Faits: A. A._ est propriétaire de la parcelle n° 230 du registre foncier de la commune de Gingins, sise en zone d'habitation de faible densité, selon le règlement communal sur les constructions et l'aménagement du territoire approuvé par le Conseil d'Etat du canton de Vaud le 13 octobre 1982 (RCAT). Ce bien-fonds est également colloqué en zone de protection rapprochée (zone S2) par le plan de délimitation des zones de protection des eaux souterraines du 1er décembre 2005, adopté par le Département de la sécurité et de l'environnement du canton de Vaud le 7 janvier 2009. Le 3 mars 2009, la prénommée a déposé une demande d'autorisation préalable d'implantation relative à l'agrandissement de sa villa sise sur le bien-fonds précité. Les plans décrivent une surélévation, soit l'adjonction d'un étage sur le rez-de-chaussée, ne modifiant pas la surface d'occupation au sol, mais augmentant la surface de plancher utile de 327 m2 avec l'adjonction de plusieurs pièces habitables, dont quatre salles de bain, un séjour et cinq chambres. Le projet a été mis à l'enquête publique du 4 avril au 4 mai 2009. Selon la synthèse de la Centrale des autorisations CAMAC du Département des infrastructures du canton de Vaud du 28 mai 2009, le Service des eaux, sols et assainissement du Département de la sécurité et de l'environnement (ci-après: le Service des eaux) a refusé d'accorder l'autorisation spéciale requise au motif notamment que le projet de surélévation se situait dans la zone S2 de protection rapprochée du captage d'Arpey, inconstructible; seuls des aménagements de minime importance, ou permettant de sécuriser les installations déjà existantes, pouvaient être autorisés sur le site. En conséquence, la Municipalité de Gingins (ci-après: la Municipalité) a refusé, par décision du 16 juin 2009, de délivrer l'autorisation préalable d'implantation sollicitée. B. A._ a recouru contre cette décision auprès de la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après: le Tribunal cantonal). Celle-ci a procédé à une inspection locale le 3 septembre 2010, en présence des parties. Par arrêt du 3 février 2011, le Tribunal cantonal a rejeté le recours. C. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral de réformer cet arrêt en ce sens que l'autorisation spéciale du Service des eaux est accordée et que le permis d'implantation sollicité est délivré. Elle conclut subsidiairement au renvoi de la cause au Tribunal cantonal pour nouvelle décision au sens des considérants. Le Tribunal cantonal conclut au rejet du recours en se référant aux considérants de son arrêt. L'Office fédéral de l'environnement et la Municipalité concluent également au rejet du recours. Le 20 juillet 2011, le Tribunal cantonal a déposé des déterminations complémentaires. Le Service des eaux a présenté des observations le 25 août 2011. La recourante a répliqué par courrier du 5 septembre 2011.