道：“你们不要害怕，只要配合，我们不会杀你们的。这南门有多少日军？多少蒙古军？”其中一个蒙古兵答道：“有十个日本兵，除了这两个，还剩八个，在西侧的房里睡觉。我们是一个排，共二十八人，除了我们四个全在东侧的房里睡觉。”周二马手握双枪，说道：“领我们进房！”四个蒙古兵一个劲儿地点头；“是是是，······”边说边领着周二马等二十名队员分别来到东西两座房前。周二马用匕首轻轻将木头门栓拨开，十名队员鱼贯而入，将熟睡中的八个日本兵刺死。尔后，来到东侧的房里。
这时，二十四个蒙古兵正光着身子跪在地上向图门等十名队员求饶。周二马说道：“中国人不杀中国人，只要你们乖乖儿听话，可保生命安全。”一群蒙古兵磕头如捣蒜，一个劲儿地求饶。周二马命令队员们将所有武器收缴，并在房顶吊了三颗手雷。尔后向周英做了汇报。
此时已过十一点，时间紧迫，周英命令三十名队员坚守城门看守俘虏，各分队迅速向目标前进。
周二马带着队员快速向日军司令部皮毛大院摸去。由于事先侦得地形地物的详细情况，也确定了潜入的路线，因此他们飞跃铁丝网，翻墙越房，巧妙避开日军外围阵地的岗哨和探照灯，顺利潜入皮毛大院。同样用匕首解决掉岗哨，周二马让队员们整理武器装备，并给每人确定了攻击的目标。此时也是十一点五十分。
零点整，三发红色信号弹腾空而起划破夜空。瞬间，整个五原城内外沸腾了。枪声爆炸声浑然一体，连成一片，响彻夜空一一天和地都在颤抖！
周二马与二十名队员将手雷和炸药包由门窗投入房内，随着爆炸声响起，皮毛大院很快变成了废墟。周二马立即命令队员搜捕残敌。由于日军事先将各院落打通，至使少数残余日军逃脱。
掏心战术成功。至天亮日军的主阵地皮毛大院司令部、实验小学、屯垦合作社的军需库、谭统领公馆、耶稣教堂、天主教堂、直鲁豫公馆等七处重要据点被炸毁或攻破占领。只有屯垦办事处和平市官钱局仍然有残余日军固守顽抗。由于工事坚固，地形复杂，日军又很快组织起有效的火力网，因此使突击队进攻受挫，也造成了极大的伤亡。战斗呈对峙胶着状态。
周英心急如焚，担心久攻不下影响整个战役的进程，也担心日军瞅机会逃跑，于是便命令号兵吹号，命令各分队迅速向屯垦办事处和平市官钱局集结。各分队听到号声后，留下少数人守卫已夺据点，其余的人迅速集中于屯垦办事处和平市官钱局。周英立即给各分队下达了任务。得令后各分队立即抢占有利地形，将两处残敌团团围住。
奇袭不行只得强攻。周英命令各分队同时发起攻击，利用破墙断壁，隐蔽接近，用炸药包端掉日军火力点，炸开豁口，冲进大院消灭残敌。可是日军的战斗力是不容小视的，其单兵战斗素质很高，只要我方官兵露头就会被击中；其火力点也设得相当合理，阵地前二百米内均在其杀伤范围。
因此，进攻很难奏效。有二十多名士兵被打伤阵亡。五临警备旅营长闫云被子弹击中胸部阵亡，总指挥安春山脚部受伤，周英令士兵抬下战场。
孙兰峰总指挥命令突击队不惜任何代价迅速夺取两据点，扫清残敌，结束城内战斗！周英不敢怠慢，带伤指挥。他立即组织起又一轮进攻，结果情同上轮，又有三十多名士兵倒在日军的枪口下。
这时，日军飞机临空支援。由于末来得及扯下太阳旗，日机飞行员没有对被突击队攻占的据点实施轰炸，反而误炸了由旧城赶来增援的伪军守备队。紧接着对包围屯垦办事处和平市官钱局的突击队进行了轰炸扫射，给部队造成不小的损失。
