以式（2.4）的线性关系表示的达西定律有一定的适用范围。实验结果表明，当渗流速度（v）增大时，v与I之间的关系就逐渐偏离这种线性关系。多孔介质中地下水的运动可以分为三种状态：①当地下水低速运动时，以式（2.1）计算的雷诺数小于1～10之间的某个值，地下水呈层流运动；②随着渗流速度增大，雷诺数大致在1～100之间，为一过渡区，地下水由层流逐渐转变为紊流；③渗流速度大且雷诺数大于100时，地下水呈紊流运动。只有当雷诺数不超过1～10时，地下水的运动才符合达西定律。不符合达西定律的地下水流称为非达西流。
实际上，大多数天然的地下水运动都服从达西定律。例如，地下水在平均粒径d=0.5mm的粗砂中运动，当水温为15℃时运动黏滞系数v=0.1m2/d，当雷诺数等于1时，根据式（2.1）求得渗流速度v=200m/d。表明在粗砂中，当v＜200m/d时，地下水运动服从达西定律。若粗砂的渗透系数K=100m/d，水力梯度I=1/500，可求得天然地下水渗流速度v=0.2m/d，远小于雷诺数为1时的v=200m/d（薛禹群，1986）。
当雷诺数大于1～10时，描述地下水运动的v I关系式是非线性的。不同研究者提出不同的非达西流公式，但是还没有一个被普遍公认的公式。其中比较常用的是Forchheimer公式：
地下水科学概论（第二版·彩色版）
或
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以及
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式中：I为水力梯度；v为渗流速度；a，b和c为由实验确定的常数及1.6≤m≤2。当a=0时，式（2.15）可以写成
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式中：K为渗透系数。式（2.18）称为Chezy公式。一般来说，大雷诺数的地下水流很少出现，有时在空隙极粗大的岩溶化岩层及流速很大的抽水井和泉口附近可以见到。
也有研究者通过饱水黏性士的室内渗透实验揭示在颗粒极其细小的黏性士中结合水的流动呈现为非达西流。结合水在运动时，是层流运动形式，但必须有外力克服结合水所具有的抗剪强度后才能流动。对于某些黏性士，其渗透规律表现为在 v I关系图（图2.7）中的一条通过原点并向I轴凸出的曲线，存在一个起始水力梯度（I0）。当实际水力梯度小于起始水力梯度时，结合水的渗流速度非常小，几乎不发生流动。随着水力梯度加大，参与流动的结合水层厚度增大，曲线斜率逐渐增大。当实际水力梯度大于起始水力梯度时，参与流动的结合水层厚度没有明显增大，曲线的斜率趋于定值，v与I呈线性关系。v I关系图中的直线部分可以表示为
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图2.7 饱和黏士渗透的v-I关系及起始水力梯度示意图
（据王大纯等，1995）
其中起始水力梯度（I0）可以理解为结合水发生明显渗流时用于克服其抗剪强度的最小水力梯度。黏性士和黏士一般来说被视为不透水层，但若其上、下含水层存在足够大的水头差，使垂向实际的水力梯度大于其起始水力梯度，则上、下含水层地下水可以通过黏性士和黏士层发生渗透而“越流”，黏性士和黏士层成为弱透水层。到目前为止，饱水黏性士中结合水的运动规律还没有完全研究清楚。