In recent years, surface water used for domestic, industrial, and irrigation purposes in South Africa has deteriorated due to inadequate wastewater treatment, urban and agricultural runoff, and rural settlements with deficient sanitation. Access to safe drinking water and sanitation is a basic human right, and if waterborne pathogens are present in the water environment, they compose a human health risk. With some hydrological models, e.g., Hydrological Predictions of the Environment (HYPE), it is possible to model microbial water quality and predict how land use and climate changes affect recipient water sources. In this thesis, waterborne pathogen transport in South Africa is investigated using World-Wide HYPE (WWH), to increase the understanding of the largest sources affecting pathogen concentration in surface water and processes affecting pathogen transport. Initially, a literature study was performed with emphasis on finding the most suitable pathogen to simulate. Because of the amount of available data, the indicator microorganism, E. coli, was chosen. Observed E. coli concentrations in surface water were used to evaluate the conformity of the simulated concentration, and contributions from separate sources were analysed. A sensitivity analysis was performed to increase the understanding of process parameters affecting the transport of E. coli in WWH. The findings of this project show that the largest contributions of E. coli originate from humans with unsatisfactory waste management, where wastewater is partially released directly to surface water. The largest deviation in average E. coli load per year was obtained when altering t1expdec, which denotes the half-life time of the simulated microorganism. The half-life time was also the process parameter with the most significant effect on the simulated concentration. In addition, when the parameter that specifies the fraction of E. coli that is released directly to surface water was altered, which affects one of the largest E. coli sources, a large deviation in average E. coli load per year was observed. This finding shows the importance of estimating the load from contamination sources accurately. The conformity of simulated and observed E.coli load was acceptable, but the simulated discharge needs to be improved to achieve better conformity of the E. coli concentration in surface water. WWH has great potential to simulate waterborne pathogens, but further developments to improve the simulated discharge are encouraged to obtain more reliable results. / Under de senaste åren har kvaliteten av ytvattnet i Sydafrika försämrats på grund av bristfälliga vattenreningsverk, avrinning från urbana miljöer och åkermark och områden med undermålig sanitet. Att ha tillgång till rent vatten och fungerande sanitet är en grundläggande mänsklig rättighet och om patogener är närvarande utgör detta en hälsorisk för människor som kommer i kontakt med dessa smittoämnen. Det är möjligt att modellera vattens kvalitet med avseende på mikroorganismer och att förutse hur markanvändning påverkar kvaliteten i recipienten. I detta arbete har transporten av vattenburna patogener i Sydafrika undersökts genom World-Wide HYPE (WWH) med syftet att öka förståelsen av de största källorna som bidrar till ökande koncentrationer av patogener i ytvatten, samt att öka förståelsen av processerna som påverkar transporten. En litteraturstudie utfördes för att hitta en passande patogen att simulera, och på grund av mängd tillgängliga data valdes indikatororganismen E. coli. Uppmätt koncentration av E. coli i ytvatten i Sydafrika användes för att utvärdera överrensstämmelsen med simulerad koncentration, och bidrag från olika källor av E. coli analyserades. En kompletterande känslighetsanalys utfördes för att öka förståelsen om transportprocesserna i WWH. Resultatet visade att de största bidragskällorna av E. coli till ytvatten i modellen är människor med otillräcklig hantering av mänskligt avfall där genererat avloppsvatten delvis släpps ut direkt till ytvattnet. Från känslighetsanalysen visade det sig att den mest känsliga modellparametern var t1expdec som beskriver mikroorganismenshalveringstid. Det var också den processparameter som också hade störst påverkan på den simulerade E. coli koncentrationen. När parametern som bestämmer andelen av E.coli som släpps ut direkt till ytvatten varierades, som påverkar en av de största källorna, resulterade det också i stor förändring i genomsnittlig belastning av E. coli per år. Detta indikerar att det är viktigt att estimera bidragskällorna korrekt. Överrensstämmelsen mellan simulerad och uppmätt belastning av E. coli per dag var acceptabel men det simulerade vattenflödet bör förbättras för att uppnå en bättre överrensstämmelse mellan simulerade och uppmätta koncentrationer av E. coli. WWH har stor potential att modellera vattenburna patogener, men vidareutveckling av simulerade vattenflöden behöver utföras att få mer tillförlitliga resultat.

Water is a primary shared resource that connects all species across the landscape and can facilitate shared exposure to a community of waterborne pathogens. Despite remarkable global progress in sanitation and hygiene development in the past two decades, infectious diarrhea remains a prominent public health threat in sub-Saharan Africa. This thesis identifies and discusses persistent challenges limiting the success of current waterborne disease management strategies and several existing research hurdles that continue to impede characterization of microbial transmission and transport. In this work, the Chobe River watershed in Northern Botswana serves as a target study site for the application of hydrological modeling tools to quantify emergent water quality and health challenges in Southern Africa. A watershed model with extensive data requirements, the Hydrological Simulation Program – Fortran (HSPF), is used to identify primary data gaps and model assumptions that limit the progress of model development, and guide opportunities for data collection, tool development, and research direction. Environmental pathogen exposure risk and epidemiological outbreak dynamics are best described by interactions between the coupled human and environmental processes within a system. The challenge of reducing diarrheal disease incidence strengthens a call for research studies and management plans that join multiple disciplines and consider a range of spatiotemporal scales. / Master of Science