Las interacciones entre aguas subterráneas y aguas superficiales juegan un papel crucial en los ciclos hidrológicos, especialmente en cuencas áridas y semiáridas. Hay un creciente interés en desarrollar modelos hidrológicos integrados para describir las interacciones entre aguas subterráneas y superficiales y los procesos asociados. En este estudio, se probó y utilizó un modelo hidrológico integrado basado en procesos, ParFlow, para cuantificar las respuestas hidrológicas, como los cambios en el escurrimiento superficial y el almacenamiento superficial/subterráneo. Progresivamente, se llevó a cabo una serie de casos de referencia con complejidad creciente para evaluar el rendimiento de ParFlow en la simulación del flujo superficial y el intercambio integrado de aguas subterráneas y superficiales. Mientras tanto, el rendimiento general y la eficiencia computacional se evaluaron cuantitativamente utilizando diagramas de Taylor modificados. Basado en los casos de referencia, se realizaron dos estudios de caso en la cuenca del río Heihe para una validación adicional y para diagnosticar las respuestas hidrológicas bajo perturbación, denominados los casos Bajajihu (BJH) y Dayekou (DYK), respectivamente. Ambos casos fueron transectos 2D configurados con mediciones in situ en la parte media y baja de la cuenca del río Heihe. En el caso BJH, la humedad del suelo simulada por ParFlow mostró ser comparable con las observaciones in situ en general, con un coeficiente de correlación de Pearson (R) > 0.93 y una diferencia cuadrática media raíz (RMSD) < 0.007. En el caso DYK, se utilizaron siete escenarios impulsados por datos de teledetección y reanálisis para estudiar las respuestas hidrológicas influenciadas por procesos físicos naturales (es decir, precipitación) y explotaciones de aguas subterráneas (es decir, bombeo) que son críticas para el almacenamiento superficial y subterráneo. Los resultados muestran que el almacenamiento subterráneo es sensible a la explotación de aguas subterráneas antes de un punto estacionario obvio. Además, se proporcionó un análisis de correlación que demuestra los impactos de diferentes factores en las series temporales de almacenamiento subterráneo. Se encontró que el bombeo influye notablemente en el almacenamiento subterráneo, especialmente bajo tasas de bombeo de corto plazo pero de gran volumen. Se espera que el estudio proporcione una herramienta poderosa y una guía perspicaz para comprender los efectos de los procesos hidrológicos en cuencas áridas y semiáridas.