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  1920年,傳教士比·肖特在水洞溝東面的一處斷崖上發現了一具披毛犀牛的頭骨化石,以及一件經過人工打製的石英岩石片。在得知相關訊息後,1923年,法國古生物學家德日進和桑志華等人在水洞溝展開了為期12天的發掘,共發現5箇舊石器地點,通過發掘獲得大量石器和少量動物化石,這些材料連同薩拉烏蘇遺址發現的材料.首次證明中國有舊石器時代遺址存在,並且這批遺址被德日進等人稱作“河套文化”。長期以來中外學者都將水洞溝的文化遺存視為同一時代的遺物。在經過調查之後,二人認為在整個水洞溝盆地的黃土中“埋藏著許多完全一致的舊石器時代製作場遺址。這是由黃土形成期間住在該區域的居民所留下的”。  1960年,中華人民共和國和蘇聯組建的中蘇古生物考察隊對水洞溝遺址進行了一次發掘,這次發掘的地點與第一次發掘位置基本相同,並且此次發掘的範圍被編號為1號地點,發掘過程中在1號地點發掘出了一座長寬各6米、深11米的深槽。1963年,在裴文中等考古學家的帶領下,考古人員對河套地區的遺址進行復查。在這次複查中對水洞溝遺址1號地點進行了系統的發掘,搞請了水洞溝文化的地層關係,同時確認水洞溝遺址當中的化石等文物分屬於不同地層。1980年9月4日至10月11日,寧夏博物館和原寧夏地質局區域地質隊調查隊組成聯合發掘隊,再一次對水洞溝遺址進行了系統發掘,這次範圍依舊位於1號地點內。前四次的揭露範圍共計100餘平方米。在第四次發掘後,水洞溝遺址的絕對年代被確定為距今4萬年至1.5萬年之間。1988年,水洞溝遺址被列為全國重點文物保護單位。  2002年4月至5月和2003年4月,考古人員在對水洞溝遺址進行考古調查時,發現了近20處遺蹟。2003年至2005年,以及2007年的每年9月間,寧夏文物考古研究所和中國科學院古脊椎動物與古人類研究所聯合對水洞溝遺址進行水洞溝第五次正式考古發掘,參加這次考古發掘的還有北京大學環境學院、蘭州大學、南京師範大學社會學院、中國科學院地質與地球物理研究所、中國地震學院、香港大學等科研教學部門的專家、教授和研究生,發掘時間總計為90余天。這次發掘主要圍繞水洞溝2號地點進行,此外在其東側的7號地點和8號地點也進行了小規模發掘。在這次發掘中,考古人員在地質剖面上已發現了6個以上人類活動遺留下來的文化層,每個文化層中都包含有石製品,這將水洞溝遺址的人類活動時間大幅推前。此外,在2004年,3、4、5號三處遺址進行了小範圍的保護性發掘;2007年和2010年因附近要修建水庫,考古工作者對12號地點進行了兩次搶救性發掘。  2014年6月10日至7月10日,來自中科院古脊椎動物與古人類研究所、寧夏考古研究所專家及北京大學博士生、多名外國科學家、以及部分國內的舊石器專家對水洞溝遺址進行第六次考古發掘。這次的發掘工作於6月13日正式開始,並於當月30日對媒體開放。

  水洞溝遺址位於鄂爾多斯高原的西南角,明長城遺址兩側。遺址被順著明長城方向的邊溝河分為南北兩個部分。遺址位於一個基底由第三紀三趾馬紅土構成的小凹地中。凹地內充填了晚更新世和全新世的河湖沉積物,如礫石、砂、粉砂、淤泥和風成黃土等,厚度在10至20米左右。截至2010年,水洞溝遺址沿明長城遺址被開掘出12處地點,以第2號發掘位置為例,從上至下,算上地表所在的現代土層至少有17層,其中第四層為舊石器時代晚期的第1文化層;在第六至第十六層下還有其他6箇舊石器晚期的文化層。一條由東南向西北流並最後注入黃河的溪流將這套鬆散地層切開,大量石製品和清晰的爐灶遺蹟等文化遺物出現在底礫層亡面的灰黃色黃土狀粉砂層中。與文化遺物共生的動物化石屬於華北晚更新世的薩拉烏蘇動物群,有野馬、野驢等,但數量不多,而且十分破碎。

  在水洞溝遺址的地層中,第四層中發現幾件帶有明顯水磨痕跡的盤狀砍砸器;在第7層(砂礫層)中發現大量石器,其中包括過去常見的石葉和紉石器,還發現1件磨光石斧和1件殘石磨盤。水洞溝文化層中發現的哺乳動物化石有披毛犀、鬣狗、騫驢、羚羊等,以及1件骨錐和1件鴕鳥蛋殼製成的裝飾品。石製品以矽質灰巖為主要原料,其次為石英岩和燧石,還有少量瑪瑙。它們都來自當地的河流礫石層。水洞構的石器有尖狀器、端刮器、新月形邊副器、凹缺器、雙直刃邊刮器、單直刃邊刮器、即刻器和鑽具等。  在1980年的發掘當中,在2號地點的第四層共計出土了5500餘件石器,其中以石核、石片等大型石器為主,其餘為小型石器;在第四層以下的其他文化層中共計出土1100餘件石製品,其中石器有200餘件。在2003年至2005年的發掘當中,2號地點共發掘出石製品7815件,環狀飾品74枚,動物骨骼和骨製品746件,以及少量動物化石碎塊;7號地點出土5209件,動物骨骼和牙齒80件,與2號地點相似的裝飾品1件;8號地點出土標本801件。2004年的發掘當中,3號地點在地表採集到5件石製品,227件鴕鳥蛋皮化石,從下文化層內出土了包括3個石核在內的28件石製品,上文化層內出土了27件石製品;4號地點出土了各類石製品共計826件;5號地點出土了42件石製品,以及2片鴕鳥蛋皮化石;12號地點發掘出大量的被人工處理過的動物骨骼化石,以兔和鳥類居多,基本上可以證明當時已經出現了肉食廣譜革命。此外,在2號、8號、12號地點發現了儲存較為完好的人類用火遺蹟,大量岩石出現過火後的開裂痕跡,並且出土了大量經過火處理的岩石標本。

  2006年4月28日,水洞溝遺址作為旅遊景點正式對外開放,一同被劃入水洞溝景區的還有長城、紅山堡、藏兵洞等城址。2010年1月8日,水洞溝景區正式被列為國家AAAA級旅遊景區。2011年6月18日至19日,“紀念水洞溝遺址發現88週年暨首屆水洞溝文化旅遊節”活動於2011年6月18日至19日在寧夏首府銀川和水洞溝遺址區舉行。當天水洞溝遺址博物館正式對外開放。2013年,紀念水洞溝遺址發現90週年大會暨國際古人類學術研討會在水洞溝景區召開。  2006年10月,水洞溝遺址被列為國家“十一五”文物保護規劃重大遺址之一。2008年,“水洞溝遺址研究院”、“中國科學院古脊椎動物與古人類研究所寧夏工作站”在水洞溝成立,這兩個機構專門負責水洞溝遺址的保護以及發掘工作。
水洞溝遺址位於中華人民共和國寧夏回族自治區靈武市,於1923年被發現及發掘,在中華人民共和國成立後再進行了多次發掘,截至2014年,該遺址發掘次數達到6次。水洞溝遺址是中國最早發掘的舊石器時代遺址之一,被譽為“東方史前考古的搖籃”。1988年,水洞溝遺址被列為全國重點文物保護單位。