乾隆二十二年（1757年），兆惠在平定准噶尔叛乱的同时，发现了回部头人波罗尼都（大和卓）与霍集占（小和卓）有叛乱的迹象。面对这种情况，兆惠一方面派遣参赞大臣富德去追捕叛逃的阿睦尔撒纳，另一方面则率领自己的部队停留在济尔哈朗，以便随时支援富德的行动。然而，乾隆帝认为兆惠在处理回部叛乱和追捕阿睦尔撒纳之间未能妥善平衡，批评他轻重不分。

在接到乾隆帝的责备后，兆惠迅速调整策略，继续北进，并派遣使者前往哈萨克，要求归还潜逃的阿睦尔撒纳。随着富德的大军在塔尔巴哈台俘获了叛军首领巴雅尔及其随从，兆惠也开始着手处理阿睦尔撒纳的问题。通过哈萨克汗阿布赉的帮助，兆惠成功地获得了阿睦尔撒纳的部分亲属，并将他们押送至京城。同时，兆惠还派遣其部下击败了阿睦尔撒纳的残部，并招降了部分叛军，进一步巩固了清军在该地区的控制权。

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到了乾隆二十二年（1757年）十二月，回部发生了大小和卓叛乱。乾隆帝任命兆惠为定边将军，负责南疆的讨伐任务。兆惠提出了先屯田于乌鲁木齐，待来年春季再行进军的建议，但乾隆帝认为这是怯懦的表现，并下达了责备的诏书。

乾隆二十三年（1758年）正月，兆惠决定首先解决厄鲁特人的威胁，然后再集中精力对付回部叛军。为此，乾隆帝任命雅尔哈善为靖逆将军，负责直接进攻南疆，而兆惠则需要在完成对厄鲁特蒙古的剿灭后，与雅尔哈善会师共同进击叛军。

兆惠在执行任务时，与副将军车布登紮布、副都统瑚尔起、侍卫达礼善等分四路进攻厄鲁特蒙古余部。尽管乾隆帝对一些叛军头目的未被捕获表示不满，但兆惠还是在四月份成功抓获了鄂哲特等人，并将他们押送至北京。

在处理完厄鲁特事务后，兆惠奉命前往库车视察军务。正当他返回北京时，乾隆帝的诏令要求他立刻前往库车支援雅尔哈善。由于雅尔哈善的军队已经被库车的叛军所围困，霍集占趁机逃脱。乾隆帝随即命令兆惠取代雅尔哈善的位置，并嘉奖他敢于亲自率领八百人赴库车，誓言不破敌军誓不还朝的决心。

四、黑水营之围

乾隆二十三年（1758年）八月，定边将军兆惠率领清军从伊犁南下，旨在平定回部大小和卓的叛乱。兆惠派遣副将富德驻守阿克苏，自己则率领四千余骑兵和步兵向叶尔羌城进发。叶尔羌城是一座坚固的堡垒，周围有十二座城门，叛军在城东五里处挖掘壕沟，构筑工事，以抵御清军的进攻。

十月初三日，兆惠的部队抵达辉齐阿里克，距离叶尔羌城约四十里，并在此扎营。他随即派出左右两翼的部队抢占城东的高地，以控制通往叶尔羌城的要道。初六日，叛军从东、西、北三个城门出击，试图阻止清军的推进，但在几次交锋中均被击退。

兆惠的大本营设在黑水河畔，因此被称为“黑水营”。鉴于叶尔羌城的坚固防御，兆惠决定分兵一部分给副都统爱隆阿，以防备来自喀什噶尔的大和卓叛军。与此同时，兆惠计划通过袭击山下的牧群来补充军粮，并诱使叛军出城作战。

十月十三日，兆惠亲自率领千余骑兵南下，目标是夺取一座桥梁，以便顺利前进。然而，当约四百人过桥后，桥身断裂，叛军五千骑兵和一万步兵从叶尔羌城中涌出，包围了清军。清军在孤立无援的情况下被迫进行殊死抵抗，直至夜幕降临，叛军才撤退。这场战斗造成了清军一百多人死亡，数百人受伤，其中包括总兵高天喜。

次日，霍集占组织叛军对黑水营发动猛烈攻击。兆惠指挥士兵一边战斗一边构建临时工事。战斗持续了五天，期间兆惠派出五名士兵向阿克苏求援。舒赫德在阿克苏接收到消息后，迅速向朝廷报告，乾隆帝随即命令靖逆将军纳木札尔率军救援。爱隆阿在返回阿克苏催促援军的路上遇到了纳木札尔的部队，但他劝说纳木札尔等待大部队到来后再行动，纳木札尔并未听从，结果在途中全军覆没。

面对强攻无效，霍集占改变策略，选择长期围困黑水营。黑水营的清军在极端恶劣的条件下坚持了三个月，从十月至次年正月，他们面临着严寒、缺乏弹药和粮食的困境。为了生存，清军不得不采取各种手段，比如从树木中挖出子弹，挖掘水井和储粮窖来维持基本生活。