以湖北端石佛村老运河入湖口为界，南四湖大堤划分为湖东堤和湖西堤。
湖东堤
北起任城区石佛村老运河，南到微山县韩庄镇老运河104公路桥，全长124.89公里（包含青山至垤斛的丘陵地段），贯穿任城区12.3公里、滕州市12.96公里、微山县99.63公里。1999年，省水利厅批准兴建微山县城及湖东工矿区防洪一期工程，该工程北起留庄乡北沙河，南至昭阳乡新薛河，全长45.6公里。工程标准为国家大型二级堤防，按防御1957年洪水设防（约90年一遇）相应洪水位。该工程以二级坝为界，1999年完成二级坝至新薛河长25.5公里段的堤防。2001—2002年，完成二级坝至北沙河长20.13公里段的堤防，并相应完成有关建筑物工程。南四湖湖东地区为蒙山西侧支流入南四湖的汇水区，沿湖为山前平原，地势低洼，区内人口稠密，交通发达，资源丰富。为保护该地区工农业生产和人民生命财产安全，根据水利部和省水利厅计划安排，确定兴建湖东堤工程。该工程是沂沭泗河洪水东调南下工程的重要组成部分，2006年7月14日开工建设，济宁市境内段长46.2公里，工程投资5.13亿元，一并工程有北沙河、城潡河、新薛河和蒋集河4条入湖支流支堤的加固，新建22座排灌站，加固14处已建排灌站，穿堤涵洞、15座入湖支流沟口封闭涵洞等建筑物，全部工程2009年完成。该工程堤防等级为二等，其中，洸府河—石佛段按防御1957年洪水设防；洸府河—泗河—青山，垤斛—北沙河及新薛河—郗山段防洪标准为50年一遇。
2006年7月30日，济宁市南四湖湖东堤工程开工典礼举行。
湖东堤夏镇航道闸站 （2009年9月摄）
湖西堤 自南阳湖北端石佛村至微山县南端蔺家坝，全长130.84公里。由于湖西大堤为20世纪50年代结合京杭运河疏浚而修筑，限于当时施工条件，加之运行40余年，大堤已达不到原设计的20年一遇防洪标准。根据水利部和淮委将湖西大堤提高到防御1957年洪水标准的批复，2000年1月7日开工，该工程包括湖西干堤加固及湖西支流湖口段加固工程两大部分。加固标准：湖北堤、西支河北1.8公里至东鱼河段按防御1957年雨型标准设计，其余按20年一遇防洪标准设计。经过3年施工，到2002年，先后完成干堤堤防复堤工程、支流加固工程、干堤和支堤建筑物工程，水泥粘土灌浆及筑新堤工程等。西支河北1.8公里至东鱼河段，因西支河北段堤防上居住人口稠密，经批准采用距原堤67米的湖内修建新堤方案。 1997—2003年，对姚楼河至大沙河段湖西大堤进行除险加固，工程全长8087米。为进一步提高湖西大堤的防洪标准，2001年，淮委批复杨官屯河南1.6公里及大屯闸以南4.91公里两段由山东省负责实施，其设防标准为防御1957年洪水。该工程分别位于微山县张楼乡境内及赵庙乡境内，因迁占问题未解决，工程建设停滞。后经积极协调，淮委对工程设计进行修正，2006年12月25日开工，2008年完成。江苏省组织的湖西堤插花段4.23公里加固工程（小四段—鹿口河段）2006年12月开工，2007年完成。 2010年4月16日，湖西堤加固续建工程开工，工程包括：干堤堤防加固34.3公里，支流堤防复堤31公里，干堤截渗33.2公里，新建堤顶防汛道路45.81公里，新建蔡河、老万福河河口两座防汛交通桥，拆除重建和维修加固各类建筑物98座，总投资4.54亿元。
湖东堤夏镇航道闸站 （2009年9月摄）
湖西堤 自南阳湖北端石佛村至微山县南端蔺家坝，全长130.84公里。由于湖西大堤为20世纪50年代结合京杭运河疏浚而修筑，限于当时施工条件，加之运行40余年，大堤已达不到原设计的20年一遇防洪标准。根据水利部和淮委将湖西大堤提高到防御1957年洪水标准的批复，2000年1月7日开工，该工程包括湖西干堤加固及湖西支流湖口段加固工程两大部分。加固标准：湖北堤、西支河北1.8公里至东鱼河段按防御1957年雨型标准设计，其余按20年一遇防洪标准设计。经过3年施工，到2002年，先后完成干堤堤防复堤工程、支流加固工程、干堤和支堤建筑物工程，水泥粘土灌浆及筑新堤工程等。西支河北1.8公里至东鱼河段，因西支河北段堤防上居住人口稠密，经批准采用距原堤67米的湖内修建新堤方案。 1997—2003年，对姚楼河至大沙河段湖西大堤进行除险加固，工程全长8087米。为进一步提高湖西大堤的防洪标准，2001年，淮委批复杨官屯河南1.6公里及大屯闸以南4.91公里两段由山东省负责实施，其设防标准为防御1957年洪水。该工程分别位于微山县张楼乡境内及赵庙乡境内，因迁占问题未解决，工程建设停滞。后经积极协调，淮委对工程设计进行修正，2006年12月25日开工，2008年完成。江苏省组织的湖西堤插花段4.23公里加固工程（小四段—鹿口河段）2006年12月开工，2007年完成。 2010年4月16日，湖西堤加固续建工程开工，工程包括：干堤堤防加固34.3公里，支流堤防复堤31公里，干堤截渗33.2公里，新建堤顶防汛道路45.81公里，新建蔡河、老万福河河口两座防汛交通桥，拆除重建和维修加固各类建筑物98座，总投资4.54亿元。