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在夺城及外围战斗激烈进行的同时，乌加河畔的阻援战斗同样惨烈。
包头是西北重镇，也是日军派驻重兵的城市，距五原五百华里。因为是离五原最近的驻军据点，所以一但五原有战事，包头驻军是唯一能够增援的部队。
在制订战役计划时，傅长官考虑到日军会从固阳、安北、乌不浪口等处的北路增援五原之敌。其根据是日军盘踞五原后，在乌加河上建筑了桥梁，并派重兵把守，其意图不言而喻。于是炸毁桥粱，掘口淹路就成了阻援战斗的关键。
依照战役布暑，一0一师的三0一团、三0三团为战役总予备队。三0二团担负炸毁桥粱和阻击援军的任务。
三日二十日晚，三0二团按照予定时间准时进至乌加河畔的二财主圪旦。因为予先侦得守桥的是蒙古军的一个团，其大部分驻在桥北的渠塄下。所以夺桥的战斗布署很快就续。
郭景云团长从全团抽调了有专业特长的人组成火力队、爆破队、突击队。在桥南布下弧形伏击阵地，设制了交叉火力网和炮兵阵地；又让一营营长秦俊义和营副辛占杰带领突击队由乌加河上游乘木舟过河，隐蔽接近桥北敌防御阵地。
时值半夜，伪军正在酣睡，桥的南北两端只有两对哨兵抱枪打呵呀。突击队近距离突然发起袭击，手榴弹冰苞般地落下。伪军们有的死于睡梦中，有的仓促应战。突击队又一阵猛打猛攻，伪军不支纷纷向桥南逃窜，企图向五原撤退。等敌人完全进入伏击圈，郭景云团长一声令下，顿时枪炮齐鸣。瞬间，敌人死伤一片，活着的掉头往后跑，又遭突击队的迎头痛击，又死伤一片。活着的纷纷跪下举手投降。整场战斗没用半小时就结束了。
紧接着爆破队开始爆破作业。时值初春，河冰没有完全消化，河水里漂荡着冰块凌渣。官兵们忍受着剧烈刺骨的寒冷下到河里，将炸药包放置于桥柱顶端和桥梁上，撤离后立即起爆将桥炸毁。
随即，郭景云团长命令各营在南岸沿渠塄一线构筑工事，准备迎敌。
晌午时分，日军约两千人乘汽车来到退水渠北岸，见桥梁被炸毁，工兵立即开始架设浮桥。
郭景云团长下令开火，阻止日军架桥。日军工兵抬着木料到不了河边就被击中，上一拨死一拨。
这时，两架轰炸机飞临上空对郭团的阵地进行轮番的附冲扫射和投掷炸弹；炮兵也开始炮击；步兵组织起强大的火力掩护工兵架桥。
郭团伤亡过半，但官兵们斗志不减。郭团长身负两处伤，仍然忍着剧痛指挥战斗，秦俊义胳膊负伤，辛占杰小腿被子弹穿透。但二人均带伤指挥战斗。官兵们只要能动弹的就不停地射击。所有轻重武器集中一点，封锁河面阻止架桥。
战至下午三点左右，郭团战斗减员更为严重，能拿枪瞄准射击的官兵不足百人。而日军攻势更为凌厉。飞机不间断地轰炸扫射；炮火也一阵紧似一阵；又有两千多援军赶来，几十挺轻重机枪一挺挨着一挺沿渠塄一线摆开形成一道密不透风的火力网，压制住了郭团的火力。工兵开始架桥。
就在这当紧回合，董其武师长带着两个团赶到。董师长立即将两个团沿渠塄左右摆开，在桥头两侧形成八字防御阵地；又集中了所有的机枪和神枪手，组成强大的火力压制日军的火力；还集中了全师的各种口径的炮，在南侧的红柳林里设置阵地，与日军展开了隔河炮战。这一措施果然奏效，日军工兵还是不能架桥。
双方昼夜激战，两岸炮声如磨豆响雷，枪弹似瓢泼大雨，战斗近似白热化，双方均损失惨重。两名团长均负轻伤；一名营长和三名连长阵亡。
战至二十三日上午，日军见架桥无望，于是在下游用飞机炸开冰层，用橡皮艇运兵渡过了河。并徒步向五原疾进。
见此情况，董师长准备在折桂乡一带设伏，继续阻击日军。这时接到了傅长官的命令，让一0一师撤出战斗，退至五原县城北边的梅林庙一带待命。董师长一面下令全师撤退，一面派出工兵将乌加河堤塄炸开。居高久憋的河水汹涌而出一泻千里，瞬间将道路、荒滩、田野覆盖，五原城北变成一片汪洋。日军庞大的行军队形，在水中艰难跋涉而行，其行进速度犹如蜗牛爬行一般。
一0一师的官兵站在远处的高沙梁上，望着在水中缓缓而行的日军，高声吼道：“小鬼子，慢慢儿耍水水哇！哈哈······”
上灯时分，日军进了五原县城。这时全城漆黑一片，到处是破墙断壁，人迹全无，只有三五成群的野狗在啃噬日本兵的尸体，并向来人发出凶狠的“哇儿一一！哇哇儿！”威胁叫声。日军用枪驱散群犬，将尸首集中焚烧后装入骨灰罐。因为尸首里没有发现水川的尸首，所以在全城展开了仔细的搜寻。
五原县城被攻破，使日本朝野震动。因为日军绥西警备司令水川中将不是非凡之人。他是天皇的族叔，也是日本国警察总监。他的死亡让日本皇族受到损失，也会使整个帝国国民和军队的精神意志受到影响。于是大本营命令蒙疆驻屯军司令冈部直三郎无论如何也要找到水川，生要见人死要见尸。由此可见，日军不惜代价拼命增援五原，其目的源于此。
至从日军进入五原城，四周的爆炸声和枪声就此起彼伏接连不断。傅部官兵借着夜暗纷纷出击，不断袭击和纷扰日军。一晚上，日军不但没找到水川，而且还遭受到不小的损失。因此，日军害怕孤悬五原，重蹈水川的覆辙，在天亮时开始撤离五原。可是四周全是茫茫水海无路可退。只得求助飞机引导，拣高燥圪梁向乌不浪口方向退去。沿途又不停地遭到傅部官兵的堵截和追击，真是防不胜防损兵折将苦不堪言。
附近的百姓们站在远处的高圪梁上亲自目睹了日本人的狼狈相，纷纷议论道：“俗话说好进难出，可这日本人是进也难出更难！真还应了那句古话：强龙难压地头蛇。”
五原战役历经三天三夜胜利结束。
