El presente trabajo de investigación implementa un modelo ecohidrológico a la zona del valle geográfico del Río Cauca en el cual se evalúa un modelo estocástico de balance hídrico puntual en función del contenido de humedad del suelo. Al modelo de balance se acopla un modelo matemático que evalúa el grado de estrés hídrico aplicado al cultivo de la caña de azúcar. El marco conceptual corresponde al estudio del impacto del ciclo hidrológico en la dinámica del contenido de agua en el suelo y como ésta afecta el desarrollo del cultivo en función de la aparición o no de estrés hídrico. Así, el modelo estudia las complejas interacciones dadas en el sistema clima–suelo–vegetación desde un punto de vista ecohidrológico. La modelación para el caso estacionario se desarrolla a resoluciones temporales que van desde la escala decadal, interanual y anual. El análisis anual corresponde a temporadas secas y húmedas definidas por la tasa de ocurrencia de eventos y la lámina media de precipitación, así como por el comportamiento de la evapotranspiración del cultivo de referencia a una escala temporal diaria. Estas temporadas se diferenciaron a partir de un análisis de varianza de las series de precipitación y clima registradas en la Red Meteorológica Automatizada (RMA) del Centro de Investigación de la Caña de Azúcar de Colombia, Cenicaña, (Cali–Florida, Valle del Cauca, Colombia). Los parámetros del suelo y del cultivo de caña de azúcar que caracterizan al sistema y sirven de entrada al modelo, se establecieron con base a estudios previos en la zona. Los resultados de modelación de la humedad del suelo y el estado de estrés hídrico se representan mediante funciones de densidad de probabilidad que resultan consistentes con las condiciones climáticas para cada resolución temporal y permiten observar la influencia de fenómenos interanuales como el ENSO así como el comportamiento bimodal del clima a escala anual. El análisis de variabilidad espacial permitió un acercamiento global del estado de estrés hídrico que experimenta el cultivo de caña de azúcar debido a las condiciones climáticas adversas del valle y resulta ser una herramienta útil en la gestión y toma de decisiones en cuanto a la distribución y aplicación eficiente de agua mediante sistemas de riego.