见此情景，龟缩在屯垦办事处的一百多日军冲出工事，向突击队阵地发起反冲击，企图突围。
周英见日军冲出了工事，便咬牙切齿道：“好哇！王八终于露头了！我让你伸出来就缩不回去！弟兄们！等鬼子冲到一百米开火！听我的命令！”众人齐声应道：“是一一！”
当日军进至百米之内，周二马率先开枪将一个军官击毙，吼道：“打一一！”。随即所有轻重武器同时开火，日军瞬间倒下二十多。保安团的二十名勇士都是百发百中的神枪手，几乎弹无虚发。日军指挥官见势不妙，急令撤退，可是已经晚了，阵地前已经倒下七八十具尸体，只有二十多个人逃进工事。周英不失时机地命令部队乘胜攻进屯垦办事处，可是当我军攻击到院墙前时，日军施放了毒气弹。由于没有防毒措施，所以官兵们只得用尿湿的毛巾捂住口鼻撤回原阵地。
稍事休整，周英准备再次发起攻击。周二马提议道：“照这样强攻下去，势必得不偿失，成了添油战术，敌人凭借的是坚固的工事，而我突击队却没有重武器。因此我建议停止攻击围而不打，立即向孙师长报告，请求炮火支援。这两处的敌人已经是孤立之敌，也是瓮中捉鳖，消灭他们只是迟早的事。”周英觉得周二马说得有道理，于是命令部队严守阵地防止敌人逃跑；同时向总指挥孙兰峰报告了战况，并请求炮火支援。孙师长批准了突击队的方案。
义和渠呈南北方向从五原县城穿城而过，将县城一分为二。渠东称新城，渠西称旧城。日军驻守新城。
从二十号零点战至二十一号中午十二点，新城旧城的日伪军基本肃清。
新三十一师（欠九十三团）和五临警备旅主攻旧城的西关和郝头儿圪堵等要点。在攻打郝头儿圪堵的战斗中，守敌凭借坚固的工事和复杂的地形，给攻城部队造成极大的困难和伤亡。由于民房稠密，攻击部队只得用炸药逐墙爆破缓慢推进，与守敌展开了逐街逐巷逐院逐房的争夺战。战斗中，五临警备旅贾宴如团长阵亡，可见战斗之惨烈。
新三十二师主要攻击地域是城西北的前后补红，广胜西及新城。在攻打前后补红的战斗中，该部营长赵寿江牺牲，全营官兵只剩七人；该师九十四团的两个营担负攻打广胜西的任务。在战斗中两名营长皆负重伤；在攻打新城的战斗中，师长袁庆荣负伤。战况之惨烈可见一斑。
在外围战斗中，骑七师与驻守在梅林庙的蒙古军第七师激战一日，呈胶着状态。是夜，骑七师以一部正面佯攻，其主力运动到村子东侧的皂火渠畔，突然向敌猛攻，敌不支，向县城日军求救。此时日军司令部早被突击队捣毁，电文落在孙兰峰总指挥手中。随即，孙兰峰总指挥让译电员回电，大意是无兵可派，可以自由行动。纳生巴彦尔师长接电后，命令部队向东突围。此举正中下怀，骑七师主力迅速将其合围歼灭。
在整个战役中，诸如此类的战例还有许多，在此不一一细表。
且说攻城部队完成任务后，孙兰峰总指挥及时调整了布署。令一0一师两个团迅速北上乌加河，增援阻援的郭景云团；令新三十二师转为战役总予备队；又令新三十一师及五临警备旅增援突击队，攻克最后的堡垒一一屯垦办事处和平市官钱局。并于当天傍黑调来山炮营助战。
屯垦办事处和平市官钱庄是紧挨着的两座院落。日军占领后，将隔墙拆除，使两院连接贯通形成一体。日军联队长平田一郎及三百多官兵畏缩在里面固守待援。他们在院子里用白布拼成四个字：紧急救援。日军飞行员看到后，数十架飞机向围歼部队轮番轰炸扫射企图压制我军火力，阻止其进攻，从而使日军突围。然而，围歼部队坚守阵地巍然不动。至使日军无缝可钻无机可乘。下午，日军飞机投下一个信筒被傅军截获，内容是：坚持到黄昏，援军必到。同时傅部电台截获破译了一份日军电报，内容是：坚持到黄昏，援军必到。
总指挥孙兰峰得此信息后心急如焚。他心里十分清楚，攻城战斗每迟延一分钟，乌加河的阻援部队就会付出极大的代价。于是命令突击队务必在黄昏前拿下屯垦办事处和平市官钱局。
周英接令后与周二马协商，准备先用炮轰击两座大院，炸毁其火力点，杀伤其有生力量，然后，各部从四面进攻，可一举夺得两处大院。
周二马提出了疑议：“日军火力点的设置很隐秘，山炮远程发射难免出现误差，若不能彻底催毁日军火力点，恐怕围歼战斗做成夹生饭。”
周英知道他有了办法，于是问道：“依你之见哪？”
周二马说道：“抵近射击！把山炮架设在义和渠渠塄上，采用平射的办法把敌人的火力点一个一个地拔掉！”
周英听后低头沉思没表态。片刻，说道：“抵近平射固然准确无误，可是这办法行不行哪？从来也没听说过，更没见过。”
周二马说道：“可找来炮兵营长实地勘察，如果行，更好；假如不行，也不误事。”
于是周英让人找来炮兵营长，一块儿来到同济渠渠塄上进行了反复的勘察和论证。最后，那炮兵营长肯定地说道：“行！没问题！”随即命令全营整装待命。
由于屯垦办事处和平市官钱局距离义和渠不足二百米，中间又是一片开阔地，渠壕里还灌满了水，因此选定的炮阵地均在敌人的火力控制范围，一但暴露，不仅炮击难以奏效，还会造成人员伤亡。于是那炮兵营长提出两点要求：一，炮击必须定在深夜零点；二，在炮兵进入阵地时，步兵应发起一次佯攻，迷惑日军。周英同意了这一方案。
深夜十一点整，周英正准备指挥部队在西边发起佯攻，以配合炮兵架炮。突然日军在左右两个火力点的掩护下，冲出工事向北突围。周英立即命令突击队阻击围歼。战斗持续半小时，突围的一百多日军全部被歼。与此同时炮营也完成了炮阵地的设置。那营长向周英请示是否开炮。周英命令立即开炮。
随着营长一声令下，九门山炮呈排状发射均命中目标。连续几排炮击后，步兵开始冲锋。两处大院皆成了废墟。尘士滚滚，烟雾笼罩。
在各分队快速冲进大院时，突然左翼周雄分队正面的房屋破墙下，露出一挺重机枪，并吐出炽热的火舌。瞬间，倒下十几名士兵。进攻受阻，士兵们伏于破墙断壁后抬不起头。
见此情景，周二马就地一个鹞子翻身，滚到破墙根，又一跃而起，翻过破墙跳进房里。
这时，平田一郎正挥动战刀指挥日军残余约七八十人，在机枪的掩护下准备从正面突围。冷不丁从墙头跳下一个人，平田一郎没迟疑挥起战刀向周二马头部劈去。周二马急忙偏转头，右肩被刀砍伤。他忍着剧痛，翻手一枪将中平田一郎击毙。又掏出手雷扔进火力点，随着一声爆炸，机枪不响了。他顺势滚进了被炸塌的机枪掩体。这时子弹象雨点一样向他射来。周二马背靠一堵破墙坐着，将手雷反手投向背后的敌群。不一会儿，突击队官兵从四面冲了进来，将七八十个日军残余压缩到房屋的一个角落里。几百官兵都瞪着冒火的眼睛怒视着日军，所有轻重武器同时开火，七八十个日军无一生还。
至此，五原县城内外的日军、蒙古军、绥西联军全部肃清。总指挥孙兰峰命令部队打扫战场，又令突击队搜捕汉奸金喜廷、杜凤山、刘耀山等，当夜汉奸全部抓获处决。
但是，官兵们搜遍了全城也没有日军司令水川和蒙古军司令乌古廷、绥西联军司令王英。
周英向孙兰峰师长报告了这一情况。孙师长下了死命令：无论如何要找到，尤其是水川，死要见尸活要见人！周英不敢怠慢，迅速把队伍撒开，遍城寻找。
